Modelling and control of an industrial water tube steam generator

Fire-tube and water-tube steam generators are extensively studied in literatures. The available studies are mainly based on static modelling techniques which are suitable for sizing issues and customizing it for the user’s request. However, from an energy saving point of view, a dynamic model of a steam generator is significantly important to better evaluate its performance during transitory periods and to better design the controllers in order to improve the efficiency. Moreover, it could be quite useful to evaluate the metal temperature variations during start-up procedures. This is practically very important to better select a correct material or to tune better the transient time. In this regard, this dissertation aims at developing an accurate dynamic model of an industrial water-tube steam generator, which is able to simulate the dynamic and static behaviour of the system in both cold and warm operational conditions. Therefore, first, the reference model for a generic water-tube steam generator has been developed. It is based on different physical laws. The heat exchanged between the fire-gas part and the steam-water part is computed according to the equations related to the heat transferred due to radiation and convection. While the properties of the water-steam part, such as the saturation temperature, the pressure, the amount of steam and water in the system are computed according to the mass and energy balance equations. Then, the model is tuned and validated against several different experimental data obtained from a water-tube steam generator produced by Cannon BONO Energia S.p.a. to validate the correctness of the reference model. At the end the proposed reference model is used to obtain a sufficiently acceptable linear model of the system around nominal condition. A robustness analysis of the proposed linearized model is then performed to prove its reliability. Finally, the possibility to use a decentralized control structure to control the pressure and the level is evaluated and then a traditional PI control system for the steam-generator under study is proposed. The control system has the purpose of controlling both the pressure and the level of the water-tube generator in different operational points characterized by a different request of steams, i.e. different loads.

I generatori di vapore a tubi di fumo e a tubi d'acqua sono stati ampiamente studiati in letteratura. Gli studi disponibili si basano principalmente su tecniche di modellazione statica che sono adatte a problemi di dimensionamento e di personalizzazione per la richiesta dell'utente. Tuttavia, dal punto di vista del risparmio energetico, un modello dinamico di un generatore di vapore è significativamente più importante per valutare meglio le sue prestazioni durante i periodi transitori e per progettare i controllori al fine di migliorarne l'efficienza. Inoltre, potrebbe essere molto utile per valutare le variazioni della temperatura del metallo durante le procedure di avvio. Questo è molto importante nella pratica per poter selezionare un materiale corretto o per scegliere meglio il tempo necessario prima di raggiungere una situazione a regime. A questo proposito, questa tesi mira a sviluppare un modello dinamico accurato di un generatore di vapore industriale a tubi d'acqua, che sia in grado di simulare il comportamento dinamico e statico del sistema in diverse condizioni operative. Quindi, in primo luogo, è stato sviluppato il modello di riferimento per un generico generatore di vapore a tubi d'acqua. Esso si basa su diverse leggi fisiche. Il calore scambiato è calcolato secondo le equazioni relative al calore trasferito per irraggiamento e convezione. Mentre le proprietà della miscela di acqua e vapore, come la temperatura di saturazione, la pressione, la quantità di vapore e di acqua nel sistema sono calcolate secondo le equazioni di bilancio di massa ed energia. Successivamente, il modello viene tarato e la sua correttezza viene validata utilizzando diversi dati sperimentali ottenuti da un generatore di vapore a tubi d'acqua prodotto da Cannon BONO Energia S.p.a. Alla fine, il modello di riferimento proposto viene utilizzato per ottenere un modello lineare sufficientemente accettabile del sistema. Un'analisi di robustezza del modello linearizzato proposto viene poi eseguita per dimostrare la sua affidabilità. Infine, viene valutata la possibilità di utilizzare una struttura di controllo decentralizzata per controllare la pressione e il livello e quindi viene proposto un sistema di controllo tradizionale basato su due controllori PI per il generatore di vapore considerato in precedenza. Il sistema di controllo ha lo scopo di controllare sia la pressione che il livello del generatore a tubi d'acqua in diversi punti operativi caratterizzati da una diversa richiesta di vapore, cioè diversi carichi.