Process monitoring application to a biopower plant

Abstract

Kiristyvä kilpailu, energiamarkkinat, ympäristö- sekä polttoainepolitiikka ovat pakottaneet prosessiteollisuusyrityksiä kehittämään tuotantoprosessejaan yhä tehokkaammiksi. Nykyisten voimalaitostoimittajien tavoitteena on maksimoida voimalaitoksen käytettävyys ja tehokkuus sekä minimoida tuotantokustannukset ja ympäristövaikutukset. Biovoimalaitoksessa tärkeintä on vastata vaadittuun sähkö- sekä lämpötehoon. Tämän lisäksi on tuotettava tuorehöyry oikeassa lämpötilassa ja paineessa. Jos tuorehöyryn paine ennen höyryturbiinia kasvaa liian suureksi on mahdollista, että kaikkea tuotettua tuorehöyry ei pystytä hyödyntämään täysin, tämä taas laskee laitoksen hyötysuhdetta. Tällaisessa tilanteessa tuorehöyry johdetaan reduktioventtiilin kautta ohi höyryturbiinin. Reduktioventtiilien käyttö laskee aina laitoksen hyötysuhdetta.

Tässä tutkimuksessa analysoidaan biovoimalaitoksen säätöjä sekä etsitään mittauksia ja säätimiä, jotka aiheuttavat huojuntaa tuorehöyryn tuotantoon prosessin seurantatyökalujen kuten pääkomponenttianalyysi (PCA) avulla. Tutkimuksessa käytetään esimerkkeinä useiden Wärtsilä Biopowerin toimittamien biovoimalaitoksien mittauksia ja prosessiarvoja.

Työn teoriaosassa esitellään prosessin seurantatyökaluja. Tarkemmin esitellään pääkomponenttianalyysi (PCA) sekä osittaisten neliösummien keino (PLS), niiden muunnelmat sekä sovellukset. Biovoimalaitostyypit, niissä esiintyvät pääkomponentit sekä käytetyt polttoaineet esitellään myös työn teoriaosassa. Palamistekniikka kappale käsittelee yleisen palamisprosessin, palamisen arinalla sekä palamisessa syntyneet päästöt.

Työn kokeellisessa osassa selvitetään mitkä prosessi mittaukset ja säätimet aiheuttavat heiluntaa biovoimalaitosprosessiin sekä tuorehöyryn tuotantoon useissa biovoimalaitoksissa hyödyntäen staattista ja rekursiivista pääkomponenttianalyysiä. Eri biovoimalaitostyyppien säätöjärjestelmät ja säätöjen kuvaukset on myös esitelty työn kokeellisessa osassa. Tämän tutkimuksen perusteella voidaan keskittyä tärkeimpiin mittauksiin, säätimiin ja prosessiparametreihin, jotka vaikuttavat eniten biovoimalaitosprosessiin. Lopuksi esitetään kehitysideoita ja huomioitavia asioita säätöjärjestelmän ja prosessin jatkokehityksessä.