Säätösuunnittelu CFB-kattiloille yhdistettynä prosessisuunnitteluun

Nykyiset ympäristöhaasteet asettavat suuria vaatimuksia yhteiskunnan päästöjen leikkaamiseksi. Tämä edellyttää uusiutuvan energian tuotannon huomattavaa lisäämistä, mutta esimerkiksi aurinko- ja tuulisähkön tuotannon ajalliset vaihtelut tekevät sähköverkon tasapainottamisesta haastavaa. Vakaan voimantuotannon turvaamiseksi tarvitaan tämän vuoksi myös suuriin ja nopeisiin sähkön kuormanmuutoksiin kykeneviä polttovoimalaitoksia. Samaan aikaan näissä voimalaitoksissa tulee pyrkiä vähentämään päästöjä, mikä johtaa uudenlaisiin prosessimuunnoksiin. Joustavien ja vähäpäästöisten polttovoimalaitosten suunnittelu eroaa täten merkittävästi perinteisestä voimalaitossuunnittelusta, jossa painotetaan taloudellista suorituskykyä maksimaalisella kuormatasolla.

Väitöstutkimuksessa saavutettiin parempia sähkön kuormanmuutoksia ja suurempi joustavuus prosessimuunnosten osalta kiertoleijupetikattiloissa integroidun säätö- ja prosessisuunnittelun kautta. Voimalaitosten kaltaisilla teollisuusprosesseilla prosessi- ja säätösuunnittelu suoritetaan perinteisesti vaiheittain, minkä seurauksena prosessisuunnittelu asettaa rajoituksia tuotettavan sähkön säädölle. Lisäämällä suunnitteluvaiheiden välistä vuorovaikutusta integroidun suunnittelun kautta tämä rajoitus voidaan tehokkaasti välttää. Väitöstutkimus esittääkin, että integroitu suunnittelu on oleellinen kehityssuunta kiertoleijupetikattilan kaltaisille polttovoimalaitoksille. Säätö- ja prosessisuunnittelun yhdistäminen suoritettiin leijupetikattiloille nyt ensimmäistä kertaa.

Tutkimuksessa määritettiin kolmivaiheinen integroitu leijupetikattiloiden suunnittelumalli, jonka vaiheina olivat simulointiin ja tilaestimointiin perustuva prosessianalyysi, säätörakenteen valinta vuorovaikutusanalyysin kautta sekä prosessi- ja säädinparametrien yhtäaikainen optimointi. Tutkimustulokset osoittivat, että valittujen menetelmien kautta voitiin saavuttaa tarkkoja kuormanmuutoksia kiertoleijupetikattilassa sekä muokata sitä soveltuvaksi happipoltolle, joka on hiilidioksidipäästöjen talteenotossa käytetty tekniikka. Tutkimuksessa esitetyt suunnittelukäytännöt mahdollistavat siis kestävämmän voimantuotannon sähköverkossa.