Virtaavien aineiden asettamat suunnitteluvaatimukset haihduttamon putkisto- ja laitesuunnittelussa

Diplomityö on tehty Andritz Oy:n toimipisteessä Varkaudessa. Andritz on yksi maailman johtavista sellu- ja paperiteollisuuden järjestelmien, laitteiden ja palvelujen toimittajista. Työn tarkoituksena on kehittää ja ohjeistaa haihduttamon putkistosuunnittelua osana suurempaa laitossuunnittelua. Työssä on selvitetty pääpiirteittäin haihduttamon toiminta sekä siinä virtaavat väliaineet. Erityisesti on perehdytty väliaineiden ominaisuuksiin ja siihen, kuinka nämä ominaisuudet on otettava huomioon putkistosuunnittelussa. Käsiteltäviä aineita ovat mustalipeä, primääri- ja likaislauhteet, vesi, hajukaasut sekä haihduttamon primääri- ja sekundäärihöyry.

Teräsrakenteiden ja putkiston suunnittelu sekä asennus vedenkäsittelylaitokseen

Tässä opinnäytetyössä oli tavoitteena teräsrakenteiden ja putkiston suunnittelu ja hankinta sekä niiden asennuksen valvonta Kemira Kemwater Service Oy:n ja Nordic Aluminiumin Oyj:n vedenkäsittelylaitokseen. Uusien teräsrakenteiden ja putkistojen suunnittelussa tuli hyödyntää olemassa olevia rakenteita, jos se oli mahdollista. Teräsrakenteisiin kuuluivat hoitotaso ja keräyssuppilo. Valmiin hoitotason päälle asennettiin suotopuristin, josta putoava kiintoaine ohjataan keräyssuppilon avulla ruuvikuljettimelle, joka siirtää kiintoaineen siirtolavoille. Hoitotasolta käytetään ja huolletaan suotopuristinta sekä putkistoa. Materiaaleina käytettiin Fe37B ja ruostumatonta terästä. Teräsrakenteiden HEB-palkit valittiin laskettujen taipumien perusteella. HEB-palkkien taipumien minimoimiseksi lisättiin vinotukija. Hoitotason suunnittelussa hyödynnettiin olemassa olevia HEB-palkkeja. Hoitotason elementteinä käytettiin teräksestä valmistettuja kuumasinkittyjä ritilöitä. Hoitotason kahteen jalkaan mallinnettiin säätövarat, jotta hoitotason toinen pää saadaan samaan korkoon kiinteästi olevaan päähän nähden. Jalkojen säätö toteutettiin kahdella M20 x 120- ruuvilla per jalka. Putkisto layout mallinnettiin PI-kaavion mukaiseksi ja siinä oli venttiilit mallinnettuna. Työpiirustuksien valmistuttua suoritettiin tarjouskyselyt urakoitsijoille. Teräsrakenteet ja putkiston asensivat kaksi eri urakoitsijaa. Asennusvalvoja oli paikalla lähes koko asennusajan vastaamassa työturvallisuudesta ja asennuksen sujuvuudesta. Urakoiden valmistuttua teräsrakenteille ja putkistolle suoritettiin luovutustarkastukset. Projekti pysyi aikataulussa ja kustannusarviossa suunnittelun sekä valvonnan osalta.

Viranomaisvaatimusten mukaisten putkistojen hankinta, asennus ja korjaus

Tämän työn tarkoituksena oli kirjallisuustutkimuksen ja aikaisemmin valmistuneiden putkitöiden avulla määritellä ohjeistus viranomaisvaatimusten mukaisten putkistojen valmistamista varten. Tarkasteluesimerkkeinä oli kolme erilaista putkityötä. Näiden seikkojen kautta vahvistui käsitys ohjeistuksen tarpeellisuudesta, mikä oli jo työn tavoitteissa yhtenä päämääränä. Aluksi selvitetään lainsäädäntöä ja sitä, mitä laki vaati putkistoilta. Seuraavaksi tarkastellaan standardeja valmistuksen näkökannalta ja siitä seurauksena syntyi valmistusohje. Sen jälkeen käsitellään putkistoista tehtyjä dokumentaatioita, joita oli jo valmistettu lainsäädännön vaihtumisen jälkeen. Kokoamalla em. tutkimukset on saatu aikaiseksi ohjeistus, jota seuraamallavalmistaja voi valmistaa putkiston, joka täyttää lain ja asetuksen vaatimuksen.Tässä työssä ei tarkasteltu tuotannon tehostamista asennusolosuhteissa eikä laatutavoitteita. Tuloksena syntyi ohjeistus, joka huomioi erilaiset lait ja asetukset, kun kyseessä on putkistojen hankinta, asennus tai korjaus putkistoissa, joita viranomaismääräykset ja asetukset valvovat. Putkistojen asennuksen ja tuotannon tehostaminen sekä automatisoinnin tai mekanisoinnin käyttö hitsauksessa ja hitsauksen laadun varmistus voivat olla tämän diplomityön jälkeisiä tutkimusaiheita.

Optimization of energy consumption in wastewater pumping

Pumppauksessa arvioidaan olevan niin teknisesti kuin taloudellisestikin huomattavia mahdollisuuksia säästää energiaa. Maailmanlaajuisesti pumppaus kuluttaa lähes 22 % sähkö-moottorien energiantarpeesta. Tietyillä teollisuudenaloilla jopa yli 50 % moottorien käyttämästä sähköenergiasta voi kulua pumppaukseen. Jäteveden pumppauksessa pumppujen toiminta perustuu tyypillisesti on-off käyntiin, jolloin pumpun ollessa päällä se käy täydellä teholla. Monissa tapauksissa pumput ovat myös ylimitoitettuja. Yhdessä nämä seikat johtavat kasvaneeseen energian kulutukseen. Työn teoriaosassa esitellään perusteet jätevesihuollosta ja jäteveden käsittelystä sekä pumppaussysteemin pääkomponentit: pumppu, putkisto, moottori ja taajuusmuuttaja. Työn empiirisessä osassa esitellään työn aikana kehitetty laskuri, jonka avulla voidaan arvioida energiansäästöpotentiaalia jäteveden pumppaussysteemeissä. Laskurilla on mandollista laskea energiansäästöpotentiaali käytettäessä pumpun tuoton ohjaustapana pyörimisnopeuden säätöä taajuusmuuttajalla on-off säädön sijasta. Laskuri ilmoittaa optimaalisimmanpumpun pyörimisnopeuden sekä ominaisenergiankulutuksen. Perustuen laskuriin, kolme kunnallista jätevedenpumppaamoa tutkittiin. Myös laboratorio-testitsuoritettiin laskurin simuloimiseksi sekä energiansäästöpotentiaalin arvioimiseksi. Tutkimukset osoittavat, että jätevedenpumppauksessa on huomattavia mandollisuuksia säästää energiaa pumpun pyörimisnopeutta pienentämällä. Geodeettisen nostokorkeuden ollessa pieni, voidaan energiaa säästää jopa 50 % ja pitkällä aikavälillä säästö voi olla merkittävä. Tulokset vahvistavat myös tarpeen jätevedenpumppaussysteemien toiminnan optimoimiseksi.

Lisäainetehtaan tuotantoprosessin kehittäminen

Tämän diplomityön tarkoituksena oli Finnsementti osakeyhtiöön kuuluvan betonin lisäaineita valmistavan tehtaan tuotantoprosessin kehittäminen. Työssä laadittiin myynnin kasvuennusteen perusteella suunnitelma, jonka mukaan määriteltiin betonin lisäaineille ja raaka-aineille sopivat varastosäiliöt. Suunnitelman perusteella määriteltiin kiinteät putkilinjat sekä kirkkaille että tummille nesteille, jolloin materiaalihäviöt saatiin pienemmiksi ja putkilinjojen pesun tarve väheni. Lisäksi työssä otettiin huomioon tuotantoprosessin automatisointi. Suunnitellusta projektista laadittiin alustava kustannusarvio, toteutusaikataulu sekä sijoituspiirustus, putkisto-instrumentointikaavio ja 3D-piirrokset. Projektin kustannusarvioksi saatiin noin 290 tuhatta markkaa ja projektin pituudeksi noin 11 viikkoa.

Siirrettävän kompressorin käyttö maakaasuputkiston huoltotöissä

Maakaasuputkiston huolto- ja muutostöiden yhteydessä joudutaan tyhjentämään putkisto kaasusta, jotta voidaan taata turvalliset työskentelyolosuhteet. Nykyisin putkisto tyhjennetään johtamalla kaasu ilmakehään, avaamalla putkiston ulospuhallusventtiilit. Koska maakaasu (metaani) on merkittävä kasvihuonekaasu, on ympäristövaatimusten tiukentuessa etsittävä vaihtoehtoisia keinoja vähentää päästöjä. Lisäksi, talteen otettu kaasu voidaan myydä edelleen, ja näin ollen saavuttaa säästöjä. Tässä työssä on tutkittu mahdollisuuksia komprimoida kaasu siirrettävän kompressorin avulla putkisto-osuudesta toiseen ilman, että kaasua jouduttaisiin puhaltamaan ilmakehään. Työssä päädyttiin johtopäätökseen, että siirrettävän kompressorin hankinta ei ole tällä hetkellä kannattavaa, sen korkeiden investointikustannusten vuoksi. Kuitenkin mahdollinen päästömaksu metaanille, kaasun arvon nousu, sekä tekniikan parantuminen voivat nostaa menetelmän varteenotettavaksi vaihtoehdoksi hyvinkin nopeasti. Tämän vuoksi jatkotutkimuksen tekeminen aiheesta on perusteltua.

Rankine-prosessin mallinnus keskilämpötila-alueessa

Tämä diplomityö on osa FCEP hankkeen Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisesta. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden ahtoilman hukkalämmön hyödyntämisestä sähköntuotannossa Rankine-prosessilla. Tavoitteena on myös suorittaa ahtoilman hukkalämpöä hyödyntävän koelaitteiston prosessitekninen mitoitus. Työssä kartoitetaan sovelluskohteeseen sopivimmat kiertoaineet sekä suoritetaan prosessin lämmönsiirtimien ja putkiston lämpö- ja virtaustekninen päämitoitus. Työssä tarkasteltavaksi moottoriksi valittiin Wärtsilä 4R32 – moottori. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien arvojen perusteella. Laskennan perusperiaatteena oli vertailla vesihöyryprosessia ja ORC-prosessia keskilämpötilaisen ahtoilman hyödyntämisessä. Työssä vertailtiin 12 eri kiertoaineen prosessihyötysuhdetta, saatavaa sähkötehoa sekä prosessin painetasoja. Kiertoainevertailun perusteella koelaitteeseen valittiin neljä kohteeseen parhaiten soveltuvinta kiertoainetta, joille mitoitettiin höyrystin, lauhdutin, rekuperaattori ja putkisto. Diplomityön laskennan perusteella tutkimuksen kohteena olleen moottorin sähköntuotannon lisäykseksi saatiin 1,77 %, kun ahtoilman hukkalämpö muunnetaan Rankine-prosessilla sähköksi. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottorin ahtoilman hukkalämmön sähköksi muuntamisesta sekä vesihöyryprosessilla, että ORC-prosessilla.

Pipework data in design system integration

This thesis work describes the creation of a pipework data structure for design system integration. Work is completed in pulp and paper plant delivery company with global engineering network operations in mind. User case of process design to 3D pipework design is introduced with influence of subcontracting engineering offices. Company data element list is gathered by using key person interviews and results are processed into a pipework data element list. Inter-company co-operation is completed in standardization association and common standard for pipework data elements is found. As result inter-company created pipework data element list is introduced. Further list usage, development and relations to design software vendors are evaluated.

Vesiputkikattilan paineenalaisten osien lujuuslaskentaohjelman kehitys

Työssä kehitetään standardin EN 12952 mukaisille vesiputkikattiloiden paineenalaisille osille lujuuslaskentaohjelma. Lisäksi perehdytään putkisto-osien mitoituksen lujuusopilliseen pohjaan ja tarkastellaan vastaako standardin mitoitus sitä. Standardin EN 13480 mukaisille metallisille teollisuusputkistoille on kohdeyrityksellä käytössään mitoitusohjelma. Näin ollen työssä vertaillaan standardin EN 12952 ja EN 13480 mukaisia putkisto-osien mitoituksia. Vertailun perusteella selvitetään mitkä putkistokomponentit voidaan mitoittaa olemassa olevalla ohjelmalla. Joidenkin putkisto-osien mitoitus on standardeissa yhtenevä. Suunnittelujännitys määritetään kuitenkin eri tavalla kyseisissä standardeissa. Tämän takia kaikki yrityksen tarvitsemat putkistokomponentit ovat kirjattu kehitettyyn laskentaohjelmaan. Koska putkistokomponenttien mitoitus on yhtenevä monelta osin kyseisissä standardeissa, vertaillaan ohjelmien antamia tuloksia toisiinsa. Näin voidaan todeta kehitetty laskentaohjelma toimivaksi.

Putkimaisten kappaleiden hitsausautomaatioratkaisun kehittäminen

Putkipalkkiliitosten käyttäminen offshore-teollisuuden rakennusten tukirakenteissa on erittäin yleistä. Liitosten valmistaminen on hankalaa ja hidasta. Hyvin usein tukirakenteiden putkipalkkiliitokset joudutaan hitsaamaan manuaalisesti tukirakenteen suuren koon vuoksi. Tukirakenteen uudella valmistustavalla, jossa rakenne kootaan pienemmistä osista, voidaan putkipalkkiliitosten valmistaminen ja hitsaaminen automatisoida. Robottihitsausasema sekä sen käyttöliittymä ja ohjelmisto todettiin toimivaksi ratkaisuksi putkipalkkiliitosten hitsaamiseen. Automaatiosuunnitteluun liittyy monia eri vaiheita, joiden huolellinen läpikäynti takaa todenmukaisemman konseptiratkaisun. Konseptiratkaisu kehittyy samalla, kun laitteistoja ja layoutia muokataan valmiimmiksi. Automaatiosuunnittelun aikana pyritään löytämään oikea taso automaatiolle. Valittu automaation taso vaikuttaa tuotannon tuottavuuteen, läpimenoaikaan ja joustavuuteen. Automaation määrällä vaikutetaan myös ihmisen tekemän työn määrään ja työnkuvaan. Tässä diplomityössä kehitettiin Pemamek Oy:lle hitsausautomaatioratkaisuja putkimaisille kappaleille. Putkiston osia valmistavan tehtaan hitsaus- ja tuotantoautomaation konseptiratkaisua tarkasteltiin esimerkkitapauksen muodossa, jolla kuvattiin, kuinka automaatiojärjestelmä voidaan suunnitella konseptitasolle. Toinen hitsausautomaatioratkaisu, joka tässä työssä kehitettiin, on robottihitsausasema käyttöliittymineen putkipalkkiliitoksen hitsaamiseen.

Mekaanisten laitteiden eheydenhallinta öljynjalostamolla

Mekaaniset laitteet ja putkistot muodostavat valtaosan jalostusprosessissa tarvittavista laitteista. Määrän ja käyttötarkoituksen perusteella voidaan sanoa, että laitteiden ja putkistojen eheyttä on pidettävä prosessiturvallisuuden sekä jalostustoiminnan kannattavuuden perustana. Laitteiden ja putkistojen on toimittava haasteellisissa olosuhteissa pitkiä aikoja. Tämä asettaa mekaanisten laitteiden eheydelle erityisvaatimuksia. Näiden vaatimusten toteuttaminen, ylläpito ja seuranta käyttöiän ajan voidaan varmistaa vain eheyden hallintaan liittyvillä toimenpiteillä. Toimenpiteet jakautuvat suunnitteluun, hankintaan, valmistukseen, käyttöön ja kunnossapitoon näiden erityispiirteiden mukaisesti. Työssä on kuvattu eheyden hallinnan keskeiset toimijat ja toiminta sekä asioita ja ilmiöitä eheyden hallintaan liittyen. Työn aikana on saatu kerättyä arvokasta kokemusta ja konkreettisia esimerkkejä siitä, miten eheyteen voidaan vaikuttaa tai miten eheyden menetys vaikuttaa toimintaan. Eheys ja sen hallinta ovat pysyvästi läsnä jalostustoiminnassa. Tulevienkin vuosien haasteet liittyvät eheyteen ja sen hallintaan. Tämän työn tärkeä viesti on, että eheydenhallinta kuuluu kaikille, sitä ei voida ulkoistaa.