Made available in DSpace on 2014-10-09T12:42:40Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:57:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 05031.pdf: 4962096 bytes, checksum: 39c12c06c0063abb20c1c82005ecef33 (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Abstract Energy production in combustion power plants is a significant source of anthropogenic carbon dioxide emissions. The targets of international climate agreements call for utilizing all available technologies to achieve rapid and cost-effective emission reductions. Carbon capture and storage is one of the possible technical solutions applied in combustion power plants. Circulating fluidized bed boilers have gained increasing popularity due to advantages in availability, emission control, fuel flexibility and option for using challenging fuels, and the possibility of using high-efficiency steam cycles. In the novel process of oxy-combustion, combustion air is replaced by a mixture of oxygen and recycled flue gas to facilitate the capture of carbon dioxide from the flue gas flow. Additional degrees of freedom become available for combustion control as the gas flow and composition can be controlled separately for fluidization and combustion purposes. In the research for this thesis, self-optimizing control was applied for the control structure design of a circulating fluidized bed boiler. Self-optimizing control offers a systematic tool for the early phases of control design, in which decisions have traditionally been made based on intuition, heuristics and previous experience. The self-optimizing control approach searches for controlled variables without a need for constant setpoint optimization when the process is affected by disturbances and implementation errors. Results presented in the thesis show that self-optimizing control can be applied in the control structure design of circulating fluidized bed combustion. A range of control structure alternatives were evaluated using steady-state approximations of a validated process model. For the novel oxy-combustion process, promising control structures were identified and could be dynamically demonstrated. / Tiivistelmä Energiantuotanto polttovoimalaitoksissa on merkittävä hiilidioksidipäästöjen lähde. Kansainväliset ilmastotavoitteet edellyttävät kaikkien käytettävissä olevien teknologioiden hyödyntämistä päästövähennysten aikaansaamiseksi nopeasti ja kustannustehokkaasti. Hiilidioksidin talteenotto on yksi mahdollisista teknisistä ratkaisuista polttovoimalaitoksissa. Kiertoleijukattilat ovat saavuttaneet kasvavaa suosiota etuinaan hyvä käytettävyys, tehokas päästöjen hallinta, soveltuvuus erilaisten haastavienkin polttoaineiden hyödyntämiseen ja mahdollisuus tehokkaiden höyrykiertojen käyttöön. Uudessa happipolttoprosessissa palamisilma korvataan hapen ja kierrätetyn savukaasun seoksella, mikä mahdollistaa hiilidioksidin talteenoton savukaasuista. Kiertoleijupolton säädön kannalta vapausasteet lisääntyvät, sillä leijutukseen ja polttamiseen käytettävän kaasun määrää ja koostumusta voidaan säätää erikseen. Väitöstutkimuksessa käytettiin itseoptimoivaa säätöä kiertoleijukattilan säätörakenteiden suunnitteluun. Itseoptimoiva säätö tarjoaa systemaattisen menetelmän säätösuunnittelun alkuvaiheeseen, jossa päätöksenteko on perinteisesti tehty esimerkiksi intuition, heuristiikan ja aiempien ratkaisujen perusteella. Menetelmän tavoitteena on löytää säädettävät muuttujat, joiden asetusarvot eivät vaadi jatkuvaa optimointia, vaikka prosessiin vaikuttavat erilaiset häiriöt ja mittausvirheet. Väitöstutkimuksen tulokset osoittavat, että itseoptimoiva säätö soveltuu kiertoleijupolton säätörakenteiden suunnitteluun. Erilaisten säätörakenteiden toimivuutta arvioitiin käyttäen validoidun prosessimallin tasapainotilan approksimaatioita. Uudelle happipolttoprosessille löydettiin lupaavia säätörakenteita, joiden toimintaa voitiin demonstroida myös dynaamisesti.

In industrial applications, the thermal energy is obtained in specific equipment, such as boilers or heaters, and distributed to local usage through some transport fluid, mostly water vapor. Most industries uses multiple boilers to supply its steam demand, having tied operational costs. In this dissertation, was developed a mathematical optimization model in a language of algebraic modeling using GAMS® software. The aim is develop a computational systemic tool to support operational decisions of the steam generation. Generally, manufacturers do not operate simultaneously all of its steam generators. The choice of equipment to be used is a function of industrial process demand of steam. Regarding the use of such equipment, is not considered structured aid tools. The decisions were embased in the experience of those who were involved in operational activities. The model allows to identify specific situations to startup and shutdown, as well as the load on each boiler. In addition, the model provides estimates of steam production costs. Adjustments and evaluation of the applicability of the model occurred through a study case in a factory of the polyvinyl chloride production company, called Braskem S/A. The actual data provided by the company were compared to the results generated by the model, being evaluated their effectiveness. The results proved the model successful applicability, providing a direction, considering the generation of steam in the one year horizon. The application efficiency of the tool as a basis for the operation of steam generation was proved for long planning horizons and can be applied to shorter periods, such as weeks or months. / Em aplicações industriais, a energia térmica é obtida em equipamentos específicos, tais como caldeiras ou aquecedores, e distribuída aos locais de utilização através de um fluido de transporte, em sua maioria o vapor de água. A maior parte das indústrias utiliza várias caldeiras para suprir a demanda de vapor, havendo custos operacionais atrelados. Neste trabalho foi desenvolvido um modelo matemático de otimização em uma linguagem de modelagem algébrica, utilizando o software GAMS®. O intuito foi desenvolver uma ferramenta computacional sistêmica para apoiar as decisões operacionais de geração de vapor. De um modo geral, as indústrias não operam todos os geradores de vapor simultaneamente. A escolha do equipamento a ser utilizado, dentre os existentes na planta, é função da demanda de vapor dos processos industriais. No que diz respeito à utilização desses equipamentos, não se considera ferramentas de auxílio estruturadas, ficando as decisões embasadas na experiência dos envolvidos nas atividades operacionais. O modelo permitirá identificar situações específicas para acionamento e desligamento, bem como a carga em cada uma das caldeiras. Além disso, o modelo fornece estimativas dos custos de produção de vapor. Os ajustes e a avaliação da aplicabilidade do modelo ocorreram por meio de um estudo de caso realizado na unidade de produção de Policloreto de Viníla da empresa BRASKEM S/A. Os dados reais fornecidos pela empresa foram comparados aos resultados gerados pelo modelo, sendo avaliada sua eficácia. Os resultados obtidos comprovaram o sucesso na aplicabilidade do modelo, sendo obtido um direcionamento, considerando a geração de vapor no horizonte de um ano. A eficiência de aplicação da ferramenta como embasamento para a operação de geração de vapor foi comprovada para horizontes de planejamento longos, podendo ser aplicado a períodos mais curtos, como meses ou semanas.

Made available in DSpace on 2015-03-26T14:01:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 867902 bytes, checksum: ec47841c0d26f8500738e045c7de4491 (MD5) Previous issue date: 2013-11-06 / In kraft recovery boiler operation, fly ash or dust generated from black liquor combustion is mixed with the virgin black liquor in a mix tank and returned to the boiler with the as-fired black liquor. This internal recycled dust stream varies widely from boiler to boiler and from time to time, and can have a great impact on the as-fired black liquor flow and properties, and ultimately on the boiler thermal performance. A new method has been developed which can be used to quickly and accurately determine the amount of internal recycled dust in recovery boilers. It is based on the difference between the total organic carbon content (or heating value) of the virgin black liquor and that of the as-fired black liquor. Tests using the method were performed on recovery boilers at three of Fibria s mills in Brazil. The results show that while the specific virgin black liquor solids produced at these mills were about the same, the internal recycled dust load varied widely from as low as 5,6 wt% of as-fired black liquor solids fired in the boiler at one mill to as high as 12,7 wt% at another mill. A qualitative analysis showed that the sulphidity of the liquor and the velocity and flow of the gases inside the furnace might in part justify the observed differences. / Na operação de caldeiras de recuperação kraft, as cinzas coletadas a partir do processo de combustão do licor negro são adicionadas ao licor negro virgem em um tanque de mistura, que é então enviado para queima nas caldeiras. Esse reciclo das cinzas varia de caldeira para caldeira e também ao longo do tempo, podendo ter grande impacto nas características e quantidade do licor negro, impactando no desempenho térmico de todo o processo. Um novo método foi desenvolvido visando determinar de forma rápida e precisa a quantidade de recirculação de cinzas nas caldeiras de recuperação. Ele é baseado na diferença entre o teor de carbono orgânico (TOC) do licor negro virgem e do licor após a adição das cinzas. O método desenvolvido foi avaliado em três unidades industriais da Fibria no Brasil. Os resultados mostraram que apesar da quantidade de licor negro virgem produzido nas três fábricas ser similar, a quantidade média de cinzas recirculadas nas caldeiras variou de 5,6% em uma das fábricas até um máximo de 12,7% em outra. Uma análise qualitativa indicou que diferenças no nível de sulfidez do licor e na vazão e velocidade dos gases no interior da fornalha são fatores que poderiam justificar das diferenças observadas.

Este trabalho propõe desenvolver um projeto de controle de um sistema de geração de vapor composto por múltiplas caldeiras que contemple a otimização do consumo de combustível do sistema. Para atingir este objetivo, deve-se combinar um controle regulatório eficiente de uma caldeira e um mecanismo divisor de carga eficiente para que cada caldeira opere com a confiabilidade normalmente requerida, aliado a um ponto ótimo de consumo de combustível. Esta dissertação apresenta: a modelagem dinâmica de uma caldeira aquatubular industrial; a implementação computacional do modelo dinâmico de uma caldeira aquatubular em Matlab; o projeto de controle de uma caldeira aquatubular no sistema de automação 800xA envolvendo a definição de estratégias de controle, a comunicação do sistema de automação com o modelo da planta no Matlab, uma avaliação sobre algumas técnicas de sintonia, bem como a sua simulação dinâmica e resultados; o problema de otimização para minimização do consumo de total de combustível de um sistema de geração de vapor com múltiplas caldeiras, bem como a avaliação de sua resolução com modelagem por uma abordagem de Programação Linear Inteira Mista; e o projeto de controle de um sistema com múltiplas caldeiras, envolvendo também a simulação dinâmica. Com base nos experimentos simulados considerou-se que a estratégia de controle proposta neste trabalho tem desempenho satisfatório, principalmente pelo fato de que a inclusão do bloco divisor de carga não acarretou prejuízo na característica de rejeição de perturbações, o que encoraja estudos posteriores com o objetivo de se ter uma utilização prática. / This study proposes to develop a control project for a multiple boilers steam generation system that includes fuel optimization. To achieve that, it must combine an efficient boiler regulatory control and an efficient mechanism for load allocation to each boiler in order to operate with normally required reliability and combined with optimum fuel consumption. This dissertation presents: dynamic modeling of an industrial watertube boiler; computational implementation of the dynamic watertube Boiler model in Matlab, the control design of a watertube Boiler in 800xA automation system involving the definition of control strategies, communication of the 800xA automation system with the plant model in Matlab, an evaluation of some techniques for PID tuning including dynamic simulation results, the optimization problem to minimize the total fuel consumption of a multiple boilers steam generation system, as well as the assessment of their resolution with Mixed Integer Linear Programming modeling approach, and control design of a multiple boilers system, also involving dynamic simulation. Based on simulated experiments it was found that the control strategy proposed in this work has satisfactory performance, mainly because of the inclusion of the divider block load did not affect the rejection of disturbances characteristic, which encourages further studies with objective of practical use.

Este trabalho propõe desenvolver um projeto de controle de um sistema de geração de vapor composto por múltiplas caldeiras que contemple a otimização do consumo de combustível do sistema. Para atingir este objetivo, deve-se combinar um controle regulatório eficiente de uma caldeira e um mecanismo divisor de carga eficiente para que cada caldeira opere com a confiabilidade normalmente requerida, aliado a um ponto ótimo de consumo de combustível. Esta dissertação apresenta: a modelagem dinâmica de uma caldeira aquatubular industrial; a implementação computacional do modelo dinâmico de uma caldeira aquatubular em Matlab; o projeto de controle de uma caldeira aquatubular no sistema de automação 800xA envolvendo a definição de estratégias de controle, a comunicação do sistema de automação com o modelo da planta no Matlab, uma avaliação sobre algumas técnicas de sintonia, bem como a sua simulação dinâmica e resultados; o problema de otimização para minimização do consumo de total de combustível de um sistema de geração de vapor com múltiplas caldeiras, bem como a avaliação de sua resolução com modelagem por uma abordagem de Programação Linear Inteira Mista; e o projeto de controle de um sistema com múltiplas caldeiras, envolvendo também a simulação dinâmica. Com base nos experimentos simulados considerou-se que a estratégia de controle proposta neste trabalho tem desempenho satisfatório, principalmente pelo fato de que a inclusão do bloco divisor de carga não acarretou prejuízo na característica de rejeição de perturbações, o que encoraja estudos posteriores com o objetivo de se ter uma utilização prática. / This study proposes to develop a control project for a multiple boilers steam generation system that includes fuel optimization. To achieve that, it must combine an efficient boiler regulatory control and an efficient mechanism for load allocation to each boiler in order to operate with normally required reliability and combined with optimum fuel consumption. This dissertation presents: dynamic modeling of an industrial watertube boiler; computational implementation of the dynamic watertube Boiler model in Matlab, the control design of a watertube Boiler in 800xA automation system involving the definition of control strategies, communication of the 800xA automation system with the plant model in Matlab, an evaluation of some techniques for PID tuning including dynamic simulation results, the optimization problem to minimize the total fuel consumption of a multiple boilers steam generation system, as well as the assessment of their resolution with Mixed Integer Linear Programming modeling approach, and control design of a multiple boilers system, also involving dynamic simulation. Based on simulated experiments it was found that the control strategy proposed in this work has satisfactory performance, mainly because of the inclusion of the divider block load did not affect the rejection of disturbances characteristic, which encourages further studies with objective of practical use.

Engenheiros têm introduzido um melhor suporte para procedimentos de monitoramento de condições complexas através da aplicação de sistemas descentralizados inteligentes usando uma variedade de técnicas de inteligência artificial. Agora é largamente reconhecido que estes problemas decorrentes da complexidade funcional do monitoramento de condições podem ser resolvidos com arquiteturas que contenham muitos módulos distribuídos e inteligentes, que interajam dinamicamente, os quais são chamados de agentes inteligentes. A tecnologia baseada em agentes tem gerado muita agitação nos últimos anos por causa da promessa de ser um novo paradigma na hora de definir os conceitos para modelar e implementar sistemas de controle. O objetivo do presente estudo é implantar esta tecnologia no controle de uma caldeira de recuperação com a finalidade de gerenciar e integrar produção, qualidade e segurança no processo. A caldeira de recuperação tem dois objetivos bem definidos, cada um com suas restrições operacionais: (1) geração de vapor vivo a ser utilizado no processo, e, (2) redução de reagentes inorgânicos para recuperar sulfeto e carbonato de sódio, necessários no ciclo do processo de fabricação de celulose. Cada um destes objetivos é um sistema com funções independentes dentro da caldeira, mas que, no entanto tem seus desempenhos interligados entre si através das variáveis comuns existentes no processo. Esta é exatamente a definição de um sistema agente, ou melhor, de um Sistema Multi-Agente (SMA), no qual não existe uma otimização e sim a busca de uma solução possível. O modelo dinâmico da Caldeira foi simulado em Matlab(TM) Simulink(TM) baseado no modelo matemático da caldeira de recuperação de licor negro B&W (Babcock&Wilcox). O SMA foi desenvolvido utilizando a linguagem de programação JAVA e a plataforma de agentes JADE. / Engineers have been introducing better support for procedures of monitoring complex conditions through the application of intelligent decentralized systems, implementing a variety of artificial intelligent techniques. Nowadays it is vastly known that these problems that are consequence of the functional complexity of monitoring conditioning can be solved trough architectures, built by many intelligent distributed modules, which interact dynamically, known as intelligent agents. Technology based on agents have been creating excitement over the last years because of its promise of being a new paradigm that can be used to define modeling and implementing concepts for control systems. The goal of this thesis is to implement this new technology on controlling a recovery boiler, aiming to manage and integrate production, quality and security to the process. The operation of the recovery boiler has two well defined objectives, each one with its operational constraints: (1) steam production, an important asset in the pulp and paper process, and, (2) reduction of inorganic reagents to recover sulfate and sodium carbonates, the necessary chemicals in the Kraft pulp production. Each one of these functions, is an independent system inside the recovery boiler, however they have their performances connected to each other by common variables present in the process. This is exactly the definition of an agent system, in other words, a definition of a Multi-Agent System (MAS), for which there is not an optimization, but the search for the best possible outcome. The recovery boiler dynamic model was simulated using Matlab(TM) Simulink(TM) based on the mathematic model of B&W (Babcock&Wilcox) recovery boiler of black liquor. The MAS was implemented using JAVA(TM) programming language and JADE(TM) agent platform.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:42:40Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:57:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 05031.pdf: 4962096 bytes, checksum: 39c12c06c0063abb20c1c82005ecef33 (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

The presence of deposits leading to corrosion of the steam generator (SG) systems is a major contributor to operation and maintenance cost of pressurized water reactor (PWR) plants. Formation and transport of corrosion products formed due to the presence of impurities, metallic oxides and cations in the secondary side of the SG units result in formation of deposits. This research deals with the characterization of deposit samples collected from the two SG units (unit 1 and unit 2) at Comanche Peak Steam Electric Station (CPSES). X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectrophotometry (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), and energy dispersive spectroscopy (EDS) techniques have been used for studying the compositional and structural properties of iron oxides formed in the secondary side of unit 1 and unit 2. Magnetite (Fe3O4) was found to be predominant in samples from unit 1 and maghemite (g-Fe2O3) was found to be the dominant phase in case of unit 2. An attempt has been made to customize FTIR technique for analyzing different iron oxide phases present in the deposits of PWR-SG systems.

Flow accelerated corrosion (FAC) is a major concern in the power industry as it causes thinning of the pipes by the dissolution of the passive oxide layer formed on the pipe surface. Present research deals with comparing the protection offered by the magnetite (Fe3O4) versus maghemite (γ-Fe2O3) phases thickness loss measurements. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) is used in distinguishing these two elusive phases of iron oxides. Representative pipes are collected from high pressure steam extraction line of the secondary cycle of unit 2 of Comanche Peak Steam Electric Station (CPSES). Environmental scanning electron microscopy (ESEM) is used for morphological analysis. FTIR and X-ray diffraction (XRD) are used for phase analysis. Morphological analysis showed the presence of porous oxide surfaces with octahedral crystals, scallops and "chimney" like vents. FTIR revealed the predominance of maghemite at the most of the pipe sections. Results of thickness measurements indicate severe thickness loss at the bend areas (extrados) of the pipes.