Προβλεπτικός έλεγχος σε διεργασία δέσμευσης διοξειδίου του άνθρακα με απορρόφηση
Creators: name: Παπαδόπουλος, Κωνσταντίνος Θεμιστοκλή
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Προβλεπτικός έλεγχος
Δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα μετά την καύση
Σφάλμα διεργασίας-μοντέλου
Model predictive control
Post combustion CO2 capture
Mismatch plant-model

description: Το διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο αποτελεί προϊόν της καύσης των ορυκτών καυσίμων, αλλά και του ξύλου, των πλαστικών και των οργανικών ενώσεων ευθύνεται σε πολύ μεγάλο ποσοστό για την υπερθέρμανση του πλανήτη και κατά συνέπεια στη δημιουργία του φαινόμενου του θερμοκηπίου και της κλιματικής αλλαγής. Οι τεχνολογίες δέσμευσης του διοξειδίου του άνθρακα αναμένεται να συνεισφέρουν σημαντικά στην μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα από ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Έτσι παρατηρείται έντονη ερευνητική δραστηριότητα στον τομέα της δέσμευσης διοξειδίου του άνθρακα τα τελευταία χρόνια. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η εφαρμογή ενός βέλτιστου προβλεπτικού ελεγκτή για την δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα μετά την καύση με απορρόφηση. Η διεργασία δέσμευσης γίνεται με τη χημική απορρόφηση του διοξειδίου του άνθρακα από το μίγμα των αερίων καύσης με τη χρήση υδατικού διαλύματος αμινών. Στη συνέχεια με θερμική επεξεργασία απελευθερώνεται το διοξείδιο του άνθρακα από το δεσμό του με την αμίνη και συλλέγεται ως καθαρό αέριο. Η διεργασία είναι κυκλική με συνεχή επαναχρησιμοποίηση του διαλύματος αμινών ενώ εμφανίζει δυναμικά καθυστέρησης χρόνου και αντίστροφης απόκρισης που καθιστούν τον έλεγχο της διεργασίας δύσκολο. Η διεργασία υπόκειται σε συνεχείς διαταραχές εξ αιτίας των μεταβολών στην ογκομετρική παροχή και τη σύσταση του ρεύματος απαερίων καύσης, ενώ το διάλυμα αμίνης εμφανίζει σταδιακή μείωση της ικανότητάς του να δεσμεύει διοξείδιο του άνθρακα λόγω οξείδωσης. Βασικός στόχος είναι η επίτευξη σταθερού ποσοστού δέσμευσης 95% του εισερχόμενου CO2. Αρχικά, αναπτύχθηκε δυναμικό μοντέλο συναρτήσεων μεταφοράς. Με βάση το δυναμικό μοντέλο σχεδιάστηκε ένα σύστημα με PI ελεγκτή και στην συνέχεια με ένα βέλτιστο προβλεπτικό ελεγκτή. Στο τέλος προτείνεται μια βέλτιστη διεργασία η οποία είναι πολύ κοντά στα βέλτιστα λειτουργικά επίπεδα ελεγχόμενη από προβλεπτικό ελεγκτή με φυσικά όρια στις χειραγωγούμενες μεταβλητές, με όρια ασφαλείας στις ρυθμιζόμενες μεταβλητές όπως και στον ρυθμό μεταβολής των χειραγωγούμενων μεταβλητών. Παράλληλα εξετάστηκε η δυναμική συμπεριφορά του συστήματος ελέγχου με σφάλμα διεργασίας-μοντέλου στο επίπεδο του ±25%. Ο προβλεπτικός ελεγκτής κατάφερε να επιτύχει αποδεκτή δυναμική συμπεριφορά παρόλη τη σημαντική μεταβολή στη δυναμική συμπεριφορά της διεργασίας
description: Carbon dioxide, which is the product of combustion of fossil fuels, but also of wood, plastics and organic compounds, is greatly responsible for global warming and consequently of greenhouse effect and climate change. Carbon capture technologies are expected to make a significant contribution to reduce carbon dioxide emissions from anthropogenic activities. This has led to a strong research activity in the field of carbon capturing in recent years. The purpose of this paper is to design and implement an optimal predictive controller for carbon dioxide capture after combustion by absorption. The capturing process is carried out by the chemical absorption of carbon dioxide from the combustion gas mixture using an aqueous solution of amines. Then, with external heating the carbon dioxide is released from its bond with the amine and is collected as pure gas. The process is continuous with reuse of the amine solution while displaying time delay and inverse response dynamics that make process control difficult. The process is subject to continuous disturbances due to variations in volumetric flow rate and composition of the combustion gas stream, while the amine solution exhibits a gradual reduction in its ability to capture carbon dioxide due to oxidation. The main goal is to achieve a fixed 95% commitment rate of incoming CO2. Initially, a dynamic transport function model was developed. Based on the dynamic model, a system with a PI controller was designed and then with an optimal predictive controller. Finally, an optimum process is proposed which is very close to the optimal operating levels controlled by a predictive controller with physical limits in the manipulated variables, with safety limits in the regulated variables as well as the rate of change of the manipulated variables. At the same time, the dynamic behavior of the control system with a mismatch plant-model was examined at the level of ± 25%. The predictive controller has managed to achieve acceptable dynamic behavior despite the significant change in the dynamic behavior of the process