Dynaamisen kiertoleijupetikattilamallin kehittäminen käynnistystilanteisiin soveltuvaksi

Abstract

Perinteisiltä voimalaitoksilta vaaditaan jatkuvasti enemmän joustavuutta uusiutuvan energian lisääntymisen ja sähkömarkkinoiden muuttuvien vaatimusten vuoksi. Tämä tarkoittaa, että laitoksille tulee eteen yhä useammin käynnistys- ja alasajotilanteita. Käynnistystilanteet lisäävät kattiloiden kuormitusta muun muassa suurten lämpötilagradienttien myötä ja kustannuksia esimerkiksi käynnistyspolttoaineen kulutuksen vuoksi. Kustannusten ja päästöjen kannalta olisi erittäin hyödyllistä, mikäli kattilan käynnistäminen voitaisiin tehdä mahdollisimman nopeasti ja rakenteita liikaa rasittamatta. Yksi työkalu, jota tämän tavoitteen saavuttamiseksi voidaan hyödyntää, on kattilan dynaaminen matemaattinen malli. Tässä työssä muokattiin olemassa olevaa kiertoleijupetikattilan dynaamista mallia, jotta sen avulla pystyttäisiin simuloimaan käynnistystilanteita. Dynaamisen mallin avulla voidaan kustannustehokkaasti ja turvallisesti tutkia kattilan käyttäytymistä erilaisissa tilanteissa. Malli perustuu massa- ja energiatasapainoon sekä tunnettujen fysikaalisten ilmiöiden yhtälöihin. Käynnistystilanteen epälineaarisuuksien ja tutkittavan kattilan ominaispiirteiden vuoksi mallissa käytetään myös useita empiirisiä yhtälöitä ja kertoimia. Mallinnus ja simuloinnit tehtiin MathWorksin MATLAB ja Simulink -ohjelmistoilla. Työn laajuus rajattiin kattilan savukaasupuoleen sekä tulipesän, syklonien ja hiekkalukkojen muodostamaan kiertoon. Kattilan ohjaukset ja vesihöyrypuoli huomioitiin mallissa mitatusta datasta poimittuina sisääntulosignaaleina, jolloin tärkeimmät tutkimuksen kohteet olivat kattilassa tapahtuvan palamisen ja lämmönsiirron prosessit. Hiekkapetin käyttäytymisellä on merkittävä vaikutus näihin molempiin. Mallin kelpoisuus todennettiin vertaamalla simuloituja arvoja kolmesta eri käynnistystilanteesta kerättyyn mitattuun dataan. Simulointitulosten perusteella mallin voitiin todeta kuvaavan todellista prosessia hyvällä tarkkuudella.

Conventional power plants are nowadays required to be more flexible than before due to increased share of renewable energy and changing demands in the electricity market. This means that the number of boiler start-ups and shutdowns is increasing all the time. Start-up situations will increase boiler’s load and stress via high temperature gradients and costs will go up as start-up burners’ fuel consumption increases. Considering costs and emissions, short start-up time with minimised thermal stresses would have very high benefits. One tool, which can help to achieve this goal, is boiler’s dynamic mathematical model. In this thesis, the existing dynamic circulating fluidised bed boiler model was modified so, that it would be able to simulate start-up situations. With the help of a dynamic model, it is possible to simulate boiler’s behaviour in different situations in cost-efficient and safe way. Mass and energy balances as well as physical laws form the basis of the model. Model also contains many empirical equations and coefficients because of start-up situation’s nonlinearities and inspected boiler’s characteristic behaviour. Programs used to perform the modelling and simulations were MathWorks’ MATLAB and Simulink. Work’s scope limits in boiler’s flue gas side and the circulation consisting of the furnace, cyclones and loop-seals. Model considers boiler’s controls and water/steam side as input signals picked from measured data. This means that the most important targets for examination were boiler’s combustion and heat transfer processes. Bed material behaviour has a big impact on both of these. To make sure that the model was valid, measured values from three different boiler start-ups were compared to the simulation results. Simulation results proved that the model represents the actual process with a decent accuracy.