Utilizing feedback calculations in development of bubbling fluidized bed boiler design

Abstract

The main objective of this thesis was to study and specify process design parameters utilized in bubbling fluidized bed boiler design and dimensioning in Andritz Oy. More accurate parameters could allow dimensioning heat transfer surfaces more precisely, reduce material costs, and help achieve and improve performance guarantees. Aim of the thesis was also to implement feedback calculations to be a part of the process design software and follow-up routine.

Parameters were studied with a feedback (FB) model made for Solvo heat balance simulator software. FB model is based on pre-existing design templates, and can be used for both design- and feedback calculations in the future. Averaged measurement data from five boilers and altogether 16 cases was used to iterate the real values for parameters. Calculation procedure is based on an iteration routine that adjusts the parameter values until the difference between simulated process values and averaged measurement results are within tolerance.

Calculated parameters were found to be different from previous recommended parameter values. Studied furnace parameters were higher than recommended, and increased significantly when steam load decreased. Comparing to recommended parameter values, calculated superheater 2 parameters were slightly lower, but other superheater and economizer parameters were noticeably higher. Air preheater parameters were close to recommended values. Results were quite reliable and validated with e.g. a semi-empirical furnace model, but further studies and adjustments were recommended to improve the model accuracy and reliability.

Based on the calculated design parameter values, the recommended values have not always been accurate. Changes to recommended values were suggested, but the adjustments should be conservative until more cases have been calculated and the accuracy of FB model results more carefully studied and analyzed.

Tämän diplomityön tärkeimpänä tavoitteena oli tutkia ja tarkentaa Andritz Oy:n kuplapetikattilan suunnittelussa ja mitoituksessa käytettyjä suunnitteluparametreja. Tarkemmat parametrit voisivat mahdollistaa lämmönsiirtopintojen tarkemman mitoituksen, vähentää materiaalikustannuksia ja auttaa saavuttamaan ja parantamaan suorituskykytakuita. Työn tavoitteena oli myös implementoida takaisinlaskenta osaksi prosessisuunnittelu-ohjelmistoa ja seurantarutiineja.

Parametreja tutkittiin takaisinlaskentamallilla, joka kehitettiin Solvo lämpötasesimulaatio-ohjelmistolle. Takaisinlaskentamalli perustuu olemassa olleisiin suunnittelumallipohjiin, ja sitä voidaan jatkossa käyttää sekä suunnitteluun että takaisinlaskentaan. Keskiarvoistettua mittausdataa viidestä kattilasta ja yhteensä 16 tapauksesta käytettiin parametrien todellisten arvojen iteroimiseen. Laskentamenetelmä perustuu iteraatiorutiiniin, joka säätää parametrien arvoja, kunnes ero simuloitujen prosessiarvojen ja keskiarvoistettujen mittaustulosten välillä on sallituissa rajoissa.

Laskettujen parametrien havaittiin poikkeavan edellisistä parametrien suositusarvoista. Tutkitut tulipesäparametrit olivat korkeampia kuin suositeltu, ja ne kasvoivat merkittävästi kun höyrykuorma laski. Parametrien suositusarvoihin verrattuna lasketut tulistin 2:n parametrit olivat hieman matalampia, mutta muiden tulistimien ja ekonomaiserin parametrit olivat selvästi korkeampia. Ilman esilämmittimien parametrit olivat lähellä suositusarvoja. Tulokset olivat melko luotettavia ja validoitiin esimerkiksi semi-empiirisellä tulipesämallilla, mutta jatkotutkimuksia ja –säätöjä suositeltiin mallin tarkkuuden ja luotettavuuden parantamiseksi.

Laskettujen suunnitteluparametrien arvojen perusteella suositusarvot eivät ole aina olleet tarkkoja. Muutoksia suositusarvoihin ehdotettiin, mutta muutokset tulisivat olla maltillisia kunnes lisää tapauksia on laskettu ja takaisinlaskentamallin tuloksien tarkkuutta on tarkemmin tutkittu ja analysoitu.