An energy revolution is underway but the search for clean, renewable energy sources is not progressing fast enough to meet the growing energy demands. Fossil sources still account for 80% of the world’s energy demand and it will continue to play a major role in the coming decades. Therefore, more attention is given to efficient and clean use of fossil fuel in the energy industry. Coal is an especially important energy resource in given its low price and stability of supply, yet coal accounts for 44% of the total carbon dioxide emission. Considering this, IGCC is an attractive option for clean and efficient use of coal. Despite its many advantages, the biggest challenge IGCC needs to overcome is its low availability. The low availability of the IGCC power plant usually is because of the difficulties in integrating two main technologies: gasification and combined cycle technology. The trouble-free operation of a gasifier is more important than other units in the IGCC system because it supplies the feed to the gas turbine; its dynamic response influences the dynamics of the downstream equipment and, in turn, affects the performance of the entire plant.
Hence, this thesis intends to study the problem of gasifier control. Firstly, a $3 \times 3$ MIMO control problem is defined and three control strategies for the dry feeding type entrained-flow gasifier are studied. The conventional gasifier control practice is to fix the ratios of oxygen-to-coal and steam-to-coal during operation. It is argued that this strategy is insufficient to control the gasifier satisfactorily in the face of expected disturbances and load changes, and additional control loops need to be installed. Two strategies are tested. The first strategy cascades the existing ratio loops with additional PI control loops. The second strategy eliminates the ratio loops and then manipulates the individual flow rates directly. The cascade control strategy turns out to be the best option for the gasifier control. The common practice of fixing the input ratios can be improved by adding cascade loops to adjust the ratios based on feedbacks of the important CVs. Additionally, the ratio control strategy has advantages in controlling the multiple input streams of the gasifier, which brings feedforward effect in set-point changes.
Secondly, for the first time, inferential control of slag thickness is studied. For a stable operation of the entrained-flow gasifier in IGCC power plant, special attention has to be given to slag thickness control. In spite of the importance of slag thickness control, there currently exist no studies on slag thickness control. The conventional control strategy for slag thickness is to maintain the operating temperature and introduce ‘flux’ of a fixed ratio to the fuel flow rate. In disturbance rejection tests, the conventional strategy failed to control the slag thickness in 8 scenarios of coal spec change. Two input disturbance model design strategies are proposed for the inferential control problem which intrinsically has more disturbances than measurements. The first strategy is to select the most likely scenarios, as many as measurements, and use a linear projection along the direction of the most likely scenarios. The second approach is to use the SVD for the linear projection to minimize the error over all possible scenarios. For the most likely scenarios, the first approach showed superior performances but the second approach gave a comparable level of performance. For the other cases that were not modeled, the second approach outperformed.
In conclusion, the current control practice for gasifier is insufficient controlling not only the MIMO gasifier system but also the unmeasured slag thickness. The common practice of fixing the input ratios can be improved by adding cascade loops to adjust the ratios based on the feedbacks of the CVs. In order to control slag thickness, a model-based state estimation and inferential control are required. Also, an input disturbance model is required for LMPC to represent the disturbances of coal spec change. Two proposed design strategies for input disturbance model showed superior performances.
신재생 에너지 연구가 진행되고 있지만, 증가하는 에너지 수요를 감당하기에는 신재생 에너지 기술의 발전이 턱없이 느린 상황이다. 화석 연료는 현재 세계 에너지 수요의 80%를 담당하고 있으며 앞으로 수십 년 동안 주요 에너지원으로 사용될 것이다. 따라서 더욱 효율적이고 친환경적인 화석 연료 사용 기술의 개발이 중요한 상황이다. 특히, 석탄은 공급의 안정성과 낮은 가격의 장점을 가진 주요한 에너지 자원이지만, 전세계 이산화 탄소 배출량의 44%를 배출하는 등 환경오염을 유발하는 문제가 있다. 석탄 가스화 복합 발전소(IGCC)는 석탄을 친환경적이고 고효율로 사용할 수 있는 발전 방식이다. IGCC발전 방식은 고효율, 친환경성, 연소 전 이산화탄소 포집 장치 설치 용이성 등 많은 장점을 갖고 있지만, 높은 초기 투자 비용과 낮은 가동률의 문제를 겪고 있다. 낮은 가동률은 주로 IGCC의 두 가지 중심기술, 가스화 기술과 복합 화력 발전 기술을 통합하는 어려움에서 기인한다. 낮은 가동률 문제를 개선하는데 있어서, 가스화기의 고장 정지 없는 연속 운전이 중요한데, 이는 가스화기가 복합 화력 발전을 위해 연료를 공급하기 때문에 가스화기의 효율과 동적 상태가 발전소 전체 운전에 영향을 미치기 때문이다.
이러한 기술적 필요에 따라 본 연구에서는 IGCC 발전소를 위한 가스화기 제어 방법을 연구하였다. $3 \times 3$ 다중 입출력 제어 문제를 정의하고, 건식 분류층 가스화기 모사 모델을 이용하여 3가지 제어 기법을 테스트하였다. 종래의 가스화기 제어 기법은 고정 비율 제어로, 석탄의 양 대 산소의 양, 석탄의 양 대 스팀의 양의 비율을 고정시켜 놓고 제어 하는 것이다. 고정 비율은 보통 정상상태 운전 조건에 맞춰 정해지고 운전자의 경험과 판단에 따라 조절될 수 있다. 하지만 이러한 제어 방식은 측정되지 않는 외란이 일어나거나 과도 상태(transient condition)에 적합하지 않기 때문에 비율을 조절하기 위한 추가적인 제어 루프를 추가하였다. 두 가지 기법을 비교하였는데, 첫 번째 방법은 석탄 대 산소, 석탄 대 스팀 비율을 제어하는 상위 루프를 추가하는 것이고, 두 번째 방법은 비율 제어의 필요성을 확인하기 위해 비율 제어 루프를 제거하고 3개의 조작변수와 3개의 제어 변수를 연결하는 PI 루프를 구성하는 것이다. 비율 제어를 사용하면서 비율을 실시간 조절할 때 가장 좋은 제어 결과를 보였으며, 비율 제어 기법을 사용할 경우 설정 점(set point)변화에 대해 피드포워드(feedforward)제어 효과를 볼 수 있는 장점이 있음을 확인하였다.
가스화기 슬래그 두께를 상태 추정하여 제어 하는 추론 제어 기법을 연구하였다. 가스화기의 고장 정지 없는 연속 운전을 위해서는 슬래그 두께 조절이 중요하지만, 지금까지 슬래그 두께 조절에 관한 연구는 수행 된 적이 없다. 종래의 슬래그 두께 제어 기법은 운전 온도를 일정하게 유지하고, 고정 비율의 플럭스(flux material)를 주입하는 것이다. 외란 거부 시험(disturbance rejection test)시 종래의 제어 방식은 8가지의 시나리오에서 슬래그 두께 조절에 실패하였다. 본 연구에서는 외란의 수가 측정치(measurements)의 수 보다 더 많은 경우, 선형 모델 예측 제어기(linear model predictive controller)를 위한 입력 외란 모델(input disturbance model)을 설계하는 기법을 두 가지 제안하였다. 첫 번째 방법은 측정치의 개수만큼 가장 발생 가능한 시나리오(most likely scenario)를 선정하여, 이 방향으로 선형 투영 (linear projection) 하는 것이다. 두 번째 방법은 선형 투영 방향을 결정 짓기 위해 특이값 분해(SVD)를 이용하는 것이다. 첫 번째 방법은 몇 개의 시나리오를 이용하여 외란 모델을 설계하기 때문에, 외란 모델 설계 시 고려된 시나리오에 대해서는 SVD를 이용하는 두 번째 방법보다 우월한 결과를 보였지만 고려되지 않은 시나리오에 대해서는 SVD를 사용하는 방법보다 열등한 상태 추정 및 제어 결과를 보였다.
결론적으로 현재 산업에서 사용되고 있는 가스화기 제어 기법은 다중 입출력 가스화기 제어 문제에 만족스러운 성능을 보이지 않으며, 슬래그 두께를 제어하는 것이 불가능하다. 측정되지 않는 외란 발생 시나리오와 합성 가스 유량 설정 값 변경 시나리오로 시뮬레이션 한 결과, 종래의 고정 제어 비율 방식을 사용하여 구성된 제어 루프에 비율을 고정시키지 않고 피드백 제어 하기 위한 추가적인 PI제어 루프를 더하는 것이 다중 입출력 가스화기 시스템 제어에 가장 적합한 것으로 나타났다. 슬래그 두께를 제어하기 위해서는 상태를 추정하여 추정 값을 바탕으로 추론제어 해야 한다. 본 연구에서는 선형 모델 예측 제어기를 위한 두 가지 입력 외란 모델 설계 기법을 제안하였고, 종래의 제어 기법이나 일반적인 출력 외란 모델을 사용하는 선형 모델 예측 제어기보다 월등한 결과를 보였다. 발생 가능한 시나리오를 측정값의 개수만큼 확신 할 수 있는 경우 발생 가능한 시나리오를 이용하여 선형 투영하는 방법이 더 적합하며, 발생 가능한 시나리오는 확신할 수 없는 경우에는 특이값 분해를 이용하여 선형 투영하는 방법이 더 강건함(robustness)하다. 가스화기 슬래그 두께 제어를 위해서는, 특이값 분해를 이용한 경우 평균 오차가 더 작았다.
