Design and implementation of a model predictive controller for a small-scale biomass combustion furnace

Abstract

Although small-scale furnaces are subject to stronger fluctuations in heat demand compared to larger facilities, widely used control strategies most often only consider stead ystate operation. Economic aspects, emission regulations, and the steadily increasing need for higher efficiency call for a versatile control algorithm taking transient operation into account while being cost-efficient in implementation and maintenance. This work introduces an optimized control architecture, comprising a simple linear model predictive controller and a state estimation, in order to cover the whole operating range of an investigated small-scale biomass furnace. A grey-box model of the plant provides a basis for controller design as well as for determination of an appropriate linearization point by utilizing a gap metric. Among all pollutants, resulting from (incomplete)combustion, carbon monoxide is of particular importance, as its occurrence strongly indicates sub-par efficiency. However, the highly non-linear oxidation process impedes direct controlling of carbon monoxide by means of a simple linear approach. Therefore,the oxygen concentration in the flue gas is used as the emission-related control variable.Additionally, input and oxygen constraints are implemented to account for saturation of control variables and to prevent incomplete combustion, respectively. Experimental closed-loop results are presented for the combustion of different solid biofuels and indicate satisfying control performance not only in steady state but also in transient operation. Based on the introduced furnace model, which incorporates fuel-related parameters in an explicit manner, a simple and cost-efficient procedure for fuel switches is outlined. Since the highly influential role of the applied oxygen reference on carbon monoxide formation is significant in experimental results, a formation model from literature is used in an adapted formulation to provide emission-optimized reference values. Closed-loop simulation results confirm an overall improvement based on systematically picked oxygen references. The introduced overall control structure keeps complexity low and simultaneously offers a wide variety of possibilities yielding increased control performance along with minimized emission formation.

Obwohl Kleinfeuerungsanlagen stärkeren Schwankungen des Wärmebedarfs unterliegen als dies für Großanlagen der Fall ist, liegt das Hauptaugenmerk klassischer Ansätze der Verbrennungsregelung auf der Handhabung stationärer Zustände. Wirtschaftliche Aspekte sowie gesetzliche Emissionsbeschränkungen und die Anforderung nach immer höheren Wirkungsgraden verlangen nach einem fortschrittlichen Regelalgorithmus, der neben der Berücksichtigung transienter Vorgänge gleichzeitig kostengünstig in Implementierung und Wartung ist. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Regelung einer Kleinfeuerungsanlage zur Verbrennung von Biomasse. Dabei kommt eine Reglerstruktur bestehend aus einem linearen, modellprädiktiven Regelalgorithmus und einem Zustandsschätzer zum Einsatz. Die Aufgabe liegt darin, den gesamten Leistungsbereich des zu untersuchenden Ofens lediglich mit einem solch simplen Ansatz zufriedenstellend abzudecken. Eine Grey-Box-Modellierung des nichtlinearen Ofens bildet die Basis für die Reglerauslegung und die Bestimmung eines optimalen Linearisierungspunktes, wobei zur Bewertung der Optimalität eine passende Abstands-Metrik verwendet wird. Da Kohlenstoffmonoxid einen wichtigen Indikator zur Beschreibung der Verbrennungsgüte darstellt, ist eine Minimierung dieses Schadstoffes von großem Interesse. Aufgrund des hochgradig nichtlinearen Oxidationsprozesses ist die direkte Regelung dieser Größe mit einem linearen Ansatz nur beschränkt realisierbar. Zur Regelung der Verbrennungsgüte wird die Sauerstoffkonzentration als Regelgröße herangezogen. Dabei wird zusätzlich ein unteres Limit dieser Größe in der Formulierung des Regelalgorithmus implementiert, um hohe Schadstoffbildung infolge ausgeprägten Sauerstoffmangels zu verhindern. Die Performance des geschlossenen Regelkreises wird anhand experimenteller Untersuchungen für die Verbrennung verschiedener biogener Brennstoffe gezeigt, wobei sowohl im Stationärbetrieb als auch in den Übergangsphasen ein zufriedenstellendes Ergebnis erreicht wird. Da Brennstoffparameter explizit in der Formulierung des Ofen-Modells berücksichtigt werden, eröffnet sich eine einfache und zugleich kostengünstige Möglichkeit, Brennstoffwechsel durch simple Umparametrierung des Modells zu realisieren. Experimentelle Versuchsergebnisse verdeutlichen die Wichtigkeit der gewählten Sauerstoffreferenz im Hinblick auf die Qualität der Verbrennung. Aus der Literatur wird ein einfaches Modell der Kohlenstoffdioxid-Entstehung herangezogen, an den zu untersuchenden Ofen angepasst und schließlich zur Vorgabe passender Referenzwerte der Sauerstoffkonzentration verwendet. Der optimale Charakter dieser systematischen Festlegung wird mittels Simulation bestätigt.