Metsäteollisuuden prosessien suunnittelu simulointiympäristössä

Prosessisimulointiohjelmistojen käyttö on yleistynyt paperiteollisuuden prosessien kartoituksessa ja kyseiset ohjelmistot ovat jo pitkään olleet myös Pöyry Engineering Oy:n työkaluja prosessisuunnittelussa. Tämän työn tavoitteeksi määritettiin prosessisimulointiohjelmistojen käytön selvittäminen suomalaisissa paperitehtaissa sekä prosessisimuloinnin tulevaisuuden näkymien arviointi metsäteollisuuden suunnittelupalveluissa liiketoiminnan kehittämiseksi. Työn teoriaosassa selvitetään mm. seuraavia asioita: mitä prosessisimulointi on, miksi simuloidaan ja mitkä ovat simuloinnin hyödyt ja haasteet. Teoriaosassa esitellään yleisimmät käytössä olevat prosessisimulointiohjelmistot, simulointiprosessin eteneminen sekä prosessisimuloinnin tuotteistamisen vaatimuksia. Työn kokeellisessa osassa selvitettiin kyselyn avulla prosessisimulointiohjelmistojen käyttöä Suomen paperitehtaissa. Kysely lähetettiin kaikille Suomen tärkeimmille paperitehtaille. Kyselyn avulla selvitettiin mm, mitä ohjelmia käytetään, mitä on simuloitu, mitä pitää vielä simuloida ja kuinka tarpeellisena prosessisimulointia pidetään. Työntulokset osoittavat, että kaikilla kyselyyn vastanneilla suomalaisilla paperitehtailla on käytetty prosessisimulointia. Suurin osa simuloinneista on tehty konelinjoihin sekä massa- ja vesijärjestelmiin. Tulevaisuuden tärkeimpänä kohteena pidetään energiavirtojen simulointia. Simulointimallien pitkäjänteisessä hyödyntämisessä ja ylläpidossa on kehitettävää, jossa simulointipalvelujen hankkiminen palveluna on tehtaille todennäköisin vaihtoehto. Johtopäätöksenä on se, että tehtailla on tarvetta prosessisimuloinnille. Ilmapiiri on kyselytuloksien mukaan suotuisa ja simulointi nähdään tarpeellisena työkaluna. Prosessisimuloinnin markkinointia, erillispalvelutuotteen lisäksi, kannattaisi kehittää siten, että simulointimallin ylläpito jatkuisi projektin jälkeen lähipalveluna. Markkinointi pitäisi tehdä jo projektin alkuvaiheessa tai projektin aikana. Simulointiohjelmien kirjosta suunnittelutoimiston kannattaa valita simulointiohjelmistoja, jotka sopivat sille parhaiten. Erityistapauksissa muiden ohjelmien hankintaa kannattaa harkita asiakkaan toivomusten mukaisesti.

SC HIOMON JA PAPERIKONEEN LÄMPÖTASAPAINON HALLINTA

Kivihiokkeen valmistus on energiaintensiivistä. Käytetystä energiasta muuttuu yli 90 prosenttia lämmöksi. Hiomolla käytetystä lämmöksi muuttuneesta tehosta voidaan paperikoneelle siirtää noin puolet. Mekaanisen massan valmistuksen ja paperikoneen vesikierrot erotetaan toisistaan häiriöaineiden kulkeutumisen estämiseksi. Vesikiertojen erottamisella katkaistaan myös lämmön siirtyminen hiomolta paperikoneelle massojen mukana. Käyttämällä lämmönsiirtimiä hiomon vesien jäähdytyksessä, voidaan hiomon hiomakoneiden suihkuvesivesilämpötilaa alentaa. Lämmönsiirto vaikuttaa paperikoneella annostelumassojen laimennusten kautta perälaatikkolämpötilaa kohottavasti. Työn tehtäväksi määritettiin kesäkuukausina esiintyvä hiomakoneiden suihkuveden raakavesijäähdytyksen tarpeen poistaminen ensisijaisesti niin, että ylimäärälämpö hyödynnetään tehtaalla. Työn muiksi tavoitteiksi muodostui annostelumassojen lämpötilan hallinta, etenkin muutokset, joilla voidaan nostaa hylkymassan annostelulämpötilaa. Työn kokeellinen osa tehtiin UPM Kymmene Oyj Kajaanin tehtailla syksyn 2004 aikana. Työssä tutkittiin WinGEMS simulointiohjelmalla tehtyjen mallien avulla lämmön siirtymistä hiomon ja paperikone 2:n välillä, sekä lämmönsiirtoa pois tasealueelta. Simulointimalli nykytilanteesta rakennettiin yksityiskohtaisesti nykyisen tuotantoprosessin kaltaiseksi ja siitä muokattiin eri vaihtoehtoja, joilla ratkaistiin tutkimukselle asetetut tehtävät. Kytkentämuutoksilla pystyttiin siirtämään hiomolta yli 85 % hiomakoneiden suihkuveden ylimäärälämmöstä ilman uusia laitehankintoja. Asentamalla lopuksi lämmönsiirrin hiomon puhdassuodoslinjaan, hiomakoneiden suihkuveden jäähdytystarve poistettiin kokonaan. Samalla alennettiin valkaisuun menevän massan lämpötilaa, jolloin peroksidivalkaisun kemikaalikulutus väheni yli 10 %. Lämmönsiirrinverkostosta tehtiin kesätilanteen pinch-analyysi, jolla selvitettiin prosessin lämmitys ja jäähdytystarpeet. Analyysin perusteella selvisi, että kytkennöissä ei rikota pinch sääntöjä ja, että prosessissa esiintyy kynnysongelma, jossa prosessi tarvitsee ainoastaan jäähdytystä.

Putkilinjan suunnittelu integroidussa simulointiympäristössä

Työn tavoitteena oli määritellä kirjallisuustutkimuksen ja suunnitteluesimerkin avulla vaatimuksia integroidulle simulointiympäristölle, joka sisältää simulointiohjelmien lisäksi prosessilaitteiden mitoitusohjelmia ja prosessilaite- ja mallitietokannan. Lisäksi pohdittiin simulointiympäristön tuomia etuja prosessissuunnitteluun. Esimerkkinä käytettiin yksinkertaista putkilinjaa. Ensin selvitettiin prosessisuunnittelun kulkua, menetelmiä, apuvälineitä ja ajankohtaisia teemoja kirjallisuuden perusteella. Prosessisuunnittelun menetelmistä keskityttiin yksityiskohtaisemmin prosessisimulointiin. Lisäksi etsittiin kirjallisuudesta esimerkkejä integroiduista suunnitteluympäristöistä. Kirjallisuusselvityksen perusteella määriteltiin yleisiä vaatimuksia integroidulle simulointiympäristölle. Seuraavaksi suunniteltiin esimerkkinä käytetty putkilinja ja kuvattiin suunnittelun eteneminen. Suunnitteluesimerkin avulla pyrittiin tunnistamaan suunnitteluprosessista ne kohdat, joissa integroitu simulointiympäristö helpottaisi työskentelyä sekä pohtimaan yksityiskohtaisemmin integroidun simulointiympäristön toimintoja. Lopuksi kuvattiin putkilinjan suunnittelun eteneminen integroidussa simulointiympäristössä ja pohdittiin sen etuja verrattuna perinteiseen putkilinjan suunnitteluun. Tutkimuksen perusteella integroitu simulointiympäristö tehostaa prosessisuunnittelua siten, että simulointimallien määrittelyissä tarvittavat laitetiedot ovat saatavissa helposti ja nopeasti ohjelmien ymmärtämässä muodossa. Simulointiympäristössä tieto eri sovellusten välillä siirtyy osittain automaattisesti, minkä takia ohjelmiin ei erikseen tarvitse syöttää samoja tietoja. Lisäksi integroitu simulointiympäristö tukee rinnakkaista suunnittelua ja automaatio- ja prosessisuunnittelun integrointia.Jatkotutkimusehdotuksena on lisäselvitykset siitä, miten simulointiympäristö sijoittuisi yrityksissä jo olemassa oleviin suunnittelujärjestelmiin, etenkin tiedonhallintajärjestelmiin nähden. Muina jatkotutkimusehdotuksina on integroidun simulointiympäristön tarkasteleminen automaatiosuunnittelijan kannalta sekä vaatimusmäärittelyjen tarkentaminen. Työssä ei juuri ole kiinnitetty huomiota siihen, kuinka helposti ehdotetut simulointiympäristön toiminnot ja vaatimukset ovat toteutettavissa teknisesti tai ylipäätään ovatko toteutettavissa, joten tämäkin vaatinee jatkotutkimuksia.

USER'S GUIDE FOR ADVANCED PROCESS SIMULATION SOFTWARE APROS 5

Tässä diplomityössä tehtiin käyttäjän opas kehittyneelle prosessisimulointiohjelmistolle APROS 5. Opas on osa VTT Energialle tehtävää APROS 5 käyttäjän koulutuspakettia, joka julkaistaan myöhemmin CD-ROM -muotoisena. Prosessisimulointiohjelmistoa AAPROS 5 voidaan käyttää termohydraulisten prosessien, automaatiopiirien ja sähköjärjestelmien mallinnuksessa. Ohjelma sisältää myös neutroniikkamallin ydinreaktorin käyttäytymisen mallintamiseksi. APROS:in aikaisemmilla UNIX-ympäristössä toimivilla versioilla on toteutettu useita ydinvoimalaitosten turvallisuustutkimukseen liittyviä analyysejä ja sekä ydinvoimalaitosten että konventionaalisten voimalaitosten koulutussimulaattoreita. APROS 5 toimii Windows NT -ympäristössä ja on oleellisesti erilainen käyttää kuin aikaisemmat versiot. Tämän myötä syntyi tarve uudelle käyttäjän oppaalle. Käyttäjän oppaassa esitetään APROS 5:n tärkeimmät toiminnot, mallinnuksen periaatteet ja termohydraulisten ja neutroniikan ratkaisumallit. Lisäksi oppaassa esitetään esimerkki, jossa mallinnetaan yksinkertaistettu VVER-440 -tyyppisen ydinvoimalaitoksen primääripiiri. Yksityiskohtaisempaa tietoa ohjelmistosta on saatavilla APROS 5 -dokumentaatiosta.

Höyry- ja kaasuturbiinin mallintaminen prosessisimulointiohjelmaan

Tässä diplomityössä on mallinnettu höyry- ja kaasuturbiini Balas -prosessisimulointi-ohjelmaan. Balas on Valtion Teknillisen Tutkimuskeskuksen kehittämä simulointiohjelma, erityisesti paperi- ja selluteollisuuden prosessien staattiseen simulointiin. Työn tavoitteena on kehittää simulointimallit höyry- ja kaasuturbiinille, sekä tutkia niiden toimivuutta vertaamalla simulointeja mittaus- ja mitoitustietoihin. Työssä on muodostettu matemaattiset mallit höyryturbiinille, höyryturbiinin säätövyöhykkeelle sekä höyryturbiinin off-design laskennalle. Kaasuturbiinille muodostettiin toimintakäyrät, joiden avulla tarkastellaan sen toimintaa off-design tilanteessa. Komponentit mallinnettiin diplomityövaiheessa Matlab-ympäristöön, josta ne siirretään Balasiin erillisessä työvaiheessa. Malleissa on kiinnitetty huomiota erityisesti niiden helppokäyttöisyyteen ja monipuolisuuteen. Höyryturbiinimalleja testattiin simuloimalla erään paperitehtaan yhteydessä toimivan voimalaitoksen vastapaineturbiini säätövyöhykkeineen ja vertaamalla simulointituloksia tehtaan mittaustietoihin. Kaasuturbiinimallia testattiin vertaamalla GE Power MS 7001 kaasuturbiinin mitoitustietoja vastaavilla parametreilla simuloituun tapaukseen.

Assessing the Environmental Value of Water Treatment Solutions in the Mining Industry

Environmental accountability has become a major source of competitive advantage for industrial companies, because customers consider it as relevant buying criterion. However, in order to leverage their environmental responsibility, industrial suppliers have to be able to demonstrate the environmental value of their products and services, which is also the aim of Kemira, a global water chemistry company considered in this study. The aim of this thesis is to develop a tool which Kemira can use to assess the environmental value of their solutions for the customer companies in mining industry. This study answers to questions on what kinds of methods to assess environmental impacts exist, and what kind of tool could be used to assess the environmental value of Kemira’s water treatment solutions. The environmental impacts of mining activities vary greatly between different mines. Generally the major impacts include the water related issues and wastes. Energy consumption is also a significant environmental aspect. Water related issues include water consumption and impacts in water quality. There are several methods to assess environmental impacts, for example life cycle assessment, eco-efficiency tools, footprint calculations and process simulation. In addition the corresponding financial value may be estimated utilizing monetary assessment methods. Some of the industrial companies considered in the analysis of industry best practices use environmental and sustainability assessments. Based on the theoretical research and conducted interviews, an Excel based tool utilizing reference data on previous customer cases and customer specific test results was considered to be most suitable to assess the environmental value of Kemira’s solutions. The tool can be used to demonstrate the functionality of Kemira’s solutions in customers’ processes, their impacts in other process parameters and their environmental and financial aspects. In the future, the tool may be applied to fit also Kemira’s other segments, not only mining industry.