Drukbeheersing kooksovens KGF2

Drukstoten uit het vulproces

Kooks- en Gasfabriek 2 in IJmuiden maakt van steenkool de kooks voor de hoogovens. Vier batterijen van 27 ovens, elke oven 31 ton steenkool per batch, en per batch ongeveer 22 uur droge destillatie zonder toevoeging van zuurstof. Daarbij komt kooksgas vrij, bij KGF2 zo’n 35.000 tot 45.000 kubieke meter per uur. Dat gas wordt afgevangen en hergebruikt als energiebron elders op het terrein, maar het mag niet in de buitenlucht eindigen: zowel de geurbelasting als de milieu-eisen laten dat niet toe.

Om te voorkomen dat er gas ontsnapt moet de druk in de ovens ten opzichte van de omgeving op een vaste, extreem lage waarde van 1,3 millibar blijven. Elke piek boven die waarde geeft kans op een emissie, elke dip eronder zuigt lucht naar binnen. Dat is in de praktijk lastiger dan het klinkt. De druk onderin een oven is iets hoger dan bovenin, en de ovens hangen aan één centrale afzuigleiding, dus ze beïnvloeden elkaar.

DotX werkt sinds 2010 aan dit probleem. Tata Steel heeft in de tussentijd het hele besturingssysteem van KGF2 in eigen beheer hardwarematig vernieuwd, en haalde DotX daarna opnieuw erbij voor de regeling op die nieuwe hardware.

Identificatie op de vlinderklep

De eerste stap was meten wat een klepstand werkelijk doet. De vlinderklep in de afzuigleiding is softwarematig kortstondig verstoord, ongeveer tien seconden per keer, met stappen die klein genoeg waren om de productie niet te raken. Uit die data is een simulatiemodel geïdentificeerd: een digital twin waarin het afzuigproces van de kooksovens is na te spelen, en waarmee te toetsen is of een PID-regeling goed staat of dat een geavanceerdere methode meer oplevert.

Analyse op dat model wees twee dingen aan.

Ten eerste is de belangrijkste verstoring repetitief. Het vullen van een oven geeft elke cyclus opnieuw vrijwel dezelfde drukstoot. Een reactieve regelaar kan daar per definitie pas op reageren als de piek er al is. Zelflerende feedforward via Iterative Learning Control kan dat wel: de afzuiger begint met extra afzuigen voordat de piek optreedt, en leert per cyclus bij.

Ten tweede bleek de afzuiging sterk gekoppeld tussen de ovens, via die ene centrale leiding. Ontkoppelen was daarom essentieel om de drukvariaties echt omlaag te krijgen, niet om ze alleen te verplaatsen.

Twee eigen DotX-pakketten dragen het werk. De PID Tuner leest de experimentele data in en identificeert daaruit het model. De PID Monitor verwerkt de informatie van zo’n vijftig I/O’s elke seconde en zet die om in een groen of rood stoplicht per indicator, in de cloud en dus ook op een telefoon. Staat een stoplicht op rood, dan is er een actie voor de mensen op locatie: een setpoint verzetten, de regeling anders tunen, of een onderdeel vervangen.

Twee ingrepen, dertien jaar uit elkaar

De eerste analyse is van 2010. Toen is de PID-regeling geoptimaliseerd, is zelflerende feedforward toegevoegd aan vier van de vijf drukregelaars, en is play-compensatie ingebouwd op een van de besturingsuitgangen. Die laatste vangt de speling op tussen de gevraagde en de werkelijke klepstand, wat op een klep van dit formaat geen detail is. Samen bracht dat de drukvariaties met vijftig procent omlaag.

In 2020 vroeg Tata om advies over verdere reductie. Daaruit kwamen twee sporen. Het eerste, realtime monitoring van alle drukregelingen, is in 2021 gebouwd in Azure. Die omgeving laat alleen data zien en heeft geen toegang tot enige Tata-computer of PLC. Wie geautoriseerd is kan op elk moment en overal de status van de regellussen en de in- en uitgangen van de PID’s bekijken. Loopt een lus vast, dan gaat er een e-mail naar een groep mensen, DotX inbegrepen, met uitleg en een verzoek om actie. Dat komt bovenop de gewone alarmen in de bedieningsruimte, die soms over het hoofd worden gezien.

Elke maand stelt DotX een rapport op met prestatie-indicatoren en bespreekt dat met Tata: standaardafwijkingen van proceswaarde ten opzichte van setpoint, frequentiespectrumanalyse om slecht gedempte oscillaties op te sporen, schattingen van de speling per actuator, en hoe effectief de regeling is tijdens het laden, want daar zitten de hoogste drukpieken.

Het tweede spoor was de modelstudie, uitgevoerd in 2020, met gain scheduling en aanpassingen aan de feedforward als aanbeveling.

Elke wijziging is wetenschappelijk geëvalueerd in plaats van op gevoel beoordeeld: er is regelmatig heen en weer geschakeld tussen de nieuwe en de oude situatie, minstens vijfduizend keer, zodat het effect op alle regelingen nauwkeurig uit te rekenen valt. Een maatregel die veelbelovend lijkt wordt daarna nog langere tijd gevolgd om te zien of hij gezond blijft.

Drukspreiding minimaal gehalveerd

• Drukspreiding in de gasverzamelleidingen met minimaal vijftig procent gereduceerd. Eind 2022 stond de teller al op ongeveer de helft, daarna zijn er verdere stappen gezet.
• Kleinere kans op ongewenste emissies en op geurbelasting, omdat minder drukvariatie direct minder risico op ontsnappend gas betekent.
• De geplande investering in nieuwe hardware bleek niet meer nodig.
• Volledig inzicht in het proces voor de operators, met onderhoud dat gerichter kan omdat het datagedreven model laat zien waar het werkelijk knelt.

Elke piek boven de gewenste druk in de gasverzamelleiding kan een risico op een emissie geven en elke piek onder het minimum zorgt voor kans op inzuiging van lucht. Door met hulp van DotX dit proces beter te beheersen, hadden we eind 2022 circa 50% van de drukspreiding gereduceerd. Het is lastig om dit in geurklachten of emissies uit te drukken, maar we kunnen wel zeggen dat we met de optimalisatie van het huidige systeem een aanzienlijke verbetering hebben gerealiseerd op weg naar minder emissie en geurbelasting, en dat het uit te voeren onderhoud effectiever is door het datagedreven model.

Elmer van Ewijk, Manager Kwaliteit, Technologie en Ontwikkeling bij Tata Steel

Willekeurige of herhalende verstoring

Aan de regelaarkeuze gaat een vraag vooraf: is de verstoring willekeurig of herhaalt hij zich? Zodra het antwoord “hij herhaalt zich” is, is een reactieve regelaar de verkeerde bak gereedschap, hoe goed hij ook getuned is. Dan hoort de correctie vooruit te lopen op de verstoring in plaats van erachteraan.

Dezelfde volgorde geldt breder. Meet eerst wat de actuator werkelijk doet, met experimenten die klein genoeg zijn om tijdens productie te draaien. Bouw daarop een model. Kijk in dat model of de bestaande regeling het probleem überhaupt kán oplossen. Pas dan kies je de methode. En omdat een geoptimaliseerde installatie wegdrijft zodra niemand kijkt, hoort er bewaking op te volgen die zegt wanneer het weer misgaat.

Het vullen van een kooksoven is op schemaniveau dezelfde verstoring als het aanslaan van een pomp op een SO2-scrubber: bekend, herhaald, en daarmee vooraf te compenseren. De fysica verschilt, de redenering niet.