Modelling and control of a D-type water tube industrial boiler

This experiment is about developing a control system strategy on an industrial boiler with the aim of having safe and efficient operation for boiler. The category of the boiler is classified as a D-type water tube boiler. Two different plants have been examined throughout the procedure of this experiment. These two plants have been model on the basis of Åström and Bell nonlinear complex dynamic model but each with different geometries and constraints. The whole procedure is done based on the following orders. First, describing a nonlinear model for steam drum of a D-type water tube boiler with natural circulation. The model is derived from first principle modeling method and is based on physical principles and construction data. Second, to compensate the nonlinearities of the model, we divide the whole operating range into several smaller ranges where the process can be approximated by linear models. By using system identification techniques, it is possible to obtain black box models of the system in order to linearized the system around various working conditions. Each black box model is only valid on its corresponding operating point. Then for further implementation a controller is required for each working point. The control system is mainly defined as combination of a pressure control loop and a three-element level controller. The pressure control loop consists of a simple PID controller to operates on heat in order to keep the pressure at its desired value. The three-element level controller is a two-loop cascade control with feed forward path to modify the mismatch between the demand (steam flow) and feed water flow and level variation must be considered during this process because of the minimum phase behavior of the level. Last but not least, the gain scheduling approach will be applied to the plant, i.e. a controller with a satisfactory behavior for full operating range is defined by determining one model for each operating point and changing the controller parameters with the operating condition.

Questa tesi tratta lo sviluppo di strategie di controllo per caldaie industriali orientate ad un funzionamento sicuro ed energicamente efficiente delle caldaie stesse. La tipologia di caldaia analizzata nella trattazione è quella di tipo D a tubi d’acqua. Due diverse caldaie sono state utilizzate come caso di test per gli argomenti trattati. Entrambe le caldaie sono state modellizzate utilizzando il modello dinamico non lineare sviluppato da Åström e Bell ma differiscono per caratteristiche geometriche e condizioni nominali di funzionamento. Il flusso di lavoro utilizzato è di seguito descritto. Innanzitutto, è stato sviluppato un modello lineare per le caldaie di tipo D a tubi d’acqua con circolazione naturale. Il modello si basa su principi di termodinamica e sui dati di costruzione. Successivamente, per compensare le non-linearità del modello, il range operativo di ciascuna caldaia è stato discretizzato in punti di lavoro nei quali il sistema è stato approssimato con un suo modello lineare. Utilizzando le tecniche di identificazione classica, è stato possibile ottenere dei modelli di tipo black-box del sistema e una sua approssimazione lineare nei punti di lavoro scelti. I modelli differiscono da un punto all’altro e per ognuno di essi è stato sintetizzato un’apposita architettura di controllo. Il sistema di controllo è costituito da un controllore di pressione della caldaia e un controllo a tre elementi del suo livello. L’anello di controllo della pressione consiste in un controllore PID la cui variabile manipolata è costituita dal calore in ingresso alla caldaia, regolato in modo da mantenere la pressione della caldaia uguale al suo set-point. Il controllo di livello a tre elementi è costituito da due anelli di controllo in cascata più un’azione di controllo in feed farward e ha l’obiettivo di compensare le variazioni di livello dovute alle variazioni di calore in ingresso alla caldaia agendo sulla portata di alimento (idealmente uguale alla portata di vapore estratta) a causa del comportamento a fase non minima del sistema. Infine, è stato applicato al sistema un approccio di tipo gain scheduling. Partendo dalla sintesi dei controllori dei differenti punti di lavoro, è stato sviluppato un controllore con la tecnica del gain scheduling in modo di adattare lo schema di controllo alla condizione di lavoro in cui il sistema si trova.