Matalapainehöyryn käytön optimointi prosessiteollisuuslaitoksessa
Rikkonen, Antti (2023)
Rikkonen, Antti
2023
Automaatiotekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Automation Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-12-18
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-2023111610033
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-2023111610033
Tiivistelmä
Teollisuuden voimalaitoksissa höyry on usein ensisijainen tuote ja sähkö toissijainen. Höy- ryn tuotannon optimointi ja höyryn käytön optimointi ovat siten tärkeitä tutkimuskohteita. Tässä diplomityössä tutkittiin matalapainehöyryverkon käytön optimointia prosessiteollisuuslaitoksessa, jossa höyryn tuotantoon ei pysty vaikuttamaan ja toisaalta matalapainehöyryn kulutuskohteita on useita. Tutkimuksen kohdeprosessissa on optimoitu vain yksittäisiä säätöjä ja ajatuksen tasolla koko systeemiä. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää sopiva optimointimenetelmä ja luoda yksin- kertainen malli kohdeprosessin optimointiin.
Voimalaitosympäristössä ja teollisuuden höyryverkoissa on monia komponentteja. Tutki- muksessa esitellään kirjallisuuden avulla voimalaitoksen, teollisuuden voimalaitoksen ja kohde- prosessin voimalaitoskomponentteja. Kaikilla höyryverkon komponenteilla on jokin vaikutus sys- teemin toimintaan ja optimointiin. Tärkeimpinä komponentteina ovat voimalaitoksen turbiinit ja reduktioventtiilit.
Matemaattinen optimointi on laaja käsite. Optimointia esitellään diplomityössä pintapuoli- sesti ja tarkemmin tutustutaan lineaariseen optimointiin, jota tässä tutkimuksessa käytettiin mata- lapainehöyryverkon käytön optimointiin. Lineaarinen optimointi vaatii, että systeemi voidaan aja- tella lineaarisena tai epälineaarinen systeemi voidaan linearisoida tietyssä toimintapisteessä. Myös systeemin rajoitteet pitää pystyä määrittelemään.
Käytännön systeemistä luotiin matemaattiseen muotoon sopiva optimointimalli Matlab- ohjelmistolla. Samalla ohjelmistolla tehtiin optimointi lineaarisella optimointialgoritmilla. Testaukset osoittivat, että isonkin höyryverkon voi mallintaa ja optimoida konseptitasolla yksinkertaisin me- netelmin. Tulokset esittävät tuntitasolla matalapainehöyryverkon höyrynjaon kulutuskohteisiin eri skenaarioissa. Tuloksiin vaikuttavat ennalta määritellyt kannattavuuskertoimet ja rajoitukset.
Tulokset osoittavat, että tärkeintä tämän tutkimuksen kaltaisessa optimointiprosessissa on ymmärtää systeemin lainalaisuudet. Optimointimallin määrittely tämän tutkimuksen kaltai- sessa prosessissa oli haastavaa. Tärkein määriteltävä asia oli matalapainehöyryverkon höyryn kuluttajien arvottaminen kannattavuuden mukaan. Lisäksi piti pystyä ennustamaan eri matalapai- nehöyryn kuluttajien toimintaa määritellyssä aikahorisontissa. Yksinkertaisessa optimoinnissa on järkevää käyttää yksinkertaista optimointimallia. Malli ja tämän tutkimuksen tiedot antavat pohjan rakentaa systeemistä vaativampia optimointimalleja.
Voimalaitosympäristössä ja teollisuuden höyryverkoissa on monia komponentteja. Tutki- muksessa esitellään kirjallisuuden avulla voimalaitoksen, teollisuuden voimalaitoksen ja kohde- prosessin voimalaitoskomponentteja. Kaikilla höyryverkon komponenteilla on jokin vaikutus sys- teemin toimintaan ja optimointiin. Tärkeimpinä komponentteina ovat voimalaitoksen turbiinit ja reduktioventtiilit.
Matemaattinen optimointi on laaja käsite. Optimointia esitellään diplomityössä pintapuoli- sesti ja tarkemmin tutustutaan lineaariseen optimointiin, jota tässä tutkimuksessa käytettiin mata- lapainehöyryverkon käytön optimointiin. Lineaarinen optimointi vaatii, että systeemi voidaan aja- tella lineaarisena tai epälineaarinen systeemi voidaan linearisoida tietyssä toimintapisteessä. Myös systeemin rajoitteet pitää pystyä määrittelemään.
Käytännön systeemistä luotiin matemaattiseen muotoon sopiva optimointimalli Matlab- ohjelmistolla. Samalla ohjelmistolla tehtiin optimointi lineaarisella optimointialgoritmilla. Testaukset osoittivat, että isonkin höyryverkon voi mallintaa ja optimoida konseptitasolla yksinkertaisin me- netelmin. Tulokset esittävät tuntitasolla matalapainehöyryverkon höyrynjaon kulutuskohteisiin eri skenaarioissa. Tuloksiin vaikuttavat ennalta määritellyt kannattavuuskertoimet ja rajoitukset.
Tulokset osoittavat, että tärkeintä tämän tutkimuksen kaltaisessa optimointiprosessissa on ymmärtää systeemin lainalaisuudet. Optimointimallin määrittely tämän tutkimuksen kaltai- sessa prosessissa oli haastavaa. Tärkein määriteltävä asia oli matalapainehöyryverkon höyryn kuluttajien arvottaminen kannattavuuden mukaan. Lisäksi piti pystyä ennustamaan eri matalapai- nehöyryn kuluttajien toimintaa määritellyssä aikahorisontissa. Yksinkertaisessa optimoinnissa on järkevää käyttää yksinkertaista optimointimallia. Malli ja tämän tutkimuksen tiedot antavat pohjan rakentaa systeemistä vaativampia optimointimalleja.