Korrekta mätningar är av stor betydelse för både drifts- och miljökontroll. Medvetenheten om betydelsen av kvalitetskontroll och kvalitetssäkring ökar alltmer. Vintern 1993/94 genomförde Tomas Öberg Konsult AB på uppdrag av RVF:s avfallsförbränningsgrupp ett projekt för att studera möjligheten att använda olika typer av empiriska beräkningsmodeller för instrumentkontroll och driftsövervakning. Mätdata från tidigare NOx-optimeringsförsök, vid Uppsala Energi AB, Tekniska Verken i Linköping AB och Söderenergi AB, användes som beräkningsunderlag. En fullständig rapport finns tillgänglig från projektet. Nedan redogör Tomas Öberg kortfattat för projektresultaten och hur de praktiskt kan tillämpas.
I en förbränningsanläggning samvarierar de flesta mätvariabler i mer eller mindre komplicerade mönster. Denna samvariation kan utnyttjas för rimlighetskontroll av mätinstrumenten. Ett enkelt exempel är relationen mellan O2-CO2. För mer komplicerade relationer, exempelvis driftsvariabler-NOx, krävs dock olika former av modellberäkningar för att genomföra kontrollen.
Syftet med projektet var att prova ut olika typer av s k empiriska beräkningsmodeller. Verkliga mätdata användes som beräkningsunderlag, och med olika simuleringar testades modellernas störningskänslighet. De modelleringstekniker som studerades var dels olika regressionsmetoder dels s k neurala nätverk.
För samtliga dessa tekniker gäller att den variabel vi vill kunna beräkna relateras till samtliga övriga drifts-/mätvariabler med en matematisk modell. Det är alltså "mönstret" som helhet i processen och inte enskilda variabelsamband som utgör grund för modellerna.
Några av de angivna metoderna ger även nya och bättre möjligheter att kunna följa driften som helhet. Detta sker genom att komprimera informationen i många samvarierande mätvariabler till några få enkla bilder/diagram. Nya former för presentation av information och möjligheter att förbättra operatörsmiljön kan vara en nog så intressant "spin-off"-effekt.
Projektet inleddes med en litteraturstudie rörande tillämpningar av empiriska beräkningsmodeller för instrumentkontroll. Ett antal forskningsrapporter och några försök i pilotskala fanns presenterade. För energiproducerande anläggningar förefaller tankegången att vara helt oprövad.
Mätdata från tre anläggningar, två pannor eldade med avfall och en med kol, ingick i projektet. Tidsperioden som mätningarna omfattade varierade mellan två och fyra veckor, och tidsupplösningen varierade mellan 1 till 22 minuter. Antalet mätvariabler varierade mellan ca 10 till 30. Det totala antalet mätvärden uppgick till ca 150 000.
Utvärderingen visade att samtliga typer av empiriska beräkningsmodeller med god träffsäkerhet kan beskriva variationer i variabler som ångflöde, temperaturer, O2 -, CO2-, CO-, NH3- och NOx-halter. I figur 1 visas ett exempel på överensstämmelsen mellan modell och verklighet. Vid fel i instrument eller givare så kan alltså en kontinuerlig modellberäkning ersätta den felaktiga mätsignalen.
Figur 1
Modellberäkningar av temperatur i ugn som en funktion av faktiska mätresultat.
Känsligheten för störningar i indata varierade mellan de olika modelltyperna. Endast de "neurala nätverken" förmådde ge rimliga beräkningsresultat vid såväl kraftiga systematiska som slumpmässiga fel.
Kontinuerlig kvalitetskontroll bör ske hos operatören i kontrollrummet. Därmed är det också klart var resultaten ska vara tillgängliga och presenteras. För resultatpresentationen finns det många bilder och diagram att välja mellan. Ett enkelt exempel är två trendkurvor för samtidig visning av mätresultat och modellberäkningar, figur 2. Kraftiga avvikelser mellan mätning och beräkningsresultat bör föranleda åtgärder/manuell kontroll. Givetvis går det också bra att koppla olika typer av larmfunktioner till dessa avvikelser.
Mätfel av olika slag blir ännu lättare att upptäcka med några andra typer av diagram. Exempelvis kan skillnaderna mellan mätningar och modellberäkningar visas som en trendkurva eller som ett frekvenshistogram. Generellt ligger detektionsgränsen för mätfel då omkring 5-10% av variationsområdet i kalibreringsdata för den variabel som ska kontrolleras.
På ett liknande sätt kan även driften som helhet övervakas. Informationen i ett stort antal mätvariabler komprimeras då till ett antal informationsbärande s k latenta variabler. Dessa kan sedan plottas i X-Y-diagram (tillsammans med kompletterande information och toleransgränser). En fördel jämfört med att endast förlita sig på enstaka driftsvariabler är uppenbar. Möjligheterna ökar att upptäcka inbördes onormala relationer mellan olika mätresultat. Detta kan förväntas ge tidiga indikationer för vissa typer av driftstörningar.
Figur 2
Exempel på trendkurvor för mätresultat och modellberäkningar av NO-halt, ppm vg 10% CO2.
Vid sidan av det redovisade projektet har vi även tittat på hur kontinuerlig kvalitetskontroll enklast och billigast kan införas praktiskt ute i anläggningarna. I flera fall kan beräkningsmodellerna sannolikt läggas in i befintliga processdatorer. Det torde dock vara enklare att använda en separat PC (persondator). Det ger även fördelen av att det går att använda billiga standardprogram. Dessa kan sedan modifieras/anpassas för önskade beräkningar och resultatpresentationer.
För signalöverföring mellan processdator/instrument och en separat PC finns flera tillgängliga alternativ som har granskats. Dessa kan anpassas specifikt för varje anläggning. Fördelen med att använda kommersiella standardlösningar och modultänkande är bl a lägre kostnader, teknisk tillförlitlighet och goda möjligheter att uppgradera/anpassa systemet stegvis.
Sedan projektet avslutades har utvecklingsarbetet fortgått. Det är nu möjligt att åstadkomma regressionsmodeller som är mer robusta och mindre känsliga för störningar än t o m "neurala nätverk".
Efter projektets slutförande har ny information kommit fram om tillämpningar av empiriska beräkningsmodeller som jag gärna vill förmedla vidare. I USA har Environmental Protection Agency (det amerikanska naturvårdsverket) föreslagit att indirekt mätning med beräkningsmodeller ska kunna godkännas för utsläppskontroll. I några delstater godtas redan nu beräkningsmodeller som alternativ för bl a kontinuerlig NOx-mätning. Detta kan kanske vara något att fundera på även här. Kontinuerlig lustgasmätning genom beräkningsmodeller vore en lämplig tillämpning.
Artikel av Tomas Öberg publicerad RVF-nytt nr 3, 1994.
|
English homepage