Abstract

Integrated control and process design (ICPD) was implemented for circulating fluidized bed power plants (CFB) in this thesis to obtain fast electrical power load changes. The need to reduce global emissions has resulted in new design requirements for CFB boilers: Combustion power plants are needed for fast load changes due to renewable power variations, and process modifications like oxy-combustion have to be implemented for CFB boilers. This thesis addressed the new requirements by integrating control design with process design for CFB boilers, which was done now for the first time.

The work defined an ICPD procedure for closed-loop CFB processes that focuses on load change performance. This was done by reviewing and classifying ICPD literature to select suitable design and analysis methods. The new ICPD procedure consisted of process analysis based on dynamic simulation and state estimation, control structure selection based on relative gain methods, and simultaneous dynamic optimization of process and controller parameters.

The design stages were validated through industrial case studies. In the process analysis stage, CFB combustion and flue gas dynamics were studied to define how the boiler should be modified for oxy-combustion. In the control design stage, the relative gain methods were used to identify feasible control structures and performance-limiting interactions in a once-through CFB boiler. In the ICPD optimization stage, the CFB steam path mass storage parameters and controllers were optimized for simulated load change ramps. The goal was to achieve tight output electrical power control and satisfy selected secondary control objectives.

The results show how faster load changes and a better flexibility for process modifications are obtained through ICPD compared to sequential process and control design. The design guidelines presented in this thesis thus enable more sustainable power generation in the grid.

Tiivistelmä

Tässä väitöstutkimuksessa sovellettiin integroitua säätö- ja prosessisuunnittelua (ICPD) kiertoleijupetivoimalaitoksiin (CFB) nopeiden sähkön kuormanmuutosten saavuttamiseksi. Globaalien päästöjen vähentämisen tarve on asettanut uusia suunnitteluvaatimuksia CFB-kattiloille: Uusiutuvan energiantuotannon vaihteluiden vuoksi polttovoimalaitoksia tarvitaan nopeita kuormanmuutoksia varten ja happipolton kaltaisia prosessimuunnoksia on sovellettava CFB-kattiloille. Uusista vaatimuksista johtuviin haasteisiin väitöstutkimus vastasi integroimalla säätö- ja prosessisuunnittelua CFB-kattiloille. Näin tehtiin nyt ensimmäistä kertaa.

Työssä määritettiin suljetun piirin CFB-prosesseille kuormanmuutosten suorituskykyä painottava ICPD-suunnittelumalli. Tämä suoritettiin tarkastelemalla ja luokittelemalla ICPD-kirjallisuutta sopivien suunnittelu- ja analyysimenetelmien valitsemiseksi. ICPD-suunnittelumalli koostui dynaamiseen simulointiin ja tilaestimointiin perustuvasta prosessianalyysista, suhteellisen vahvistuksen menetelmiin (”relative gain”) perustuvasta säätörakenteen valinnasta sekä prosessin ja säädinten parametrien yhtäaikaisesta dynaamisesta optimoinnista.

Suunnitteluvaiheet validoitiin teollisten tutkimusesimerkkien kautta. CFB:n poltto- ja savukaasudynamiikkaa tutkittiin prosessianalyysivaiheessa, tarkoituksena määrittää, kuinka kattilaa tulisi muuntaa happipolttoa varten. Säätörakenteen valintavaiheessa suhteellisen vahvistuksen menetelmiä käytettiin läpivirtaus-CFB-kattilalle soveltuvien säätörakenteiden ja suorituskykyä rajoittavien vuorovaikutusten määrittämiseen. CFB:n höyrypuolen massavarantoparametrit ja säätimet optimoitiin simuloiduille kuormarampeille ICPD-optimointivaiheessa. Tavoitteena oli saavuttaa tarkka tuotettavan sähkön säätö sekä valitut toissijaiset säätötavoitteet.

Tulokset osoittavat, miten ICPD:n kautta saavutetaan nopeampia kuormanmuutoksia ja parempi joustavuus prosessimuutosten osalta vaiheittaiseen prosessi- ja säätösuunnitteluun verrattuna. Työssä esitetyt CFB-kattiloiden suunnittelukäytännöt mahdollistavat täten ympäristöystävällisemmän voimantuotannon verkossa.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Hultgren, M., Ikonen, E., & Kovács, J. (2014). Oxidant control and air-oxy switching concepts for CFB furnace operation. Computers & Chemical Engineering, 61, 203–219. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2013.10.018

2. Hultgren, M., Ikonen, E., & Kovacs, J. (2014). Circulating fluidized bed boiler state estimation with an unscented Kalman filter tool. 2014 IEEE Conference on Control Applications (CCA), 310–315. https://doi.org/10.1109/CCA.2014.6981364

3. Hultgren, M., Ikonen, E., & Kovács, J. (2017). Integrated control and process design in CFB boiler design and control—Application possibilities. IFAC-PapersOnLine, 50(1), 1997–2004. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2017.08.180

4. Hultgren, M., Ikonen, E., & Kovács, J. (2017). Once-through circulating fluidized bed boiler control design with the dynamic relative gain array and partial relative gain. Industrial & Engineering Chemistry Research, 56(48), 14290–14303. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.7b03259

5. Hultgren, M., Ikonen, E., & Kovács, J. (2019). Integrated control and process design for improved load changes in fluidized bed boiler steam path. Chemical Engineering Science, 199, 164–178. https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.01.025

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version