Self-optimizing control of oxy-combustion in circulating fluidized bed boilers

• Main Author: Niva, L. (Laura)
• Other Authors: Ikonen, E. (Enso)
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Oulun yliopisto 2018
• Subjects: carbon capture and storage; circulating fluidized bed boilers; control structure design; fluidized bed combustion; oxy-combustion; process control; happipoltto; hiilidioksidin talteenotto; kiertoleijukattilat; leijukerrospoltto; prosessien säätö; säätörakenteiden suunnittelu
• Online Access: http://urn.fi/urn:isbn:9789526221304; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9789526221304

Abstract Energy production in combustion power plants is a significant source of anthropogenic carbon dioxide emissions. The targets of international climate agreements call for utilizing all available technologies to achieve rapid and cost-effective emission reductions. Carbon capture and storage is one of the possible technical solutions applied in combustion power plants. Circulating fluidized bed boilers have gained increasing popularity due to advantages in availability, emission control, fuel flexibility and option for using challenging fuels, and the possibility of using high-efficiency steam cycles. In the novel process of oxy-combustion, combustion air is replaced by a mixture of oxygen and recycled flue gas to facilitate the capture of carbon dioxide from the flue gas flow. Additional degrees of freedom become available for combustion control as the gas flow and composition can be controlled separately for fluidization and combustion purposes. In the research for this thesis, self-optimizing control was applied for the control structure design of a circulating fluidized bed boiler. Self-optimizing control offers a systematic tool for the early phases of control design, in which decisions have traditionally been made based on intuition, heuristics and previous experience. The self-optimizing control approach searches for controlled variables without a need for constant setpoint optimization when the process is affected by disturbances and implementation errors. Results presented in the thesis show that self-optimizing control can be applied in the control structure design of circulating fluidized bed combustion. A range of control structure alternatives were evaluated using steady-state approximations of a validated process model. For the novel oxy-combustion process, promising control structures were identified and could be dynamically demonstrated. === Tiivistelmä Energiantuotanto polttovoimalaitoksissa on merkittävä hiilidioksidipäästöjen lähde. Kansainväliset ilmastotavoitteet edellyttävät kaikkien käytettävissä olevien teknologioiden hyödyntämistä päästövähennysten aikaansaamiseksi nopeasti ja kustannustehokkaasti. Hiilidioksidin talteenotto on yksi mahdollisista teknisistä ratkaisuista polttovoimalaitoksissa. Kiertoleijukattilat ovat saavuttaneet kasvavaa suosiota etuinaan hyvä käytettävyys, tehokas päästöjen hallinta, soveltuvuus erilaisten haastavienkin polttoaineiden hyödyntämiseen ja mahdollisuus tehokkaiden höyrykiertojen käyttöön. Uudessa happipolttoprosessissa palamisilma korvataan hapen ja kierrätetyn savukaasun seoksella, mikä mahdollistaa hiilidioksidin talteenoton savukaasuista. Kiertoleijupolton säädön kannalta vapausasteet lisääntyvät, sillä leijutukseen ja polttamiseen käytettävän kaasun määrää ja koostumusta voidaan säätää erikseen. Väitöstutkimuksessa käytettiin itseoptimoivaa säätöä kiertoleijukattilan säätörakenteiden suunnitteluun. Itseoptimoiva säätö tarjoaa systemaattisen menetelmän säätösuunnittelun alkuvaiheeseen, jossa päätöksenteko on perinteisesti tehty esimerkiksi intuition, heuristiikan ja aiempien ratkaisujen perusteella. Menetelmän tavoitteena on löytää säädettävät muuttujat, joiden asetusarvot eivät vaadi jatkuvaa optimointia, vaikka prosessiin vaikuttavat erilaiset häiriöt ja mittausvirheet. Väitöstutkimuksen tulokset osoittavat, että itseoptimoiva säätö soveltuu kiertoleijupolton säätörakenteiden suunnitteluun. Erilaisten säätörakenteiden toimivuutta arvioitiin käyttäen validoidun prosessimallin tasapainotilan approksimaatioita. Uudelle happipolttoprosessille löydettiin lupaavia säätörakenteita, joiden toimintaa voitiin demonstroida myös dynaamisesti.