Maakaasupolttimen säätöjärjestelmän kehittäminen
Remes, Joonas (2015)
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201505228860
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201505228860
Tiivistelmä
Jatkuvasti kiristyvät päästörajoitukset pakottavat teollisuuden kehittämään uusia ratkaisuja päästöjen vähentämiseksi. Hiilimonoksidin ja typen oksidien päästörajoitukset ovat erityi-sen tiukat esimerkiksi Kiinassa ja Yhdysvalloissa. Maakaasun ja ilman epätäydellisessä pa-lamisessa muodostuu hiilimonoksidia ja typen oksideja. Käytännön sovelluksissa palaminen on lähes aina epätäydellistä polttoaineen ja ilman epätäydellisen sekoittumisen takia, joten palamisreaktiossa muodostuva savukaasu sisältää edellä mainittuja haitallisia komponentteja lähes poikkeuksetta. Savukaasua voidaan puhdistaa erilaisilla menetelmillä ennen sen pää-tymistä ympäristöön.
Tässä diplomityössä esitellään maakaasupoltinjärjestelmän keskeiset komponentit ja aihee-seen liittyvät tarpeelliset käsitteet sekä suunnitellaan polttoaine-ilma-seossuhdesäätö eräälle maakaasupoltinjärjestelmälle. Säädön ensisijaisena tavoitteena on pitää seossuhde mahdolli-simman tarkasti halutussa arvossa savukaasun puhdistuksen kannalta. Lisäksi säädön on tarkoitus taata mahdollisimman hyvä suorituskyky transienttitilanteissa. Järjestelmän eri osien toiminta mallinnetaan ja analysoidaan. Mallinnuksen perusteella suunnitellaan ja simu-loidaan säätöjärjestelmä. Suunniteltu säätöjärjestelmä toteutetaan osaksi polttolaitoksen automaatiojärjestelmää.
Mittaustulokset osoittavat, että päästöjen kannalta säätö pitää seossuhteen riittävän tarkasti halutussa arvossa: hiilimonoksidin ja typen oksidien päästöt ovat asetettujen rajojen sisällä. Testiajojen perusteella prosessi on kuitenkin erittäin häiriöinen ja transienttitilanteissa ei saavuteta simulointien mukaista suorituskykyä. Constantly tightening emission standards force industry to develop new solutions to reduce emissions. Particularly tight emission standards for carbon monoxide and nitrogen oxides are being used in China and in the United States of America. Incomplete combustion of natural gas and air produces carbon monoxide and nitrogen oxides. Because of imperfect mixture of fuel and air, combustion is nearly always incomplete in practical applications and therefore combustion gas contains previously mentioned unwanted components. Combustion gas can be purified using various techniques before releasing it to the environment.
In this Master’s Thesis a fuel-air ratio control system is developed for a natural gas combustion system. The system is introduced along with the most important concepts of the topic. The main objective of the control system is to maintain a wanted fuel-air ratio as precisely as possible to keep the emissions in set limits. Control system also has to provide best possible performance in transients. Different components of the system are modelled and analysed. Based on modelling, a control system is designed and simulated. The designed control system is also realised as a part of a combustion plant’s automation system.
Measurements show that the control system maintains the fuel-air ratio precisely enough from emissions point of view: carbon monoxide and nitrogen oxide emission values stay within the set limits. However, based on tests, the process contains a lot of disturbances and did not achieve as good performance in transients as achieved in simulations.
Tässä diplomityössä esitellään maakaasupoltinjärjestelmän keskeiset komponentit ja aihee-seen liittyvät tarpeelliset käsitteet sekä suunnitellaan polttoaine-ilma-seossuhdesäätö eräälle maakaasupoltinjärjestelmälle. Säädön ensisijaisena tavoitteena on pitää seossuhde mahdolli-simman tarkasti halutussa arvossa savukaasun puhdistuksen kannalta. Lisäksi säädön on tarkoitus taata mahdollisimman hyvä suorituskyky transienttitilanteissa. Järjestelmän eri osien toiminta mallinnetaan ja analysoidaan. Mallinnuksen perusteella suunnitellaan ja simu-loidaan säätöjärjestelmä. Suunniteltu säätöjärjestelmä toteutetaan osaksi polttolaitoksen automaatiojärjestelmää.
Mittaustulokset osoittavat, että päästöjen kannalta säätö pitää seossuhteen riittävän tarkasti halutussa arvossa: hiilimonoksidin ja typen oksidien päästöt ovat asetettujen rajojen sisällä. Testiajojen perusteella prosessi on kuitenkin erittäin häiriöinen ja transienttitilanteissa ei saavuteta simulointien mukaista suorituskykyä.
In this Master’s Thesis a fuel-air ratio control system is developed for a natural gas combustion system. The system is introduced along with the most important concepts of the topic. The main objective of the control system is to maintain a wanted fuel-air ratio as precisely as possible to keep the emissions in set limits. Control system also has to provide best possible performance in transients. Different components of the system are modelled and analysed. Based on modelling, a control system is designed and simulated. The designed control system is also realised as a part of a combustion plant’s automation system.
Measurements show that the control system maintains the fuel-air ratio precisely enough from emissions point of view: carbon monoxide and nitrogen oxide emission values stay within the set limits. However, based on tests, the process contains a lot of disturbances and did not achieve as good performance in transients as achieved in simulations.