Hannu Hyvärinen PÄÄKAASUPUHALTIMEN MONITOROINNIN KEHITTÄ- MINEN JA KUNNONVALVONTAMENETELMIEN ANALY- SOINTI

Transkriptio

1 Hannu Hyvärinen PÄÄKAASUPUHALTIMEN MONITOROINNIN KEHITTÄ- MINEN JA KUNNONVALVONTAMENETELMIEN ANALY- SOINTI Opinnäytetyö KESKIPOHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelma Toukokuu 2008

2 KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelma TIIVISTELMÄ Työn tekijä: Työn nimi: Hannu Hyvärinen Pääkaasupuhaltimen monitoroinnin kehittäminen ja kunnonvalvontamenetelmien analysointi Päivämäärä: Sivumäärä: liitettä Työn ohjaaja: tekn. Hannu Peltola Työn valvoja: DI Teuvo Aho Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli tutkia rikkihappotehtaan pääkaasupuhaltimien kunnonvalvontaan ja käyttöön liittyvän monitoroinnin kehittämismahdollisuuksia sekä pyrkiä selvittämään puhallinta pyörittävässä oikosulkumoottorissa ilmenneiden laakerivaurioiden syitä. Tehtaan pääkaasupuhaltimet ovat olennainen osa rikkihapon valmistusprosessia, ja niissä ilmenneiden laakerivaurioiden korjauskustannukset ovat olleet merkittäviä. Työssä tarkasteltiin erilaisia tarjolla olevia pyörivien koneiden kunnonvalvonnan keinoja ja verrattiin niitä nykyisin käytössä oleviin menetelmiin. Puhaltimiin lisättävää pyörintävahtia pidettiin alun perin yhtenä tarpeellisimmista kehittämiskohteista pyrittäessä estämään voitelujärjestelmän tahaton poiskytkeminen puhaltimen pyöriessä. Laakerivaurioiden syitä selvitettiin korjaustyöstä saatujen tietojen sekä tehdastietojärjestelmästä saatujen kunnonvalvonta- ja prosessitietojen perusteella. Pääkaasupuhaltimien ja niihin liittyvien sähkömoottorien olemassa oleva kunnonvalvonta koostui lähinnä yleistärinän mittauksesta, laakereiden ja käämitysten lämpötilan mittauksesta sekä voiteluöljyyn ja jäähdytysveteen liittyvistä perusvalvonnoista. Laakerivaurioiden alkuperäisen syyn selvittäminen käytettävissä olleilla tiedoilla osoittautui vaikeaksi. Valvontakohteita lisäämällä olisivat vastaavien vaurioiden syyt paremmin selvitettävissä. Värähtelymittausmenetelmiä tulisi laajentaa sekä hyödyntää oikosulkumoottorin sähköisiä kunnonvalvontamenetelmiä. Öljyn online-valvonnalla ja lämpökameran käytöllä saataisiin hyödyllistä tietoa puhaltimien kunnosta. Pyörintävahti on parhaiten toteutettavissa optisella anturisovelluksella. Avainsanat: kunnonvalvonta, laakerit, oikosulkumoottorit, anturit

3 CENTRAL OSTROBOTHNIA ABSTRACT UNIVERSITY OF APPLIED SCIENSES Degree Programme in Mechanical and Production Engineering Author of thesis: Name of thesis: Hannu Hyvärinen Analysis and improvement of condition monitoring methods for a main gas blower Date: 10 May 2008 Number of pages: appendices Instructor: Hannu Peltola Supervisor: Teuvo Aho The main objective of this thesis was to look at ways to improve the monitoring system of a main gas blower used in a sulphuric acid plant, and to find out the causes of the bearing faults appearing in the electric motor driving the blower. The main gas blowers are an essential part in the manufacturing process of sulphuric acid. The repair costs of the bearing faults in this equipment have been significant. In this thesis project, the monitoring techniques available for rotating machines were studied and compared with alternative systems in use. One of the targets in monitoring improvement was to find a rotational speed monitor to prevent the accidental shut down of the lubrication system while the blower is rotating. The bearing faults were analysed by using the information coming from repair work and by process information saved by the automation system. The present monitoring system for the main gas blowers in the plant, driven by induction motors, is composed of general vibration measurement, temperature measurement of the bearings and wirings, and of basic monitoring of the lubrication and cooling systems. To trace the fundamental causes of the bearing faults turned out to be difficult, if not impossible. However, better fault analysis could be attainable by enhancing the present vibration measurement methods, and by utilising the condition monitoring methods for the induction motors when applicable. Adding on-line monitoring in the lubrication system and the use of a thermographic camera could give useful information. A rotational speed monitor could be introduced by implementing optical sensors. Key Words: condition monitoring, bearings, induction motors, sensors

4 SISÄLTÖ 1 JOHDANTO Aiheen valinta ja opinnäytetyön tehtävät Yritykset Kemira Oyj OnePoint Oy Maintpartner Oy 3 2 LÄHTÖKOHDAT Rikkihapon valmistusprosessi Pääkaasupuhaltimien kuvaus Toiminta ja merkitys Vauriotapaukset 2000-luvulla Rikkihappotehtaan automaatiojärjestelmä Puhaltimiin liittyvä automaatio ja monitorointi 10 3 LIUKULAAKERIN KULUMINEN JA VOITELU Laakerien kuormitus- ja rakennetyypit Liukulaakerityypit Hydrodynaaminen säteisliukulaakeri Liukulaakerin välyksen ja voitelun merkitys Kuluminen ja siihen vaikuttavat tekijät Ideaalinen kulumisteoria Kulumistyypit Kulumismekanismit Kulumiseen vaikuttavia tekijöitä 21 4 PYÖRIVIEN KONEIDEN KUNNONVALVONTA Kunnonvalvonnan merkitys, mittausmenetelmät ja -kohteet Lämpötilamittaus Vastusanturi Termoelementti Infrapunalaitteet Värähtelymittaus Siirtymäanturi Nopeusanturi Kiihtyvyysanturi Värähtelymittausten signaalinkäsittely Tunnuslukujen käyttö Iskusysäysmittaus Akustinen emissio Sähkötekniset mittaukset Virtaspektri Magneettivuo Osittaispurkausmittaus Laakerivirran ja akselijännitteen mittaus Öljyn kunnonvalvonta Hyötysuhdemittaus 46

5 5 PYÖRINTÄVAHTI Anturityypit Pyörimisliikkeen valvonta 49 6 JOHTOPÄÄTÖKSET JA POHDINTA Vuoden 2007 vaurioihin vaikuttaneita tekijöitä Kehityskohteet Poikkeamatarkastelu Värähtelyvalvonta Staattorivirta Öljyn kunnonvalvonta Lämpökuvaus Uuden moottorityypin käyttöönotto Laakerivirta Vikavaikutus- ja kriittisyysanalyysi Pyörintävahti Opinnäytetyöprosessi ja mahdolliset jatkoselvitykset 57 LÄHTEET 58 LIITTEET Liite 1/1. Toukokuussa 2007 vaurioituneet laakerit Liite 1/2. Vaurioituneen laakerin lähikuva Liite 2. Moottori ennen kokoamista Liite 3/1. Puhallin 2 käynnistyksen jälkeen Liite 3/2. Puhallin 2 noin tunnin käytön jälkeen Liite 3/3. Puhallin 2 noin kolmen tunnin käytön jälkeen Liite 3/4. Tuotannossa ollut puhallin 1 Liite 4. Pyörintävahdin mahdollinen sijoituspaikka Liite 5. Automaatiojärjestelmän moottorinohjausmoduuli

6 1 1 JOHDANTO 1.1 Aiheen valinta ja opinnäytetyön tehtävät Kunnossapitotoiminnan päälajeina pidetään huoltoa, ehkäisevää kunnossapitoa, korjaavaa ja parantavaa kunnossapitoa sekä vikaantumisten selvittämistä. Kunnonvalvonta on osa yhtä päälajia, ehkäisevää kunnossapitoa. Ehkäisevään kunnossapitoon voidaan lukea kaikki sellaiset toimet, kuten suorituskyvyn seuranta ja käynninaikaiset mittaukset, jolla pyritään takaamaan koneen häiriötön toiminta ja riittävä käyttövarmuus. Ehkäisevään kunnossapitoon sisältyy myös ohjaamossa tai valvomossa tehtävä käynninvalvonta eli monitorointi. Kunnonvalvonnan tuottamaa tietoa voidaan hyödyntää myös vikaantumisten selvittämisessä. Tällöin pyritään paikantamaan tekijöitä, joilla on epäsuotuisa vaikutus tuotantoprosessiin tai johonkin sen osaan. Laajemmin nähtynä kaikella kunnossapitotoiminnalla tähdätään käyttöomaisuuden säilyttämiseen sellaisena, että tuotteen valmistamisen edellytykset säilyvät mahdollisimman hyvinä mahdollisimman pitkään. (Järviö 2006, ) Kemira Oy:n Kokkolan rikkohappotehtaan pääkaasupuhaltimet ovat olennainen osa rikkihapon valmistuksessa tarvittavaa laitteistoa. Puhaltimien toiminnassa on kuitenkin ollut vuosien kuluessa häiriö- ja vikatilanteita, joista on aiheutunut haittaa prosessille ja joiden korjauskustannukset ovat olleet huomattavat. Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli mm. lähestyvän tai yllättävän laakerivaurion ennakoimismahdollisuuksien selvittäminen. Lisäksi puhaltimen pyörimistieto pyrittiin saamaan mukaan monitoroitaviin suureisiin siten, että mahdollinen kaasuvirran aiheuttama vapaa pyörimisliike ja sen suunta olisi havaittavissa. Puhaltimeen suunniteltiin asennettavaksi pyörimisvahti, joka liitetään osaksi tehtaan automaatiojärjestelmää. Opinnäytetyö on ollut osa Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoulun ja sen tutkimus-, kehitys- ja täydennyskoulutusyksikkö CENTRIAN mittaavan käynnissäpidon kehittämishanketta. Hankkeen tarkoituksena oli mm. kehittää muutamien alueen yritysten tuella käynnissäpidon mittaus- ja tiedonkeruumenetelmiä ja saada viedyksi tähän liittyvää uutta tietoa ja teknologiaa eri teollisuudenalojen tarpeisiin. (Centria 2007.) Projektissa olivat mukana Boliden Kokkola Oy, OMG Kokkola Chemicals Oy, kunnossapitoyhtiö Maintpartner sekä sähköyhtiö Korpelan Voiman verkon käytöstä ja kunnossapidosta huolehtiva

7 2 Verkko-Korpela Oy (Centria 2008). Kehittämishanke liittyi Länsi-Suomen lääninhallituksen ja Keski-Pohjanmaan liiton toteuttamaan Tavoite 2 -EU-ohjelmaan, jolla edistetään uusien yritysten syntymistä ja parannetaan toimivien yritysten kilpailukykyä (Keski- Pohjanmaan liitto 2006; Kauppa- ja teollisuusministeriö 2007). 1.2 Yritykset 1990-luvulla ja 2000-luvun alussa ovat Kokkolan suurteollisuusalueen päätoimijoiden yhtiörakenteen muutokset olleet ajalle tyypilliseen tapaan merkittäviä. Nykyisin Kokkolan suurteollisuusalue on Skandinavian suurin epäorgaanisen kemian keskittymä, ja siellä toimii noin parikymmentä yritystä (Kemira Oyj 2007a, 7), jotka työllistävät yhteensä noin 2000 ihmistä (Johanson 2007, 3). Liiketoiminnan eriytymisen tuloksena kaikista Kemira Oyj:n aiemmista toiminnoista sillä itsellään on jäljellä Kokkolassa enää rikkihapon valmistus (Johanson 2007, 2). Muiden tuotteiden osalta nykyisinä toimijoina ovat kasvinsuojeluaineita ja lääkkeiden raaka-aineita valmistava KemFine Oy, lannoitteita valmistava Kemira GrowHow Oyj, kalsiumkloridia valmistava Tetra Chemicals Europe Oy sekä hiilidioksidia talteen ottava ja happea valmistava Polargas (K. H. Renlundin museo 2006, 18 19). Palvelu- ja infrayhtiönä toimivan OnePoint Oy:n kunnossapitotoiminnot siirtyivät huhtikuussa 2007 liiketoimintasiirtona Maintpartner Oy:lle (Kemira Oyj 2007a, 7) Kemira Oyj Itsenäisen Suomen alkutaipaleella koettiin tärkeäksi maatalouden ja teollisuuden järjestelmällinen kehittäminen. Elintarviketuotantoa oli kasvatettava ja puolustusvoimaa vahvistettava. Rikkihappoa tarvittiin ruudinvalmistukseen ja superfosfaattia viljelymaiden lannoittamiseen. Vuonna 1920 perustettiin Valtion Rikkihappo- ja superfosfaattitehtaat tuottamaan teollisuuskemikaaleja ja lannoitteita. Tuotanto laajeni toisen maailmansodan jälkeen myös räjähteiden ja torjunta-aineiden valmistukseen. Kokkolan rikkihappotehdas käynnistyi vuonna Raskaiden teollisuuskemikaalien tuotannon aloittamisen myötä perustettiin Kokkolaan vuonna 1962 natriumsulfaatti- ja kalsiumkloriditehtaat. Nimi Kemira Oy otettiin käyttöön vuonna Nykyinen rikkihappotehdas on toiminut vuodesta Vuonna 1976 natriumsulfaattitehdas muutettiin kaliumsulfaattitehtaaksi. Orgaani-

8 3 nen hienokemikaalitehdas käynnistyi 1980-luvulla, ja rehufosfaattituotannon aloitus ajoittuu vuoteen (K. H. Renlundin museo 2006, 18.) Nykyiseen Kemira-konserniin kuuluu neljä liiketoiminta-aluetta, Kemira Pulp&Paper, Kemira Water, Kemira Specialty ja Kemira Coatings (Kemira Oyj 2007b). Vuonna 2006 Kemiran liikevaihto oli noin 2,5 miljardia euroa ja henkilöstömäärä 9300 (Aaltonen 2008). Kokkolan rikkihappotehdas tuottaa vuosittain noin tonnia rikkihappoa (Siren 2000). Kemira-konserni toimii 40 maassa (Airaksinen 2007, 16) OnePoint Oy Kemira Oyj perusti tehdaspalvelu- ja infrayhtiö OnePoint Oy:n vuonna 2005 tuottamaan palveluita Kokkolan suurteollisuusalueen yrityksille. Palvelutarjontaan sisältyi mm. kunnossapito, materiaalipalvelut, tutkimus- ja hallintopalvelut sekä infrapalvelut. (OnePoint 2006.) Kemira myi tehdaspalveluyhtiönsä vuonna 2006 tehdyn aiesopimuksen mukaisesti energiayhtiö Kokkolan voimalle, jolta OnePointin kunnossapitotoiminnot siirtyivät liiketoimintasiirtona Maintpartner Oy:lle (Lahtonen 2007). Satamatoiminnot sekä infrapalvelut, kuten talous-, raaka- ja meriveden toimitus, kaukolämpöverkon ylläpito, aluevartiointi jne. jäivät OnePoint Oy:lle (OnePoint Oy 2007) Maintpartner Oy Teollisuuden kunnossapito- ja käyttöpalveluja tuottava Maintpartner Oy aloitti toimintansa marraskuussa 2006, kun pohjoismainen sijoitusyhtiö CapMan osti Fortumilta sen kunnossapitopalveluja tarjoavan Industrial Services liiketoiminnan. Maintparner Oy:stä tuli näin yksi Pohjoismaiden johtavia teollisuuden kunnossapito- ja käyttöpalvelujen toimittajia, päämarkkina-alueinaan Suomi ja Ruotsi. Yritys työllistää noin 700 henkilöä Suomessa ja 200 henkilöä Ruotsissa. Industrial Services -toimintojen liikevaihto oli noin 80 miljoonaa euroa vuonna (CapMan Oyj 2006.) Syntyneestä Maintpartner Oy:stä tuli näin mitattuna Suomen neljänneksi suurin teollisuuden kunnossapitoyhtiö (Lähteenmäki 2006).

9 4 2 LÄHTÖKOHDAT 2.1 Rikkihapon valmistusprosessi Kemiran rikkihappotehdas Kokkolassa käyttää rikkihapon valmistukseen lähistöllä sijaitsevan Boliden Oy:n sinkkipasutossa syntyvää rikkidioksidipitoista kaasua. Rikkihappotehtaan prosessissa rikkidioksidi (SO 2 ) hapetetaan katalyytin avulla rikkitrioksidiksi (SO 3 ), joka imeytetään väkevään rikkihappoon. Imeytyksessä rikkitrioksidi reagoi hapon sisältämän veden kanssa muuttuen rikkihapoksi. Lopuksi rikkihappo laimennetaan oikeaan väkevyyteen. (Myllymäki 2005.) Rikkihappotehtaan prosessikaavio on esitetty kuviossa 1. Aluksi pasutolta tuleva kaasu johdetaan pesuprosessiin, jossa kaasu kulkee pesutornin (PT), halogeenitornin (HT) ja kahden sähkösuodattimen kautta kuivaustornille (KT). Pesuvaiheen aikana kaasun lämpötila laskee hieman. Kuivaustornissa (KT) kaasussa oleva kosteus imeytyy väkevään rikkihappoon, jonka jälkeen kaasu johdetaan pääkaasupuhaltimelle. Tähän saakka prosessi on alipaineinen. Puhaltimelta kaasu ajetaan ylipaineisena lämmönvaihtimiin, jossa kaasun lämpötila nostetaan noin kymmenkertaiseksi ennen sen kulkeutumista konvertteriin. Konvertterissa katalyysin seurauksena kaasun lämpötila nousee satoihin asteisiin. Konvertterissa SO 2 -kaasu hapetetaan katalyytin avulla rikkitrioksidiksi ja johdetaan lämmönvaihtimen ja uuden konvertterikierroksen jälkeen väli-imeytystorniin (VIT). Siinä SO 3 imeytyy väkevään rikkihappoon. Imeytymättömän kaasunosan lämpötilaa nostetaan jälleen lämmönvaihtimissa, jonka jälkeen se ohjataan takaisin konvertteriin. Kahden uuden konvertterikierroksen jälkeen hapetettu kaasu ohjataan lämmönvaihtimien läpi loppuimeytystorniin (LIT), jossa SO 3 reagoi uudelleen rikkihapon sisältämän veden kanssa väkevöittäen happoa. Loppuimeytystornissa imeytymättä jäänyt kaasu ajetaan savupiippuun. Prosessin itsensä tarvitsema ja lopputuotteena saatava rikkihappo syntyvät siis väli- ja loppuimeytystorneissa. Valmistusprosessi on eksoterminen eli lämpöä tuottava, ja systeemin luovuttama lämpö johdetaan mm. kaukolämpöverkkoon. (Siren 2001; Myllymäki 2005.)

10 5 SO 2 SINKKIPASUTOLTA PT HT KT PESUHAPPOALLAS 95,6 % TUOTEHAPPO PÄÄKAASUPUHALLIN KONVERTTERI 1 2 H 2SO 4 H 2O LÄMMÖNVAIHTIMET 3 4 SAVUPIIPPUUN VIT LIT LÄMPÖ LÄMPÖ H 2O 98,8 % LÄMPÖ 95,6 % SO 2 SO 3 RIKKIHAPPO KUVIO 1. Rikkihapon valmistusprosessi (mukaillen Vierimaa 2000.) 2.2 Pääkaasupuhaltimien kuvaus Pääkaasupuhaltimia on kaksi kappaletta, joista vain toinen on kerrallaan käytössä. Puhaltimet on valmistanut saksalainen Kühnle, Kopp & Kausch vuonna Tyypiltään ne ovat suorakäyttöisiä keskipakopuhaltimia, joiden kierrosnopeus on 2950 r/min, kaasumäärä m 3 /h ja paineennostokyky 4000 mmvp (0,04 MPa). Juoksupyörän halkaisija on

11 mm. Puhallinta pyörittää Stömbergin valmistama kaksinapainen ja 3-vaiheinen 2100 kw:n oikosulkumoottori. Moottori on tähtikytkentäinen, ja kytkettynä 6 kv:n jännitteeseen se ottaa nimellisteholla 224 A:n virran. Sähkömoottorien päätylevyissä on jäähdytysvesikierto. Vedentarve on 70 l/min, ja vesi tuodaan moottorille ja voitelujärjestelmän öljynlauhduttimelle verkkopaineella tehtaan raakavesijärjestelmästä. Vesi johdetaan lopuksi vapaasti lattiakaivoon. Sekä puhaltimet että sähkömoottorit ovat liukulaakeroituja ja kiertoöljyvoideltuja. Moottorin ja puhaltimen välissä on laippakytkin, jonka rakenne sallii esimerkiksi lämpölaajenemisesta johtuvan aksiaalisen liikkeen. Kulloinkin varalla olevaa puhallinta pyöritetään hitaasti pienen sähkömoottorin avulla. Tällä estetään kosteuden ja rikkidioksidin epäpuhtauksien kertyminen juoksupyörään, niin että kosteuden aiheuttamat syöpymät ja epäpuhtaudet eivät aiheuttaisi puhaltimeen epätasapainoa. Kuviossa 2 on yleiskuva moottori- ja puhallinyksiköstä. KUVIO 2. Pääkaasupuhallin Pääkaasupuhaltimessa ja sähkömoottorissa käytetään hydrodynaamisia liukulaakereita. Niiden voitelujärjestelmä koostuu sähkömoottorin pyörittämästä hammaspyöräpumpusta, suodatinyksiköstä, öljynlauhduttimesta, putkistosta, virtausmittareista ja -vahdeista, painemittareista ja virtauksen säätöön käytettävistä vastusventtiileistä. Pumpun tuotto on 107 l/min. Alkuperäinen puhaltimen non-drive-pään laakerille vastusventtiilillä säädetty tila-

12 7 vuusvirta on 17 l/min ja drive-pään 34 l/min. Sähkömoottorin laakereille säädetty tilavuusvirta on 2,5 l/min. Paluuöljyn virtaus laakeripesistä tapahtuu painovoimaisesti pesiä alempana olevaan öljysäiliöön. Suodatinyksikkö toimii sivuvirtaperiaatteella, ts. vain osa öljystä kerrallaan kiertää suodatinyksikön kautta. Öljysäiliössä on lämmitysvastus. 2.3 Toiminta ja merkitys Pääkaasupuhaltimen tehtävä on siirtää Boliden Kokkola Oy:n sinkkipasutolla syntyvä rikkidioksidikaasu rikkihappotehtaan valmistusprosessiin. Tulolinja pasutolta pidetään heikosti alipaineisena kaasuvuotojen välttämiseksi. Alipaineen säätö tapahtuu imupuolella olevaa sälesäädintä käyttäen. Vain toinen puhaltimista on kerrallaan tuotannossa toisen ollessa varalla. Varapuhallin on eristetty prosessista imu- ja painepuolen sulkuläppien avulla. (Siren 2001, 2 3.) Normaalisti puhallin on tuotannossa noin kuusi kuukautta, jonka jälkeen varalla ollut puhallin otetaan käyttöön. Puhaltimille tehdyn riskiarvioinnin perusteella puhaltimet on luokiteltu asteikolla 1 5 seuraavasti: turvallisuus 2 laatu 1 ympäristö 2 taloudelliset menetykset 3. Puhaltimia pyörittävien sähkömoottorien vastaavat arvot ovat: turvallisuus 2 laatu 1 ympäristö 2 taloudelliset menetykset 5. Taloudellisia menetyksiä lukuun ottamatta alhaisia riskiluokituksia selittää se, että puhaltimet ovat ns. kahdennettuja koneita. Varalla oleva puhallin saadaan vikatilanteessa suhteellisen nopeasti käyttöön ilman merkittävää vaikutusta rikkihapon valmistusprosessiin ja vain kohtuullisilla vaikutuksilla turvallisuuteen tai ympäristöön.

13 8 2.4 Vauriotapaukset 2000-luvulla Syyskuussa 2000 sähkökatkon seurauksena pääkaasupuhallin 2 pysähtyi ja voitelukierron katkeamisen seurauksena sähkömoottorin laakerit leikkautuivat kiinni. Roottorin laakeripinnat koneistettiin ja laserpinnoitettiin stelliitillä. Laakerit sorvattiin tinapronssista kunnossapidon omana työnä. Tässä yhteydessä uusittiin laakerien lämpötila-anturit ja voitelujärjestelmään asennettiin varasähköjärjestelmä, jolla voitelujärjestelmän toimivuus voitiin vastaavissa tilanteissa varmistaa. Puhallin oli poissa käytöstä kuusi viikkoa. Elokuussa 2006 pääkaasupuhallin 2 pysähtyi automatiikan ohjaamana laakerilämpötilojen noustua yli automaatiojärjestelmän lukitusrajan. Normaalin käytännön mukaisesti käynnistettiin varalla ollut puhallin 1. Kunnossapitohenkilöstön tarkoituksena oli tarkistaa pysähtyneen puhaltimen laakerit mahdollisten ylilämmön aiheuttamien vaurioiden varalta. Osa käynnistetyn puhaltimen kaasuvirrasta kulkeutui kuitenkin avoimen paineläpän kautta myös puhaltimelle 2 aikaansaaden siihen normaaliin pyörimissuuntaan nähden vastakkaisen pyörimisliikkeen. Puhaltimen ja sen akselin varsin kattavan koteloinnin ja tilanteen poikkeuksellisuuden vuoksi kunnossapitohenkilöstö ei havainnut puhaltimen vapaata pyörimistä vaan kytki voitelujärjestelmän pois olettaen puhaltimen pysähtyneen. Puhallinta pyörittävän sähkömoottorin laakerit vaurioituivat niiden jäätyä ilman voitelua. Roottorin laakeripinnat koneistettiin ja laserpinnoitettiin ja uudet laakerit sorvattiin kunnossapidossa omana työnä. Toukokuussa 2007 pääkaasupuhallin 2 otettiin pois tuotannosta kohonneiden tärinäarvojen vuoksi. Myös puhaltimen 1 tärinäarvojen kohottua päätettiin puhallin 2 ottaa uudelleen käyttöön. Käynnistyksen yhteydessä voiteluöljykierrossa havaittiin häiriö, ja muutamaa minuuttia myöhemmin sähkömoottorin laakerit leikkautuivat. Liitteessä 1 on nähtävissä leikkautuneet laakerit. Roottorin laakeripinnat koneistettiin ja laserpinnoitettiin ja uudet laakerit sorvattiin kunnossapidossa. Voitelujärjestelmästä ei löytynyt vikaa. Puhaltimen juoksupyörä puhdistettiin tärinän poistamiseksi. Puhallin oli pois käytöstä noin viisi viikkoa. Liitteessä 2 nähdään kunnostettu moottori ennen kokoamista. Kesäkuussa 2007 juuri korjatun puhaltimen käyttöönotto sujui normaalisti ja tärinäarvot olivat matalat. Puolen tunnin normaalin käytön jälkeen ilmeni uusi voiteluhäiriö ja sähkömoottorin laakerointi vaurioitui uudelleen. Moottori purettiin uudelleen ja havaittiin D-

14 9 pään laakerin selvä kiinniotto. Voitelujärjestelmästä ei tarkastuksessa havaittu vikaa. Akseli koneistettiin ja laserpinnoitettiin uudelleen. Vaurioituneen laakerin tilalle sorvattiin uusi samasta materiaalista, mutta koneistus tehtiin lähemmäs valmistajan antaman halkaisijamitan toleranssin ylärajaa 125 (+0, ,319 mm). Laakerissa olevat voiteluöljyporaukset suurennettiin 8 mm:stä 10 mm:iin. Heinäkuun alussa suoritettiin moottorin koekäyttö ilman kuormaa hyvin tuloksin. Koekäytön yhteydessä Fortum suoritti tärinämittauksia mm. kierrosten noston ja laskun aikana. Linjausten tarkistusten jälkeen kytkin kiinnitettiin ja puhallin käynnistettiin. Tärinäarvot ja lämpötilalukemat olivat normaalit ja puhaltimen liittäminen tuotantoon sujui ongelmitta. Syyskuussa 2007 aiemmin jo kahdesti korjattu moottori vaurioitui uudelleen. Prosessin alasajon yhteydessä tapahtuneen voiteluhäiriön seurauksena sähkömoottorin laakerit vaurioituivat. Moottori kuljetettiin kunnostettavaksi Ouluun ABB Service -huoltokorjaamolle, jossa mm. laajennettiin D-pään laakeripesää ja kasvatettiin vastaavasti laakerin ulkomittaa. Laakerimetallin koostumusta muutettiin enemmän lyijyä sisältäväksi ja laakeriholkin paikallaan pysymistä parannettiin. Korjauksen jälkeen moottori on toiminut normaalisti. 2.5 Rikkihappotehtaan automaatiojärjestelmä Rikkihappotehtaan automaatiojärjestelmää on kehitetty 1970-luvulta saakka useaan otteeseen. Alkuperäisen Damatic Classic -järjestelmän rinnalle hankittiin vuonna 1993 Damatic XD. Vuonna 2000 tehdyssä järjestelmä- ja sovellusuudistuksessa kahden päällekkäisen järjestelmän käytöstä luovuttiin ja käyttöön otettiin Damatic XDi. Samassa yhteydessä toteutettiin rikkihappotehtaan valvomon saneeraus ja modernisointi. Kehitystyötä jatkettiin liittämällä automaatiojärjestelmä uuteen tehdastietojärjestelmään, jonka avulla on mahdollista seurata ja analysoida prosessiohjaus- ja kunnonvalvontainformaatiota. (Siren 2000.) Vuonna 2001 tehdyssä kehitysprojektissa prosessin alipainesäätö ja pääkaasupuhaltimien ohjaukset siirrettiin automaatiojärjestelmään. (Siren 2001.) Automaatiojärjestelmän yleiskuvaus on esitetty kuviossa 3.

15 10 VALVOMO Mittaustulokset Analogiasignaaleja TEHDASTIETO- JÄRJESTELMÄ Käynnistyskäskyt Asetusarvot Hälytykset OHJAUS- JÄRJESTELMÄ Tilatietoja Mittaussignaaleja Käyntitietoja Ohjaukset Käynnistykset Käynti- ja hälytystiedot Mittaukset PROSESSI KUVIO 3. Automaatiojärjestelmän yleiskuvaus (Siren 2000.) 2.6 Pääkaasupuhaltimiin liittyvä automaatio ja monitorointi Puhaltimista ja niiden apulaitteista muodostuu noin sadan I/O-pisteen kokonaisuus. Automaatiojärjestelmän kautta voidaan operoida puhaltimia, niiden oheislaitteita ja alipaineensäätöpiiriä. Järjestelmä valvoo, hälyttää, säätää ja tarvittaessa pysäyttää laitteita. Puhaltimille ja niiden apulaitteille on määritelty neljä eri ajotilannetta: 1. puhaltimen käynnistys 2. puhaltimen pysäytys 3. puhaltimen vaihto prosessin aikana 4. prosessin toimintapisteen muutos. (Siren 2001.) Ajotilanteisiin 1 ja 2 liittyvät ehdot ja lukitukset on kuvattu taulukossa 1.

16 11 TAULUKKO 1. Pääkaasupuhaltimen käynnistys- ja pysäytysehdot (Siren 2001.) Lukitus Käynnistys Pysäytysehto ehto 1 Säle kiinni 2 Paineläppä kiinni 3 Jäähdytysveden virtaus kunnossa 4 Käynnistyksenestorele kunnossa 5 Hätäseis painike ei painettuna painettuna 6 Käyntilupa sähkökeskuksesta kunnossa ei käyntilupaa 7 Puhaltimien laakerien lämpötila < 90 C > 90 C 8 Moottorin laakerien lämpötila < 90 C > 90 C 9 Moottorin laakerilämpötilan johdinvikavalvonta kunnossa johdinvika 10 Moottorin käämien lämpötilat < 120 C > 120 C 11 Voitelujärjestelmän öljynpaine > 2 bar < 2 bar 12 Alipaine ennen kuivaustornia < 400 mmvp > 400 mmvp Puhaltimen vaihto rikkihapon valmistusprosessia katkaisematta voidaan tehdä ohjaamalla molempien puhaltimien säleitä sekä paine- ja imuläppiä automaatiojärjestelmästä. Puhaltimen käynnistyksessä säleen ja paineläpän on oltava kiinni. Näin vältetään moottorin ylikuormittuminen käynnistyksen yhteydessä. Varalla olevan puhaltimen sälettä ohjataan käsiajo-operointipisteestä. Vaihtotilanteessa tuotannossa olleen puhaltimen säle ajetaan kiinni ja käynnistetyn varapuhaltimen säle avataan. Liiallisen alipaineen syntyminen vaihtotilanteessa estetään vertaamalla alipainetta ennen kuivaustornia sen raja-arvoon 300 mmvp. Raja-arvon ylittyessä puhaltimen lähtöä ohjataan pienemmälle 0,5 % sekunnissa, kunnes alipaine on normaalilla tasolla. (Siren 2001.) Prosessin toimintapisteen muutoksella tarkoitetaan mm. pasutusuunien päälleotoista ja pysäytyksistä johtuvia kaasun tulovirtauksen muutoksia. Kaasun määrä voi vaihdella n. 800 Nm 3 :sta jopa yli 2000 Nm 3 :iin tunnissa. Kaasun määrän äkisti vähentyessä on vaarana alipaineen kasvaminen liian suureksi. Vastaavasti kaasun määrän nopea lisääntyminen saattaa johtaa prosessin ylipaineistumiseen ja kaasun purkautumisen tehdashalliin. Automaatiojärjestelmä on suunniteltu reagoimaan toimintapisteen muutoksiin. Mm. pasutolta saatava paineenmittaustieto ennakoi tulevaa ohjaustarvetta ja toimii liipaisuna parametrien muutoksille. (Siren 2001.)

17 12 Valvomon näytöiltä on luettavissa puhaltimiin liittyvät käyntitiedot, ja sinne tuotetaan myös mittauksiin perustuva ääni- ja tekstihälytys. Mittaustietoja verrataan jatkuvasti järjestelmälle määriteltyihin lukitusrajoihin ja ehtojen toteutuessa yli viiden sekunnin ajan pysäytetään puhallin automaattisesti. Viiden sekunnin viiveellä pyritään estämään mahdollisten häiriöpiikkien aiheuttamat pysäytykset. Koko rikkihapon valmistusprosessia voidaan seurata valvomon näytöiltä. Prosessin eri vaiheisiin liittyvät ajonäytöt on järjestetty hierarkkisesti eri tasoille. Myös pääkaasupuhaltimien ohjaukselle on oma sivunsa. Kaasun virtaus näytöllä tapahtuu alhaalta ylös. Ajonäytöltä saadaan kaikki puhaltimen käynnistyksessä ja alipaineen säädössä tarvittava informaatio. (Siren 2001.) Kuviossa 4 nähdään molempiin puhaltimiin liittyvät monitoroinnit ja ohjaukset. KUVIO 4. Pääkaasupuhaltimien ajonäyttö (Siren 2001.) Molemmille puhaltimille on olemassa myös operointitason näyttö (Kuvio 5). Koska varalla olevan puhaltimen tietoja ei välttämättä tarvita, on operointinäytöllä havainnollisuuden lisäämiseksi pelkästään tuotannossa olevaan puhaltimeen liittyvä informaatio. Näytölle on saatavissa myös monitorointeihin liittyviä historiatietoja. Historianäytöissä on neljä trendiä, joiden skaalausta, aika-akselia ja väriä voidaan muuttaa. Aika-akseli voi olla enintään

18 13 28 vuorokauden mittainen. (Siren 2001.) Kuviossa 6 nähdään puhaltimen tärinään liittyvä trendinäyttö. KUVIO 5. Pääkaasupuhaltimen operointitason näyttö (Siren 2001.) KUVIO 6. Trendinäyttö (Siren 2001.)

19 14 3 LIUKULAAKERIN KULUMINEN JA VOITELU 3.1 Laakerien kuormitus- ja rakennetyypit Laakerit jaotellaan kuormitustyyppien mukaan säteis- ja aksiaalilaakereihin. Tukivoimien suuntautuessa kohtisuorassa suunnassa akselia vastaan käytetään nimitystä säteislaakeri. Merkittävien aksiaalisten voimien vaikuttaessa laakeriin käytetään erillistä aksiaalilaakeria tai erityistä kuormankantopintaa. Laakerien rakenteen mukainen jaottelu tehdään vierintäja liukulaakereihin. Vierintälaakereita on sekä säteiskuormitukselle että edellä mainitun kahden kuormitustyypin yhdistelmille. Liukulaakerissa kuormankantavana elimenä toimii akselin ja laakerin välinen voiteluainekalvo. Molemmille rakennetyypeille on tärkeää oikea ja riittävä voitelu. Kaikille laakerityypeille on yleensä määritelty maksimilämpötila. Jotta laakeri toimisi optimaalisesti ja kuluminen olisi mahdollisimman pientä, on laakeroinnissa vallitseva lämpötila pystyttävä hallitsemaan. Lämmön poisvienti laakerista tehdään tyypillisesti voitelun avulla. (Kivioja, Kivivuori & Salonen 2004, 233.) 3.2 Liukulaakerityypit Liukulaakerit jaetaan yleensä neljään tyyppiin: 1. voitelemattomina toimivat laakerit 2. itsevoitelevat laakerit 3. hydrostaattiset laakerit 4. hydrodynaamiset laakerit. (Kivioja ym. 2004, 233.) Voitelemattomissa laakereissa käytetään materiaalina grafiittia tai tavallisimmin kestomuovia, kuten polyamidia tai teflonia. Itsevoitelevat laakerit ovat voiteluaineella kyllästettyjä huokoisia metallilaakereita, joissa metallimatriisi on tavallisesti sintrattua rauta- tai pronssijauhetta. Hydrostaattisessa laakerissa liukupinnat pysyvät erillään voiteluainekalvon avulla. Kalvo synnytetään ulkopuolisen ylipaineen avulla, eikä pyörimisliike vaikuta kalvon muodostumiseen.

20 15 Hydrodynaamisessa laakerissa liukupinnat pysyvät myös erillään voiteluainekalvon avulla, mutta itse kuormankantava paine aikaansaadaan laakerin tai akselin liikkeen vaikutuksesta. (Kivioja ym. 2004, 233.) Hydrodynaaminen säteisliukulaakeri Oikein mitoitettu hydrodynaaminen säteisliukulaakeri (Kuvio 7) toimii nestevoitelualueella. Tällöin normaalissa käyttötilanteessa öljykalvo erottaa liukupinnat täydellisesti toisistaan eikä kulumista esiinny. Käynnistyksen ja pysäytyksen yhteydessä tapahtuva lyhytaikainen käynti sekavoitelualueella ei yleensä aiheuta laakerivauriota. (Kivioja ym. 2004, 260.) Säteisliukulaakerissa akselin epäkeskeisyyden vuoksi öljy joutuu kapenevaan, kiilamaiseen rakoon, johon akselin pyöriminen muodostaa kuormaa kantavan paineen (Kivioja ym. 2004, 133). Liukulaakerien toimivuuteen vaikuttaa kolme merkittävää parametria: 1. suhteellinen epäkeskisyys 2. liukukehän pituus 3. halkaisija/leveyssuhde. (Kivioja ym. 2004, 145.) Liukulaakerin optimaalinen toimintapiste suhteessa kuormitukseen, epäkeskisyyteen, vaadittuun kalvonpaksuuteen ja laakerigeometriaan riippuu siitä, tavoitellaanko pientä kitkakerrointa vai suurta kuormankantokykyä. (Kivioja ym. 2004, 146.)