Bloomiuunin jäähdytysvesijärjestelmän säädön tarkastelu ja PI-säätimien viritys SIMC-menetelmällä
Jokinen, Lassi Oskari (2025)
Diplomityö
2025
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2025041025483
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2025041025483
Tiivistelmä
Energiatehokkuus on tärkeä osa nykypäivän teollisia prosesseja ja energiatehokkailla prosesseilla ja hyvillä hyötysuhteilla on mahdollista saada merkittäviä säästöjä energiakustannuksissa. Prosesseissa muodostuvan hukkalämmön uusiokäyttö on tärkeä osa energiatehokkuutta. Tämän työn tavoitteena on tarkastella Ovako Imatran bloomiuunin jäähdytysvesijärjestelmän säätöä. Tavoitteena on virittää järjestelmän säätimet uudelleen ja tehdä niistä mahdollisimman robusteja lämpötilamuutoksille veden lämpötilassa.
Tutkimus suoritetaan Matlab ja Simulink mallinnusohjelmilla, joiden avulla muodostetaan simulaatiomalli järjestelmän tarkasteluun. Mallin toiminta validoidaan oikean järjestelmän mittauksien avulla. Jäähdytysjärjestelmän säätimet viritetään SIMC-menetelmän avulla. SIMC-menetelmän avulla järjestelmän säätimille voidaan määrittää haluttu aikavakio järjestelmän mallin avulla. Jokivesisäätimelle ehdotetaan säädinrakenteen muutosta, jossa asetusarvo määritetään algoritmin avulla. Säädinmuutos tuo säästöjä veden pumppauskustannuksissa, kun linjan virtausta saadaan kuristettua.
Viritettyjä säätimiä testataan simulaatioympäristössä, jossa niiden käyttäytymistä verrataan vanhoihin säätimiin, sekä niiden toimivuutta arvioidaan oikeassa järjestelmässä. Jokivesisäätimen algoritmia testataan eri simulaatiotilanteilla, ja saatuja tuloksia analysoidaan.
Säätimet saatiin viritettyä SIMC-menetelmän avulla ja mallin toiminta todettiin olevan riittävä todentamaan tulokset. Viritetyt säätimet onnistuttiin saamaan robustisemmiksi, jolloin ne eivät ole häiriöherkkiä nopeille lämpötilamuutoksille. Viritettyjen säätimien todettiin myös poistaneen havaittu oskillointi systeemistä. Jatkotutkimukseksi ehdotettiin lämmöntalteenoton virtauksen kuristamisen automatisointi, jolloin lämmöntalteenotosta saadaan lämpötehoa enemmän hyötykäyttöön suurilla uunin käyttötehoilla, sekä virtausta päästään kuristamaan, kun siirtyvä lämpöteho järjestelmässä on pientä. Energy efficiency is an important aspect of today’s industrial processes, and with energy efficient processes and with good efficiencies it is possible to get noticeable savings in energy costs. Reuse of waste heat generated in industrial processes is a crucial part of energy efficiency. The aim of this work is to examine the control of the cooling water system of the bloom furnace at Ovako Imatra, as well as the control of the process water line. The objective is to re-tune the system’s controllers to make them more robust to temperature changes in cooling water.
The research is done using MATLAB and Simulink modelling software, which allows the creation of a simulation model for examining the system. The model’s performance is validated using measurements from the real system, and its reliability is assessed based on these measurements. The cooling system’s controllers are tuned using the SIMC method, which allows the response of the controllers to be defined based on the measurements obtained from the real system. A modification to the river water controller structure is proposed. Modification results in savings in water pumping costs, as the flow in the line can be restricted while maintaining control over the return water temperature.
The tuned controllers are tested in a simulation environment, where their behaviour is compared to that of the old controllers, and their performance is evaluated in the actual system.
The controllers were successfully tuned using the SIMC method, and the model’s performance was observed to be acceptable. The tuned controllers became more robust, making them less sensitive to rapid temperature changes. It was also observed that the tuned controllers eliminated the previously noted oscillations in the system. As a further study, it was suggested to automate the restriction of the heat recovery flow, thereby allowing for more effective utilization of thermal energy during high furnace power operations, as well as enabling flow restriction when the transferred thermal power in the system is low.
Tutkimus suoritetaan Matlab ja Simulink mallinnusohjelmilla, joiden avulla muodostetaan simulaatiomalli järjestelmän tarkasteluun. Mallin toiminta validoidaan oikean järjestelmän mittauksien avulla. Jäähdytysjärjestelmän säätimet viritetään SIMC-menetelmän avulla. SIMC-menetelmän avulla järjestelmän säätimille voidaan määrittää haluttu aikavakio järjestelmän mallin avulla. Jokivesisäätimelle ehdotetaan säädinrakenteen muutosta, jossa asetusarvo määritetään algoritmin avulla. Säädinmuutos tuo säästöjä veden pumppauskustannuksissa, kun linjan virtausta saadaan kuristettua.
Viritettyjä säätimiä testataan simulaatioympäristössä, jossa niiden käyttäytymistä verrataan vanhoihin säätimiin, sekä niiden toimivuutta arvioidaan oikeassa järjestelmässä. Jokivesisäätimen algoritmia testataan eri simulaatiotilanteilla, ja saatuja tuloksia analysoidaan.
Säätimet saatiin viritettyä SIMC-menetelmän avulla ja mallin toiminta todettiin olevan riittävä todentamaan tulokset. Viritetyt säätimet onnistuttiin saamaan robustisemmiksi, jolloin ne eivät ole häiriöherkkiä nopeille lämpötilamuutoksille. Viritettyjen säätimien todettiin myös poistaneen havaittu oskillointi systeemistä. Jatkotutkimukseksi ehdotettiin lämmöntalteenoton virtauksen kuristamisen automatisointi, jolloin lämmöntalteenotosta saadaan lämpötehoa enemmän hyötykäyttöön suurilla uunin käyttötehoilla, sekä virtausta päästään kuristamaan, kun siirtyvä lämpöteho järjestelmässä on pientä.
The research is done using MATLAB and Simulink modelling software, which allows the creation of a simulation model for examining the system. The model’s performance is validated using measurements from the real system, and its reliability is assessed based on these measurements. The cooling system’s controllers are tuned using the SIMC method, which allows the response of the controllers to be defined based on the measurements obtained from the real system. A modification to the river water controller structure is proposed. Modification results in savings in water pumping costs, as the flow in the line can be restricted while maintaining control over the return water temperature.
The tuned controllers are tested in a simulation environment, where their behaviour is compared to that of the old controllers, and their performance is evaluated in the actual system.
The controllers were successfully tuned using the SIMC method, and the model’s performance was observed to be acceptable. The tuned controllers became more robust, making them less sensitive to rapid temperature changes. It was also observed that the tuned controllers eliminated the previously noted oscillations in the system. As a further study, it was suggested to automate the restriction of the heat recovery flow, thereby allowing for more effective utilization of thermal energy during high furnace power operations, as well as enabling flow restriction when the transferred thermal power in the system is low.