Dynamic modelling, experimental validation and optimal sizing of industrial fire-tube boilers for various demand profiles

In the first part of the present work, a detailed dynamic model of an industrial fire-tube boiler is first developed and five different geometrical configurations, each of which corresponds to a boiler model, are considered. Next, a PID controller is implemented and tuned for each configuration aiming at controlling the steam pressure while addressing a demand with a variable steam flow rate. The operation of the developed boiler models, while providing four different steam demand profiles, are next simulated. The resulting average cumulative efficiency along with the cumulative pressure deviations and minimum and maximum pressure, which are achieved in each simulation, are then determined. The obtained results provide practical information regarding the trade-off between the size of the boiler and its corresponding performance and controllability. The obtained results demonstrated that utilizing large boiler configurations, in the worst-case scenario, leads to less than 4% of reduction in the efficiency and a negligible increment in the amplitude of pressure deviations. Therefore, the provided results offer useful insights about the possible saving opportunities for small-medium scale industries, specifically in Italy, which are commonly employing oversized boilers with an On/Off control systems. The second part of present work is focused on dynamic modelling of fire-tube boilers with a Stagnation Point Reverse Flow type combustor. The developed model is based on previous dynamic model, which is modified in order to simulate the different combustor type and is next validated employing experimental data. Afterwards, five boilers configurations are considered and a PID controller is implemented and tuned for each boiler model. Four different steam flow profiles are taken into account and the achieved cumulative average efficiency and steam pressure range of each boiler, while addressing the considered profiles, are determined. The obtained results demonstrate the optimal boiler configuration considering the trade-off between the boiler efficiency, steam pressure range and the required capital investment.

La prima parte del presente lavoro è strutturata sull’iniziale costruzione di un modello dinamico incentrato su caldaie a tubi di fumo e sul dimensionamento di cinque diverse configurazioni, ognuna corrisponde ad un modello di caldaia. Conseguentemente un controllore a logica PID è implementato e tarato su ciascuna configurazione, essi agendo sulla portata di combustibile mantengono stabile la pressione di esercizio della caldaia al variare della domanda di vapore richiesta. Quattro diversi profili di vapore sono strutturati e simulati sui modelli di caldaia. I risultati ottenuti ad ogni simulazione sono composti da due diversi indicatori, efficienza media cumulata e deviazione standard cumulata. Si osserva come venga evidenziata una soluzione che bilanci l’incremento di rendimento e la controllabilità identificata mediante il campo di variabilità della pressione di esercizio. In particolare viene evidenziato come l’impiego di caldaie con taglie crescenti porti ad un massimo incremento di rendimento pari al 4% ed una trascurabile variazione del campo di pressione di vapore durante le simulazioni. In definitiva, i risultati tratteggiano un quadro di interesse che investe direttamente la possibilità di più oculati investimenti verso caldaie con taglie più adeguate alle esigenze, particolare è lo scenario italiano nel quale vi è una generale tendenza a sovrastimare le reali necessità e quindi favorire modelli di caldaie troppo grandi. La seconda parte del lavoro viene focalizzata sull’implementazione, analogamente, di un modello dinamico basato su caldaie a tubi di fumo equipaggiate con combustore di tipo ad inversione di fiamma (SPRF). Tale modello di tipo termodinamico si basa sull’evoluzione del modello proposto al punto precedente, una validazione sperimentale è di conseguenza condotta basata su due distinti modelli di caldaia, le misure sperimentali installate in diversi punti chiave della caldaia vengono elaborate per caratterizzare il comportamento dinamico del modello. Successivamente cinque differenti modelli di caldaia con altrettante configurazioni vengono introdotte e quattro profili di produzione vapore sono impostati. Ogni modello viene equipaggiato di un controllore PID che regola la portata di combustibile afferente al sistema mentre questo mantiene stabilizzata la pressione di lavoro della caldaia al variare della richiesta di vapore. I risultati ottenuti mostrano, anche in questo ambito, l’individuazione della configurazione ottimale in termini di efficienza media cumulata e minima/massima pressione di vapore raggiunta per ciascuna iterazione.