Tämän työn tarkoituksena oli selvittää, miten amiinipesuri soveltuisi käytettäväksi no-peissa kuormanmuutostilanteissa esimerkiksi kaasuturbiinivoimalaitoksissa. Tavoit-teena oli myös tutustua amiinipesurin toimintaan sekä toimintaympäristöön ja tarkastella muutamaa mahdollista amiinipesurin säätöstrategiaa. Näiden säätöstrategioiden avulla tarkasteltiin amiinipesurin soveltuvuutta nopeisiin kuormanmuutostilanteisiin.
Amiinipesuri on laite, jolla poistetaan hiilidioksidia savukaasusta. Amiinipesuri koostuu kahdesta kolonnista, pesukolonnista ja haihdutuskolonnista. Pesukolonnissa hiilidioksi-dimolekyylit liukenevat savukaasusta absorboivaan aineeseen. Pesukolonnista absor-boiva aine kuljetetaan haihdutuskolonniin, jossa hiilidioksidimolekyylit talteen otetaan lämmön avulla. Vähähiilidioksidipitoinen absorboiva aine palautetaan takaisin pesuko-lonniin. Hiilidioksidin talteenottoa ajava voima on lämpö, joka saadaan kattilalta tulevasta höyrystä.
Amiinipesurin toimintaan ja säätöön vaikuttavat sekä sisäiset että ulkoiset tekijät. Sisäi-siä tekijöitä ovat amiinipesurin rakenne, koko, absorboiva aine sekä rakenteesta aiheu-tuvat rajoitteet ja vaatimukset. Ulkoisia tekijöitä ovat esimerkiksi savukaasun koostumus ja massavirta sekä kattilalta tulevan höyryn määrä. Sisäiset ja ulkoiset tekijät voivat olla rajoitettuja. Esimerkiksi savukaasun massavirralle ja kattilalta tulevan höyryn määrälle on yleensä olemassa jotkin toimintaympäristöstä riippuvat maksimiarvot.
Amiinipesurien säätöstrategioissa tavoitteena on maksimoida hiilidioksidin poistoaste ja minimoida energiankulutus. Tässä työssä tutkittiin kolmea eri säätöstrategiaa. Säätöstra-tegioiden yhteenveto on taulukossa 1. Säätöstrategiat 1 ja 2 oli muodostettu valitsemalla tavoitearvo hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuudelle ja sen jälkeen optimoitu proses-sin matemaattisia malleja valitulla optimointityökalulla. Säätöstrategian 3 optimaalisuu-desta ei ole tietoa, sillä tutkimuksessa oli simuloitu valmiin prosessin mallin dynamiikkaa.
Säätöstrategiaa 3 voidaan tarkastella sellaisena tilanteena, jossa säätöparametreja tai ohjaus-mittaus-pareja ei tarkemmin ole suunniteltu tai optimoitu.
Tutkituista säätöstrategioista toimivin ja tehokkain oli monimutkaisin säätöstrategia eli säätöstrategia 2. Säätöstrategiassa 2 säädettävät suureet olivat absorboivan aineen taus, lämmönvaihtimen lämpötila ja haihdutuskolonnin paine. Absorboivan aineen vir-tausta säädettiin venttiileillä, lämmönvaihtimen lämpötilaa höyryn virtauksen venttiileillä ja haihdutuskolonnin painetta talteen otettavan hiilidioksidin paineen avulla. Näitä
yksit-täisiä säätöpiirejä paranneltiin vielä kaskadisäätörakenteiden avulla. Tällä säätöstrategi-alla saatiin nopeimmat vasteet, sillä häiriön tai asetusarvomuutoksen jälkeen systeemillä kesti vain noin 5 minuuttia stabiloitua uuteen optimiarvoonsa. Verrattuna Säätöstrategi-aan 1, Säätöstrategia 2 on kuusi kertaa nopeampi.
Nopeat kuormanmuutostilanteet aiheuttavat amiinipesurin käytölle omat haasteensa.
Kaasuturbiinivoimalaitos on mahdollista ajaa 30 minuutissa käynnistyksestä 25 MW:n tehoon. Säätöstrategiatutkimuksissa ei näin suuria muutoksia simuloitu, mutta tehdään pienemmän mittakaavan simulointien tuloksista johtopäätöksiä suurempaan mittaku-vaan. Yhtenä haasteena on amiinipesurin energiankulutus muutostilanteissa. Tilan-teissa, joissa absorboivan aineen kiertoa kasvatetaan, myös amiinipesurin energianku-lutus kasvaa. Toinen haaste on hiilidioksidin talteenoton tehokkuus. Hiilidioksidin talteen-oton tehokkuus vähenee muutostilanteissa ainakin hetkellisesti. Muista suureista riippuu, palautuuko hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuus asetusarvoonsa muutoksen jälkeen.
Amiinipesuri voi soveltua nopeisiin kuormanmuutostilanteisiin, jos amiinipesurin sää-töstrategia suunnitellaan ja optimoidaan siihen toimintaympäristöön sopivaksi, kuten säätöstrategian 2 suunnittelussa oli tehty. Säätöstrategian suunnittelun ja optimoinnin jälkeen viritetään säätimet. Nopeissa kuormanmuutostilanteissa voi olla järkevää harkita, halutaanko antaa hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuudelle jokin asetusarvo vai antaa jollekin muulle suureelle asetusarvo, jota systeemi seuraa. Esimerkiksi energiankulutuk-sen minimointia voisi painottaa nopeiden kuormanmuutosten säädössä. Tilanteissa, joissa kuormanmuutoksia tapahtuu jatkuvasti eikä amiinipesurin toiminta ehtisi stabiloi-tua missään vaiheessa, voi harkita, kasvaako amiinipesurin energiankulutus liian suu-reksi ja toisaalta talteen otetaanko hiilidioksidia liian vähän. Kaikessa amiinipesurin sää-dössä on tärkeää muistaa, että tavoitteena on maksimoida hiilidioksidin talteenotto ja minimoida energiankulutus.
LÄHTEET
Duke, M.C., Ladewig, B., Smart, S., Rudolph, V. & Diniz da Costa, J.C. (2010) “Assess-ment of postcombustion carbon capture technologies for power generation,” Fron-tiers of chemical engineering in China, vol. 4, pp. 184–195.
Energiateollisuus ry (2021) Energiavuosi 2020. Saatavilla: https://energia.fi/fi-les/4428/Sahkovuosi_2020_netti.pdf, [2021, 29.9.].
Fashami, S., Rochelle, G.T. & Edgar, T.F. (2012) Dynamic modeling, optimization, and control of monoethanolamine scrubbing for CO2 capture.
Fingrid Oyj (2021) Reservituotteet ja reservien markkinapaikat. Saatavilla:
https://www.fingrid.fi/globalassets/dokumentit/fi/sahkomarkkinat/reservit/reservi-tuotteet-ja-reservien-markkinapaikat.pdf, [2021, 8.12.]
Ghadrdan, M. (2019) “Toward a systematic control design for solid oxide fuel cells,” De-sign and Operation of Solid Oxide Fuel Cells: The Systems Engineering Vision for Industrial Application, pp. 217–253.
Jäschke, J. & Skogestad, S. (2013) “Using Process Data for Finding Self-optimizing Con-trolled Variables,” IFAC Proceedings Volumes, vol. 46, pp. 451–456.
Lawal, A., Wang, M., Stephenson, P., Koumpouras, G. & Yeung, H. (2010) “Dynamic modelling and analysis of post-combustion CO2 chemical absorption process for coal-fired power plants,” Fuel, vol. 89, pp. 2791–2801.
Li, Decai, Hu, Y., Li, Dacheng & Wang, J. (2019) “Combined-cycle gas turbine power plant integration with cascaded latent heat thermal storage for fast dynamic re-sponses,” Energy Conversion and Management, vol. 183, pp. 1–13.
Li, K., Leigh, W., Feron, P., Yu, H. & Tade, M. (2016a) “Systematic study of aqueous monoethanolamine (MEA)-based CO2 capture process: Techno-economic assess-ment of the MEA process and its improveassess-ments,” Applied energy, vol. 165, pp. 648–
659.
Liang, Z., Fu, K., Idem, R. & Tontiwachwuthikul, P. (2016a) “Review on current ad-vances, future challenges and consideration issues for post-combustion CO2 cap-ture using amine-based absorbents,” Chinese Journal of Chemical Engineering, vol.
24, pp. 278–288.
Panahi, M. & Skogestad, S. (2011) “Economically efficient operation of CO2 capturing process part I: Self-optimizing procedure for selecting the best controlled variables,”
Chemical engineering and processing, vol. 50, pp. 247–253.
Panahi, M. & Skogestad, S. (2012) “Economically efficient operation of CO2 capturing process. Part II. Design of control layer,” Chemical Engineering and Processing:
Process Intensification, vol. 52, pp. 112–124.
Rochelle, G.T. (2009) “Amine scrubbing for CO2 capture,” Science (American Associa-tion for the Advancement of Science), vol. 325, pp. 1652–1654.
Rochelle, G.T. (2016) “Conventional amine scrubbing for CO2 capture,” Absorption-Based Post-Combustion Capture of Carbon Dioxide, pp. 35–67.
Sindareh-Esfahani, P., Habibi-Siyahposh, E., Saffar-Avval, M., Ghaffari, A. & Bakhtiari-Nejad, F. (2014) “Cold start-up condition model for heat recovery steam genera-tors,” Applied Thermal Engineering, vol. 65, pp. 502–512.
Tsoutsanis, E. & Meskin, N. (2019) “Dynamic performance simulation and control of gas turbines used for hybrid gas/wind energy applications,” Applied Thermal Engineer-ing, vol. 147, pp. 122–142.
Walters, M.S., Edgar, T.F. & Rochelle, G.T. (2014) “Dynamic Modeling, Validation, and Time Scale Decomposition of an Advanced Post-combustion Amine Scrubbing Pro-cess,” in Energy procedia, pp. 1296–1307.
Walters, M.S., Edgar, T.F. & Rochelle, G.T. (2016) “Regulatory Control of Amine Scrub-bing for CO2 Capture from Power Plants,” Industrial & engineering chemistry re-search, vol. 55, pp. 4646–4657.
Woolf, P.J. (2009) Chemical Process Dynamics and Controls.
Yang, L., Qi, Y., Guangyu, Z. & Pu, L. (2018) Transient Analysis and Design Improve-ment of a Gas TurbineRotor Based on Thermal-Mechanical Method.