A control strategy for optimising the operational behaviour of biomass boilers

Zemann C.

Published 2022

Citation: Zemann C. A control strategy for optimising the operational behaviour of biomass boilers. 2022. 225 S.

Abstract

Biomassefeuerungen spielen eine Schlüsselrolle in der Energiewende hin zu einem vollständig erneuerbaren Energiesystem. Allerdings müssen sie sich zukünftigen Herausforderungen stellen, um weiterhin relevant zu bleiben. Einerseits müssen Biomassefeuerungen mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad arbeiten, um wirtschaftlich rentabel zu bleiben während sie gleichzeitig eine hohe Lastmodulationsfähigkeit aufweisen müssen, um für eine breitere Palette von Anwendungen eingesetzt werden zu können. Andererseits müssen Biomassefeuerungen immer strengere Grenzwerte für Schadstoffemissionen einhalten und gleichzeitig in der Lage sein, neue und alternative Biomassebrennstoffe mit geringerer Qualität zu verbrennen.

In dieser Arbeit wird eine modellbasierte Regelungsstrategie entwickelt, die es Biomassefeuerungen ermöglicht, all diese Herausforderungen zu meistern. Diese Regelungsstrategie besteht aus drei Teilen, einer Verbrennungsregelung, einem Zustands- und Parameterschätzer und einer Methode zur CO-lambda-Optimierung. Alle drei Teile werden in dieser Arbeit hergeleitet und im Detail diskutiert, insbesondere im Hinblick auf ihre Implementierung an realen Biomassefeuerungen. Darüber hinaus werden alle drei Teile der modellbasierten Regelungsstrategie durch Simulationsstudien sowie durch eine Implementierung in realen Biomassefeuerungen verifiziert.

Als Grundlage für die modellbasierte Regelungsstrategie wird ein mathematisches Modell abgeleitet, welches das dynamische Verhalten der Prozesse in der Biomassefeuerungen einschließlich des Einflusses der Brennstoffeigenschaften beschreibt. Die berücksichtigten Brennstoffeigenschaften sind die Schüttdichte und die chemische Zusammensetzung einschließlich des Wasser- und Aschegehalts sowie der untere Heizwert.

Die Verbrennungsregelung nutz die Stellglieder der Biomassefeuerung um dessen stabilen Betrieb zu gewährleisten und schnelle Laständerungen zu ermöglichen. Diese modellbasierte Regelstrategie berücksichtigt durch ihre Formulierung, die auf dem oben genannten mathematischen Modell basiert, explizit alle relevanten Brennstoffeigenschaften. Dadurch reagiert sie gezielt auf Änderungen dieser Brennstoffeigenschaften und kompensiert direkt deren Einfluss auf den Betrieb der Biomassefeuerung. Gleichzeitig weist sie eine einfache Struktur auf und ist daher leicht zu implementieren und zu warten. Diese modellbasierte Verbrennungsregelung wird sowohl in Simulationsstudien als auch durch Experimente nach einer Implementierung an einer realen Biomassefeuerung verifiziert.

Es wird ein kombinierter Zustands- und Parameterschätzer entwickelt, der gleichzeitig die Brennstoffeigenschaften, die anschließend von der Verbrennungsregelung verwendet werden, und die Zustandsgrößen der Biomassefeuerungen in Echtzeit schätzt. Er basiert auf einem erweiterten Kalman-Filter, der das in dieser Arbeit vorgestellte mathematische Modell verwendet. Diese Methode wird für verschiedene Brennstoffeigenschaften sowohl in Simulationsstudien als auch durch Messdaten aus realen Biomassefeuerungen verifiziert. Die Ergebnisse dieser Verifikation zeigen, dass diese Methode in der Lage ist, die Brennstoffeigenschaften und Zustandsgrößen auch bei Last- oder Brennstoffwechseln genau zu bestimmen.

Um einen Betrieb der Biomassefeuerung mit möglichst hohem Wirkungsgrad und möglichst geringen Schadstoffemissionen zu gewährleisten, wird eine Methode zur CO-lambda-Optimierung entwickelt. Diese Methode verwendet einen erweiterten Kalman-Filter in Kombination mit Messdaten des Sauerstoffgehalts und des CO-Gehalts des Rauchgases zur Bestimmung eines optimalen Luftüberschussverhältnisses für den aktuellen Zustand der Biomassefeuerung. Diese Methode wird an einer realen Biomassefeuerung in einer Langzeitvalidierung über mehrere Monate verifiziert und validiert. Während dieser Langzeitvalidierung führte die Anwendung dieser Methode zur CO-lambda-Optimierung zu einer Wirkungsgradsteigerung von 3,8 %, einer Reduktion der CO-Emissionen um durchschnittlich 200 mg/m³ sowie einer Verringerung der Gesamtstaubemissionen um durchschnittlich 19 %.

Zusammenfassend ermöglicht die in dieser Arbeit vorgestellte modellbasierte Regelungsstrategie es, Biomassefeuerungen mit den geringstmöglichen Schadstoffemissionen und dem höchstmöglichen Wirkungsgrad zu betreiben und dabei ein hohes Maß an Brennstoffflexibilität und Lastmodulationsfähigkeit zu erreichen. Darüber hinaus weist die Regelungsstrategie eine geringe Komplexität auf und ist leicht in realen Biomassefeuerungen zu implementieren und zu warten. Dies ermöglicht den breiten Einsatz dieser Regelungsstrategie an bestehenden und zukünftigen Biomassefeuerungen. Dies unterstützt die weitere Verbreitung von Biomassefeuerungen im Energiesystem, was zur Reduzierung der CO2e-Emissionen beiträgt und auch die verstärkte Nutzung anderer, volatiler erneuerbarer Technologien, wie z.B. solarthermischer Anlagen, ermöglicht.