Een temperatuur regelen die pas achttien uur later meetbaar is

Achttien uur tussen ingreep en meting

Op Kooksfabriek 1 in IJmuiden worden kolen omgezet in kooks voor de hoogovens. De Kooks Eind Temperatuur moet boven een minimum blijven, anders lijdt de kwaliteit van de kooks eronder. Elke graad boven dat minimum kost gas, dus de warmtetoevoer moet zo krap mogelijk zitten.

De KET is geen online meetbare regelgrootheid. De kooks blijft het hele proces in de oven en de temperatuur is pas te meten als de lading er na ongeveer achttien uur uit komt: een meting per ovencyclus, aan het eind.

Daarom bepaalt de spreiding het setpoint, en niet andersom. Het setpoint wordt gezet op het minimum plus tweemaal de standaarddeviatie, zodat de kans dat een lading onder de grens duikt klein blijft. Hoe onrustiger het proces, hoe hoger het setpoint moet staan en hoe meer gas erin gaat. De vraag was dus niet hoe je de KET scherper regelt, maar hoe je de spreiding omlaag krijgt.

Sturen op wat wel continu gemeten wordt

De modellen zijn semi-fysisch en regelaar-georiënteerd, gefit op data uit identificatie-experimenten: genoeg natuurkunde om te begrijpen wat er gebeurt, genoeg data-fit om er een regelaar op te kunnen ontwerpen.

Wat daaruit volgde is een master-slave-structuur. De KET-lus geeft een wenswaarde af aan de regeneratortemperatuur, en die wordt wél continu gemeten, door thermokoppels in de top van de regenerator. De trage, achttien uur vertraagde grootheid zit zo niet meer in de snelle regelkring.

Daaronder is de ingreep zelf veranderd. De oude regeling stuurde met de pauzetijd; de nieuwe stuurt op energie-input. Dat scheelt dode tijd op de regeneratortemperatuur, 0,95 uur tegen 1,45 uur, en die winst is precies wat de KET-lus toelaat om een grotere bandbreedte te krijgen en verstoringen sneller weg te regelen.

De grootste verstoring is de verblijftijd, want de ovens worden niet elke cyclus in hetzelfde ritme geleegd. Die verblijftijd is wél te meten, en dus is er een feedforward op gezet: zodra een lading langer in de oven blijft dan bedoeld, gaat de wenswaarde van de regeneratortemperatuur alvast omlaag, voordat de KET erop reageert. Daarnaast bouwt een filter de verblijftijd langzaam genoeg af dat de KET er niet onderdoor zakt.

Om op gasdruk te kunnen sturen is er ook een zuurstofregeling bijgekomen, die de schoorsteentrek aanstuurt op het gemeten zuurstofpercentage in het rookgas, met een feedforward zodat een verandering in gasdruk het zuurstofpercentage niet meesleept.

Tot slot is de setpointregel zelf herschreven. De bijdrage van de verblijftijdsverstoring zit er nu als aparte term in, in plaats van verstopt in één spreidingsgetal. Daardoor hoeft het setpoint niet permanent hoog te staan voor een verstoring die er op dat moment niet is.

Van 13,6 naar 8,3 graden spreiding

Doorgerekend op historische data van 2015 en 2016, tegenover de bestaande regeling:

• De standaarddeviatie op de kooks-eindtemperatuur gaat van 13,6 naar 8,3 graden, een reductie van veertig procent.
• Daardoor kan het gemiddelde omlaag: het rapport rekent op 6 graden in normaal bedrijf, en 9 graden wanneer ook eisen aan de verblijftijd gesteld mogen worden.
• De gemiddelde pauzetijd gaat van 70 naar 0 seconden.
• Het zuurstofpercentage kan van 2,8 naar 1,2 procent, met een standaarddeviatie van 0,6 naar 0,1. Beide leveren extra energiewinst op.

In bedrijf is het setpoint uiteindelijk 5,6 graden gezakt zonder ooit onder het vereiste minimum te komen. Dat leverde direct 1,7 procent lager gasverbruik op; in latere evaluaties bleek 2,6 procent haalbaar.

Spreiding verlagen levert pas op als het setpoint meegaat

Waar de meting achttien uur achterloopt op de ingreep, is een snellere regelaar op die meting geen antwoord. Het antwoord is een grootheid vinden die de vertraagde meting bepaalt en die je wél nu kunt zien, en de regeling daarop bouwen. Hier was dat de regeneratortemperatuur, met de verblijftijd als meetbare verstoring ernaast.

En het rekensommetje eronder geldt breder. Variantie verlagen levert op zichzelf niets op; het levert pas op als je de gewonnen ruimte gebruikt om het setpoint richting de grens te schuiven. Wie de spreiding halveert maar het setpoint laat staan, heeft een mooiere grafiek en dezelfde rekening.