Model öngörümlü denetleyiciler ve döner kireç fırını uygulaması
Model predictive control and lme kiln aplication
Yazar: HASAN HÜSEYİN ŞEREN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. RIFAT HACIOĞLU
Zonguldak Karaelmas Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Kireç = Lime ; Model öngörümlü denetim = Model predictive control ; PID denetleme = PID control

Özet:
Selülöz ve kağıt üretiminin geri dönüşüm döngüsü içerisinde yer alan Döner Kireç Fırını (DKF), prosesin anahtar parçalarından biridir. DKF'deki temel hedef kostikleştirme prosesinin ileri safhalarında beyaz likör üretmek için kullanılan kireç çamurunu kirece (kalsiyum oksit) dönüştürmektir. Geri dönüşümde harcanan kirecin tamamen ısı transferi ile toz halinde geri elde edilmesi için göreceli olarak büyük miktarlarda enerjiye gereksinim duyulmaktadır. Enerjinin optimum kullanılması gerektiği göz önüne alındığında DKF'nin kontrol optimizasyonu en önemli hedef olmaktadır. Kesin olan bir şey vardır ki DKF zor dinamikleri olan çok değişkenli bir prosestir ve bu da onu özellikle Model Öngörümlü Denetleyici (MPC, Model Predictive Control) için iyi bir aday yapar. Son yıllarda öngörülü kontrol bakış açısının gelişmesiyle MPC hem akademik çalışmalarda hem de endüstriyel uygulamalarda sık tercih edilmektedirler. Bununla birlikte PID denetleyiciler ise her türlü sisteme kolay adapte edildiklerinden ve endüstride sık kullanıldıklarından ön plana çıkmaktadırlar. Bu çalışmada da görüleceği üzere MPC kullanımı pek çok proseste çok iyi sonuçlar vermektedir.Döner kireç fırınlarında giriş bölgesi (BET, Back End Temperature) ve yanma bölgesi (FET, Front End Temperature) sıcaklıkları üretilen kirecin kalitesine doğrudan etki etmektedir. Bu sebeple giriş ve yanma bölgesi sıcaklıklarının istenilen değerlerde denetimi önemlidir. Bu çalışmada, DKF'lerde üretim kalitesini doğrudan ilgilendiren BET ve FET sıcaklıklarının MPC denetleyici kullanılarak operatör denetimi ve geleneksel denetim yöntemlerine göre göstereceği performans üzerinde durulmaktadır. Bu kapsamda gerçek bir DKF prosesinden alınan veriler ile BET ve FET sıcaklıklarının denetimi için girişleri yakıt miktarı değişimi ile giriş bölgesi fan devri olacak şekilde iki giriş iki çıkışlı ARX (Auto Regressive with eXogenous) ve ARMAX (Auto Regressive Moving Average with eXogenous Input) model yapıları elde edilmiştir. ARX ve ARMAX model yapılı DKF sistemlerin birbirlerine yakın hareket ettiği, birbirleri arasında üretilen kirecin kalite ve miktarını etkilemeyecek kadar küçük farkların olduğu görülmüştür. Bu modeller kullanılarak MPC tasarımı gerçekleştirilerek performansı tasarlanan PID denetleyicili ile elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmaktadır.Yapılan çalışmalar neticesinde MPC ile kontrol edilen DKF sistemlerinin yükselme ve yerleşme zamanlarının kısalarak sistemin daha hızlı tepki verdiği, buna karşılık PID denetleyici sistemin MPC'li sisteme göre tepki vermede ortalama 25 dakika yavaş kaldığı görülmektedir. Yaklaşık 45 dakika olan yerleşme zamanı MPC kullanılarak 20 dakika seviyesinde, PID denetleyici ile ise 45 dakika seviyesinde bulunmaktadır. PID denetleyici kullanılarak yerleşme zamanında bir değişiklik olmadığı görünsede, yaklaşık 25 dakika olan yükselme zamanı PID denetleyici ile 15 dakika seviyesine bulunmaktadır. Ölçümleri alınan DKF ortalama üretimle saatte 350 kg fuel-oil yakıtı tüketmektedir. ARX model yapılı MPC'li DKF sisteminin ortalama üretimle saatte 334 kg, ARMAX model yapılı MPC'li DKF sisteminin ise saatte 333 kg fuel-oil tükettiği hesaplanmaktadır. ARMAX model yapılı MPC'li sistemle mevcut sistem tüketimine göre günde 388 kg yakıt tasarrufu sağlanmaktadır.

Abstract:
Rotary Lime Kiln, takes place in the recovery cycle of pulp and paper production, is one of the key pieces of the process. The main objective of the rotary lime kiln is to transform the lime sludge into the lime (calcium oxide) which is used to produce white liquor in the advanced stage of causticizing process. Relatively large amount of energy is needed to get back the lime in powdered form by mere heat transfer. Rotary lime kiln?s control optimisation is the most important goal when optimum use of energy should be taken into consideration.One thing is certain that rotary lime kiln is a multivariable process and its challenging nature makes it be a good candidate for MPC (Model Predictive Control). In recent years, with the development of predictive control perspective, MPC has been prefered in both academic studies and industrial applications. However, PID controllers still come to the fore since they can easily be adapted to all kinds of systems and very popular in the industry. As can be seen in this study, the use of MPC gives very good results in many processes.The inlet zone and combustion zone temperatures of rotary lime kiln has a direct impact on the quality of lime produced. Those parameters are called Back End Temperature (BET) and Front End Temperature (FET) respectively and their control is very important.In this study, controlling BET and FET of rotary lime kiln by using the MPC and traditional control methods are discussed and their performance is compared. In this context, data from a real rotary lime kiln process is used to control BET and FET. Two inputs were chosen as the change of fuel quantity and the inlet zone fan speed so that the two input and two output ARX (Auto Regressive with eXogenous) and ARMAX (Auto Regressive Moving Average with eXogenous Input) model structures were derived. Rotary lime kiln systems built with ARX and ARMAX, has showed similar performance and small differences were observed in the quality and quantity of lime produced. Performance of MPC with desing using of these models compared with results obtained with performance of the PID controller is designed.It has been showed in the study that the rising and settling times of rotary lime kiln system controlled by MPC are much shorter than the times of rotary lime kiln system which is controlled by PID controller. Response time of PID controller was 25 minutes slower than that of MPC. For example, while the settling time in MPC was 20 minutes, it was 45 minutes for PID controller. By using PID controller it doesn?t seem changing on settling time but approximately rising time decrease from 25 minutes to 15 minutes by using PID controller.Real kiln consumes 350 kg/hour of fuel-oil in average production rate. On the other hand consumed oil in the kiln controlled by MPC is calculateted as 334 kg/hour for ARX and 333 kg/hour for ARMAX model. The system with MPC that has been built using ARMAX model provides a daily total saving of 388 kg when compared to current system.