OEHLANDT ENERGY OY

Höyryn tasaussäätö

Mikä on höyryn tasaussäätö?

Höyryn tasaussäätö on säätörakenne, joka hoitaa höyryn tuotannon ja kulutuksen välisen eron. Säätö nitoo yhteen kattilan, turbiinin, reduktiot sekä apukomponentit ja kuluttajat.

Mitä säätöön osallistuvia komponentteja voi kuulua höyryntasaussäätöön?

  • Kattiloiden polttoainesäädöt
  • Pakokaasukattilan lisäpoltto
  • Turbiinien paine- ja tehonsäädöt
  • Reduktioasemien säädöt
  • Höyryakkujen säädöt
  • Ulospuhallusten säädöt
  • Apulauhduttimien säädöt

Miksi tarvitaan höyryn tasaussäätö?

Tuotannon muutosnopeudet ovat hitaampia kuin kulutusmuutokset.

Miksi tarvitaan uudenaikainen tasaussäätö?

  • Tehtaan vaatimukset höyrynlaadulle ovat kasvaneet. Esimerkiksi paperikoneiden nopeudet ovat nousseet ja höyryn laatuvaatimukset ovat kasvaneet.
  • Energian hinnan nousu ei salli entistä energiantuhlausta.
  • Laitoksen käyttövarmuusvaatimukset ovat suurentuneet. Sallitaan vähemmän ei-toivottuja seisokkeja.

Ennen tasaussäätöjen teko yksittäissäätimillä oli työlästä toteuttaa. Asiantuntijat pystyvät nykyaikaisilla automaatiojärjestelmillä helposti toteuttamaan optimaalisen tasaussäätökonseptin.

Vanhanaikainen tasaussäätö.

Vanhanaikainen tasaussäätö hoidetaan usein vain muutamalla säätökomponentilla "tuhlaamalla" energiaa. Säätöjärjestelmä koostuu yksittäisistä säädöistä, joita ei ole nivottu yhteen järjestelmäksi. Yleensä säädöillä on vielä erilliset painemittaukset. Säätö tapahtuu tuottamalla ylimääräistä energiaa, joka ajetaan pahimmassa tapauksessa ulospuhalluksen kautta taivaalle tai ajetaan apulauhduttimeen. Ylimääräinen höyry voidaan myös ajaa höyryturbiinin lauhdeperään. Tämä ei ole kannattavaa, mikäli energia on tuotettu kalliilla polttoaineella kuten esim. öljyllä. Vanhanaikaisen tasaussäädön haitta on suuri energiankulutus ja verkon suuret höyrynpainevaihtelut, jotka heijastuvat häiritsevästi koko laitoksen tuotantoon.

Uudenaikainen tasaussäätö.

Uudenaikainen tasaussäätö koostuu reseptin kautta yhteen nivotuista säädöistä. Resepteissä asetellaan tai valitaan eri ajotilanteen vaatima resepti. Nykyaikaisessa tasaussäädössä eri ajotilanteeseen voidaan siirtyä liukuvasti ilman operaattorin operointeja. Esimerkiksi paperikoneen paperin ratakatkon yhteydessä turbiini saattaa siirtyä automaattisesti vastapainesäädöstä etupainesäätöön. Nykyaikainen tasaussäätö pyritään rakentamaan energiataloudellisesti optimaaliseksi kalliin polttoaineen säästämiseksi. Optimaalisten säätöjen takia myös höyrynpainevaihtelut jäävät pienemmäksi. Tämä mahdollistaa mm. vastapaineverkon paineen laskemisen, jolloin turbiinin sähköntuotanto kasvaa.

Muutamia tyypillisiä ongelmia.

Tasaussäätö on tekemättä:

Konsultti määrittelee laitteisto ja järjestelmähankinnat vaatien toimittajia toimittamaan myös säätökonseptin. Ongelmana on, että esim. kattilan toimittaja toimittaa kattilan säädöt ja turbiinin toimittaja turbiinin säädöt. Unohdetaan, että nykyaikaisessa laitoksessa nämä pitää nivoa yhteen taloudellisesti toimivaksi säätökokonaisuudeksi. Tällöin käyttöönotto vaikeutuu ja hidastuu eikä saavuteta laitoksen kannalta hyvää lopputulosta.


Tasaussäätö vajavainen:

Säädön pitää automaattisesti ottaa huomioon prosessin ja laitteiston rajat, joita ei saa tai voi ylittää. Säätökonseptin pitää tällöin automaattisesti ilman merkittäviä häiriöitä siirtyä säätötavasta tai säätökomponentista toiseen. Vajavainen tasaussäätö vaatii operaattorin puuttumisen tilanteeseen, jolloin hänen luottamus järjestelmään katoaa. Tämä johtaa manuaaliseen epätaloudelliseen ajoon.


Mitoitus ja laiteongelmat:

Tarpeet riittävällä tarkkuudella määrittelemättä. (Takuuarvot yksiselitteisesti määriteltävä.)

Liian iso reduktioasema. 2 x 50% reduktioasemat mahdollistavat huomattavasti paremman säätötuloksen. Samoin ajonaikainen huolto helpottuu.

Tarpeisiin nähden on valittu väärän tyyppinen toimilaite.

Liian hidas pika-avaus reduktioasemalla turbiini tripin yhteydessä. Usein reduktio varustetaan erillisellä pika-avaus solenoidilla joka toimii binäärisignaalilla. Tätä ei kumminkaan voi säädöissä käyttää, koska reduktioden pika-avauksen pitää avata ennalta laskettuun asentoon (ei 100%). Tämä laskettu asento on riippuvainen turbiinin kautta menneestä höyrynvitauksesta.

Reduktioaseman jälkeisen höyryputken lämpötilakestävyys valittu väärin. Reduktioasema usein vuotaa, joka aiheuttaa lämpötilan nousun, jota ei voi kumminkaan jäähdyttää, koska höyryn virtausnopeus on liian pieni. Tästä aiheutuu lukitus asemalle estäen näin aseman käytön.

Reduktioaseman ruiskutusvesilinjoihin ei laiteta erillisiä sulkuventtiilejä, jolloin säätöventtiilin kautta yleensä vuotaa jatkuvasti vettä höyryputkistoon.

Tärkeistä venttiileistä ei ole viety asentomittausta automaatiojärjestelmään. Tämä hankaloittaa huomattavasti laitteistosta aiheutuvien häiriöiden ja hitauksien havaitsemista.

Isoihin pneumaattisiin toimilaitteisiin on vedetty liian pienet ilmansyötöt.


Epätaloudelliset ajotavat:

Apulauhduttimen käyttö on jatkuvaa.

Ulospuhalluksen käyttö on jatkuvaa.

Säätö tapahtuu öljyllä tai kaasulla mutta ei biopolttoaineella.

Höyryä ajetaan turbiinin ohi.

Jatkuvia kattila- ja/tai turbiinitrippejä.


Höyryakun epätaloudellinen tai vajavainen käyttö:

Akkua käytetään reduktiona (ohittaa turbiinin => sähköenergian menetys).

Ei dumpata höyryä akkuun kun on ylimääräistä höyryä.

Akun veden pinta ei ole optimaalinen (energia on sitoutunut kylläiseen veteen). Mitoitetaan ja ostetaan akku tarpeiden mukaan, mutta käytetään esim. vain puolta kapasiteettia liian alhaisen veden pinnan vuoksi.

Akun lataus häiritsee muuta prosessia.


Reduktioasemien ohjauslogiikan ongelmat:

Auto/käsi vaihdot eivät ole hyppäyksettömiä.

Säätötavan vaihdossa säätö hyppää tai ajaa heti toiseen suuntaan, joka aiheuttaa värähtelyä.

Split-range tapauksissa ohjelmointi on tehty liian rajalliseksi jolloin se estää reduktioiden optimaalisen käytön. Oikein tehdyssä ohjelmoinnissa kumpaakin venttiiliä voi ajaa vapaasti toisen venttiilin ajotavasta riippumatta.

Venttiilin pika-avaus turbiinin tripin yhteydessä ei toimi ennalta lasketun avauksen mukaisesti, jolloin usein seurauksena on vielä kattilatrippi ja mahdollisesti koko laitoksen alasajo.

Lämpötilasäädöt eivät ole toteutettu kaskadiperiaatteella.


FAT (Factory Acceptance Test) puutteellinen:

FAT testin tekijöillä ei riittävää kokonaisnäkemystä höyryntasauksesta, jonka vuoksi testaus on puutteellinen. Tällöin viallinen ohjelmisto joutuu laitokselle. Tasaussäätöjen piirien yhteennivoutuneisuuden takia ohjelmistokehitystyö ja testaus ovat laitoksella huomattavasti hankalampia kuin FAT ympäristössä.

FAT on liian lyhyt.


Asennusvalvonta puutteellinen:

Lämpötila-anturien sijoitus huono. Lämpötila-anturit kastuvat aiheuttaen näin lämpötilasäätöjen värähtelyn. Tämä kuormittaa putkistoa sekä häiritsee tuotantoa.

Höyryn paine-eroon perustuvan virtausmittauksen impulssiputket eivät ole laskevia.

Höyryn paine-eroon perustuvan virtausmittauksen lauhdeastiat on eristetty.

Paine-eroon perustuvan virtausmittauksen juurto ei ole yksiselitteisesti tehty aina järjestelmässä tai aina lähettimessä.

Lähettimien kalibrointi on virheellinen. Esim. ei ole huomioitu impulssiputken ja mitattavan aineen lämpötilaerosta johtuvaa tiheyseroa. Tämä usein aiheuttaa höyryakussa liian korkean pinnan, jolloin höyryputkistoon joutuu vettä.


Operointikuvat:

Säädöiltä puuttuu keskitetty operointikuva (resepti).

Höyryntasaussäädöille sallittu liian monta moodia (manual, auto, local ja remote). Mikäli käytetään reseptikuvaa, niin local moodi pitää olla estetty.

Hälytykset ja hälytysten estot suunnittelematta ohjelmoitu. Tällöin tärkeät hälytykset hukkuvat turhiin.


Optimointi:

Projektin loppuvaiheessa, kun järjestelmä on saatu toimimaan, unohdetaan että systeemiä ja laitteistoja on kehitetty 2 vuotta ja tyydytään "toimivaan" ratkaisuun. Vasta kun tuotanto on käynnistynyt, on mahdollisuus optimoida järjestelmä tuotannon mukaiseksi ja saada säädöistä näin paras mahdollinen hyöty.