A hybrid MPC-PI control system for fire tube steam generators

Differently from the past, nowadays, manufacturing companies increasingly strive to customize fire tube boiler designs to specific model. They are interested in enhancing efficiency and reducing consumptions and carbon/nitrogen oxides emissions. That’s why dynamic modelling of fire tube boilers is an important topic today. In fire tube boilers, the flue gas passes inside water immersed tubes, and heat is transferred to the water on the shell side. As a result of this process, there is a production of steam that is being used in applications of a variety of industrial fields. A dynamic model implemented in MATLAB has been used for the analysis of boiler performance. In this thesis, a control architecture of a fire tube steam generator has been proposed. Two control loops have traditionally been used: pressure control loop and level control loop. In this thesis, the system performance is enhanced without changing its core architecture by applying a Model Predictive Control (MPC) architecture on top of the traditional one (an hybrid MPC-PID approach). The work has been focused on controlling the setpoints of the PID regulators with the goal of increasing efficiency and overcome the so called shrink-swell phenomenon. The case study is a fire tube steam generator produced by Bono Energia S.p.A., model: SG-1000.

A differenza del passato, oggigiorno, le aziende manifatturiere si sforzano sempre di più di personalizzare i propri prodotti. In particolare, per modelli di caldaie industriali a tubi di fumo, sono interessate a migliorare l'efficienza e ridurre i consumi e le emissioni di ossidi di carbonio e azoto. Ecco perché la modellazione dinamica delle caldaie a tubi di fumo è un argomento importante oggi. Nelle caldaie a tubi di fumo, i gas combusti passano all'interno di tubi immersi in acqua. Viene scambiato calore con le pareti dei tubi e quindi con l’acqua circostante. Come risultato di questo processo, c'è una produzione di vapore che viene utilizzata in una varietà di applicazioni industriali. Un modello dinamico implementato in MATLAB è stato utilizzato per l'analisi delle prestazioni della caldaia. In questa tesi è stata proposta un'architettura di controllo di un generatore di vapore a tubi di fumo. Finora, sono stati tradizionalmente usati due anelli di controllo: uno per la pressione e uno per il livello. In questa tesi, le prestazioni del sistema sono state migliorate senza modificare la sua architettura di base sovrapponendo un'architettura Model Predictive Control (MPC) a quella tradizionale (un approccio ibrido MPC-PID). Il lavoro è stato incentrato sul controllo dinamico dei setpoint dei regolatori PID con l'obiettivo di aumentare l'efficienza e superare il cosiddetto fenomeno del rigongiamento (shrink-swell). Il caso di studio è un generatore di vapore a tubi di fumo prodotto da Bono Energia S.p.A., modello: SG-1000.