Suunnittelun dokumentit, kaaviot ja toteutus suunnittelu

Transkriptio

1 Yksikköoperaatiot ja teolliset prosessit CHEM-A2100 Suunnittelun dokumentit, kaaviot ja toteutus suunnittelu Syksy

2 Oppimistavoite Tuntee prosessisuunnittelun dokumentit Ymmärtää prosessin kaaviot Ymmärtää toteutussuunnittelun sisältö 2

3 SUUNNITTELUN DOKUMENTIT TIETOVIRRAT Suunnittelu on tiedon hankintaa, käsittelyä ja siirtoa, jossa prosessisuunnittelija on keskeisessä asemassa tiedon tuottajana. Prosessisuunnittelu siis antaa lähtötiedot laite- ja laitossuunnittelulle toteuttavassa suunnittelussa. Tiedonsiirto tapahtuu dokumenttien avulla, jotka voivat olla joko sähköisiä tai paperilla olevia. Nykyisin suunnittelujärjestelmät sisältävät suunnittelutietokantoja, joita suunnittelija täyttää. 3

4 Kuva: Tietovirrat prosessisuunnitelusta 4

5 PROSESSISUUNNITTELUN DOKUMENTIT Prosessisuunnittelun tulos, suunnittelumateriaali esitetään erilaisina dokumentteina esim.: kaaviot (virtaus-, PI-kaaviot); standardi SFS 4285 määrittelyt luettelot (laite, instrumentti) (putki, laite) ohjeet, selostukset (käynnistys- ja käyttöohje, toimintaselostus) Yhtä oleellista kuin hyvän suunnittelumateriaalin tuottaminen, on sen varmistaminen, että suunnittelumateriaali on mennyt oikealle henkilölle ajoissa ja se on ymmärretty oikein. Tähän pyritään 1. jakelulistoilla 2. aikatauluilla 3. tehdyn suunnittelutyön tarkastamisella 4. hyväksymismenettelyillä. 5

6 KAAVIOT 1. LOHKOKAAVIO Kuvaa prosessin päävaiheita lohkoina. Kuva: Block diagram of biomass to liquid process 6

7 Prosessin periaatekaavio Käytetään toisinaan lohkokaavion sijasta kuvaamaan prosessin vaiheita. 7

8 2. VIRTAUSKAAVIO (PFD) Virtauskaavio (engl. flowsheet) on prosessin tasekaavio, josta näkee toimintaperiaatteen ja käytetyt olosuhteet. Kuvaa prosessin toimintaperiaatetta (päälaiteita, pää-säätötarpeita) ja ainetaseita sekä toimintaolosuhteita (T, p) Virtauskaaviossa on: 1. kaaviokenttä (prosessi esitetty) 2. tasekenttä (ainetase ja olosuhteet esitetty) 3. otsikkokenttä (kaavion nimi, numero ja revisio esitetty) 8

9 9

10 3. PUTKISTO JA INSTRUMENTOINTIKAAVIO PI-kaavio (putkisto- ja instrumentointikaavio, engl. PI- diagram, PID) esittää prosessin teknisen toteutuksen yksityiskohtaisesti: --kaikki laitteet --putket --instrumentit --putkivarusteet (venttiilit jne.) Sisältää kuten virtauskaaviokin: 1. Kaaviokentän 2. Otsikkokentän mutta ei tasekenttää. 10

11 Tislauskolonnin PI-kaavion osa 11

12 4. KAAVIOMERKIT SFS 4286 (Standardi) Virtauskaaviossa yksikertaiset yleismerkit. Laitetunnukset ja numerot GA-101 DA-31 FA-403 pumppu kolonni säiliö Putkia ja instrumentteja ei numeroida. PI-kaaviossa yksityiskohtaisemmat laitemerkit. Myös putket ja instrumentit numeroidaan. Esim. 40 P101-A1 40mm prosessiputki jonka putkiluokka on A1 100 S246-A3 100mm höyryputki jonka putkiluokka on A3 FICA-102 virtaussäädin, josta hälytys 12

13 Virtauskaavion (vas.) ja PI-kaavion (oik.) piirrosmerkit lämmönsiirtimelle 13

14 5. PIIRTOTAPA Selkeästi ja väljästi. Korkeustasot kuvaavat suurin piirtein laiteitten asemaa toisiinsa nähden: Ylin taso: Keskitaso: Alataso: säiliöt, kolonnit lämmönsiirtimet pumput Kaavion tulee antaa oikea kuva mittasuhteista ja toimintatavasta (esim. vapaa virtaus tasolta toiselle) 14

15 6. INSTRUMENTIT (SFS 4103) F = flow = virtaus L = level = pinta P = pressure =paine T= temperature = lämpötila I = indicating = osoittava C=controlling=säätävä A= alarm= hälytys FICA 101 Esim. FICA

16 Hälytys ja lukitus: lukitus HH hälytys H hälytys L lukitus LL Sijoitetaan renkaan ulkopuolelle FICA 101 HH H 16

17 7. LAITETUNNUKSET Laitetunnukset ovat tyyppiä FA-101, jossa kirjainosa kertoo laitteet tyypin, numerosarja alueen ja viimeinen numero järjestysluvun ko. alueella. Esim. FA-101 on alueen 100 ensimmäinen säiliö. Kirjainosalle on monia järjestelmiä. Alla esimerkkejä yhdestä: DA kolonni DC reaktori EA lämmönsiirrin FA säiliö GA pumppu GB kompressori HA suodatin Laitteet, putket ja instrumentit numeroidaan alueittaisiin sarjoihin. Esim. esikäsittely 100-sarja, reaktio-osa 200-sarja jne. 17

18 8. PUTKITUNNUKSET Putkikoko-Putkinumero-Putkiluokka Esim. 100 P105-A1 100 mm koko P105 numero A1 putkiluokka (= paineluokka + materiaali) Putkien virtaavan aineen tunnuksia: P = prosessiaine S = höyry (steam): LS = matalapainehöyry; MS keskipaineh.; HS korkeapaineh. C = lauhde (condensate) CW = jäähdytysvesi (cooling water) 18

19 LAITEMÄÄRITTELYT JA LUETTELOT Prosessisuunnittelija laatii laitteista määrittelylomakkeet, joilla ilmoitetaan laitteiden prosessitiedot muille suunnittelijoille. Säiliöistä yms. laaditaan lisäksi skissit. Alla on pumppumäärittelylomake. Laitteista yms. laaditaan luettelot, jotka takaavat että mikään ei pääse unohtumaan mm. hankinnassa. Luettelot: Laiteluettelo Putkiluettelo Instrumenttiluettelo Moottoriluettelo 19

20 PUMP SPECIFICATION Project Nalmefene micronization process Issuer Date Checked Component nr. GA-201 Type membrane pump Usage To pump etanol-nalmefene solution Bianca Zilliacus Jari Tuomarla OPERATING CONDITIONS Material EtOH + nalmefene HCl Temperature C 20 Density kg/m Vapour pressure kpa 5.8 Viscosity mpas 1.2 Capacity, working m 3 /h desing m 3 /h 0.05 min/max m 3 /h 0,0425 / 0,05 Pressure, pressure side kpa suction side kpa 100 Head m NPSH av m 12.2 Hydraulic power = 100% kw Shaft power = 60 % kw TECHNICAL INFORMATION Type Materials Design pressure kpa Design temperature C Motor: Component nr. Type Power kw Rotating speed 1/s Current A Voltage V 20

21 Laiteluettelo 21

22 SELOSTUKSET, KUVAUKSET, OHJEET - prosessikuvaus - eri järjestelmien kuvaukset OHJEET - käyttöohjeet - käynnistys - pysäytysohje - turvallisuusohjeet 22

23 MUUT KAAVIOT Muiden kuin prosessisuunnittelun laatimia kaavioita ovat mm. SÄÄTÖKAAVIOT Monimutkaisemmista säädöistä laaditaan säätökaaviot. PI-kaavio sisältää vain säädön pääperiaatteen. PUTKISTOKAAVIOT Laite- ja putkistosuunnittelu laatii erilaisia laite- ja putkistokaavioita joihin palataan tuonnempana SIJOITUSKAAVIOT LAITEKAAVIOT 23

24 KUVA: SÄÄTÖKAAVIO 24

25 DOKUMENTTIEN VERSIOT (REVISIOT) Dokumenteissa mainitaan piirustusnumeron lisäksi aina revisionumero muutoskentässä, joka kertoo kuinka mones muutos on kyseessä (esim. rev. 3 on kolmas muutos). Suunnitelmat hyväksyy aina jokin toinen suunnittelija (yleensä esimies). Eri tasoja suunnitelmista (kaavioista) ovat: FC = for comments AFD = accepted for design (hyväksytty jatkosuunniteluun) AFC = accepted for construction (hyväksytty rakentamiseen) 25

26 TOTEUTUSSUUNNITTELU 1. PERUSSUUNNITTELU 2. LAITESUUNNITTELU 3. LAITOSSUUNNITTELU 4. SIJOITUSSUUNNITTELU 26

27 1. PERUSSUUNNITTELU Toteuttava suunnittelu alkaa aina perussuunnittelulla. Perussuunnittelu keskittyy PI-kuvien tekemiseen AFDvaiheeseen (accepted for design) ja kaikkien laitteiden datasheetit eli laitemäärittelyt prosessisuunnittelun tekeminä. Sen lisäksi automaatiosuunnittelu tekee automaatiojärjestelmän määrittelyn sisältäen instrumenttien ja säätimien lukumäärän. Laitossuunnittelu tekee layoutin (sijoitussuunnitelman) tässä vaiheessa. Lisäksi HAZOP:in eli (poikkeamatarkastelu). Myös kustannusarvio ja toteutusvaiheen projektisuunnitelma. Tähän vaiheeseen ei kuulu (vielä) putkisto- eikä instrumenttisuunnittelua eikä laitekuvia. Perussuunnittelusta 60-80% on prosessisuunnittelua. 27

28 2. LAITESUUNNITTELU Laitesuunnittelussa jatkosuunnitellaan ja valitaan laitteet prosessisuunnittelijan antamien lähtötietojen avulla. Laitesuunnittelu antaa laitetiedot eteenpäin hankintaa varten. Laitesuunnittelun osia ovat: -Paineastiasuunnittelu -Lämmönsiirrinsuunnittelu -Pumppujen ja kompressorien suunnittelu 28

29 3. LAITOSSUUNNITTELU PUTKISTOSUUNNITTELU Tekee putkikuvat (isometrit ja tasokuvat) putkistojen valmistusta varten. Laskee tarvittavien materiaalien määrät. SIJOITUSSUUNNITTELU Laatii sijoitussuunnitelman (layout) laiteiden sijoituksesta. RAKENNUSSUUNNITTELU Rakennustekniset suunnitelmat: - rakennukset - perustukset - pohjatyöt - betoniset tukirakenteet 29

30 Isometrit Isometrinen piirustus eli isometri on putkiston valmistuspiirustus, joka voi sisältää hyvin laaja-alaisesti tietoa putkiston valmistusta varten. Isometrit voidaan jaotella alue-, ryhmä-, linja- sekä linjaosaisometreihin. - Alueisometri tietyn alueen putkistot sekä niihin liittyvät laitteet - Ryhmäisometri tietyn prosessivaiheen putkistot - Linjaisometri yksittäinen putkilinja sekä mahdollisesti siihen liittyviä apu- tai ohituslinjat yleisin isometrityyppi 30

31 KUVA: Isometri 31

32 KUVA: Tasokuva 32

33 TERÄSRAKENNESUUNNITTELU Teräsrakenteiden suunnittelu: - tukirakenteet prosessilaitteille - kulkusillat - putkisillat INSTRUMENTOINTI- JA SÄÄTÖSUUNNITTELU - instrumentointi ja säätökaaviot SÄHKÖSUUNNITTELU sähkösuunnitelmat: - kaapelointi - muuntamot - jne 33

34 Kannakointi Putkiston kannakoinnin tehtävä on vastaanottaa putkiston painon aiheuttama kuormitus kannatuspisteessä ja jakaa kuormitus sekundäärikannakkeiden avulla ympäröiviin rakenteisiin. Kannakointi ottaa vastaan myös putkistosta tulevat värähtelyt ja liikkeet sekä lämpölaajenemisen aiheuttamat voimat oikein ja estettävä putkistoon liittyvien laitteiden vahingoittuminen. On tärkeää valita oikeat primäärikannakkeet ja sijoittava ne oikeaan kohtaan putkistossa. Kannakepisteen valintaan vaikuttavat myös putkiston käytön ja huollon vaatimukset. Putkiston kannakointi on huomioitava jo layout-suunnitelmaa tehtäessä. Hyvin suunniteltuna kannakointi mahdollistaa putkiston toimivuuden. Väärin suunniteltuna kannakointi pilaa putkiston toimivuuden ja hankaloittaa huoltoa ja kunnossapitoa. 34

35 4. SIJOITUSSUUNNITTELU Sijoitussuunnittelulla tarkoitetaan toisaalta itse prosessin pääosien (prosessialue, varastot, jäteveden käsittely, konttorit jne.) keskinäistä sijoitusta; ulkoinen layout prosessialueen sisäistä layoutia eli laitteiden sijoitusta prosessialueen sisällä. 35

36 Ulkoinen layout Ulkoinen layout tähtää turvallisuuteen ja toisaalta kuljetusten ja varastoinnin järkevään suorittamiseen. Vaarat ovat myrkyllisyys-, palo- ja räjähdysvaaroja. Vaaralliset laitteet, mm. kaasuvarastot pitää sijoittaa erilleen muusta prosessista. Sijoitus on kaukana syttymislähteistä (esim. Uuneista) ja henkilötiloista tuulen alapuolella. Sama koskee lastauspaikkoja tms., joissa on vuotovaaroja. Soihdut ja muut syttymislähteet tulee olla vallitsevan tuulen suunnan yläpuolella. Prosessialueet ympäröidään teillä, jotka takaavat useita poistumissuuntia. Vastaavasti pelastuskalusto voi tällöin lähestyä aluetta eri suunnista. 36

37 Kuva: Alueen layout 37

38 Kuva: Tehtaan layout jossa useampi prosessialue 38

39 Sisäinen layout Sisäiseen layoutiin eli laitteiden sijoitukseen vaikuttavat prosessiteknilliset kysymykset, turvallisuustekijät ja laitteiden huollon vaatima tila. Lisäksi henkilökunnalla tulee olla riittävästi tilaa liikkua prosessialueella. Sijoitussuunnittelun peruskysymys on päätös sijoitetaanko laitos ulos vai sisälle rakennukseen tai osittain molempiin. Tähän vaikuttaa laitteiden koko (esim. tislauskolonnit) ja käsiteltävien aineiden vaarallisuus. Laitokset, jotka käsittelevät suuria määriä palavia, haihtuvia tai myrkyllisiä aineita, sijoitetaan mielellään ulos. Vuotovaarallisia prosesseja ja laiteita kuten kompressorit jne. ei laiteta sisään (tuuletus!). Kompressorit ja suodattimet vaativat Suomessa vähintään katoksen, jollei niitä laiteta sisätiloihin. 39

40 Toisaalta on päätettävä sijoitetaanko laitos yhteen vai useapaan tasoon. Eri tasoon sijoittaminen voi helpottaa siirtoja eri käsittelyvaiheiden välillä ja vähentää pumppujen määrää. Toisaalta painavien laitteiden sijoittaminen eri tasoihin voi maksaa lisää rakennuskustannuksina. Kuva. Sisälle sijoitetun laitoksen lattia layout 40

41 Sisäinen layout Laitteiden sijoitus toisiinsa nähden. Huomioitavia tekijöitä ovat: saman osaprosessin laitteet sijoitetaan samalle alueelle toiminnallisesti peräkkäiset laitteet lähekkäin. (logisuus, <putki) eli siis läheisesti yhteen kuuluvat laitteet lähekkäin prosessitekniset tekijät voivat vaatia lähelle sijoittamista: Esim. tislauskolonnin kiehutin ja ylimenosäiliö sijoitetaan kolonnin lähelle. laitteiden korkeussijoittelu; pumppujen NPSH-vaatimus (varsinkin jos imu kiehuva!) ja mahdollisuus vapaaseen virtaukseen (tislauskolonnin lauhduttimesta ylimenosäiliöön) huomioi turvaetäisyydet tiettyjen laiteiden välillä; mm. uuneihin ja palavan aineen varastoihin. 41

42 Sisäinen layout erityisen räjähdysvaaralliset laitteet sijoitetaan erilleen suojaseinän taakse niin, että räjähdysvoima suuntautuu turvalliseen suuntaan, jossa kevyt seinä. korkeat laitteet sijoitetaan usein yhdelle alueelle. Ex-alue (palavien aineiden alue; Atex määräykset) erotetaan muista alueista, samoin puhdasalueet sekä usein tilat, joissa käsitellään pölyäviä aineita erityisen meluavat laitteet omaan tilaan (kompressorit yms.) sosiaalitiloihin ei saa olla suoraa käyntiä työtiloista (vain käytävän kautta). nostolaitteilla ja kuljetusvälineillä on päästävä käsiksi pyöriviin laitteisiin. Tällöin isommat pumput ja lämmönsiirtimet yleensä sijoitetaan käytävän viereen. avattavien laitteiden huollon vaatima tila varataan. Esim. EA 42

43 Suunnittelussa käytetään usein 3-D CAD:a Oikea prosessi CAD kuva 43

44 Kuivausrummun CAD-kuva (kemira) 44

45 Kuva. Putkisto ja sijoitussuunnittelu tehdään yleensä 3D malleilla, joista tehdään sitten 2D kuvia (leikkauksia). 45

46 Biotuotetehdas - Metsä Group, Äänekoski 46

47 Kertaus Prosessisuunnittelun tulos, suunnittelumateriaali esitetään erilaisina dokumentteina. Virtauskaavio kuvaa prosessin toimintaperiaatetta ja aine ja energia taseita. PI-kaavio on prosessin yksityiskohtaiset teknisen toteutus Toteutussuunnittelu luo perustan investointihankeen toteuttamiselle. 47