Hiilidioksidin talteenotto amiinipesurilla säätävissä voimalaitoksissa : Amiinipesurin säätö nopeissa kuormanmuutostilanteissa

(1)

Anna-Reetta Eilola

HIILIDIOKSIDIN TALTEENOTTO AMIINI- PESURILLA SÄÄTÄVISSÄ VOIMALAI- TOKSISSA

Amiinipesurin säätö nopeissa kuormanmuutostilan- teissa

Kandidaatintyö

Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta

Henrik Tolvanen

12/2021

(2)

TIIVISTELMÄ

Anna-Reetta Eilola: Hiilidioksidin talteenotto amiinipesurilla säätävissä voimalaitoksissa, amiinipesurin säätö nopeissa kuormanmuutostilanteissa

Amine scrubber based CO2-capture in load following power plants, control of amine scrubber in varying load changes

Kandidaatintyö Tampereen yliopisto

Tekniikan ja luonnontieteiden TkK-tutkinto-ohjelma, ympäristö- ja energiatekniikka Joulukuu 2021

Tuuli- ja aurinkoenergian kasvava osuus sähköntuotannosta aiheuttaa haasteita sähköverkon taajuuden ylläpitämiseen. Näiden uusiutuvien energiamuotojen tueksi tarvitaan säätävää sähkön- tuotantoa, jota tuotetaan nopeasti reagoivilla voimalaitoksilla. Tällaisia nopeasti reagoivia voima- laitoksia ovat esimerkiksi kaasuturbiinivoimalaitokset. Usein nopeasti reagoivissa voimalaitoksissa käytetään fossiilisia polttoaineita, joista aiheutuu merkittäviä päästöjä ilmakehään. Työn tarkoituksena on selvittää, miten amiinipesuri soveltuisi hiilidioksidin talteenottoon nopeasti reagoivissa voimalaitoksissa ja niiden nopeissa kuormanmuutostilanteissa.

Amiinipesuri on laite, jolla poistetaan hiilidioksidia savukaasuista. Amiinipesuri koostuu kahdesta kolonnista, joista pesukolonnissa hiilidioksidimolekyylit talteen otetaan savukaasuista absorboivan aineen liuokseen ja haihdutuskolonnissa liuoksesta puhtaaksi hiilidioksidikaasuksi.

Amiinipesurin säätöön vaikuttaa sekä amiinipesurin rakenne että voimalaitos, jonka savukaasulinjaan amiinipesuri on kytketty. Voimalaitoksen muuttujat, jotka amiinipesurin säätöön vaikuttavat, ovat esimerkiksi voimalaitokselta tulevan savukaasun koostumus ja massavirta sekä voimalaitokselta saatavan höyryn määrä. Amiinipesurin rakenteesta aiheutuvat muuttujat ovat kolonnien koko, käytetty absorboiva aine sekä halutut paineet ja lämpötilat.

Amiinipesurin säätöstrategiaa suunnitellessa tavoitteena on maksimoida talteen otetun hiilidioksidin määrä ja minimoida energiankulutus. Lopullinen säätöstrategia riippuu usein myös muista rajoittavista tekijöistä. Tässä työssä on tarkasteltu kolmea eri säätöstrategiaa. Säätöstrategioita tutkittaessa kävi ilmi, että nopeissa kuormanmuutostilanteissa amiinipesurin energiankulutus voi nousta melko korkeaksi ja hiilidioksidia saadaan otettua vähemmän talteen kuin olisi tavoitteena.

Paras säätötulos saatiin monimutkaisella säätöstrategialla. Tämä säätöstrategia voisi olla tarpeeksi tehokas myös nopeisiin kuormanmuutostilanteisiin. Tämä säätöstrategia on kuitenkin optimoitu vain tiettyyn toimintapisteeseen, joten sitä ei voida yleistää käytettäväksi kaikissa nopeissa kuormanmuutostilanteissa toimivissa amiinipesureissa.

Amiinipesuri voi soveltua käytettäväksi nopeissa kuormanmuutostilanteissa, mutta amiinipesurin säätöstrategia täytyy suunnitella vastaamaan toimintaympäristöään. Hyvin suunnitellun säätöstrategian optimoinnilla ja säätöparametrien valinnalla voidaan saavuttaa hyviä säätötulok- sia, ja saada amiinipesuri toimimaan halutusti myös nopeissa kuormanmuutostilanteissa.

Avainsanat: Hiilidioksidin talteenotto, amiinipesuri, säätöstrategia

Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck –ohjelmalla.

(3)

SISÄLLYSLUETTELO

1. JOHDANTO ... 1

2.HIILIDIOKSIDIN TALTEENOTTO AMIINIPESURILLA ... 3

2.1 Amiinipesurin toimintaperiaate ... 3

2.2 Amiinipesurin dynamiikka ... 5

2.3 Amiinipesurin toimintaympäristö ... 5

3.AMIINIPESURIN SÄÄTÖ ... 8

3.1 Amiinipesurin säädön hierarkia ... 8

3.2 Amiinipesurin säätöstrategiat ... 9

3.3 Amiinipesurin dynamiikka eri säätöstrategioilla ... 14

3.4 Eri säätöstrategioiden dynamiikan vertailu ... 18

4.OPTIMISÄÄTÖ NOPEISSA KUORMANMUUTOSTILANTEISSA... 21

4.1 Amiinipesurin säätö nopeissa kuormanmuutostilanteissa ... 21

4.2 Amiinipesurin soveltuminen nopeisiin kuormanmuutostilanteisiin ... 21

5.JOHTOPÄÄTÖKSET ... 24

LÄHTEET ... 26

(4)

LYHENTEET JA MERKINNÄT

RGA-analyysi engl. Relative array gain analysis, työkalu monimuuttujasäädön suunnitteluun

LRC engl. Level ratio control, säätörakennevaihtoehto, jolla voidaan kor- vata säiliön pinnankorkeuden säätö

PID-säädin Yksi säätötekniikan perussäätimistä, joka koostuu proportionaali- osasta (P) sekä integroivasta (I) ja derivoivasta (D) osasta

(5)

1. JOHDANTO

Ilmastonmuutos ja sen torjuminen ohjaa energiantuotantoa ympäristöystävällisempään suuntaan. Enenevissä määrin energiantuotanto tulee uusiutuvista energiamuodoista.

Uusiutuvista energiamuodoista etenkin tuulivoiman osuus sähkön kokonaistuotannosta kasvaa joka vuosi (Energiateollisuus ry, 2021). Uusiutuvasta sähköenergiasta tuuli- ja aurinkoenergia ovat säävaihtelevaa sähköntuotantoa. Säävaihteleva sähköntuotanto toimii vaihtelevalla teholla ja säävaihtelevan sähköntuotannon heilahteluja paikataan sää- tävällä sähköntuotannolla. Sähköverkon taajuutta ylläpidetään säätävillä sähköntuotan- tomuodoilla silloin, kun säävaihtelevan sähköntuotannon tuotantoteho ei sitä riitä ylläpi- tämään. Säätävä sähköntuotanto tapahtuu usein nopeisiin kuormanmuutoksiin kykene- vät voimalaitoksilla, esimerkiksi kaasuturbiini-, moottori- ja höyryvoimalaitoksilla.

Jotta tulevaisuudessa säätävää sähköntuotantoa saadaan tuotettua ympäristöystävälli- sesti, on voimalaitoksien päästöjä vähennettävä. Vuonna 2013 sähkön ja lämmön tuo- tanto on aiheuttanut yli 40 % kaikista maailman hiilidioksidipäästöistä (Liang et al., 2016a). Päästöjä saadaan vähennettyä savukaasuja puhdistamalla. Typen ja rikin oksi- dien lisäksi nykytekniikoilla pystytään talteen ottamaan myös hiilidioksidia. Hiilidioksidin talteenottotekniikat kehittyvät jatkuvasti ja niiden potentiaalia savukaasujen puhdistuk- sessa selvitetään.

Tämän työn tutkimuskohteena on hiilidioksidin talteenotto amiinipesurilla, jossa absorboivana aineena käytetään monoetanoliamiinia. Työn tutkimuskohteen toimintaympäris- tönä on dynamiikaltaan nopeat säätävät voimalaitokset, kuten kaasuturbiinivoimalaitokset (Li et al., 2019; Tsoutsanis & Meskin, 2019). Työn tavoitteena on selvittää, kuinka amiinipesuri soveltuu käytettäväksi säätävissä voimalaitoksissa. Työssä tutkitaan kolmea eri säätöstrategiaa ja verrataan näiden säätöstrategioiden toimivuutta esimerkiksi vasteaikojen avulla. Työn tutkimuskysymykset ovat seuraavat:

1. Mikä on amiinipesurin toimintaperiaate ja millaisia reunaehtoja amiinipesurien toimintaan liittyy?

2. Mikä on amiinipesurin säädön tavoite ja millaisia säätöstrategioita amiinipesureissa käytetään?

3. Miten ja kuinka nopeasti amiinipesuri toimii kuormanmuutostilanteissa sekä mil- laiseen joustavuuteen amiinipesuri teknisesti kykenee?

(6)

4. Aiheuttaako voimakas kuormanvaihtelu ylitsepääsemättömiä haasteita amiinipesurin käytölle?

Työn luvussa 2 selitetään amiinipesurin toimintaperiaate ja kerrotaan amiinipesurin toi- mintaympäristöstä. Lisäksi luvussa 2 käydään läpi tärkeitä suureita amiinipesurin dynamiikkaan ja säätöön liittyen. Työn luvussa 3 kerrotaan amiinipesurin säädöstä enemmän.

Luvussa 3 esitellään säädön periaatteet hallinnan hierarkian avulla ja selitetään kolmesta tutkittavasta säätöstrategiasta sekä esitellään näiden säätöstrategioiden tuloksia.

Luvussa 4 verrataan kolmannessa luvussa esiteltyjä säätöstrategioita säätävien voima- laitosten toimintaympäristöön ja kerrotaan amiinipesurin soveltuvuudesta. Luvussa 5 esi- tellään johtopäätökset.

(7)

2. HIILIDIOKSIDIN TALTEENOTTO AMIINIPE- SURILLA

Tässä luvussa käsitellään amiinipesurilla tehtävän hiilidioksidin talteenoton toimintaperi- aatetta ja talteenottoprosessin dynamiikkaa. Lisäksi tarkastellaan amiinipesurin toimin- taympäristöä ja tavallisimpia toimintapisteitä.

2.1 Amiinipesurin toimintaperiaate

Amiinipesu on kemiallinen prosessi, joka pohjautuu aineensiirron ja termodynamiikan lakeihin (Duke et al., 2010). Amiinipesulla on mahdollista saada talteen savukaasuista olevasta hiilidioksidista jopa 90 % (Li et al., 2016a). Hiilidioksidin talteenottoprosessi amiinipesurilla voidaan jakaa kolmeen päävaiheeseen: esikäsittelyyn, hiilidioksidin talteenottoon ja hiilidioksidin puristamiseen (Li et al., 2016b). Keskeisimmät komponentit hiilidioksidin talteenotossa ovat pesukolonni, haihdutuskolonni ja näitä kolonneja yhdis- tävä lämmönvaihdin. Nämä kolme komponenttia muodostavat amiinipesurin.

Savukaasuissa oleva hiilidioksidi absorboituu pesukolonnissa amiiniliuottimen kanssa matalassa lämpötilassa. Korkeahiilidioksidisen liuottimen lämpötilaa nostetaan lämmön- vaihtimessa ja haihdutuskolonnissa. Lämmittäminen tapahtuu höyryn avulla. Höyry tuodaan haihdutuskolonnille esimerkiksi voimalaitoksesta, jonka savukaasulinjaan amiinipesuri on kytketty. Lämmittämisen seurauksena hiilidioksidi vapautuu amiiniliuottimesta kaasuna. Hiilidioksidi poistetaan haihdutuskolonnista ja puristetaan korkeaan painee- seen varastoitavaksi. Matalahiilidioksidinen liuotin palautetaan lämmönvaihtimen kautta takaisin pesukolonnille ja kiertoprosessi alkaa alusta. (Walters et al., 2014)

Hiilidioksidin talteenotto amiinipesurilla on melko yleisesti käytetty teknologia. Käytön yleisyyden mahdollistaa amiinipesureiden skaalaus jopa 800 MW:n voimalaitoksien yh- teyteen (Rochelle, 2009). Amiinipesureiden absorboivana aineena käytetään monoetanoliamiinin vesiliuosta. Kehittyneemmät absorboivat aineet, esimerkiksi sekundaari- ja tertiääriamiinit, ovat osoittautuneet tehokkaammiksi kuin monoetanoliamiini. Hiilidioksi- din talteenoton korkeiden kustannusten ja energiankulutuksen vuoksi tehokkaampia ab- sorboivia aineita kehitetään jatkuvasti (Rochelle, 2016). Kuitenkin amiinipesun odotetaan olevan vallitsevin hiilidioksidin talteenottomuoto hiilivoimaloissa vuonna 2030 (Rochelle, 2009).

Amiinipesurin säädön kannalta on oleellista tietää amiinipesurin säätöpiirin tärkeimmät sisäänmeno- ja ulostuloarvot. Sisäänmenoarvoilla voidaan säätää prosessia ja saada

(8)

haluttuja ulostuloarvoja. Amiinipesurin sisäänmenoarvoja ovat savukaasun massavirta, savukaasun koostumus ja etenkin hiilidioksidipitoisuus. Lisäksi pesu- ja haihdutuskolon- neissa vallitsevia olosuhteita, kuten paineita ja lämpötiloja, saadaan säädettyä. Amiini- pesurin ulostuloarvoja ovat hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuus, amiinipesurilta läh- tevän savukaasun hiilidioksidipitoisuus ja amiinipesurilla kuluvan energian suuruus. Op- timaalisessa amiinipesurin toiminnassa talteen otetun hiilidioksidin prosenttiosuus olisi mahdollisimman korkea ja amiinipesurilta lähtevän savukaasun hiilidioksidipitoisuus sekä amiinipesurilla kuluvan energian suuruus mahdollisimman vähäiset. Amiinipesurin energiankulutukselle voidaan asettaa maksimiarvo, jolloin se voi myös toimia sisäänme- noarvona.

Kuvassa 1 on esitetty kaaviokuva amiinipesurissa. Myös kuvasta voi havaita osan amiinipesurin inputeista ja outputeista. Kuvaan ei ole erikseen nimetty pumppuja ja lämmön- vaihtimia. Ne voivat toimia säätöprosessissa toimilaitteina riippuen säätöstrategiasta.

Useassa tässä työssä tutkittavassa säätöstrategiassa (Lawal et al., 2010; Panahi & Sko- gestad, 2011; Fashami et al., 2012) kuvan 1 oikeaan alareunaan merkityllä lämmönvaih- timella (engl. reboiler) on merkittävä rooli. Tälle lämmönvaihtimelle tulee voimalaitoksen kattilalta höyryä. Höyry kiertää lämmönvaihtimen sisällä putkipakassa ja putkipakkaa ympäröi amiiniliuos. Amiinipesurin energiankulutusta voidaan rajoittaa muun muassa asettamalla tälle lämmönvaihtimen kautta siirtyvälle lämmölle jokin yläraja. Muilla läm- mönvaihtimilla ei säädön kannalta ole niin suurta merkitystä, vaikka amiinipesurin toiminnan kannalta amiiniliuoksien kiertoa yhdistävällä ristikkäislämmönvaihtimella merkitystä

Kuva 1. Kaaviokuva amiinipesurista. Savukaasun koostumus ja talteen otettavan hiilidioksidin tavoitemäärä vaihtelee riippuen tutkimuksesta. Muokattu lähteestä (Pa- nahi & Skogestad, 2011).

(9)

onkin. Vähähiilidioksidista ja hiilidioksidipitoista amiiniliuosta usein yhdistetään ristikkäis- lämmönvaihtimella, jossa vähähiilidioksidisesta amiiniliuoksesta siirtyy lämpöä hiilidiok- sidipitoiseen amiiniliuokseen.

2.2 Amiinipesurin dynamiikka

Prosessin dynaamisella mallinnuksella voidaan tutustua prosessin dynamiikkaan. Pro- sessin dynamiikan tunteminen on tärkeää säädön suunnittelun takia. Prosessien dynaa- minen mallinnus auttaa tuntemaan myös prosessin käyttäytymistä sen toimintaympäris- tössä sekä mahdollisesti optimoimaan prosessin reagointia tilanteissa, joissa prosessiin kohdistuu häiriöitä. Tärkeitä dynamiikan tutkimustapoja amiinipesurin toiminnan kannalta ovat esimerkiksi voimalaitoksen käynnistyksen tai sammutuksen tai kuorman vaihtelui- den simulointi. (Fashami et al., 2012)

Amiinipesurin dynamiikkaa voidaan kuvailla tehtyjen simulointien perusteella. Esimer- kiksi tilanne, jossa kattilalta tarvitaan enemmän tehoja, aiheuttaa savukaasun massavirran kasvu pesukolonnin läpi. Jos amiinipesuri on säädetty hyvin, savukaasun massavirran kasvu kasvattaa amiiniliuoksen kiertonopeutta ja näin ollen savukaasusta saadaan taas tavoiteltu määrä hiilidioksidia talteen. Amiiniliuoksen kiertonopeuden kasvattaminen kasvattaa hetkellisesti myös amiinipesurilla kuluvan energian määrää, sillä esimerkiksi amiiniliuoksen lämmittämiseen ja pumppaamiseen kuluu enemmän energiaa, kun amiiniliuoksen massavirta on suurempi. (Panahi & Skogestad, 2012)

Toinen esimerkki dynamiikan analysoinnista on kattilalta tulevan höyryn määrän rajoitta- minen johonkin maksimiarvoonsa. Höyrystä siirtyvä lämpö vaikuttaa amiiniliuoksen läm- pötilaan. Jos höyryn määrää rajoitetaan, amiiniliuoksen lämpötila laskee, mikä aiheuttaa myös kolonnien lämpötilan laskua. Haihdutuskolonnin lämpötilan lasku heikentää hiilidioksidin talteenottoa ja hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuus pienenee. Toisaalta en- simmäisen esimerkin perusteella savukaasun massavirran kasvattaminen kasvattaa tarvittavan höyryn määrää. Jos höyryn määrää ei rajoiteta, amiiniliuoksen kiertonopeuden kasvattaminen kasvattaa myös aina kattilalta tulevan höyryn määrää ja samalla kasvattaa energiankulutusta. Savukaasun massavirran pienentäminen aiheuttaa päinvastaisen vasteen. (Panahi & Skogestad, 2012)

2.3 Amiinipesurin toimintaympäristö

Amiinipesurilla puhdistetaan savukaasuja poistamalla hiilidioksidia. Hiilidioksidipitoisia savukaasuja syntyy polttoprosesseissa. Tämän työn kannalta kiinnostavimmat polttopro- sessit ovat dynamiikaltaan nopeita. Kaasuturbiinivoimalaitokset ovat esimerkki nopeasti

(10)

reagoivista voimalaitoksista. Amiinipesuri voidaan asentaa voimalaitoksen savukaasulinjaan jälkikäteen. Amiinipesurille tuleva savukaasu täytyy olla puhdistettu rikki- ja typ- piyhdisteistä, sillä nämä yhdisteet voivat reagoida amiinipesurin liuottimen kanssa ja ha- jottaa amiinipesurin. (Liang et al., 2016a)

Tässä työssä tarkastellaan amiinipesurin toimintaa voimalaitosympäristössä, kaasuturbiinivoimalaitoksen yhteydessä. Kaasuturbiinivoimalaitoksia säädellään usein säävaih- televan sähköntuotannon mukaan. Kaasuturbiinivoimalaitoksella tuotettavan energian määrää kasvatetaan, kun säävaihtelevan energian määrä pienenee, ja päinvastoin. Sää- vaihteleva sähköntuotanto asettaa reunaehdot sille, että kaasuturbiinivoimalaitoksien sähköntuotannon täytyy kyetä tekemään suuriakin kuormanmuutoksia nopeasti.

Kuvassa 2 on esimerkki kaasuturbiinivoimalaitoksen tehonvaihtelusta tuulivoimatuotannon mukaan. Kuvasta voidaan huomata, että kaasuturbiinivoimalaitokselta kuluu vain noin puoli tuntia 25 MW:n tehon saavuttamiseksi.

Voimalaitoksen toiminta ja kuormanmuutokset vaikuttavat myös amiinipesurin toimintaan. Merkittävimmät vaikuttavat tekijät ovat voimalaitoksen savukaasun massavirta, voimalaitoksen tehon vaihtelu ja voimalaitokselta saatavan energian suuruus. Myös savukaasun koostumuksella on merkitystä, mutta se on jätetty useissa tutkimuksissa tarkas- telematta (Fashami et al., 2012). Yleisesti voidaan todeta, että mitä hiilidioksidipitoisem- paa savukaasua amiinipesurille tuodaan, sitä tehokkaammin hiilidioksidia myös saadaan talteen (Lawal et al., 2010).

Pesukolonnissa lämpötila on noin 40–60 ºC astetta ja paine lähellä ilmanpainetta. Haih- dutuskolonnissa lämpötila on noin 120 ºC astetta ja paine kaksinkertainen verrattuna pesukolonnin lämpötilaan. Pesukolonniin tulevan savukaasun hiilidioksidipitoisuus on noin 5–12 %. Hiilidioksidipitoisessa absorboivassa aineessa on 0,4–0,5 mol hiilidioksidia

Kuva 2. Kaasuturbiinivoimalaitoksen tehonvaihtelu tuulivoimatuotannon mu- kaan. GT Plant on kaasuturbiinivoimalaitos ja WT Plant tuulivoimatuotanto. Perus- tuu lähteeseen (Tsoutsanis & Meskin, 2019).

(11)

yhtä amiinimolekyyliä kohti (Fashami et al., 2012). Haihdutuskolonnista poistuvan pai- neistetun hiilidioksidikaasun paine on 100–150 bar. (Duke et al., 2010)

Yleisimmin absorboivana aineena käytetään monoetanoliamiinin vesiliuosta, jonka pitoi- suus on noin 15–20 m-%. Monoetanoliamiini on hyvin reaktiivinen hiilidioksidin kanssa ja lisäksi sitä on halpaa ja helppo tuottaa (Liang et al., 2016b). Monoetanoliamiini hajoaa korkeassa yli 120 ºC asteen lämpötilassa hapettavassa ympäristössä, joten amiinipesurin lämpötilat on pidettävä tarpeeksi alhaisina. (Duke et al., 2010) Monoetanoliamiinilla on muitakin haasteita kuin hajoaminen. Monoetanoliamiinilla regeneroinnin energiankulutus on suuri ja hiilidioksidin absorboimiskyky on matala verrattuna muihin absorboiviin aineisiin. (Liang et al., 2016b)

Monoetanoliamiinilla toimivan amiinipesurin merkittävimmät haasteet liittyvät amiinipesurin energiankulutukseen ja absorboivan aineen kiertoprosessiin. Uusia amiinipesuri- vaihtoehtoja tutkittaessa käydään läpi useita eri vaiheita, jotka monimutkaistavat amiinipesurien absorboivien aineiden kehitystä. Absorboivien aineiden kehitys vaatii laborato- riotutkimuksia, prosessin simulointia ja pilottikokeita. Uusien absorboivien aineiden tulisi olla hyviä muun muassa absorptioliukoisuudeltaan ja muulta kinematiikaltaan. (Liang et al., 2016a)

(12)

3. AMIINIPESURIN SÄÄTÖ

Amiinipesurin säätöä voidaan tarkastella useassa eri tasossa. Amiinipesurin säädettävät parametrit ja säätöstrategia voidaan valita usealla eri tavalla. Tässä luvussa käsitellään amiinipesurin säädön hierarkiaa, kolmea eri säätöstrategiaa ja simulointituloksia kolmella eri säätöstrategialla.

3.1 Amiinipesurin säädön hierarkia

Prosessien automaatiojärjestelmä on jaettu hierarkkisesti eri toteutustasoille. Jokaisella tasolla on oma aikahorisonttinsa ja tehtävänsä. Automaatiojärjestelmän ohjauksien erot- telu eri tasoille mahdollistaa laskentakyvyn tehokkaamman jakautumisen ja ohjauksien hajauttamisen. Automaatiojärjestelmän hajauttaminen eri tasoille helpottaa myös moni- mutkaisien järjestelmien hallintaa sekä suunnittelu- että ylläpitovaiheessa. Amiinipesurin automaatiojärjestelmässä näitä tasoja on kolme (Walters et al., 2014).

Lyhyimmän aikahorisontin taso on tasapainotaso (engl. regulatory level) Säätötason teh- tävänä on pitää systeemi tasapainossa häiriöistä ja asetusarvomuutoksista huolimatta.

Säätötason aikahorisontti on sekunneista minuutteihin. Keskimmäinen taso on ennustavan mallin taso (engl. model predective control). Ennustavan mallin tason tehtävä on koordinoida yksittäisten ohjaussilmukoiden toimintaa tasapainotasolla. Ennustavan mallin aikahorisontti on minuuteista tunteihin. Kaikista pisimmän aikahorisontin taso on reaaliaikaisen optimoinnin taso (engl. real time optimization). Reaaliaikaisen optimoinnin tasolla lasketaan säännöllisesti uusi optimiasetusarvo, joka riippuu vallitsevista optimi- asetusarvon määrittävistä tekijöistä. Tekijät voivat muuttua esimerkiksi sellaisessa tilan- teessa, jossa prosessin säätöstrategiaa muutetaan. Reaaliaikaisen optimoinnin aikahorisontti on tunneista päiviin. (Walters et al., 2014)

(13)

Asetusarvoseurannan ja regulointitehtävän lisäksi automaatiojärjestelmän täytyy pitää prosessin toiminta turvallisena kaikissa tilanteissa. Turva-automaatio liitetään osaksi au- tomaatiojärjestelmää, jotta prosessin riskitekijät saadaan eliminoitua. Amiinipesurilla ris- kialttiimmat toimilaitteet ovat pumput ja hiilidioksidikompressori. Esimerkiksi pumppujen kavitointi ja kompressorien ongelmat vältetään turva-automaatiolla (Fashami et al., 2012). Lisäksi turva-automaatiossa määritellään tarkasti, missä tilanteissa laitteen toiminta pysäytetään ja miten pysäytys tehdään ihmisiä tai ympäristöä vaarantamatta.

3.2 Amiinipesurin säätöstrategiat

Amiinipesureiden säätöstrategioista on olemassa useita eri tutkimuksia. Uusimmat jul- kaisut ovat keskittyneet amiinipesurin säätöön voimalaitoksen näkökulmasta (Walters et al., 2016). Yleisesti kaikissa säätöstrategioissa tavoitteena on maksimoida hiilidioksidin poistoaste ja minimoida hiilidioksidin talteenoton energiankulutus. Kaikissa tarkasteltavissa säätöstrategioissa valitaan useampi suure, joiden arvoja optimoidaan eri keinoin.

Tyypillistä tällaisissa monimuuttujasäätöratkaisuissa on se, että pelkästään yhden muut- tujan optimointi johtaisi järjestelmän epätoivottuun dynaamiseen käyttäytymiseen tai muiden muuttujien epäedullisiin arvoihin.

Valitaan tarkasteltavaksi kolme erilaista säätöstrategiaa, joilla reguloidaan systeemiä eli pidetään systeemi tasapainossa häiriöistä ja asetusarvomuutoksista huolimatta. Useat

Kuva 3. Amiinipesurin säädön hierarkiatasot ja tasojen tärkein tehtävä.

(14)

säätöstrategiat on luotu itseoptimoivien säätöparametrien valinnalla (engl. self-optimizing controlled variables), jossa tavoitteena on saada muuttujat lähelle optimipistettä, kun prosessi toimii lähellä asetusarvoa. Itseoptimoivien säätöparametrien valinta teh- dään analysoimalla prosessista saatua dataa. (Jäschke & Skogestad, 2013)

Panahin ja Skogestadin (2011) tutkimuksessa esitellään ensimmäinen tutkittava sää- töstrategia. Käsitellään tätä tutkimusta nimellä Säätöstrategia 1. Tutkimus suoritettiin en- sin ylhäältä alas -menetelmää käyttäen. Analyysi aloitettiin vakioimalla savukaasun no- peus. Hiilidioksidin talteenotosta tehtiin kustannusfunktio, jossa otettiin huomioon hiilidioksidin talteenottoon kuluva energia ja talteen otetun hiilidioksidin päästöoikeuden hinta.

Päästöoikeuden hinnaksi arvioitiin 55 USD hiilidioksiditonnilta. Kustannusfunktiosta saatiin, että hiilidioksidia on talteen otettava ainakin 80 %. Lisäksi saatiin tulokseksi, että suurin mahdollinen lämmönvaihtimella siirtyvä lämpö on +20 % nimellisarvoon verrattuna ja tämän lisäksi 4 muuta rajoitusta lämpötiloille ja paineille. (Panahi & Skogestad, 2011)

Seuraavana tutkimuksessa identifioitiin vapausasteet optimointia varten. Vapausasteita on yhteensä 2. Vapausasteiden identifioinnin jälkeen identifioitiin merkittävimmät häiriö- tekijät. Merkittävimmiksi häiriötekijöiksi saatiin savukaasun virtausnopeus ja savukaasun koostumus. Huomattiin myös, että osa rajoitteista voi olla häiriötekijöitä. Identifioinnin jälkeen prosessi optimoitiin kustannusfunktion suhteen valitsemalla rajoittamattomiksi vapausasteiksi hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuus ja hiilidioksidin mooliosuus pesukolonnin alaosassa. Optimoinnissa ei otettu häiriötekijöitä huomioon. Optimoinnin jäl- keen valitaan säädettävät parametrit kustannusfunktion avulla. Parhaimmat tulokset saatiin valitsemalla säädettäviksi parametreiksi hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuus ja lämpötila haihdutuskolonnin keskivaiheilla. (Panahi & Skogestad, 2011)

Matalien virtausnopeuksien tutkimisen jälkeen tehtiin vielä samat tutkimukset keski- nopeille virtausnopeuksille ja suurille virtausnopeuksille. Keskisuurilla virtausnopeuksilla säädettäviksi parametreiksi saatiin suurin mahdollinen lämmönvaihtimessa siirtyvä lämpö ja lämpötila haihdutuskolonnin keskivaiheilla. Suurilla virtausnopeuksilla jouduttiin säätämään sisään menevän savukaasun määrää, sillä muuten hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuus pieneni alle 80 %:iin. (Panahi & Skogestad, 2011)

Fashamin (2012) väitöskirjassa esitellään toinen säätöstrategia. Käsitellään tätä tutkimusta nimellä Säätöstrategia 2. Säätöstrategiaa tutkittiin simuloimalla amiinipesurin, höyryturbiinin ja kompressorin dynaamisia malleja. Höyryturbiinilaitoksen teho oli 100 MW, hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuus 90 % ja monoetanoliamiinin vesiliuos 30 m-

%. (Fashami et al., 2012)

(15)

Perimmäisenä tavoitteena säätöstrategian suunnitellessa oli pitää pinnankorkeudet jär- kevissä rajoissa. Muilla suureilla ei ollut väliä ja niiden joukosta alettiin etsimään säädet- täviä suureita mitattavien suureiden joukosta. Säädettävien suureiden valinta tehtiin RGA-analyysilla (engl. relative gain array analysis). RGA-analyysissa tarkastellaan sää- töpiirien ristikkäisvaikutuksia monimuuttujajärjestelmän säätämisessä. RGA-analyysissa tavoitteena on löytää mahdollisimman hyvät ohjaus-mittaus-parit, jotta säädettävä moni- muuttujajärjestelmä toimisi mahdollisimman optimaalisesti (Ghadrdan, 2019). RGA-me- netelmällä tulokseksi saatiin 5 eri 3x3-säätömatriisia, joita lähdettiin simuloimaan. Lisäksi joidenkin yksittäisten säätimien säätörakenne muutettiin kaskadisäädöksi, jotta systeemi ei olisi vähemmän herkkä häiriöille. Paras säätötulos saatiin säätämällä absorboivan aineen tilavuusvirtaa ja lämmönvaihtimen lämpötilaa säätöventtiileillä ja haihdutuskolonnin painetta kompressorin pyörimisnopeudella. (Fashami et al., 2012)

Lawalin et al. (2010) tutkimuksessa simuloitiin myös dynaamisia malleja. Käsitellään tätä tutkimusta nimellä Säätöstrategia 3. Tutkimustuloksissa ei kerrottu, miten systeemin säätöstrategia luotiin ja onko käytetty säätöstrategia optimaalinen. Säädettäviksi suu- reiksi valittiin lauhduttimen lämpötila, lämmönvaihtimen lämpötila, lämmönvaihtimen pin- nankorkeus, veden osuus laimeassa absorboivassa aineessa ja hiilidioksidin poistoaste savukaasuista. Jokaiselle suureelle annettiin asetusarvo ja säätäminen tapahtui jonkin toimilaitteen, esimerkiksi pumpun, avulla. Säätimet olivat joko P-, PI- tai PID-säätimiä.

Järjestelmän dynamiikkaa tutkittiin muuttamalla säädinten asetusarvoja ja tutkimalla saaduista vasteista, miten järjestelmä käyttäytyy näissä muutoksissa. (Lawal et al., 2010)

(16)

Taulukko 1. Säätöstrategiatutkimuksen vertailu

Tutkimus Toimintaympä-

ristö Tavoite Tutkimusmene-

telmä

Säädettävät suureet / strategia

Säätöstrate- gia 1 (Pa- nahi & Sko- gestad, 2011, 2012)

Savukaasussa 12 % hiilidioksidia, savukaasun virtaus 214 kmol/h, voimalaitoksen teho 1 MW.

80 % hiilidioksi- dista pois- tettava.

Top-down-analyysi. Kustan- nusfunktion avulla tehty optimointi.

Hiilidioksidin talteenottoa pesukolonnissa absorboivan aineen venttiilin avulla ja haihdutuskolonnin lämpötilaa pesuko- lonnilta lähtevän virtauksen avulla pumpulla.

Säätöstrate-

gia 2

(Fashami et al., 2012)

Savukaasussa 13 % hiilidioksidia, savukaasun virtaus 5,48 kmol/s, laitoksen teho 100 MW.

Etsitään sää- dettävät parametrit RGA- analyysilla.

5 vaihtoehtoista strategiaa. Tehokkain:

säädetään absorboivan aineen virtausta venttiileillä, lämmön- vaihtimen lämpötilaa- höyryn virtauksen venttiilillä ja haihdutuskolonnin painetta talteen otettavan hiilidioksidin paineen avulla.

Säätöstrate-

gia 3

(Lawal et al., 2010)

Savukaasussa 25 % hiilidioksidia, savukaasun virtaus 0,130 kg/s, voimalaitoksen tehoa ei ole annettu.

Testataan luo- dun simulaatto- rin toimintaa eri toimintapis- teissä. Sää- töstrategiasta ei kerrota, onko se optimoitu vai ei.

Lämpötila lauhdutti- messa ja lämmön- vaihtimessa, amiiniliuoksen pinnankor- keus lämmönvaihti- mella, hiilidioksidin poistoaste savukaasusta ja veden osuus matalahiilidioksidi- sessa liuottimessa.

(17)

Taulukossa 1 on yhteenveto tutkittavista säätöstrategioista. Säätöstrategiaa tulee pohtia jo amiinipesurin suunnitteluvaiheessa, sillä amiinipesurin komponenttien suunnittelu riippuu vahvasti käytetystä säätöstrategiasta. Tämä näkyy eniten haihdutuskolonnin ja höy- rynpoistoventtiilin suunnittelussa, mutta myös monilla muilla komponenteilla on merki- tystä. (Walters et al., 2016)

Säätöstrategioita on havainnollistettu kuvassa 4. Säätöstrategia 1 on merkitty sinisellä ja siinä on kaksi ohjaus-mittaus-paria. Säätöstrategia 2 on merkitty punaisella ja siinä on kolme ohjaus-mittaus-paria. Säätöstrategia 3 on merkitty vihreälä ja siinä on neljä ohjaus-mittaus-paria. Katkoviivojen viereen on merkitty suure, jota kyseisellä säätöpiirillä säädetään. Kuvasta puuttuu toimilaitteita ja katkoviivat ovat merkitty kohtiin, joissa nämä toimilaitteet voisivat sijaita. Amiinipesurien, joille säätöstrategiat on muodostettu, rakenteet eroavat sen verran paljon, ettei niitä voi yksityiskohtaisesti yhteen kuvaan merkitä.

Tarkemmat kuvat amiinipesurien rakenteista löytyvät säätöstrategioiden lähteistä.

Ainoastaan toimivan säätöstrategian löytäminen ei riitä hyviin säätötuloksiin. Säätöstra- tegian valinnan jälkeen on vielä tärkeää virittää säätimet valitsemalla sopivat säätöpara- metrit (Woolf, 2009). Tässä työssä keskitytään pelkästään säätöstrategioiden vertailuun ja niiden soveltumiseen nopeisiin kuormanmuutostilanteisiin.

Kuva 4. Karkea esitys ohjaus-mittaus-pareista eri säätöstrategioilla. Säätöstrategia 1 on merkitty sinisellä, säätöstrategia 2 punaisella ja säätöstrategia 3 vihreällä. Koottu läh- teistä (Panahi & Skogestad, 2012; Lawal et al., 2010; Fashami et al., 2012).

(18)

3.3 Amiinipesurin dynamiikka eri säätöstrategioilla

Tutkitaan luvussa 3.2 esiteltyjen säätöstrategioiden vasteita. Kaikissa tarkasteltavissa lähteissä säätöstrategioita tutkittiin häiritsemällä systeemiä jonkin suureen askelmaisella muutoksella. Kaikissa tarkasteltavissa lähteissä ainakin toinen muutettu suure oli savukaasun virtausnopeus tai massavirta. Askelvastekokeissa tarkasteltiin amiinipesurin dynamiikkaa eli esimerkiksi sitä, miten hyvin muut suureet löytävät uuden tasapainoarvon.

Säätöstrategian 1 (Panahi & Skogestad, 2012) simuloinneissa kasvatettiin savukaasun massavirtaa 10 %:n askeleissa. Tutkimuksessa otettiin neljä eri vaihtoehtoista ohjaus- mittaus-paria. Ohjattavat suureet olivat aikaisemmassa optimointivaiheessa saadut haihdutuskolonnin lämpötila ja hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuus. Paras säätötulos saatiin kytkennällä, jossa haihdutuskolonnin lämpötilaa säädettiin ohjaamalla pesukolon- nilta lähtevää absorboivan aineen virtausta pumpulla ja hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuutta säädettiin ohjaamalla pesukolonnille tulevaa virtausta venttiilillä. Tutkimuk- sessa pystyttiin nostamaan savukaasun virtausta 5 %:n askelmaisilla muutoksilla jopa 42 %:iin ja systeemi pysyi edelleen stabiilina. 42 %:n muutoksella hiilidioksidin talteenotto haihdutuskolonnista saavutti alimman hyväksytyn arvonsa eli 80 %. (Panahi & Sko- gestad, 2012)

Kuva 5. Säätöstrategiatutkimuksissa muutetut suureet (mustalla) ja tutkitut vas- teet (punaisella). Koottu lähteistä (Panahi & Skogestad, 2012; Lawal et al., 2010;

Fashami et al., 2012).

(19)

Säätöstrategian 1 simulointialue jaetaan kahteen eri alueeseen massavirran suuruuden mukaan. Alue 1 (kuvassa 6 Region I) sisältää pienet massavirrat ja Alue 2 (kuvassa 6 Region II) sisältää isot massavirrat. Isomman massavirran alueella kohdataan ongelmia esimerkiksi siinä, kuinka suurella teholla haihdutuskolonnia lämmitetään höyryn avulla.

Lämmönvaihtimessa siirtyvälle lämmölle on annettu ylärajaksi 1283 kW ja se saavute- taan isomman massavirran alueelle siirryttäessä. Kuvassa 10 on samasta simuloinnista lämmönvaihtimella siirtyvän lämmön kuvaaja. Tässä tutkimuksessa ison massavirran alueella hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuus ei enää saavuta asetusarvoaan, vaan prosenttiosuus putoaa askelmaisesti massavirran kasvaessa. (Panahi & Skogestad, 2012)

Säätöstrategiassa 2 (Fashami et al., 2012) tehtiin simulointeja lämmönvaihtimella siirty- vää lämpöä ja voimalaitoksen kuormaa vähentämällä. Jokaisessa simuloinnissa on tarkasteltu haihdutuskolonnin yläosan painetta. Haihdutuskolonnin yläosan paine on tärkeä suure sen vuoksi, että se korreloi systeemin muun toiminnan kanssa. Jos yläosan paine on stabiili, koko systeemi on stabiili. Toisaalta pelkästään yläosan painetta simuloimalla ei saada tarkkaa tietoa esimerkiksi systeemin energiankulutuksesta. Yläosan paine kuitenkin korreloi energiankulutuksen kanssa esimerkiksi siten, että mitä nopeammin ylä- osan paine saavuttaa tavoitearvonsa, sitä nopeammin myös energiankulutuksen suuruus stabiloituu. (Fashami et al., 2012)

Kuva 6. Savukaasun talteenoton prosenttiosuus pesukolonnilla. Kuvassa harmaalla on merkattu savukaasun massavirran kasvu. Muokattu lähteestä (Panahi & Skogestad, 2012).

(20)

Simulointeja on tehty jokaisella kuudella eri säätöstrategialla ja jokaista eri säätöstrate- giaa on vielä paranneltu LRC:n tai kaskadisäätörakenteen avulla. Kuvassa 7 on simuloitu haihdutuskolonnin yläpainetta, kun voimalaitoksen kuormaa on vähennetty askelmaisesti 10 %. (Fashami et al., 2012)

Paras säätöstrategia on kuvaan 6 merkitty Fl-T(cascade)-P. Parhaimmalla säätöstrate- gialla saadaan tehokkaita vasteita aikaiseksi jopa 80 %:n vähennyksen kattilalle mene- vän höyryn määrässä ja 60 %:n vähennyksen voimalaitoksen kuormassa. Molemmissa tapauksissa systeemi ei ainoastaan reagoi nopeasti ja tehokkaasti kuormanmuutoksiin, vaan laskee uudet optimaaliset asetusarvot. Uuteen optimipisteeseen pääsemisessä kuluu noin 5 minuuttia häiriön päättymisestä. Parhaassa säätöstrategiassa säädettiin absorboivan aineen tilavuusvirtaa säätöventtiilillä, lämmönvaihtimen lämpötilaa höyryn säätöventtiilillä ja haihdutuskolonnin painetta kompressorin pyörimisnopeudella. Alkupe- räisessä lähteessä on taulukoitu lämmönvaihtimella siirtyvän lämmön ja voimalaitoksen kuorman vähenemistä 10 %:n askelmuutoksilla välillä 20–100 %. (Fashami et al., 2012) Säätöstrategiassa 2 (Fashami et al., 2012) dynaamisten simulointien lisäksi systeemille tehtiin taajuusvastekokeita. Taajuusvastekokeista saadaan tietoa systeemin vasteajasta ja ulostulon vahvistamisesta. Suurin vahvistus tapahtuu kriittisellä kulmataajuudella.

Kriittinen kulmataajuus on kääntäen verrannollinen aikaan, joten suuri kriittinen kulmataajuus kertoo nopeasta vasteesta. Tutkittavassa systeemissä on useampi säiliö absor-

Aika [h]

Haihdutuskolonnin yläpuolen paine [kPa]

Kuva 7. Simulointitulokset haihdutuskolonnin yläpaineelle, kun voimalaitoksen kuormaa vähennettiin askelmaisesti 10 %. Fl-T(cascade)-P on optimisäätöra- kenne. Perustuu lähteeseen (Fashami et al., 2012).

(21)

boivan aineen kiertoprosessissa. Taajuusvasteilla on tutkittu systeemin absorboivan aineen kierron viiveaikoja näissä säiliöissä ja viiveaikojen merkitystä prosessin dynamiikkaan. (Fashami et al., 2012)

Säätöstrategiaa 3 (Lawal et al., 2010) tutkiessa tehtiin dynamiikan analysointia muuttamalla neljää eri suuretta tai systeemin toimintaan vaikuttavaa asiaa. Nämä neljä muu- tosta ovat veden tasapainotilan säädön ottaminen pois päältä, pesukolonnin läpi mene- vän savukaasun virtauksen kasvattaminen, lämmönvaihtimella siirtyvän lämmön vähen- täminen ja pesukolonnin läpi menevän savukaasun hiilidioksidipitoisuuden kasvattaminen. Savukaasun virtausta on simuloitu kahdella eri absorboivan aineen kierrolla. En- simmäisessä tavassa absorboivan aineen kierto on pidetty vakiona ja toisessa tavassa se säädetään uuteen laskennalliseen arvoon. Simulointiaika kaikissa tapauksissa on 10 tuntia. (Lawal et al., 2010)

Ensimmäinen muutettava suure on veden tasapainotilan säädön kytkeminen pois päältä.

Kun veden tasapainotilan säätö kytketään pois päältä, lämpötila pesukolonnissa kasvaa ja hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuus pienenee. Ilman veden tasapainotilan säätöä systeemi ei pysy stabiilina. Toinen muutettava suure on savukaasun virtauksen kasvattaminen. Savukaasun virtauksen kasvattaminen pienentää hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuutta, jos absorboivan aineen kierrolle ei tehdä muutoksia. Jos absorboivan aineen kierrolle lasketaan uusi arvo, palautuu hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuus takaisin asetusarvoonsa. Suurempi savukaasun virtaus vaatii enemmän lämpöä, joten energiankulutus kasvaa. Virtauksen kasvattamisen jälkeen lämmöntarve on suurimmil- laan. Kolmas muutettava suure on lämmönvaihtimella siirtyvän lämmön pienentäminen.

Lämmönvaihtimella siirtyvän lämpömäärän pienenemisen seurauksena hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuus pienenee. Toisaalta taas savukaasun hiilidioksidimäärän kasvattaminen kasvattaa hetkellisesti hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuutta, mutta prosenttiosuus palautuu lopulta takaisin asetusarvoonsa. (Lawal et al., 2010)

(22)

Kuvassa 8 on tutkittu hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuutta, kun savukaasun virtausta on kasvatettu askelmaisesti. Kuvassa 8 myös havainnollistetaan, millainen mer- kitys absorboivan aineen kierron optimoinnilla on talteenoton prosenttiosuuteen.

Säätöstrategioiden dynamiikkaa vertaillaan seuraavassa alaluvussa. Yleisesti ottaen kaikissa tutkituissa säätöstrategioissa vasteajat ovat pitkiä, noin puolesta tunnista usei- siin tunteihin. Uuden tasapainotilan löytymiseen voi mennä jopa 3 tuntia (Walters et al., 2016).

3.4 Eri säätöstrategioiden dynamiikan vertailu

Vertaillaan kaikilla kolmella säätöstrategioilla vasteaikoja ja muuta dynaamista käyttäy- tymistä. Vertailu tehdään, jotta seuraavassa luvussa voidaan tarkastella eri säätöstrate- gioiden dynamiikkaa nopeissa kuormanmuutostilanteissa. Säätöstrategioiden vertailun tekee vaikeaksi se, että tutkimuksissa on simuloitu vasteita eri arvoille. Lisäksi tutkimuksissa on usein ollut eri lähtöarvot, joten sekin voi aiheuttaa haasteita vasteiden vertai- luissa.

Aika [h]

Hiilidioksidin talteenoton %-osuus

Kuva 8. Savukaasun virtausta kasvatetaan askelmaisesti. Katkoviivalla merkityssä vasteessa absorboivan aineen kierto on vakio ja pisteviivalla merkityssä vasteessa sille lasketaan uusi arvo muutoksen jälkeen. Perustuu lähteeseen (Lawal et al., 2010).

(23)

Säätöstrategiaa 1 ja säätöstrategiaa 3 voidaan vertailla melko suoraviivaisesti, sillä tutkimuksissa on simuloitu vasteita samoille suureille. Tässä työssä vertailua tehtiin hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuuden ja siirtyvän lämmön vasteaikojen avulla. Vasteaika tarkoittaa sitä aikaa, joka systeemiltä kuluu uuden tasapainopisteen saavuttamiseen muutoksen tapahtumisen jälkeen.

Kuvassa 9 on esimerkki vasteajan tutkimisesta. Vasteajan mittaus aloitetaan häiriön tai jonkin muutoksen tapahtuessa ja lopetetaan siihen, kun vaste on stabiloitunut uuteen arvoonsa.

Taulukko 2. Hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuuden vasteajan vertailu Tutkimustapa Säätöstrategia 1 (Pa-

nahi & Skogestad, 2012)

Säätöstrategia 3 (La- wal et al., 2010) Lämmönvaihtimella

siirtyvää lämpöä vähen- netään

- 2 h, ei saavuta ase-

tusarvoa Hiilidioksidipitoisuus

savukaasussa kasvaa - 45 min – 1 h, saavut-

taa asetusarvon Voimalaitoksen te-

hoa tai savukaasun määrää kasvatetaan

30 min – 1 h, saavuttaa asetusarvon pienellä

savukaasun massavir- ralla

1 h – 1,5 h, saavuttaa asetusarvon Aika [h]

Tarvittavan lämmön määrä (MJ/kgCO2)

Kuva 9. Punaisilla viivoilla on merkattu esimerkki vasteen asettumisesta ja asettumisajasta. Muokattu lähteestä (Lawal et al., 2010).

(24)

Taulukko 3. Siirtyvän lämmön vasteaikojen vertailu Tutkimustapa Säätöstrategia 1 (Pa-

nahi & Skogestad, 2012)

Säätöstrategia 3 (La- wal et al., 2010) Lämmönvaihtimella

siirtyvää lämpöä vähen- netään

- -

Hiilidioksidipitoisuus

savukaasussa kasvaa - 45 min, pienenee ja

saavuttaa asetusarvon Voimalaitoksen te-

hoa tai savukaasun määrää kasvatetaan

30 min, saavuttaa asetusarvon ja savukaa-

sun suurilla virtauksilla myös ylärajan

1,5 h, kasvaa ja saavuttaa asetusarvon

Taulukoissa 2 ja 3 on vertailtu säätöstrategioiden 1 ja 3 vasteaikoja hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuudelle ja siirtyvälle lämmölle. Säätöstrategiassa 2 (Fashami et al., 2012) on tutkittu vasteita pääasiassa haihdutuskolonnin yläpaineelle. Haihdutuskolonnin yläpaineen vasteiden tutkiminen on perusteltu sillä, että yläpaine korreloi muiden suureiden kanssa. Kun yläpaine saavuttaa tasapainotilan, myös muut suureet saavuttavat tasapainotilan. (Fashami et al., 2012)

Taulukko 4. Yläpaineen vasteaika

Yleisesti taulukoiden perusteella voidaan sanoa, että säätöstrategialla 2 näyttäisi olevan lyhimmät vasteajat ja puolestaan säätöstrategialla 3 pisimmät. Työssä, jossa säätöstra- tegia 3 on käytössä, työn tavoitteena oli tutkia olemassa olevan systeemin toimintaa, eikä työssä tutkittu optimisäätöstrategioita. Onkin luonnollista, että säätöstrategialla 3 saadut vasteet ovat kaikista pisimpiä. Säätöstrategia 1:n vasteajat eroavat myös reilusti säätöstrategiassa 2 saaduista vasteajoista.

Tutkimustapa Säätöstrategia 2 (Fashami et al., 2012) Lämmönvaihtimella

siirtyvää lämpöä vähenne- tään

5 min

Hiilidioksidipitoisuus

savukaasussa kasvaa -

Voimalaitoksen tehoa tai savukaasun määrää

kasvatetaan

5 min

(25)

4. OPTIMISÄÄTÖ NOPEISSA KUORMANMUUTOS- TILANTEISSA

Tässä luvussa tarkastellaan luvussa 3 esiteltyjä säätöstrategioita nopeissa kuormanmuutostilanteissa. Lopuksi selvitetään, soveltuuko amiinipesuri nopeisiin kuormanmuutostilanteisiin ja käytettäväksi esimerkiksi kaasuturbiinivoimalaitoksissa.

4.1 Amiinipesurin säätö nopeissa kuormanmuutostilanteissa

Nopeat kuormanmuutostilanteet tarkoittavat tilanteita, joissa voimalaitoksen tehoa joko vähennetään tai kasvatetaan lyhyessä ajassa. Sähköverkon taajuuden reservimarkkinat jaetaan aktivoitumisen ja nopeuden perusteella eri osiin. Nopeita kuormanmuutostilan- teita tapahtuu sähköntuotannon primäärireserviin kuuluvilla voimalaitoksilla kuten kaa- suturbiinivoimalaitoksilla (Fingrid Oyj, 2021). Kaasuturbiinivoimalaitosten säädettävyys on erittäin nopeaa, sillä kaasuturbiinivoimalaitokset voidaan ajaa kylmäkäynnistyksestä täyteen tehoon muutamassa minuutissa (Yang et al., 2018). Lauhdutusvoimalaitokset voivat myös toimia säätävinä laitoksina, mutta niiden kuormanmuutokset ovat huomattavasti hitaampia. Lauhdutusvoimalaitos voidaan ajaa kylmäkäynnistyksestä täyteen tehoon 2–5 tunnissa (Sindareh-Esfahani et al., 2014).

Tsoutsanisin ja Meskinin (2019) artikkelissa on tutkittu turbiinivoimalaitoksen kuorman- muutosnopeutta säävaihtelevan tuotannon kuormanmuutoksissa. Artikkelin tutkimus on tehty simuloimalla malleja Matlabilla. Kuva 2 perustuu artikkeliin ja siitä voidaan huomata, että kaasuturbiinivoimalaitos kykenee nostamaan tuotantoa 25 MW puolessa tunnissa. Tulevaisuudessa kaasuturbiinivoimalaitokset voivat kyetä entistä nopeampiin kuormanmuutoksiin, sillä kaasuturbiinivoimalaitosten säätävyyttä parannellaan ja optimoidaan jatkuvasti (Tsoutsanis & Meskin, 2019). Tämän lähteen perusteella oletetaan, että kaasuturbiinivoimalaitoksen dynamiikka on nopeaa ja vasteajat ovat lyhyet.

4.2 Amiinipesurin soveltuminen nopeisiin kuormanmuutosti- lanteisiin

Amiinipesurin soveltumista tarkasteltaessa on oleellista kiinnittää huomiota hiilidioksidin talteenoton tehokkuuteen, amiinipesurin energiankulutukseen ja näiden vasteaikoihin.

Taulukoissa 2 on vertailtu hiilidioksidin talteenoton vasteaikaa, taulukossa 3 amiinipesurilla siirtyvää lämpöä ja taulukossa 4 säätöstrategian 2 haihdutuskolonnin yläpaineen vasteaikaa. Siirtyvä lämpö ei täysin vastaa amiinipesurin kokonaisenergiankulutusta,

(26)

mutta siirtyvän lämmön määrästä tiedetään kattilalta tulevasta höyrystä saatavan energian suuruus.

Kuvista 9 ja 10 nähdään, että muutokset esimerkiksi savukaasun massavirran suuruu- dessa muuttavat myös energiankulutusta. Kuvan 10 simulointitilanteessa savukaasun massavirta kasvaa samalla tavalla kuin kuvassa 6. Yleisesti kuvista voidaan päätellä, mitä suurempi savukaasun massavirta, sitä suurempi on myös energiantarve. Kuvan 9 perusteella tarvittavan lämmön määrä käy hetkellisesti korkeammassa arvossa ja noin 2 tunnin jälkeen asettuu uuteen arvoonsa. Nopeiden kuormanmuutostilanteiden kannalta tämä on melko ongelmallinen huomio. Voi olla, että toistuvissa nopeissa kuormanmuutostilanteissa energiaa kuluu paljon ja energiankulutus ei ehdi asettua vakioarvoihin kuormanmuutostilanteiden väleissä ollenkaan.

Hiilidioksidin talteenottoa tarkasteltaessa merkittävä tekijä on se, saavuttaako hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuus asetusarvoaan. Taulukosta 2 nähdään, että suurimmassa osassa tapauksista prosenttiosuus asettuu asetusarvoonsa. Nopeimmassa tapauksessa asetusarvon löytymiseen kuluu noin 30 minuuttia, joka on melko pitkä aika, kun verrataan sitä kaasuturbiinivoimalaitoksen dynamiikkaan. Todennäköisesti nopeissa kuormanmuutostilanteissa hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuutta pitäisi tarkastella jonkin muun kuin asetusarvoseurannan näkökulmasta. Nopeissa kuormanmuutostilanteissa ei mahdollisesti kannattaisi tavoitella tiettyä hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuutta, vaan optimoida muita muuttujia ja antaa hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuuden seurata muutoksia. Toisaalta amiinipesurin säädön yhtenä suurimpana tavoitteena on hiilidioksidin talteenoton maksimointi, joten tämän kannalta talteen otettavalle hiilidioksidille olisi hyvä olla jokin tavoitearvo.

Aika [min]

Teho [kW]

Kuva 10. Höyrystä siirtyvä lämpö, kun savukaasun massavirtaa kasvate- taan säätöstrategiassa 1. Perustuu lähteeseen (Panahi & Skogestad, 2012).

(27)

Näistä kolmesta tutkitusta säätöstrategiasta säätöstrategia 2 on kaikista tehokkain ja no- pein ja säätöstrategia 3 kaikista heikoin ja hitain. Säätöstrategia 1 on säätöstrategiaa 3 nopeampi, mutta huomattavasti säätöstrategiaa 2 heikompi. Säätöstrategioita vertail- lessa täytyy ottaa huomioon myös se, että säätöstrategioita on simuloitu erilaisissa toi- mintaympäristöissä. Näiden tutkimusten perusteella on vaikeaa tehdä yhteenvetoa siitä, mikä on paras säätöstrategia, joka toimisi kaikissa tapauksissa, jos sellaista edes on olemassa.

Säätöstrategia 2 (Fashami et al., 2012) on tämän työn perusteella säätöstrategioista so- veltuvin käytettäväksi kaasuturviinivoimalaitoksissa ja nopeissa kuormanmuutostilanteissa. Säätöstrategiassa 2 vasteajat haihdutuskolonnin yläpuolen paineessa ovat huomattavasti nopeammat kuin kahdessa muussa tutkimuksessa. Säätöstrategialla 2 lisäksi voidaan operoida suurempia askelmuutoksia esimerkiksi savukaasun massavirralle.

Säätöstrategiassa 2 käytetty säätöstrategia ja säätörakenteet ovat monimutkaisempia kuin kahdessa muussa, sillä optimaalisten ohjaus-mittaus-parien valinnan jälkeen sää- törakennetta on vielä paranneltu kaskadisäätörakenteiden avulla.

On tärkeää kuitenkin huomata, että säätöstrategia 2 on nopea ja toimiva sen omassa toimintaympäristössään, sillä säätöstrategia 2 on optimoitu juuri tiettyä toimintaympäris- töä varten. Säätöstrategia 2 ei todennäköisesti toimisi yhtä hyvin jossain muussa toimin- taympäristössä, joten tätä säätöstrategiaa ei voi muissa toimintaympäristöissä ottaa käyttöön.

Amiinipesuri voi soveltua käytettäväksi nopeissa kuormanmuutostilanteissa, jos amiinipesurin säädöt ovat hyvin suunniteltu ja optimoitu toimintaympäristöönsä sopiviksi. En- nen amiinipesurin kytkemistä kaasuturbiinivoimalaitoksen savukaasulinjaan olisi tärkeää selvittää, mitkä ovat amiinipesun tavoitteet sekä rajoitteet ja mahdollisesti simuloida amiinipesurin toimintaa siinä tietyssä toimintaympäristössä. Suurimpina haasteina amiinipesurin säädössä ovat energiankulutuksen suuruus ja hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuuden pienuus. Tärkeimpinä amiinipesurin säädön tavoitteina on minimoida energiankulutus ja maksimoida hiilidioksidin talteenotto. Amiinipesurin säätöstrategian valinnan ja optimoinnin jälkeen viritetään vielä säätimet valitsemalla säätöparametrit optimaalisesti.

(28)

5. JOHTOPÄÄTÖKSET

Tämän työn tarkoituksena oli selvittää, miten amiinipesuri soveltuisi käytettäväksi nopeissa 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 hiilidioksidimolekyylit liukenevat savukaasusta absorboivaan aineeseen. Pesukolonnista absorboiva aine kuljetetaan haihdutuskolonniin, jossa hiilidioksidimolekyylit talteen otetaan lämmön avulla. Vähähiilidioksidipitoinen absorboiva aine palautetaan takaisin pesukolonniin. 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 aiheutuvat 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 prosessin 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 virtaus, lämmönvaihtimen lämpötila ja haihdutuskolonnin paine. Absorboivan aineen virtausta säädettiin venttiileillä, lämmönvaihtimen lämpötilaa höyryn virtauksen venttiileillä ja haihdutuskolonnin painetta talteen otettavan hiilidioksidin paineen avulla. Näitä yksit-

(29)

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 energiankulutus kasvaa. Toinen haaste on hiilidioksidin talteenoton tehokkuus. Hiilidioksidin talteenoton 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 energiankulutuksen minimointia voisi painottaa nopeiden kuormanmuutosten säädössä. Tilanteissa, joissa kuormanmuutoksia tapahtuu jatkuvasti eikä amiinipesurin toiminta ehtisi stabiloitua 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.

(30)

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/reservituotteet-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 improvements,” 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 capture 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.

(31)

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.