Modellen består av olika ”nivåer” i Simulink, det är en så kallad objektorienterad programvarumiljö som visar en blockschemamodell, en variant av en komponentmodell. Ett blockschema finns olika block som binds ihop av olika signaler och där blocken är uppdelade efter logiska och/eller fysikaliska egenskaper. I Simulinks programmiljö är det naturligt att bygga upp modellen så att varje block innehåller block, så kallad subsystem. Modellen får en hierarkisk uppdelning, denna hierarki visas i Figur 12. I den högsta nivån, kallad ”Bed.mdl” i Figur 12, finns:
• Systemets in- och utsignaler.
• Summering av utvecklad effekt i varje cell för att total utvecklad effekt ska erhållas. • Summering av torr och fuktig massa för varje cell och varje enskilt tillfälle.
24
• Reglering av vissa signaler, denna del består av regulatorer som styr vissa signaler för att modellens referensnivåer ska ha korrekta värden.
I nästa nivå av modellen, kallad ”The System” i Figur 12, bearbetas alla insignaler (bland annat lågpassfiltrering av styrsignalerna från regulatorerna) och delas upp till de olika cellerna. Den lägsta nivån är cellnivån där de viktigaste uträkningarna utförs.
Cellnivån är uppdelad på tolv system, dessutom påverkar cellerna varandra på olika sätt, till exempel är både torr och fuktig massa (Min, T och Min, F) in i cellen samma sak som torr och fuktig massa ut (Mut, T och Mut, F) från cellen innan.
Det finns några lågpassfilter i modellen, de är med som tidsfördröjningar för regulatorernas utsignaler. Detta för att dels undvika numeriska fel som kan uppstå om en insignal som förändrats efter regulatorn också ska komma in i regulatorn i samma tidssteg och dels för att rent intuitivt är regleringsförändringarna i en panna långsamma. Lågpassfiltren har följande utseende:
där T är Tidskonstanten som har anpassats för de olika utsignalerna.
De allra flesta inparametrarna till modellen går att manuellt ändra via användargränssnittet och de skickas därför till simuleringen via en Matlabfil. Vissa andra inparametrar, som hur stor del av massinmatningen primärluften står för i simuleringen med endast luft mot effekt, kommer från en annan Matlabfil, samma fil som simuleringen startas i. Resultaten skickas från simuleringen till Matlabs ”workspace”.
4.2 Gränssnittet
Simulatorn styrs från det grafiska användargränssnittet som är programmerat med hjälp av GUIDE, MATLABs hjälpprogram för att skapa användargränssnitt. I gränssnittet kan de flesta konstanterna, simulerings- och inparametrarna ändras. Resultatet från varje simulering, förutom att den plottas, sparas i en datastruktur av typen (*.mat) som användaren kan ladda in i MATLABs ”workspace” för att studera närmare och till exempel själv välja vilka resultat som ska plottas.9
De förändringar som känns mest intuitiva att göra är att ändra referensvärdena på regulatorerna, alltså ändra pannas inställningar. Det är också enbart dessa värden som det är möjligt att ändra under simuleringens gång. Detta är möjligt både via steg- eller impulsfunktionen, som är en fyrkantsvåg. När ett steg väljs får användare bestämma vilken parameter som ska ändras och när. För fyrkantsvågen fungerar referenssignalen på samma sätt som stegfunktionen med skillnaden att den återgår till ursprungsvärdet vid given tidpunkt.
Gränssnittet till simulatorn återfinns i Figur 14 nedan.
9 Detta görs genom att på kommando raden skriva ”load(’namnet på resultatet’)”, namnet på resultatdata visas på skärmen. MATLAB återanvänder samma namn nästa gång en simulering görs så om användaren vill spara sina data måste den aktuella filen döpas om. 1 1 ) ( + = sT s H
25
26
5 Resultat
De resultat som framställs i detta avsnitt är i form av grafer. Då denna modell är generell i sin utformning och ingen exakt modell av någon specifik panna så saknas verkliga mätdata.
För de tre olika sätten som reglering på signaler kan ske i denna modell, som kallas 1Reg, 2Reg och 3Reg, se avsnitt 3.6, redovisas nedan resultatet ett antal utförda simuleringar.
• För 1Reg simuleras ett steg i önskad uteffekt.
• För 2Reg simuleras dels ett steg i önskad uteffekt och dels ett steg i bäddhöjd i början av bädden
• För 3Reg simuleras driftstörningar i form av stopp i primärluftflöde i en zon och stopp i bäddens rörelser i en zon. Dessutom simuleras, precis som för de andra stegen i pannans last, steg i börvärdet för bäddhöjden tidigt i bädden men även steg i flamfrontens läge. Dessutom simuleras vad som händer då bränslesammansättningen förändras under drift. De simuleringar som har gjorts har valts utifrån normala driftförändringar av en panna av denna typ. De steg som har lagts in har varit stora för att testa modellens robusthet.
5.1 Simuleringsdata
De parametrar som används i simuleringarna kan ändras från användargränssnittet. De parametrar som har använts i alla simuleringar nedan beskrivs nu i punktform.
• Bädden har längden 9 m och bredden 3 m. Bädden delas in i 4 zoner där varje zon är 3 m bred och 3 m lång.
• Luftflödet och bäddhastigheten kan fördelas som användaren vill över zonerna, den inställning som har använts nedan är 25 % av luftflödet och bäddhastigheten per zon. • Som initialt luftflöde (luftflödet styrs för att reglera bland annat effekt) har 10,1 kg/s
valts.
• Bäddhastigheten kan också styras men som initial hastighet har 0,1658 m/s använts i alla simuleringar nedan.
• Som bränsle har biobränsle i form av grenar och toppar10 modellerats med fukthalten 40 % och en torrdensitet på 600 kg/m3. Som initial massinmatning (kan styras) har 90 kg använts.
För de olika regleringsfallen kan endast P-regulatorn ställas in från användargränssnittet. För respektive fall har följande värde på P-regulatorn använts:
• 1Reg
o Endast reglering på massinmatning och luftflöde mot effekt med P-regulator på 0,3
• 2Reg
o P-regulatorn för massinmatning mot bäddhöjd har värde 0,886 o P-regulatorn för luftflöde mot effekt har värde 0,016
27 • 3Reg
o P-regulatorn för massinmatning mot bäddhöjd har värde 0,8 o P-regulatorn för luftflöde mot effekt har värde 0,02
o P-regulatorn för bäddhastighet mot flamfront har värde 0,4
Varje simulering har startat med följande börvärden: • Tidig bäddhöjd: 1 m.
• Bäddhöjd i slutet av pannan: 0,05 m, detta svarar mot en bäddhöjd på 5 cm i början av zon 4 i pannan och här blir också flamfronten.
• En utvecklad effekt i bädden på 10 MW.
och för de olika simuleringarna har dessa signaler ändrats.
Alla 3D-grafer som presenteras i detta avsnitt är uppbyggda så att bäddhöjden visas uppåt (i z - led), tiden visas snett inåt åt vänster i bild (i y - led) och bäddens olika celler visas snett inåt åt höger i bild (i x - led), cell 1 är längst in och det är alltså där som massan matas in i pannan. Cell 12 är längst ut i bädden och den ev. massa som är kvar efter denna cell blir till aska. Färgen på kurvan visar också höjden på bädden, mörkröd betyder väldigt hög bädd och mörkblå betyder väldigt låg. Bäddhöjden studeras i både tiden och rummet i samma graf, se Figur 15 och den av bädden avgivna värmeeffekten visas i en enskild graf för varje körning.
Figur 15, en simulering på bädden utan störningar. Linjerna i figuren visar tidpunkterna 4000 och 8000 respektive cell nr 7.
28