1 Dynamisk modellering og regulering av Brobekk forbrenningsanlegg Masteroppgave Vår 2008 Institutt for kjemisk prosessteknologi Fakultet for naturvitenskap og teknologi Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet Helge Smedsrud

2 Veiledere Hovedveileder: Professor Sigurd Skogestad (NTNU) Medveileder: Ph.D. student Johannes Jäschke (NTNU) Ekstern veileder: Helge Mordt (Prediktor AS)

3 Temaer for presentasjonen Bakgrunn og motivasjon Oversikt over anlegget Masteroppgavens omfang Optimalisering Design av reguleringsstruktur Simuleringer Diskusjon og konklusjon

4 Bakgrunn og motivasjon Brobekk forbrenningsanlegg opplever tidvis utilfredsstillende regulering av temperaturen inn på kjelen Denne situasjonen er uheldig av to grunner: - lav temperatur  kondensering av etsende røykgass - høy temperatur  koking Fire årsaker synes sannsynlige: - for store topper i energietterspørselen - for lav kapasitet gjennom bypassventilen på Brobekks side - suboptimal parring av pådrag og utganger - bypassventilen på Vikens side er låst

5 Oversikt over anlegget Forenklet prosessflytskjema over Brobekk forbrenningsanlegg u 1 -u 8 ventilposisjoner; pumpeeffekt; vifteeffekt y 1 -y 5 temperaturer y 6 strømningshastighet d 1 temperatur d 2 strømningshastighet

6 Masteroppgavens omfang Videreutvikle en eksisterende dynamisk Simulink-modell av anlegget – utviklet forrige høst – slik at denne tar trykk i betraktning Gjennomføre en stasjonær optimalisering for å finne optimale verdier av pådrag og utganger for ulike forstyrrelseskombinasjoner Utvikle en desentralisert reguleringsstruktur for anlegget basert på resultatet fra optimaliseringen

7 Optimalisering – problemdefinisjon Objektfunksjon Minimalisere summen av alle pumpe- og vifteeffekter (u 6 + u 7 + u 8 ) Mål Å holde temperaturen inn på kjelen (y 1 ) og strømningshastigheten (y 6 ) på henholdsvis 126 °C og 250 t/h Forstyrrelser Temperatur fra Oslo (d 1 ): 65 til 90 °C Strømningshastighet (d 2 ): 500 til 900 t/h  Temperaturen mot Oslo/Viken Fjernvarme AS fikk variere mellom 90 og 135 °C

8 Optimalisering – resultater Driften av anlegget kan inndeles i fire regioner Vekslerventilen på Brobekks side (u 3 ) er alltid helt åpen Bypassventilen på Brobekks side (u 1 ) er aldri helt åpen Regionu1u1 u2u2 u3u3 u4u4 u5u5 u6u6 u7u7 α β γ δ MV-er tilgjengelig for regulering (=1) og ikke tilgjengelig for regulering (=0)

9 Regioner som funksjon av d 1 (y-akse) og d 2 (x-akse) Region α Bypassventilene på Brobekks og Vikens side er åpne; kjøleren er ikke i bruk; vekslerventilen på Vikens side varierer Region β Bypassventilen på Brobekks side er åpen; bypassventilen på Vikens side varierer; kjøleren er ikke i bruk; vekslerventilen på Vikens side er helt åpen Region γ Bypassventilen på Brobekks side varierer; bypassventilen på Vikens side er stengt; kjøleren er ikke aktiv; vekslerventilen på Vikens side er helt åpen Region δ Bypassventilene på Brobekks og Vikens side er stengt; kjøleren er aktiv; vekslerventilen på Vikens side er helt åpen

10 Design av reguleringsstruktur Basert på RGA-analyse og simuleringer ble følgende regulerings- strukturer valgt: Region βRegion α Pådragsresetting; u 1 regulerer y 1, og u 4 regulerer u 1 Pådragsresetting; u 1 regulerer y 1, og u 5 regulerer u 1

11 Region γ Standard SISO-regulering; u 1 regulerer y 1 Standard SISO-regulering; kjølerviften regulerer y 1, og u 2 regulerer y 4 Region δ

12 Simuleringer – region α

13 Simuleringer – region β

14 Simuleringer – region γ

15 Simuleringer – region δ

16 Diskusjon og konklusjon Optimaliseringen avslørte fire driftsregioner Alle reguleringsstrukturene lykkes med å regulere temperaturen inn på kjelen, samt strømningshastigheten på Brobekks side Bypassventilen på Brobekks side har nok kapasitet Vekslerventilen på Brobekks side bør alltid være helt åpen  Basert på vår kostadsfunksjon virker det mulig å forbedre reguleringsevnen til systemet (kjelinngangstemperaturen) og samtidig minimalisere slitasje og energibruk  Videre arbeid kreves vedrørende overgangen mellom regulerings- strukturene; når man skal bytte er uproblemtisk – hvordan synes å være mer komplisert

17 Takk til Helge Mordt for et flott samarbeid og for å ha bidratt med et interessant prosjekt Takk for oppmerksomheten Spørsmål?