Yksikköoperaatiot ja teolliset prosessit PROSESSIN SÄÄDÖT. Syksy 2015

Transkriptio

1 Yksikköoperaatiot ja teolliset prosessit CHEM-A2100 (5 op) PROSESSIN SÄÄDÖT Syksy

2 Oppimistavoite Saada peruskäsitys prosessin säädön/prosessiohjauksen merkityksestä Tuntee prosessin säädön perusteet Tunnistaa virtauskaavion kohteet, joissa säätöä tarvitaan. Ymmärtää säätöpiiri ja sen osat 2

3 Prosessin säädöt Prosessin säädöillä (ohjauksilla) on kriittinen vaikutus prosessin turvallisuuteen, energiatehokkuuteen, tuottavuuteen, vaihteluun, tuotelaatuun ja päästöihin. Prosessisäädön avulla voi pitää prosessin halutussa tilassa ja välttää esimerkiksi reaktion karkaaminen (runaway), ei-toivotut reaktiot ja ilmiöt (kiteytyminen, kaasun muodostus, tuotteen hajoaminen, likaantuminen, jne ) 3

4 SÄÄTÖJÄRJESTELMÄT Virtauskaaviossa esitetään prosessin säätötarpeet, mutta ei pelkkiä mittauksia, jotka eivät säädä. PI-kaaviossa esitetään molemmat yksityiskohtaisemmin. Säätöventtiilien lisäksi esitetään ohitukset ja sulkuventtiilit. Säätökaavioissa, jotka säätöinsinöörit laativat, esitetään säädöt ja niihin kuuluvat laskennat täydellisinä. Prosessisuunnittelija joutuu siis määrittelemään säätötarpeet. Seuraavassa esitetään pääperiaatteet. 4

5 Säätöpiiri Säätöpiiri koostuu säädettävästä prosessista toimilaitteineen, mittausanturista ja - lähettimestä sekä säätimestä. Säädin antaa ohjauksen toimilaitteelle tyypillisesti analogiamuotoisena (standardi) virtaviestinä (4-20 ma) tai digitaalisena viestinä. Toimilaite (hydraulinen, pneumaattinen, mekaaninen, sähköinen) vaikuttaa prosessin suureisiin (lämpötilaan, pinnankorkeuteen, pyörimisnopeuteen, pitoisuuteen, paineeseen, jännitteeseen jne.), usein vielä samanaikaisesti moneen eri suureeseen. Säädettävä suure mitataan (oloarvo) ja mittausviesti kytketään takaisin säätimelle, missä sitä verrataan käyttäjän tai jonkin muun säätimen antamaan asetusarvoon. Säädin laskee erosuureen perusteella ohjauksen toimilaitteelle. Todellisiin järjestelmiin liittyy myös häiriöitä esim. mittauskohinaa ja kuormitushäiriöitä. 5

6 Säätöpiiri 6

7 Virtaava aine - toimilaite Toimilaite on yleisnimike laitteelle, jolla säädetään putkessa virtaavaa ainetta. Toimilaite voi olla säätöventtiili (neste, kaasu, höyry) pumppu (neste) säätöpelti tai kompressori (kaasu) Säätöventtiili muodostuu toimimoottorista (käyttölaite) ja toimielimestä (säätöelin). Toimimoottori muuttaa karan välityksellä toimielimen asentoa. Lisäksi joissakin säätöventtiileissä on asennoitin, jonka avulla toimielin saadaan tarkasti haluttuun asentoon. Yleisimmät säätöventtiilit istukkaventtiili läppäventtiili palloventtiili 7

8 8

9 9

10 10

11 Säädöt voi jakaa kahteen luokkaan: 1. Perussäädöt Pinta, paine, lämpötila, virtaus (elil,p,tjaf) Tavoitteena on stabiloida nämä suureet lyhyellä aikavälillä. Perussäädöt stabiloivat prosessin niin, että se on hallittavissa. 2. Korkeamman tason säädöt Esimerkkeinä laatusäädöt ja optimoivat säädöt. Ne säätävät prosessia hitaasti pitkällä aikavälillä antamalla uusia asetusarvoja perussäädöille. Korkeamman tason säädöt pyrkivät esim. optimoimaan prosessia tutkimalla kohdefunktion arvoa. 11

12 TUNNUKSET HH H L Instrumentin tunnus Instrumentin tunnus muodostuu kirjainosasta ja numeroosasta; esim. FICA-120. Ensimmäinen kirjain tarkoittaa mitattavaa suuretta, muut viittaavat yleensä mittauksen toimintatapaan: I = osoittava, C = säätävä, A = hälytys 12

13 Hälytykset ja lukitukset esitetään tarkemmin instrumenttimerkin ulkopuolisin merkinnöin: L = alarajahälytys, H = ylärajahälytys, LL = alarajalukitus, HH = ylärajalukitus. Hälytys tapahtuu, kun mittausarvo saavuttaa hälytysrajan. Jos mittaus saavuttaa myös lukitusrajan, tapahtuu automaattinen lukitustoiminta esim. venttiili sulkeutuu tai aukeaa, moottori pysähtyy tai käynnistyy jne. riippuen lukituksen toimintatavasta. 13

14 SÄÄTÖJEN VALINNAN PÄÄPERIAATTEET Säätöjä määriteltäessä edetään seuraavassa järjestyksessä: 1. Päätetään, mitkä parametrit halutaan stabiloida eli pitää vakioina. Nämä parametrit pitää mitata. 2. Päätetään, mitä muuttujia muuttamalla kohdan 1 tavoite saavutetaan. Ts. päätetään mitä muuttujia manipuloidaan. Esim. kuvan mukaisessa prosessissa pinta pidetään vakiona säätämällä poistovirtaa: 14

15 3. Mietitään käyttäen maalaisjärkeä sopiva säätöjen määrä niin, että prosessi on säädetty, mutta ei yli- tai alisäädetty (vapausasteajattelu). Esim. samaan virtaan ei saa koskaan laittaa kahta säädintä, koska yhdellä muuttujalla ei voi säätää kahta asiaa, vaan säätimet rupeavat 'sotimaan' toisiaan vastaan. Vastaavasti tietyn laitteen kaikkia virtoja ei voi virtaussäätää, vaan yksi virta, johon häiriöt ajetaan, on jätettävä vapaaksi esim. pinnansäädölle. Lähes kaikki säädöt suoritetaan säätöventtiilein, muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta. 15

16 Käytännössä voi edetä seuraavasti: Prosessin tärkeimpien laitteiden (reaktorit, erotuslaitteet) syötöt vakioidaan (eli niihin tulee virtaussäätö), koska laitteet toimivat parhaiten vakiotilassa. Vähemmän herkkien laitteiden syöttövirrat, kuten varastoon menevät virrat, saavat muuttua vapaasti (eli ne saavat olla pinnan säädön perässä). Prosessilaitteiden pinnat säädetään, koska ei haluta ylivuotoja tai säiliön tyhjenemistä, josta aiheutuisi häiriöitä. Poikkeus: Isojen varastosäiliöiden pintoja ei säädetä vaan ainoastaan mitataan, koska näiden säiliöiden tarkoituksena on toimia puskureina, jolloin niiden pintojen tuleekin vaihdella, jos esim. poistovirta halutaan pitää vakiona. 16

17 VIRTAUSSÄÄTÖ (F) Virtauksen tavallisimmat säätötavat. Pumppuun nähden järjestys on aina seuraava: pumppu -> virtausmittaus -> säädin (säätöventtiili). Säätöventtiili on siten aina pumpun jälkeen NPSH syistä (imussa ei sallita suuria painehäviöitä). Mittaus on aina ennen säätöventtiiliä, koska venttiilistä tuleva turbulenssi häiritsee virtausmittausta. Säätöventtiilillä muutetaan putkilinjan painehäviötä. Sitä voi käyttää vain keskipakopumpun säätöön. Muut pumput säädetään pyörimisnopeuden tai iskutilavuuden avulla. 17

18 Kuvat. Säätöventtiili (vas. ja kesk. pneumaattinen toimilaite, oikealla sähköinen) 18

19 Pyörimisnopeussäätö (kierroslukusäätö) Nykyisin virtausta säädetään yhä useammin taajuusmuuttajan (invertterin) avulla. Sähkön taajuutta muutetaan, jolloin moottori pyörii eri nopeudella. Keskipakopumppujen tuotto riippuu pyörimisnopeudesta (pumppukäyrä muuttuu). Pyörimisnopeussäätöä käytetään: - isoilla pumpuilla, joita ajetaan vajaa kapasiteetilla (energian säästö) - isoissa bioprosesseissa, koska suuret steriiliventtiilit ovat kalliita FC Ppppp Pumppu - Sekoittimien moottoreissa käytetään myös taajuusmuuttajaa Kuva: Pumppukäyrä muuttuu 19

20 Syrjäytyspumput (mäntä-, kalvo- hammaspyörä- ja annostelupumput yms.) Syrjäytyspumppuja säädetään: - iskun pituuden säädöllä - pyörimisnopeuden säädöllä - ohitussäädöllä Näin, koska ne antavat korkean paineen ja niiden pumppukäyrä on hyviin jyrkkä, sillä ne ovat luonteeltaan pakkosyöttöpumppuja. Kuva: kaksoiskalvopumppu 20

21 PAINESÄÄTÖ (P) Paine parhaiten säädetään pumpulla, kompressorilla, ja paineenalennus venttiilillä. Painemittaus täytyy sijoittaa sille puolelle venttiiliä, jonka puolen painetta halutaan säätää. 21

22 LÄMPÖTILANSÄÄTÖ (T) Lämpötila on kriittinen muuttuja joka voi johtaa räjähdykset, reaktion karkaaminen ja myös ei-toivottuja reaktioita. Lämpötilan mittaus tulee sijoittaa siihen kohtaan, jonka lämpötila halutaan säätää. Esim. Lämmönsiirtimen tulolämpötilaa voi säätää säätöventtiiliä käyttäen joko höyryn tulopuolelta tai lauhteen lähtöpuolelta. lauhteenerotin 22

23 Ensimmäisessä tapauksessa muutetaan höyryn lauhtumispainetta (ja-lämpötilaa), joka vaikuttaa lämmönsiirtimen lämpötilaeroon. Jälkimmäisessä tapauksessa säädetään lauhtumispinta-alaa muuttamalla välillisesti lauhteen pinnan korkeutta siirtimessä. (Lauhtumista tapahtuu vain pinnan yläpuolella!) Q=kADT ln PINNAN SÄÄTÖ (L) Nestepinta on säädettävä reaktorissa, flash-säiliössä, kolonnissa ja tankissa. Pinnan säädön puute voi johtaa: ylivuoto prosessivirran likaantuminen DT ln prosessin epäsäännöllinen virtausnopeus epätäydelliseen lämmönsiirtoon ja sekoitukseen 23

24 Pinta voidaan säätää joko tulevalla tai lähtevällä virralla. Täytyy miettiä, kumpi on vapaana käytettävissä säätöön sen jälkeen, kun virtaussäädöt on valittu. Lisäksi tarvitaan hälytys (ja toisinaan lukitus) pinnasta, koska toisen virran muutos voi johtaa säiliön tyhjenemiseen tai täyttymiseen, jos säätöventtiilin säätövara ei riitä. (Pumppua ei saa ajaa kuivana.) Sarjasäätö 'tavallinen' säätö 24

25 SARJASSA OLEVIEN LAITTEIDEN SÄÄTÖ Täytä säädöt: REAKTORI REAKTORI VARASTO 25

26 SARJASSA OLEVIEN LAITTEIDEN SÄÄTÖ Ratkaisu: LC LC FC FC REAKTORI LC REAKTORI LC VARASTO 26

27 VENTTIILIEN TURVA-ASENNOT Säätöventtiileille määritellään turva-asennot, johon ne joutuvat instrumentti-ilma- tai sähkökatkossa. Tavallisimmat vaihtoehdot ovat, että jousi joko sulkee tai avaa venttiilin, kun instrumentti-ilman paine katoaa. Tämä päätetään turvallisuuskriteerien perusteella. Mieti, mikä turva-asento on jäähdytys- ja lämmitysventtiileillä? Kuva. Venttiili avautuu -turva-asento (nuoli) 27

28 SÄÄTÖVENTTIILIN MITOITUS Säätöventtiilin prosessitiedot ovat: tilavuusvirta (norm./max./min.) paine-ero Säätöventtiilin paine-ero valinta: vähintään 50 kpa vähintään 100 kpa, jos tulo- ja lähtöpaineet vaihtelevat 28

29 Esimerkki p1 p2 Dp FC P1= 100 ΔP= 300 ΔP= 100 p2 =300 kpa kpa toimiiko? Pinnat säiliöissä valitaan pahimman tapauksen mukaan. 29

30 Kertaus Prosessien säätö/ohjaus on välttämätön osa teollisuuden laitteita ja prosesseja Säätöä tarvitaan niin jatkuva- kuin panostoimisissa prosesseissa Säädöllä pidetään prosessi halutussa toimitatilassa käyttäen sopivia järjestelmiä ja algoritmeja Säätösysteemiin kuuluu mittausanturi, mittauslähetin ja toimilaite,. Prosessien säätö nahdollistaa automation, jonka avulla operaattorit voivat ohjata monimutkaista prosessia ohjaamosta Prosesseja ei voi ajaa turvallisesti ilman säätöä, Prosessiohjauksella on kriittinen vaikutus prosessin turvallisuuteen, energiatehokkuuteen, tuottavuuteen, vaihteluun, tuotelaatuun ja päästöihin. 30