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L. Böhler, M. Fallmann, G Görtler, J. Krail, F. Schittl, M. Kozek:
"Emission limited model predictive control of a small-scale biomass furnace";
Applied Energy, 285 (2021), 285.

This paper presents the application of an emission limiting model based predictive controller for a small-scale biomass grate furnace. The furnace has a nominal power of 100 kW with wood pellets as fuel, but it can be operated with different fuels as well. The model predictive approach extends the existing static feedforward controller of the investigated furnace with a dynamic feedback controller that is able to improve the combustion performance. Simultaneously, the formation of carbon monoxide emissions is minimized within the prediction horizon based on an available emission estimation model for pellets. The results obtained from closed-loop measurements show that the control concept is able to reduce carbon monoxide emissions in partial load operation up to four times while the control error of the supply water temperature for heating is nearly halved during transient operation. This is achieved by incorporating the emission estimation model into the constrained optimization of the predictive controller. Additional results obtained from closed-loop experiments for different fuel types with varying water contents demonstrate the advantages of the proposed model-based approach and its robustness with respect to typical uncertainties of the combustion process.

In diesem Beitrag wird die Anwendung eines auf einem Emissionsbegrenzungsmodell basierenden prädiktiven Reglers für eine Biomasse-Rostfeuerungsanlage im kleinen Maßstab vorgestellt. Die Feuerung hat eine Nennleistung von 100 kW mit Holzpellets als Brennstoff, sie kann aber auch mit anderen Brennstoffen betrieben werden. Der modellprädiktive Ansatz erweitert den bestehenden statischen Feedforward-Regler der untersuchten Feuerung um einen dynamischen Feedback-Regler, der in der Lage ist, die Verbrennungsleistung zu verbessern. Gleichzeitig wird die Bildung von Kohlenmonoxid-Emissionen innerhalb des Prädiktionshorizonts minimiert, basierend auf einem Modell zur Schätzung der Emissionsbildung für Pellets. Die Ergebnisse aus Closed-Loop-Messungen zeigen, dass das Regelungskonzept in der Lage ist, die Kohlenmonoxid-Emissionen im Teillastbetrieb um das bis zu Vierfache zu reduzieren, während der Regelungsfehler der Vorlauftemperatur für die Heizung im instationären Betrieb nahezu halbiert wird. Dies wird durch die Einbeziehung des Emissionsmodells in die Optimierung des prädiktiven Reglers mit Beschränkungen erreicht. Weitere Ergebnisse aus Closed-Loop-Experimenten für verschiedene Brennstoffarten mit variierenden Wassergehalten zeigen die Vorteile des vorgeschlagenen modellbasierten Ansatzes und seine Robustheit gegenüber typischen Unsicherheiten des Verbrennungsprozesses.

Biomass combustion; Combustion modeling; Emission reduction; Predictive control; Carbon monoxide

http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.116414

https://publik.tuwien.ac.at/files/publik_296420.pdf