Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Simulating MPC Controlled Lime Injection for the Flue-gas Treatment at Fortum's Thermal Power Plant
KTH, School of Electrical Engineering (EES), Automatic Control.
2015 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

The aim of this thesis is to investigate the possibility to improve the separation of

HCl and SO2 in the dry ue-gas treatment for boiler #3 at Fortum's thermal power

plant in Hogdalen; by using a model predictive control instead of a PID controller

to govern the slaked lime injection.

To achieve this an ARMAX model was derived using MATLAB's System Identi

cation Toolbox and measurements of the incoming and outgoing levels of HCl,

SO2 and the speed of the injection motor. The ARMAX model was then converted

to a state space model which will be used as the internal model for the MPC predictions.

The cost function was a quadratic problem which included the error between

the output and the set points, the change rate of the input and the inputs deviation

from a default value. The MPC uses both a feedforward and a feedback loop to estimate

the error over the prediction horizon. The controller also utilizes the ability

to set constraints and tuning of the cost function weights.

In conclusion, the thesis shows that a MPC controlled lime injection is possible

and would o er some unique possibilities such as: natural constraints handling,

more intuitive live tuning for the operator and prioritized input control. However

the dry scrubber still struggles to suppress high amounts of incoming SO2 and since

the project lacked a measuring unit for incoming HCl concentration the results

showing an improvements in pollution separation was not conclusive.

Abstract [sv]

 Under 2011 utförde Fortum en ombyggnation av Panna 3 för att oka energiproduktionen

vid Högdalens värmeverk. Detta ledde till ett okat rökgasflöde genom pannans

rökgasrening och Fortum har sedan ombyggnationen noterat en försämrad separation av

väteklorid (HCl) och svaveldioxid (SO2) i den torra rökgasreningen. I den torra rökgasreningen

(torr skrubber) tillsatts släckt kalk till rökgaskanalen som sedan reagerar med

HCl och SO2. Reaktionen mellan kalk och HCl/SO2 skapar ett fast ämne som kan

filtreras med ett filter.

Detta projekt har undersökt möjligheten att förbättra separationen av HCl och SO2 i

den torr skrubbern genom att använda en prediktive regulator för att styra kalkinmatningen

istället för en PID regulator. Projektet inleddes med att skapa en matematisk modell

som beskriver sambandet mellan inkommande HCl, SO2 och kalk och utgående HCl

och SO2. För att åstadkomma detta så mättes indata och utdata för att sedan användas

i MATLAB's System Identification Toolbox som sedan skapade en ARMAX (Autoregressive

Moving Average Extra signal) modell. Denna modell konverterades sedan till en

tillståndsmodell för att bättre passa ändamålet som en intern modell i MPC regulatorn.

Nästa steg var att sätta ihop själva regulatorn som styr hastigheten av de motorer som

matar in kalk i rökgaskanalen i MATLAB Simulink. Denna regulator har till uppgift att

hitta den optimala förändringen av motorhastigheten som gör så att utsignalen håller

sig på en önskad referensnivå. Detta utförs genom att ställa upp en så kallad kostnadsfunktion

som associerar en fiktiv kostnad till att avvika från referensnivån, att föreslå en

stor ändring av motorhastigheten eller att avvika från en önskad motorhastighet. Kostnadsfunktionen

ar formulerad som kvadratisk problem som MPC regulatorn försöker

lösa för att hitta den optimala insignalen till systemet. Med andra ord så försöker regulatorn

att hitta den minsta andringen av motorhastigheten som bidrar till den minsta

avvikelsen från önskad motorhastighet och minsta avvikelsen mellan utsignal och referensnivå

_a. Den framtagna regulatorn använder sig av både framkoppling och återkoppling

för att estimera summan av de nuvarande och förväntade avvikelsen mellan utsignal och

referensnivå. Regulatorn använder sig också av restriktioner som begränsar hastigheten

på motorn och hur snabbt regulatorn kan andra den tidigare motorhastigheten. Detta

betyder att regulatorn kommer endast att föreslå en förändring av hastigheten som ligger

inom systemets restriktioner. Denna rapport kommer i jämförelsesyfte också att

presentera en simulation av den existerande PID regulatorn.

Resultaten från denna rapport kommer att innehålla den framtagna tillståndsmodellen,

en skiss over den implementerade MPC regulatorn, den kod som utför själva optimeringen

samt diagram från simuleringar av MPC och PID regulatorerna. I dessa resultat

visade det sig att MPC regulatorn lyckas _åstadkomma marginellt bättre kontroll over

utgående SO2 samt en mer exakt kontroll av utgående HCl. Det skall dock noteras

att dessa resultat ar baserade på simuleringar och kan komma att andras i en verklig

implementation. Aven med små förbättringar av utsläppsvärdena så erbjuder MPC regulatorn

några intressanta möjligheter. En MPC regulator kan hantera restriktioner i

processen mycket mer naturligt an PID regulatorn. Den kan också justeras under drift

av operatören samt prioriterat val av kontrollsignal. Med prioriterat val av kontrollsignal

menas att det ar möjligt att förknippa olika kostnader till era olika kontrollsignaler i

kostnadsfunktionen. Detta skulle medföra att regulatorn prioriterar en andringar av den

kontrollsignal som medför den minsta kostnaden under rådande omständigheter.

Place, publisher, year, edition, pages
2015. , 66 p.
Series
EES Examensarbete / Master Thesis, XR-EE-RT 2014:024
National Category
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-168248OAI: oai:DiVA.org:kth-168248DiVA: diva2:815221
External cooperation
Fortum
Educational program
Master of Science in Engineering - Electrical Engineering; Master of Science - Systems, Control and Robotics
Examiners
Available from: 2015-05-29 Created: 2015-05-29 Last updated: 2015-05-29Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(6992 kB)188 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 6992 kBChecksum SHA-512
d32f1e16ef56d257fee1b031146d885bd35896d7685294899628ca47e307bffd4e01ac32a8ffc4d1ab8bfd56a5f534f3ade5d3e99767dd6ac3543291104b802c
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Automatic Control
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 188 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 333 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf