Modellbasierte Regelung des Anfahrvorgangs eines Oxyfuel-Prozesses

Dolls, Sarah; Abel, Dirk; Kneer, Reinhold

doi:10.18154/RWTH-2025-09695

Modellbasierte Regelung des Anfahrvorgangs eines Oxyfuel-Prozesses = Model-based control of the start-up process of an oxyfuel process

Dolls, Sarah^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sarah Dolls geb. Kauven

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Abel, Dirk (Thesis advisor)^RWTH* ; Kneer, Reinhold (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-01-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-09695
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1021855/files/1021855.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Regelungstechnik (416610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Modellierung und Simulation Kraftwerksprozess (frei) ; Oxyfuel-Verbrennung (frei) ; Start-Up (frei) ; modellgestützte prädiktive Regelung mit Beschränkungen (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit betrachtet den Anfahrvorgang des im OXYCOAL-AC-Projekt (Projektlaufzeit 2004 bis 2011) vorgeschlagenen membranbasierten Oxyfuel-Prozesses. Im Fokus der Ausarbeitung liegt ein im Rahmen der Projektbeteiligung von 2007 bis 2010 untersuchter modellgestützter Regelungsansatz, mit dessen Hilfe der Anfahrvorgang dieses Prozesses, der aufgrund einer Rauchgasrezirkulation und deren Anreicherung mit Sauerstoff in einer Membrananlage eine Vielzahl von Maßnahmen im Vergleich zum Anfahrprozess konventioneller Kohlekraftwerke erfordert, durchgeführt werden kann. Während die ursprüngliche Forschung auf den Einsatz von Oxyfuel-Verbrennung in Kohlekraftwerken abzielte, liegt der Fokus heute verstärkt auf industriellen Prozessen wie der Zementindustrie oder der Müllverbrennung, bei denen CO2-Emissionen durch Stoffumwandlungen im Prozess entstehen. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus dem OXYCOAL-AC-Projekt haben, weit über den Berichtszeitraum dieser Arbeit hinaus, allgemeine Folgeaktivitäten im Bereich der Oxyfuel-Verbrennung (SFB Oxyflame) und zur Sauerstoffbereitstellung mit Membranen (MEM-OXYCOAL und HETMOC) stattgefunden. Grundlage für die Untersuchung des Anfahrvorgangs des OXYCOAL-AC-Prozesses ist die Überarbeitung einer Komponentenbibliothek zur Erstellung eines detaillierten nichtlinearen Modells des Gesamtprozesses, das die Abbildung des gesamten Anfahrprozesses vom Kraftwerksstillstand bis zur Laststeigerung auf 100 % ermöglicht. Zur Validierung der Komponentenmodelle werden Daten einer Pilotanlage genutzt. Der Vergleich von Simulations- und Messdaten zeigt, dass die Modelle das reale Verhalten der Anlagenkomponenten gut abbilden können. Auf der Grundlage des detaillierten Prozessmodells wird ein lineares, vereinfachtes Prozessmodell zur Verwendung in einem Modellgestützten Prädiktiven Regler erstellt. Dazu wird der Anfahrvorgang des Prozesses simuliert und das Modell entlang der Anfahrkurve in mehreren Betriebspunkten linearisiert, reduziert und die Einzelmodelle zu einem Gesamtprozessmodell kombiniert. Mit der Verwendung eines Modells in der Regelung des Anfahrvorgangs wird ein Anfahrkonzept entwickelt, das zu jedem Zeitpunkt die Belange der temperaturkritischen Membrananlage berücksichtigen kann. Ausgehend von dem Anfahrvorgang eines konventionellen Kohlekraftwerks wird ein Anfahrkonzept für den OXYCOAL-AC-Prozess entwickelt, bei dem der Anfahrvorgang des Rauchgaskreislaufes in den des Kessels integriert wird. Da die Membrananlage Sauerstoff erst bei hohen Temperaturen liefert, wird der Kessel zunächst mit Umgebungsluft angefahren und das entstehende Rauchgas zur Aufheizung des Rezirkulationskreislaufs genutzt, bevor anschließend ein kontinuierlicher Übergang vom Luftbetrieb auf den Oxyfuel-Betrieb erfolgt. Um den angestrebten OXYCOAL-AC-Betrieb möglichst schnell erreichen zu können, wird während des Anfahrvorgangs durch den Einsatz einer Modellgestützten Prädiktiven Regelung die maximal zulässige Aufheizgeschwindigkeit nicht nur eingehalten, sondern auch möglichst ausgeschöpft. Für den Kessel ergibt sich durch die Berücksichtigung der maximal zulässigen Temperaturänderungsgeschwindigkeit des Membranmaterials eine Verlängerung der Anfahrzeit bis zur Volllast um etwa 10 Prozentpunkte gegenüber dem Anfahrvorgang eines konventionellen Kohlekraftwerks. Der eigentliche OXYCOAL-AC-Betrieb ist erst etwa weitere acht Stunden später erreicht.

The present work examines the start-up process of the membrane-based oxyfuel process proposed in the OXYCOAL-AC project (project duration 2004 to 2011). The focus of the work is on a model-based control approach investigated as part of the project participation from 2007 to 2010, which can be used to carry out the start-up process of this process, which requires a large number of additional steps compared to the start-up process of conventional coal-fired power plants due to the novel process structure of the flue gas recirculation and its enrichment with oxygen in a membrane system. While the original research focused on the use of oxyfuel combustion in coal-fired power plants, the focus today is increasingly on industrial processes such as the cement industry or waste incineration, where CO2 emissions are generated by material conversions in the process. Building on the findings of the OXYCOAL-AC project, general follow-up activities in the field of oxyfuel combustion (SFB Oxyflame) and oxygen supply using membranes (MEM-OXYCOAL and HETMOC) have taken place. The basis for the analysis of the start-up process of the OXYCOAL-AC process is the extension and modification of a component library so that a detailed non-linear model of the entire process can be created, with which the entire start-up process from power plant shutdown to load increase to 100 % can be simulated. To validate the component models, data from a pilot plant of a project partner is processed and the models are parameterised according to the plant components. The comparison of simulation and measurement data shows that the models can reproduce the real behaviour of the system components well. Based on the detailed process model, a linear, simplified process model is created for use in a model-based predictive controller. For this purpose, the start-up procedure of the process is simulated and the model is linearised along the start-up curve at several transient operating points, reduced and the individual models are combined to form an overall process model. By using a controller with an internal process model to regulate the start-up process, a start-up concept is developed that can take into account the requirements of the temperature-critical ceramic membrane system at all times. Based on the start-up process of a conventional coal-fired power plant, a start-up concept is developed for the OXYCOAL-AC process, in which the start-up process of the flue gas cycle is integrated into the start-up process of the boiler and supplemented by additional measures. As the membrane system only supplies the oxygen required for oxyfuel combustion at high temperatures, the boiler is first started up with ambient air and the resulting flue gas is used to heat up the recirculation circuit before a continuous transition from air operation to oxyfuel operation takes place. In order to achieve the desired OXYCOAL-AC operation as quickly as possible, the maximal allowed temperature change rate is not only maintained, but also maxed out, during the start-up process by using model-based predictive control. For the boiler, taking into account the maximal allowed temperature change rate of the membrane material results in an extension of the start-up time to full load by about 10 percentage points compared to the start-up process in a conventional coal-fired power plant. The full OXYCOAL-AC operation is only reached eight hours later.

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