Artificially Intelligent and Adaptive Methods for Prediction and Analysis of Superheater Fireside Corrosion in Fluidized Bed Boilers

Superheater corrosion causes vast annual losses for the power companies. With a reliable corrosion prediction method, the plants can be designed accordingly, and knowledge of fuel selection and determination of process conditions may be utilized to minimize superheater corrosion. Growing interest to use recycled fuels creates additional demands for the prediction of corrosion potential. Models depending on corrosion theories will fail, if relations between the inputs and the output are poorly known. A prediction model based on fuzzy logic and an artificial neural network is able to improve its performance as the amount of data increases. The corrosion rate of a superheater material can most reliably be detected with a test done in a test combustor or in a commercial boiler. The steel samples can be located in a special, temperature-controlled probe, and exposed to the corrosive environment for a desired time. These tests give information about the average corrosion potential in that environment. Samples may also be cut from superheaters during shutdowns. The analysis ofsamples taken from probes or superheaters after exposure to corrosive environment is a demanding task: if the corrosive contaminants can be reliably analyzed, the corrosion chemistry can be determined, and an estimate of the material lifetime can be given. In cases where the reason for corrosion is not clear, the determination of the corrosion chemistry and the lifetime estimation is more demanding. In order to provide a laboratory tool for the analysis and prediction, a newapproach was chosen. During this study, the following tools were generated: · Amodel for the prediction of superheater fireside corrosion, based on fuzzy logic and an artificial neural network, build upon a corrosion database developed offuel and bed material analyses, and measured corrosion data. The developed model predicts superheater corrosion with high accuracy at the early stages of a project. · An adaptive corrosion analysis tool based on image analysis, constructedas an expert system. This system utilizes implementation of user-defined algorithms, which allows the development of an artificially intelligent system for thetask. According to the results of the analyses, several new rules were developed for the determination of the degree and type of corrosion. By combining these two tools, a user-friendly expert system for the prediction and analyses of superheater fireside corrosion was developed. This tool may also be used for the minimization of corrosion risks by the design of fluidized bed boilers.

Materials selection for superheater tubes in municipal solid waste incineration plants

Corrosion reduces the lifetime of municipal solid waste incineration (MSWI) superheater tubes more than any other cause. It can be minimized by the careful selection of those materials that are most resistant to corrosion under operating conditions. Since thousands of different materials are already known and many more are developed every year, here the selection methodology developed by Prof. Ashby of the University of Cambridge was used to evaluate the performance of different materials to be used as MSWI superheater tubes. The proposed materials can operate at steam pressures and temperatures over 40 bars and 400ºC, respectively. Two case studies are presented: one makes a balanced selection between mechanical properties and cost per thermal unit; and the other focuses on increasing tube lifetime. The balanced selection showed that AISI 410 martensitic stainless steel (wrought, hard tempered) is the best candidate with a good combination of corrosion resistance, a relatively low price (0.83-0.92 e/kg) and a good thermal conductivity (23-27 W/m K). Meanwhile, Nitronic 50/XM-19 stainless steel is the most promising candidate for longterm selection, as it presents high corrosion resistance with a relatively low price (4.86-5.14 e/kg) compared to Ni-alloys.

The role of potassium in the corrosion of superheater materials in boilers firing biomass

Inhibition of global warming has become one of the major goals for the coming decades. A key strategy is to replace fossil fuels with more sustainable fuels, which has generated growing interest in the use of waste-derived fuels and of biomass fuels. However, from the chemical point of view, biomass is an inhomogeneous fuel, usually with a high concentration of water and considerable amounts of potassium and chlorine, all of which are known to affect the durability of superheater tubes. To slow down or reduce corrosion, power plants using biomass as fuel have been forced to operate at lower steam temperatures as compared to fossil fuel power plants. This reduces power production efficiency: every 10°C rise in the steam temperature results in an approximate increase of 2% in power production efficiency. More efficient ways to prevent corrosion are needed so that power plants using biomass and waste-derived fuels can operate at higher steam temperatures. The aim of this work was to shed more light on the alkali-induced corrosion of superheater steels at elevated temperatures, focusing on potassium chloride, the alkali salt most frequently encountered in biomass combustion, and on potassium carbonate, another potassium salt occasionally found in fly ash. The mechanisms of the reactions between various corrosive compounds and steels were investigated. Based on the results, the potassium-induced accelerated oxidation of chromia protected steels appears to occur in two consecutive stages. In the first, the protective chromium oxide layer is destroyed through a reaction with potassium leading to the formation of intermediates such as potassium chromate (K2CrO4) and depleting the chromium in the protective oxide layer. As the chromium is depleted, chromium from the bulk steel diffuses into the oxide layer to replenish it. In this stage, the ability of the material to withstand corrosion depends on the chromium content (which affects how long it takes the chromium in the oxide layer to be depleted) and on external factors such as temperature (which affects how fast the chromium diffuses into the protective oxide from the bulk steel). For accelerated oxidation to continue, the presence of chloride appears to be essential.

Boiling Nuclear Superheater (BONUS) Power Station : final summary design report /

"May 1, 1962."

Boiling Nuclear Superheater (BONUS) project : interim report /

"PWRA-GNEC Report No. 1."

Boiling Nuclear Superheater (BONUS) Power Station : supplementary study: extrapolation to large central station intergral nuclear superheat plant /

"January 28, 1960."

Boiling Nuclear Superheater (BONUS) Power Station : final hazards summary report /

"Prepared under contract with the United States Atomic Energy Commission, GNEC/AEC contract AT-(40-I)-2674 and PRWRA/AEC contract AT-(40-I)-2672."

Wave superheater hypersonic tunnel; semiannual report,

"AEDC TDR-62-54. Program area 750A. AFSC project 4773. Contract no. AF40(600)-804."

Engineering design of a wave superheater facility for hypersonic research and development.

AFOSR-TN-59-108; AD-210224.

New Steel Alloys for the Design of Heat Recovery Steam Generator Components of Combined Cycle Gas Plants

Demand for power is growing every day, mainly due to emerging economies in countries such as China, Russia, India, and Brazil. During the last 50 years steam pressure and temperature in power plants have been continuously raised to improve thermal efficiency. Recent efforts to improve efficiency leads to the development of a new generation of heat recovery steam generator, where the Benson once-through technology is applied to improve the thermal efficiency. The main purpose of this paper is to analyze the mechanical behavior of a high pressure superheater manifold by applying finite element modeling and a finite element analysis with the objective of analyzing stress propagation, leading to the study of damage mechanism, e.g., uniaxial fatigue, uniaxial creep for life prediction. The objective of this paper is also to analyze the mechanical properties of the new high temperature resistant materials in the market such as 2Cr Bainitic steels (T/P23 and T/P24) and also the 9-12Cr Martensitic steels (T/P91, T/P92, E911, and P/T122). For this study the design rules for construction of power boilers to define the geometry of the HPSH manifold were applied.

Combustibility of Paper Mill Rejects

Tämän työn tarkoituksena oli selvittää mekaanisen massan valmistuksen käsittävän paperitehtaan rejektija jätevirtojen poltettavuutta, jos paperitehtaan vesikiertojen sulkemisastetta lisätään. Jotta prosessin tilannetta sulkemisen jälkeen saatiin arvioitua, Anjalan paperitehtaan nykypäivän PK3:n prosessia tutkittiin kuorimolta jätevesilaitokselle. Kirjallisuusosassa käsiteltiin rejekti- ja jätevirtojen alkuperää mekaanista massaa käyttävässä paperitehtaassa. Myös tämän päivän jätevedenkäsittelyprosessit sekä sulkemisessa mahdolliset prosessiveden puhdistustekniikat esiteltiin lyhyesti. Lisäksikäytiin läpi nykypäivänä metsäteollisuudessa käytössä olevat polttotekniikat sekä polttoaineiden karakterisointi kattilan käytettävyyden ja päästöjen kannalta. Anjalan PK3:lla käytetään sekä peroksidi- että ditioniittivalkaistua tai pelkästään ditioniittivalkaistua hioketta riippuen tuotannossa olevasta lajista. PK3-prosessissa syntyneet jätevesi-, liete- ja muut jätevirrat selvitettiin molemmissa valkaisuolosuhteissa. Prosessin eniten liuennutta orgaanista ainesta sisältävät jätevesijakeet, 3-hiomon kuumankierron ja kirkassuodoksen ulosajot sekä kuoripuristimen suodos, valittiin puhdistettaviksi virroiksi prosessin sulkemista arvioitaessa. Kun peroksidivalkaisua käytettiin 3-hiomolla, TOC-kuorma jokeen oli 30 % suurempi kuin pelkällä ditioniittivalkaisulla. Jos prosessin sulkemisastetta lisättäisiin, TOC-kuorma olisi 30 %pienempi kuin tänäpäivänä peroksidivalkaisua käytettäessä (80 % puhdistustehokkuudella). Prosessin sulkemisastetta lisättäessä biolietettä muodostuisi n. 30 % vähemmän verrattuna nykytilanteeseen, sillä mikrobien ravintona käyttämää orgaanista ainesta päätyisi vähemmän jäteveteen. 3-hiomon peroksidivalkaisun vaikutus kattilan käytettävyyteen ja päästöihin oli pieni, sillä biolietteen osuus polttoaineen syötöstä oli vain 4 %. Vain osa biolietteestä muodostui 3-hiomolta peräisin olevaa orgaanista ainesta poistettaessa. Jos nykyisen pääpolttoaineen, PDF:n,osuuden jättää huomioimatta, SO2- ja NOx-päästöt sekä leijupedin sintrautuvuus ovat hiukan suuremmat käytettäessä peroksidivalkaisua 3-hiomolla kuin pelkästään ditioniittivalkaisulla. Jos kuoripuristimen ja hiomon suodosten puhdistuksen konsentraatit johdetaan poltettaviksi BFB-tyyppiseen kattilaan, leijupedin sintrautuminen tulisi olemaan suurin ongelma. Myös raskasmetalli-, SO2- ja NOx-päästöt lisääntyisivät merkittävästi verrattuna nykyiseen tilanteeseen. Sen sijaan kattilan korroosioriski tuskin lisääntyisi. Lisäksi konsentraattien kosteuspitoisuus olisi korkea, mikä tekisi poltosta kannattamatonta veden haihdutuksen vaatiessa paljon energiaa. Yksityiskohtaisempaa tutkimusta tarvitaan vielä prosessin sulkemisen vaikutuksista päästöihin ja kattilan käytettävyyteen. Myös muita konsentraattien hävittämismahdollisuuksia tulisi tutkia lisää.

Dynamic Model of a Small Once-Through Boiler

In this study, a model for the unsteady dynamic behaviour of a once-through counter flow boiler that uses an organic working fluid is presented. The boiler is a compact waste-heat boiler without a furnace and it has a preheater, a vaporiser and a superheater. The relative lengths of the boiler parts vary with the operating conditions since they are all parts of a single tube. The present research is a part of a study on the unsteady dynamics of an organic Rankine cycle power plant and it will be a part of a dynamic process model. The boiler model is presented using a selected example case that uses toluene as the process fluid and flue gas from natural gas combustion as the heat source. The dynamic behaviour of the boiler means transition from the steady initial state towards another steady state that corresponds to the changed process conditions. The solution method chosen was to find such a pressure of the process fluid that the mass of the process fluid in the boiler equals the mass calculated using the mass flows into and out of the boiler during a time step, using the finite difference method. A special method of fast calculation of the thermal properties has been used, because most of the calculation time is spent in calculating the fluid properties. The boiler was divided into elements. The values of the thermodynamic properties and mass flows were calculated in the nodes that connect the elements. Dynamic behaviour was limited to the process fluid and tube wall, and the heat source was regarded as to be steady. The elements that connect the preheater to thevaporiser and the vaporiser to the superheater were treated in a special way that takes into account a flexible change from one part to the other. The model consists of the calculation of the steady state initial distribution of the variables in the nodes, and the calculation of these nodal values in a dynamic state. The initial state of the boiler was received from a steady process model that isnot a part of the boiler model. The known boundary values that may vary during the dynamic calculation were the inlet temperature and mass flow rates of both the heat source and the process fluid. A brief examination of the oscillation around a steady state, the so-called Ledinegg instability, was done. This examination showed that the pressure drop in the boiler is a third degree polynomial of the mass flow rate, and the stability criterion is a second degree polynomial of the enthalpy change in the preheater. The numerical examination showed that oscillations did not exist in the example case. The dynamic boiler model was analysed for linear and step changes of the entering fluid temperatures and flow rates.The problem for verifying the correctness of the achieved results was that there was no possibility o compare them with measurements. This is why the only way was to determine whether the obtained results were intuitively reasonable and the results changed logically when the boundary conditions were changed. The numerical stability was checked in a test run in which there was no change in input values. The differences compared with the initial values were so small that the effects of numerical oscillations were negligible. The heat source side tests showed that the model gives results that are logical in the directions of the changes, and the order of magnitude of the timescale of changes is also as expected. The results of the tests on the process fluid side showed that the model gives reasonable results both on the temperature changes that cause small alterations in the process state and on mass flow rate changes causing very great alterations. The test runs showed that the dynamic model has no problems in calculating cases in which temperature of the entering heat source suddenly goes below that of the tube wall or the process fluid.

Lämmöntalteenottokattilan kehittäminen kaasumoottoreille ja teollisuuskaasuturbiineille

Tässä diplomityössä on kehitetty kustannustehokas lämmöntalteenottokattila savukaasun virtaukselle alle 150 kg/s. Kehitettävä kattila on luonnonkiertoinen ja pystyrakenteinen. Valitun kattilatyypin etuja muihin kattilatyyppeihin nähden on tarkasteltu. Erityistä huomiota kattilassa on kiinnitetty vedenkäsittelyn yksinkertaistamiseen. Tämä on saavutettu tulistinratkaisulla, jonka säätötarve on vähäinen. Tuorehöyryn lämpötilan säätöön käytettyjä säätömenetelmiä on tarkasteltu ja eri tulistinratkaisuja käyttämällä saavutettavia tuorehöyrymääriä ja säätötarvetta on tutkittu simulointiohjelmaa hyväksi käyttäen. Tulistinratkaisun lisäksi työssä on tarkasteltu syöttöveden käyttöä ulkoiseen lämmitykseen sekä lämmönsiirrinpakettien tuentaa. Lisäpolton toteutusta sekä syöttövesiventtiilin sijoittamista ja syöttövesipumpun valintaa on myös tarkasteltu. Osana työtä on lisäksi tehty kehitettyä kattilaa varten mitoitusohjelma ja mitoitettu sitä käyttäen esimerkkilaitos.

Maalämpöpumpun mitoitusjärjestelmän kehittäminen

Työn tavoitteena oli kehittää maalämpöpumppujärjestelmään kuuluvien komponenttien mitoitusta. Työ tehtiin Alufer Oy nimiselle yritykselle, joka on työskennellyt jo kolme vuotta maalämpöpumppujärjestelmän tuotekehityksen parissa. Maalämpöpumppujärjestelmä tullaan suunnittelemaan mahdollisimman suorituskykyiseksi ja joustavaksi. Suunnittelun lähtökohtana on, että lämmitysjärjestelmä on ns. matalalämpö-järjestelmä, joka käytännössä usein toteutetaan lattialämmityksenä. Ensimmäiseksi työssä on selvitetty mitä maalämpö on ja mitkä ovat yleisimmät maalämpöpumppujärjestelmän lämmönkeruuputkistojen asennustavat. Tällä hetkellä käytössä on joko vaakaan (maa, vesi) tai pystyyn asennettava lämmönkeruuputkisto (porakaivo). Seuraavaksi työssä on lähdetty selvittämään maalämpöpumppumarkkinoita Suomessa sekä selvitetty kolmen suurimman valmistajan Geopro Systemsin, Suomen Lämpöpumpputekniikan ja Ekowellin tuotteita sekä tekniikkaa. Työssä selvitetään myös muutamien Eurooppalaisten maiden markkinat. Mitoitusjärjestelmässä tarkastelu on aloitettu uudisrakennuksen lämmitystehon tarpeesta ja käyttöveden lämmityksen tarvitsemasta tehosta. Tarvittavan lämmitysenergian perusteella määriteltiin lämpöpumppujärjestelmään kuuluvat komponentit. Maalämpöpumppujärjestelmä koostuu seuraavista pääkomponenteista: höyrystin, kompressori, lauhdutin ja paisuntaventtiili. Höyrystimen tehon mitoituksessa on huomioitu lämmönkeruuputkistossa kulkevan nesteen aineominaisuudet, massavirta ja lämpötilaero höyrystimen nesteen ulostulon sekä sisään menon välillä. Kompressorin teho on määritetty valitun kylmäaineen (R407C) lg p-h piirroksesta tai määritetty teoreettisesti kompressorivalmistajien omista valintaohjelmista. Lauhduttimen teho on määritelty höyrystimen sekä kompressorin tehon summasta. Samalla määräytyy myös uudisrakennuksen lämmitystehontarve. Lopuksi työssä on käsitelty maalämpöpumppujärjestelmän kehitysmahdollisuuksia. Vaihtoehtoina on huomioitu tulistin, alijäähdytin ja varaaja, joilla voidaan huomattavasti parantaa maalämpöpumpun lämpökerrointa.

Prediction of heat transfer on kraft recovery boiler

Työssä tutkittiin Andritz-Ahlstrom toimittamien soodakattiloiden lämmönsiirtoa ANITA 2.20- suunnitteluohjelmalla feedback- laskentaa apuna käyttäen. Data laskentaan saatiin kattiloiden takuukokeissa mitatuista arvoista. Mittaukset on suoritettiin Andritz-Ahlstromin henkilökunnan toimesta tehdashenkilökunnan avustuksella. Feedback -laskenta tapahtui mittaustulosten perusteella, joten tiettyä virhettä luonnollisesti esiintyi. Aluksi laskettiin taseet molempien ekojen yli erikseen sekä molemmat yhdessä Excel-taulukkolaskentaohjelmalla. Täältä saatiin oletettu savukaasuvirtaus kattilassa. Tämän jälkeen lämpöpintoja muokattiin todellisuutta vastaaviksi yleislikaisuuskerrointa muuttamalla (overall fouling factor). Kertoimet ovat liikkuivat noin 0.4 ja 1.6 välillä riipuen kattilan tyypistä ja ANITAn oletuksesta lämpöpintojen likaisuudelle. Havaittin että yhtä varsinaista syytä lämpöpintojen eroavaisuuteen oletetusta ei saatu. Syitä toiminnan poikkeamiseen oli monia. Mm. etukammion koolla havaittiin olevan suurtakin vaikutusta tulistimien, etenkin savukaasuvirrassa ensimmäisen tulistimen toimintaan. Yleisesti todettiin muiden tulistimien vastaavan oletettua toimintaa. Keittopinnan ja ekonomiserien toimintaa tutkittiin hivenen suppeammin ja havaittiin niiden toimivan huomattavasti stabiilimmin kuin tulistimien. Likaisuus kertoimet oletetusta vaihtelivat noin ±20 %.