Optimisation of data analysis method for a fluidized bed combustion test rig

Abstract

Nowadays the used fuel variety in power boilers is widening and new boiler constructions and running models have to be developed. This research and development is done in small pilot plants where more faster analyse about the boiler mass and heat balance is needed to be able to find and do the right decisions already during the test run. The barrier on determining boiler balance during test runs is the long process of chemical analyses of collected input and outputmatter samples. The present work is concentrating on finding a way to determinethe boiler balance without chemical analyses and optimise the test rig to get the best possible accuracy for heat and mass balance of the boiler. The purpose of this work was to create an automatic boiler balance calculation method for 4 MW CFB/BFB pilot boiler of Kvaerner Pulping Oy located in Messukylä in Tampere. The calculation was created in the data management computer of pilot plants automation system. The calculation is made in Microsoft Excel environment, which gives a good base and functions for handling large databases and calculations without any delicate programming. The automation system in pilot plant was reconstructed und updated by Metso Automation Oy during year 2001 and the new system MetsoDNA has good data management properties, which is necessary for big calculations as boiler balance calculation. Two possible methods for calculating boiler balance during test run were found. Either the fuel flow is determined, which is usedto calculate the boiler's mass balance, or the unburned carbon loss is estimated and the mass balance of the boiler is calculated on the basis of boiler's heat balance. Both of the methods have their own weaknesses, so they were constructed parallel in the calculation and the decision of the used method was left to user. User also needs to define the used fuels and some solid mass flowsthat aren't measured automatically by the automation system. With sensitivity analysis was found that the most essential values for accurate boiler balance determination are flue gas oxygen content, the boiler's measured heat output and lower heating value of the fuel. The theoretical part of this work concentrates in the error management of these measurements and analyses and on measurement accuracy and boiler balance calculation in theory. The empirical part of this work concentrates on the creation of the balance calculation for the boiler in issue and on describing the work environment.

Nykyään voimakattiloissa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksien vaihteluväli kasvaa, mikä vaatii uusien kattilamallien ja ajomallien kehitystä. Tätä tutkimusta ja kehitystä tehdään pienissä koelaitoksissa, joissa tarvitaan yhä nopeammin tietoa kattilan massa- ja lämpötaseesta, jotta voitaisiin löytää ja tehdä oikeat ratkaisutjo ajotilanteessa. Esteenä ajonaikaiselle kattilataseen määritykselle on ollut kattilan syöte- ja tuotevirtojen pitkä kemiallisen analyysin vaatima aika. Tässätyössä keskitytään etsimään malli kattilataseen laskemiselle ilman kemiallisen analyysin tuloksia ja optimoimaan kattilan mittausjärjestelmä, siten että päästään tarkimpaan mahdolliseen lopputulokseen. Tämän työn tarkoituksena oli kehittääautomaattinen kattilataseen laskenta Kvaerner Pulping Oy:n 4 MW CFB/BFB koekattilalle, joka sijaitsee Tampereen Messukylässä. Laskenta kehitettiin koelaitoksenautomaatiojärjestelmän tiedonkeruukoneelle Microsoft Excel ympäristöön, joka antaa hyvän pohjan suurten tietokantojen ja laskennan käsittelyyn ilman suurempaa ohjelmointitarvetta. Metso Automation Oy uusi koelaitoksen automaatiojärjestelmän vuoden 2001 aikana ja päivitti järjestelmään uuden MetsoDNA automaatiojärjestelmän, jossa on hyvät tiedonkäsittelymahdollisuudet, joita tarvitaan isojen laskentojen kuten kattilataseen laskennan suorittamiseksi. Kattilataseen laskennan suorittamiseen koeajojen aikana löydettiin kaksi mahdollista tapaa. Joko kattilan massatase lasketaan määritetyn polttoaineen massavirran avulla tai arvioidaan palamattoman häviö ja lasketaan massatase kattilan lämpötaseen avulla. Molemmissa malleissa on omat heikkoutensa, joten päädyttiin kahden rinnakkaisen laskennan toteuttamiseen ja laskennan valinta jätettiin käyttäjälle. Käyttäjälle jäi myös muutamien massavirtojen ja polttoaineen koostumuksen määritys, joita ei automaattisesti pystytty mittaamaan. Herkkyysanalyysin avulla löydettiin tärkeimmät taselaskentaan vaikuttavat suureet, jotka ovat savukaasun happipitoisuus, kattilan mitattu lämpöteho ja polttoaineen alempi lämpöarvo. Työn teoriaosa keskittyy näiden mittausten ja analyysien virheiden hallintaan sekä kattilataseen laskennan ja mittausvirheiden teoriaan. Työn käytännönosassa kehitettiin taselaskenta ja optimoitiin siihen liittyvä mittausjärjestelmä.