MONIPOLTTOAINEKATTILAN OHJAUS DAMATIC XD:LLÄ

Timo Heikkinen - Diplomityö

Aihe hyväksytty osastoneuvoston kokouksessa 5.6.1991

Tarkastaja: vs. prof. Petri Jarske

ALKULAUSE

Tämä diplomityö on tehty yhtiölleni sen toimiessa alihankkijana Valmet Automation Oy:n projektiosastolle. Valmet Automation Oy:n puolesta valvojana toimi projektipäällikkö Jorma Hautala. Haluan kiittää häntä saamastani opastuksesta ja kannustuksesta.

Työn ohjaajana toimi Tampereen Teknillisellä Korkeakoululla vs. professori Petri Jarske, jota haluan kiittää saamistani ohjeista.

Kiitoksen haluan osoittaa myös kaikille projektiin osallistuneille henkilöille kommenteista, neuvoista ja tuesta.

Nokialla 2.2.1992
Timo Heikkinen
Orelinkatu 23
37120 Nokia
Puh. 931-422 221

SISÄLLYSLUETTELO

TAMPEREEN TEKNILLINEN KORKEAKOULU
Sähkötekniikan osasto
Signaalinkäsittely
HEIKKINEN, TIMO: Monipolttoainekattilan ohjaus Damatic XD:llä
Diplomityö, 58 s., 2 liites.
Tarkastaja: vs. prof. Petri Jarske
Rahoittaja: Digimaatio Oy
Helmikuu 1992

Voimalaitosten turvallisuusvaatimukset luovat kehyksen, jonka sisällä automaatiojärjestelmän tulisi toimia mahdollisimman taloudellisesti. Uusien automaatiojärjestelmien kehittyneet käyttäjäliitynnät sekä ohjelmien helppo muokattavuus edesauttavat päämäärän saavuttamista. Uuden teknologian käyttöönotto vaatii kuitenkin suunnittelijoilta perusteellisempaa asioiden käsittelyä kuin aiemmin koeteltujen ratkaisujen käyttö.

Rautaruukki Oy:n Raahen terästehtaan voimalaitoksella käyttöön otettu kattila K4 on sovelluskohteena vaativa. Automaatiojärjestelmän ohjaukseen kytkettiin käytöstä poistettujen kattiloiden K1 ja K2 sekä edelleen käytetyn kattila K3:n syöttövesipiirit yhteiskäyttöön. Uudessa kattilassa poltetaan tehtaalla sivutuotteena syntyviä kaasuja, sekä tarvittaessa erilaatuisia öljyjä. Polttoaineiden erilaisuudesta johtuen kattilassa on kaikkiaan 14 poltinta, joita pitäisi pystyä käyttämään toisistaan riippumatta. Automaatiojärjestelmän tulee tukea poltinten yhteiskäyttöä sekä auttaa käyttöhenkilöstöä ajamaan laitosta mahdollisimman taloudellisesti ja turvallisesti.

Projekti oli yksi ensimmäisistä, jossa toteutettiin höyrykattilalaitoksen automatisointi Damatic XD:llä. Voimalaitosympäristön tiukkojen turvallisuusmääräysten vaatimukset kyettiin täyttämään hyvin. Suojapiirit toteutettiin sekä hajautetun järjestelmän prosessiasemaohjelmilla, että uusia ohjelmoitavia logiikkakortteja käyttämällä. Logiikkakorttien käytöllä vältettiin koko järjestelmän kahdentaminen tai kalliiden langoitettujen logiikoiden käyttö.

Moottori- ja venttiiliohjaukset toteutettiin myös pääosin ohjelmoitavilla logiikkakorteilla, jolloin prosessiaseman vikaannuttua itsenäisesti toimiva logiikkakortti mahdollistaa ohjauksen varaohjauspaikalta tai suoraan kortilta.

Säätöpiirit ohjelmoitiin prosessiasemille, joiden vikadiagnostiikka ja hälytysten käsittely tuottavat käyttäjälle turvallisuusvaatimukset täyttävän informaation.

Tässä työssä esitellään ensin Damatic XD:n laitteisto- ja ohjelmistorakenne. Tämän jälkeen tarkastellaan voimalaitoksen prosesseja yleisesti. Tarkemmin tutustutaan syöttöveden virtauksen, lieriön vesipinnan korkeuden sekä höyryn lämpötilan ja paineen säätöjen toteutukseen. Lisäksi esitellään kattilan nuohoukseen liittyvät ohjelmat.

Automaatiototeutuksessa onnistuttiin luomaan ohjauskokonaisuus, jolla laitoksen käyttö täyttää turvallisuusvaatimukset. Korkean automaatioasteen johdosta käyttäjien työn mielekkyys on kasvanut. Itsedokumentoivan CAD-pohjaisen konfiguroinnin ja yhtenäisen laitetekniikan ansiosta ylläpidon kustannukset saadaan pidettyä pieninä.

Järjestelmän muokattavuus on jo asetettu kokeeseen projektin päätyttyä. Kattilaan lisättiin kivihiilitervan poltto kahdelle polttimelle, eikä toteutuksessa esiintynyt vakavia ongelmia. Laajennus ei kuitenkaan kuulu tämän diplomityön piiriin.

LIITELUETTELO

Liite 1. Lieriön pintasäädön askelvaste

Liite 2. Lieriön pintasäädön vaste höyryn kulutuksessa tapahtuville häiriöille

KÄYTETTYJÄ MERKINTÖJÄ

Kuva 1. Käytetyt säätökaaviosymbolit

1 JOHDANTO

Teräksen tuotanto kuluttaa runsaasti energiaa. Tehtaan tuotannon tehokkuus riippuu olennaisesti energian keskeytymättömästä saatavuudesta. Toisaalta masuunilaitoksella syntyy tuotannon sivutuotteena suuret määrät masuunikaasua, joka on pääasiassa polttoaineeksi kelpaavaa häkää. Tehtaalla käytettävän koksin tuotannossa syntyy koksikaasua, jonka lämpöarvo on suuri. Näin ollen terästehtaalla on sekä tarve että valmiudet oman voimalaitoksen hankkimiseen ja ylläpitoon.

Masuuni- ja koksikaasun saatavuus riippuu suoraan tuotantolaitosten toiminnasta. Laitosten tuotantokatkoista huolimatta täytyy voimalaitoksen pystyä jatkamaan toimintaansa. Itse tuotettujen kaasumaisten polttoaineiden lisäksi tarvitaan siis muitakin polttoaineita. Masuunikaasun huonohkojen palamisominaisuuksien vuoksi tarvitaan myös tukipolttoa varten polttoöljyä, jota poltetaan masuunikaasua sytytettäessä.

Jotta energiantuotannosta saataisiin mahdollisimman edullista, on kattilalla valmiudet polttaa useita eri öljylaatuja sekä kivihiilitervaa. Raskaimmilla öljylaaduilla ja kivihiilitervalla tuotanto on edullisinta, kun taas kevytöljyä poltetaan vasta kun muita polttoaineita ei ole käytettävissä.

Polttoaineiden palamisominaisuuksien erilaisuudesta johtuen kattilassa on useita polttimia. Polttimien ja polttoaineiden suuresta määrästä johtuen säätöjen ja logiikoiden suunnittelu ja koestus muodostuu vaativaksi tehtäväksi, koska kaikkien poltin- ja polttoaineyhdistelmien tulisi toimia mahdollisimman taloudellisesti, turvallisesti ja käyttäjäystävällisesti.

Turvallisuustekijät muodostavat oman laajan ongelmakenttänsä höyrykattilan automatisoinnissa. Viranomaisten vaatimien suojausten lisäksi automaatiosovelluksella voidaan poistaa mahdollisia riskitekijöitä, mikä usein parantaa myös laitoksen taloudellisuutta. Toisiinsa vaikuttavat piirit voidaan ohjelmoida seuraamaan toistensa toimintaa, jolloin vaihdettaessa säätö piiriltä toiselle, poistaa automatiikka vaihdon aiheuttamat ohjausten äkilliset muutokset. Usein ohjelmoidaan myös ns. lukituksia, eli pakko-ohjauspiirejä, jotka estävät tiettyjen toimintojen aktivoitumisen prosessitilanteesta riippuen.

Tämä projekti oli yksi ensimmäisistä, joissa käytettiin Valmet Automation Oy:n uutta ohjelmoitavaa logiikkakorttia (PLU, Programmable Logic Unit). PLU-korteilla toteutettiin lähes kaikki moottori-, venttiili- ja poltinohjaukset sekä kattilasuojan kahdennus. Uuden logiikkakortin käyttöönotto asetti suunnittelijat uuden haasteen eteen.

Säätöjen virittäminen on oma työvaiheensa, jonka tuloksena määräytyy pitkälti laitoksen toiminnan taloudellisuus. Kattilalaitoksen säädöt on toteutettu hierarkisesti lähtien yksittäisestä suuresäätimestä koko laitoksen pääsäätöihin. Koestus ja käyttöönotto etenee alimman tason säädöistä pääsäätöihin päin. Säätöpiirien keskinäisvaikutusten vuoksi joudutaan pääsäätöjä viritettäessä kuitenkin usein palaamaan alasäätimien pariin.

Toimin projektissa sekä sovellussuunnittelijana että järjestelmäasiantuntijana. Työni painopiste muuttui projektin vaiheen mukaan tehtävästä toiseen. Periaattena oli kuitenkin, että pyrin pääasiassa huolehtimaan omasta suunnitteluosuudestani, ja tilanteen vaatiessa paneuduin järjestelmän muutostöihin tai siinä esiintyvien ongelmien ratkaisuun.

Projektin alussa jaettiin sovelluskehitys suunnittelijoille prosessiosittain tehtäväksi. Omaksi osuudekseni sain vesi- ja höyrypiirien, pääsäätöjen sekä nuohoussekvenssin toteuttamisen. Pääsäädöt liittyvät kiinteästi polttoainesäätöihin, jotka taasen kytkeytyvät ilmasäätöihin. Pääsäätöjen toteuttaminen edellyttikin näin laitoksen tärkeimpien prosessien tuntemista.

2 DAMATIC XD -JÄRJESTELMÄ

Damatic XD on Valmet Automation OY:n kehittämä hajautettu automaatiojärjestelmä, jolla voidaan toteuttaa tehtaan automatisointi perustason säätötoiminnoista tuotannonohjaukseen ja laadunvalvontaan saakka.

2.1 Järjestelmän rakenne

Damatic XD -järjestelmä koostuu kahdennetun järjestelmäväylän toisiinsa liittämistä asemista ja tavallisella tai kahdennetulla kenttäväylällä prosessiasemiin kytketyistä kenttäliityntäkehikoista (kuva 2).

Kuva 2. Toteutettu automaatiojärjestelmä

Säätö-, laskenta- ja logiikkatoiminnat suoritetaan prosessiasemilla (PCS, Process Control Station) ja niiden alaisuudessa toimivilla liityntäkorteilla.

Operointiasemat (OPS, OPerator Station) toimivat prosessin ja käyttäjän välisenä liityntänä monitoreineen ja operointipäätteineen. Asema hakee prosessi- ja hälytysasemilta kulloinkin tarvittavat tiedot ja jalostaa ne käyttäjälle näytettävään muotoon.

Hälytysasema (ALP, ALarm Processor) kerää prosessiasemilta hälytykset ja liittää niihin tekstitiedot. Lisäksi asema tarjoaa operointiaseman haettavaksi yksittäisiä hälytystietoja sekä hälytysnäytön tarvitseman hälytyspaketin. Hälytysasemaan on liitetty hälytystorvi, joka ilmoittaa käyttäjälle uusien hälytysten ilmaantumisen. Kirjoitin tallentaa hälytysten aktivoitumiset ja poistumiset aikatietoineen myöhempää tarkastelua varten.

Prosessitietokoneliityntäasema (GTW, GaTeWay station) liittää automaatiojärjestelmän prosessihallinta-asemaan (PMS, Process Management Station) RS-232-väylällä. PMS-järjestelmä tarjoaa käyttäjälle jalostettua ylemmän tason hallintatietoa prosessista. Osa tiedoista siirretään Ethernet-väylää myöten tehtaan Energianhallintajärjestelmään (EHJ).

Diagnostiikka-asema (DIA) on järjestelmän ylläpidon kannalta tärkein asema. Se mahdollistaa sovellusohjelmien tarkastelun niiden suorituksen aikana. Prosessi-, laskenta- ja logiikkatietojen lisäksi diagnostiikka-asemalla on mahdollista tutkia asemien ja yksittäisten korttien tilaa. Aseman avulla voidaan nähdä esimerkiksi prosessiasemien kuormitus, asemien käyttämättömän muistin määrä tai järjestelmä- ja liityntäväylien liikennöinnin tila. Asema voidaan liittää modeemiin, jolloin järjestelmän ylläpidon tuottamia matkustuskustannuksia voidaan pienentää.

Sovellus toteutetaan konfigurointilaitteella, joka liittyy järjestelmäasemaan (SYS, SYstem Station) RS-232-väylällä. Konfigurointilaitteena on 25 MHz:n kellotaajudella toimiva Compaq 386-mikrotietokone. Käyttöjärjestelmänä on Interactive Unix (IX). Kone on varustettu yhdeksän megatavun käyttömuistilla, kiintolevyn kapasiteetti on 300 megatavua, ja sovelluksesta otetaan varmuuskopiot automaattisesti öisin nauha-asemalle, jonka kapasiteetti käytetystä kasetista riippuen on 150 tai 250 megatavua. Koska konfiguroinnin vaatimasta AutoCAD-ohjelmasta on käytössä MS-DOS-versio, on laitteeseen asennettu myös MS-DOS-käyttöjärjestelmää emuloiva VPiX-ohjelmisto, jonka kautta AutoCAD-pohjaisia suunnittelutyökaluja käytetään. Käytännössä VPix-emulaattori ei näy tavalliselle käyttäjälle, vaan kaikki toiminnot tapahtuvat yhtenäisen konfigurointityöpöydän kautta.

Tässä projektissa diagnostiikka-asema liitettiin tarvittaessa konfigurointilaitteena toimivaan Compaq-tietokoneeseen, johon oli kytketty modeemi. Tietokoneen käytön tehostamiseksi tuntien pituiset ajot jätettiin illalla töistä lähdettäessä suoritukseen. Illan ja yön aikana otin tarvittaessa tietokoneeseen modeemiyhteyden puhelinverkon kautta, jolloin oli mahdollista tarkastella ajon tuloksia ja tarvittaessa käynnistää uusia ajoja. Konfigurointilaitteen Unix-käyttöjärjestelmän ansiosta on mahdollista käynnistää useita ohjelmia tausta-ajolle. Modeemiyhteyden aikana oli mahdollista myös käynnistää pääteyhteys konfigurointilaitteen kautta diagnostiikka-asemaan. Koekäyttövaiheessa modeemiyhteys mahdollisti käyttäjien ongelmien ratkaisemisen asunnolta käsin, etenkin kun käytettävissä oli kaksi puhelinlinjaa, toinen puheyhteyden pitämiseksi käyttäjään, toinen modeemiyhteyttä varten. Tästä etätyöskentelystä saadut kokemukset olivat poikkeuksetta positiivisia.

2.1.1 Järjestelmäväylä

Järjestelmäväylä on enintään 2 km pitkä koaksiaalikaapeli, johon voidaan liittää enimmillään 50 asemaa. Väylän nopeus on 2 Mbit/s. Reitittäjän avulla voidaan liittää enintään 4 järjestelmäväylää toisiinsa.

Liikennöinti väylällä tapahtuu nimipohjaisesti valtuudenvälitysmenetelmällä (token passing). Nimipohjaisuus tarkoittaa, että väylän kautta siirtyviin mittaus- ym. tietoihin on konfigurointivaiheessa liitetty nimet, joiden perusteella asemat poimivat tarvitsemansa tiedot väylältä.

2.1.2 Asemien rakenne

Asemat koostuvat 3E-kehikkoon sijoitetuista pistoyksiköistä. Jokainen asema sisältää VPU-teholähteen (VME Power Unit ), keskusyksikkökortin (CPU, Central Processing Unit) ja verkonhallintakortin (NCU, Network Controller Unit). Lisäksi kehikkoon mahtuu neljä muuta 3E-kokoista korttia.

Prosessiasemilla on edellämainittujen korttien lisäksi yksi tai kaksi kenttäväyläohjainkorttia (FBC, Field Bus Controller) sekä sovellusohjelman koon vaatiessa yksi tai useampi lisämuistikortti (DMU, Dynamic Memory Unit).

Operointiasemalla on CPU- ja NCU-korttien lisäksi näytönohjainkortti (GDC, Graphic Display Controller), sekä sovelluksen koon vaatiessa yksi tai useampia DMU-muistikortteja. Monitori liittyy GDC-korttiin RGB-liitynnällä, jonka kautta on mahdollista liittää myös kuvakopiolaite. Kopiolaitteella saadaan prosessinäytöistä tuloste paperille. Kuvakopion ottaminen varaa kopiolaitteeseen liitetyn operointiaseman muutamaksi sekunniksi, jonka jälkeen kopiolaitteeseen tallennettu kuva tulostetaan väritulostimella. Operointiasemaan liittyy myös operointipääte. Päätteessä on näppäimistön lisäksi operointinäyttö, johon voidaan monitorilta kursorilla osoittamalla poimia muun muassa säätimiä, mittauksia, ja sekvenssiohjauksia. Käyttäjä ohjaa prosessia juuri operointipäätteen kautta. Operointinäyttö tunnistaa infrapunaverkon avulla käyttäjän osoitukset, ja käyttäjä voi operoida poimimiaan kohteita sormella osoittamalla. Lisäksi käyttäjä voi operoida prosessia suoraan monitorin kautta osoittamalla kursorilla haluttua kohdetta ja avaamalla sille ikkunan monitorille operointipäätteen aktivointinäppäimellä. Ikkuna on valikko, josta edelleen kursorilla valitsemalla ja näppäimistöä käyttämällä voidaan esimerkiksi käynnistää pumppuja, muuttaa säätimen asetusarvoa tai luoda trendinäyttöjä. Operointipääte liittyy operointiaseman CPU-korttiin RS-434-väylällä.

Hälytysasemalla on CPU-, NCU- ja yksi tai useampi DMU-kortti. Hälytyskirjoitin ja -torvi liittyvät CPU-korttiin. Torvea varten CPU-kortilla on jännitteetön kosketinlähtö, kirjoitin liittyy korttiin RS-232-väylällä.

Diagnostiikka-asemalla on vain CPU- ja NCU-kortti. Diagnostiikkapääte tai vastaava laite liitetään CPU-kortin RS-232-väylään.

GTW-asema on rakenteeltaan diagnostiikka-aseman kaltainen. PMS-järjestelmä liittyy siihen CPU-kortin RS-232-väylän kautta.

Järjestelmäasemalla on NCU- ja Motorolan valmistaman CPU-kortin lisäksi kaksi kiintolevyä. Järjestelmän perus- ja sovellusohjelmat sijaitsevat kummallakin kiintolevyllä kahteen kertaan, joten tiedostot ovat järjestelmäasemalla kaikkiaan neljänä kopiona.

Asemien tarvitsema sähköenergia otetaan 220 V vaihtojänniteverkosta. Jännitekatkosten varalta sähkönsyöttö on akkuvarmennettu. Akkusyöttö mahdollistaa automaatiojärjestelmän toiminnan vähintäin puolen tunnin sähkökatkoksen yli.

2.1.3 Ohjelmistorakenne

Damatic XD-järjestelmän ohjelmistot sijaitsevat konfigurointilaitteessa, järjestelmäaseman kiintolevyillä ja asemien käyttömuisteissa. Lisäksi tietyt ohjelmiston osat kopioidaan konfigurointilaitteessa varmennusnauhoille automaattisesti joka yö.

Konfigurointilaitteistossa sijaitsevat konfigurointiohjelmiston lisäksi sovellusohjelmat, sekä yleensä myös asemien perusohjelmat. Konfigurointiohjelmisto on näistä kuitenkin ainoa, joka myös suoritetaan konfigurointilaitteessa. Sovellusohjelmisto luodaan ns. automaatiomoduuleina konfigurointilaitteessa, josta ne ladataan järjestelmäasemalle järjestelmän vaatimassa muodossa. Asemilla ei ole kiinteästi kuin suppea latausohjelmisto EPROM-piireillä. Perusohjelmisto on siirretty konfigurointilaitteelta järjestelmäasemalle, josta muut asemat käynnistyessään lataavat niille kuuluvat perus- ja sovellusohjelmat käyttömuistiinsa. Järjestelyn etuna on ohjelmistojen helppo päivitettävyys, sillä asemia ei tarvitse alustaa sovellusohjelmien muutosten takia. Uuden perusohjelmaversion käyttöönotto vaatii kuitenkin aseman alustuksen. Asemien EPROM-piirejä ei yleensä tarvitse vaihtaa perusohjelmapäivitysten takia.

2.1.3.1 Konfigurointiohjelmisto

Damatic XD-järjestelmä konfiguroidaan lähes täysin graafisesti. Vain GTW-aseman sovellus sekä tietyt vakioasetukset operointi- ja hälytysasemille konfiguroidaan tekstimuotoisena.

Konfigurointiympäristönä on Unix-pohjainen suunnitteluohjelmisto (DES, Damatic Engineering System). Projektin aikana tuotekehitys tuotti uusia ohjelmistoversioita, joiden asennuksesta konfigurointilaitteeseen olin vastuussa. Unix-käyttöjärjestelmän ansiosta päivitys- ja muut ylläpitotoimenpiteet oli helppo toteuttaa.

Konfigurointi tapahtuu AutoCAD-pohjaisilla työkaluilla. Säätö-, ohjaus- ja logiikkapiirit niihin liittyvine hälytys- ja tekstitietoineen konfiguroidaan FbCAD-ohjelmalla (Function Block CAD, toimilohko-CAD). FbCAD-ohjelmalla tehdyt automaatiomoduulit koostuvat yhdestä tai useammasta konfigurointimoduulista, jotka ladataan prosessi-, operointi- ja hälytysasemille.

Operointiasemalle ladattavat kuvat konfiguroidaan GdCAD-ohjelmalla (Graphic Display CAD, kaavionäyttö-CAD). Kaavionäyttöjen teko CAD-työkalulla mahdollistaa käyttäjien toiveiden toteuttamisen tavalla, joka ei perinteisellä, tekstimuotoisella konfigurointitavalla ollut mahdollista.

Laitteiston mekaniikka-, kaapelointi- ja kaappikuvat tehdään HwCAD-työkalulla (HardWare CAD, laitteisto-CAD). HwCAD sisältää kaikkien Damatic XD:n komponenttien symbolit, joten laitteistodokumentoinnin teko tapahtuu hakemalla tarvittavat osat symbolikirjastosta ja sijoittamalla ne paikalleen.

Piirikaavioiden tekoa varten suunnittelujärjestelmässä on LcCAD (Loop Circuit CAD, piirikaavio-CAD) sekä säätökaaviosuunnitteluun CdCAD (Control Diagram CAD, säätökaavio-CAD). Rautaruukki toteutti instrumentointi- sekä piirisuunnittelun itse, ja kattilatoimittaja Ahlström Oy toimitti säätökaaviot, joten näitä työkaluja ei projektissa juurikaan käytetty.

Trendinäytöt tehdään tietokannasta generoimalla. Tietokantaohjelmistona on dBase-sovellus, joka toimii MS-DOS-ympäristössä. Tietokannasta poimitut trenditiedot siirretään konfigurointiympäristöön, jossa generoidaan historiamoduulit prosessiasemille sekä näyttömoduulit operointiasemille.

2.1.3.2 Sovellusohjelmat

Sovellus konfiguroidaan moduuleina. Modulaarisuuden ansiosta sovellus voidaan tehdä ja testata paloina, jolloin suunnittelijat voivat toteuttaa omaa suunnitteluosuuttaan pitkälti toisistaan riippumatta. Kylmäkoestusvaiheessa testataan moduulien yhteensopivuus, jolloin on helppo korjata havaittuja virheitä ja puutteita modulaarisin sovelluspäivityksin.

Suunnittelija toteuttaa sovelluksen automaatiomoduuleina, jolla tarkoitetaan CAD-työkalulla tuotetun toimilohkopiirustuksen kuvaamaa sovelluskokonaisuutta. Automaatiomoduuli koostuu yhdestä tai useammasta konfigurointimoduulista. Konfigurointimoduuli on pienin asemalle ladattava sovelluskokonaisuus. Suunnittelija ei yleensä joudu käsittelemään yksittäisiä konfigurointimoduuleja. Tästä poikkeuksena on GTW-aseman konfigurointi, joka tehdään vielä toistaiseksi konfigurointimoduuleina.

Prosessiaseman automaatiomoduuli koostuu toimintamoduulista, mahdollisista liityntä-, positio-, operointi- ja hälytysmoduuleista.

Toimintamoduuliin sijoitetaan sovelluksen vaatimat toimilohkot, joiden tuloja ja lähtöjä yhdistellään viivoilla. Signaalien kytkentään käytetään siis CAD-työkalun tarjoamia piirtomahdollisuuksia.

Liityntämoduuleja on yksi kutakin piiriin kuuluvaa liityntäkorttia varten. Moduuliin sijoitetaan liityntää kuvaavat tiedot, kuten esimerkiksi liityntäkortin osoite, analogikortin suodatus- ja skaalausparametrit. Koska skaalaus esimerkiksi tuloliityntäkortin virtaviestistä tehdään jo liityntämoduulissa, käytetään toimintamoduulissa reaalilukuja, jotka kuvaavat todellisia mitattuja prosessisuureita.

Positiomoduuliin konfiguroidaan piirikohtaiset tiedot operointi- ja hälytysasemaa varten. Esimerkiksi säätimen positiomoduuliin konfiguroidaan muun muassa piirin positio, nimi, mittauksen ja lähtöviestin skaalat ja eri hälytysten käyttötiedot.

Operointimoduuli määrittelee operointipäätteen näytölle tulevat tiedot. Piiristä määritellään esimerkiksi näytettävien desimaalien lukumäärä ja hälytysten näytettävyys.

Hälytysmoduulissa määritellään, mitä hälytyksiä kyseisestä piiristä hälytysasema käsittelee. Moduulissa määritellään hälytyksen prioriteetti, sekä mihin hälytysryhmään piiri kuuluu. Piirit jaetaan yleensä prosessialueittain hälytysryhmiin. Hälytyksen aktivoituessa ilmestyy monitorin ylälaitaan kenttä, jossa kerrotaan kunkin hälytysryhmän (= prosessialueen) hälytysten lukumäärä. Kentän väri kertoo ryhmän vakavimman hälytyksen prioriteetin.

3 RAUTARUUKKI OY:N RAAHEN TERÄSTEHTAAN VOIMALAITOS

3.1 Höyryvoimalaitoksen toimintaperiaate

Höyryvoimalaitoksen tehtävänä on vapauttaa polttoaineeseen sitoutunut energia vesihöyryn energiaksi ja siitä edelleen sähköksi. Höyryä käytetään terästehtaan eri valmistusprosesseissa ja lämmityksessä. Sähköä kuluu Rautaruukin Raahen terästehtaalla niin, että tällä hetkellä käytössä olevat kaksi kattilaa tuottavat noin puolet tehtaan kulutuksesta.

Höyrynkehitin muodostuu tulipesästä ja höyrykattilasta. Tulipesässä muutetaan polttoaineeseen sitoutunut energia lämmöksi, joka tulistimissa siirretään vesihöyryyn. Höyryn energia muutetaan turpiinissa mekaaniseksi energiaksi ja edelleen generaattorissa sähköenergiaksi.

Prosessin hallinnassa tavoitellaan massa- ja energiavirtojen stationääristä tilaa. Energiantuottoprosessi muodostuu prosessimuuttujista, joista epätasapaino voidaan ilmaista ja joiden kautta tasapainoon pyritään automaation avulla.

Voimalaitoksen säätöjen tehtävänä on huolehtia, että koko energiantuotantoprosessissa vallitsee mahdollisimman hyvä tasapaino ja prosessimuuttujien arvot pysyvät sallitulla alueella.

Tulipesässä polttoainevirtaus muuttuu palamisen avulla lämpövirraksi. Palamistulos optimoidaan polttoaine- ja ilmavirtauksen suhdetta säätämällä. Savukaasujen happipitoisuus indikoi palamisprosessin tasapainon.

Palamistuloksena syntynyt lämpövirta siirtyy vesi/höyryprosessiin ja nostaa veden korkeammalle energiatasolle. Vesi/höyryprosessiin tuodun energiavirran tulee olla siis vastaanotetun energiavirran suuruinen. Kattilan eri kohdista mitatuille lämpötiloille on olemassa optimiarvot, joista poikkeaminen ilmaisee prosessin epätasapainon.

Kattilassa kehitetty höyry johdetaan turpiiniin. Höyryn tuoton ja kulutuksen tulisi vastata toisiaan. Epätasapaino näkyy höyryn paineen poikkeamana halutusta arvosta.

Turpiinissa muutetaan terminen energia mekaaniseksi energiaksi, joka taasen muutetaan generaattorissa sähköksi. Voimansiirtoverkossa täytyy vallita tasapaino kulutuksen ja tuotannon välillä. Epätasapaino näkyy verkon taajuuden (generaattorin pyörimisnopeuden) poikkeamana halutusta.

Osa kattilan tuottamasta lämpötehosta johdetaan kaukolämpöverkkoon. Kulutuksen ja tuotannon tulee vastata toisiaan kuten sähkönkin tuotannossa. Tasapainosta poikkeaminen havaitaan paluuveden lämpötilan tai verkon paine-eron poikkeamina.

3.2 Voimalaitoksen höyrykattilat

Voimalaitoksella on neljä kattilaa, joista kaksi vanhinta (K1 ja K2) on poissa käytöstä. Mikäli kattiloiden K3 tai K4 toiminta häiriintyy, voidaan tarvittava lisäenergia tuottaa vanhemmilla kattiloilla.

Diplomityö kohteena oli kattila K4. Jatkossa keskitytään tähän kattilaan, ja viitatessa kattila K3:n toimintaan ja ohjauksiin mainitaan siitä erikseen.

Kattilan pääpolttoaineena ovat masuuni- ja koksikaasu. Vähemmän poltetaan polttoöljyä ja kivihiilitervaa. Masuunikaasu on teräksen valmistuksen sivutuote, joka on pääasiassa häkää (CO). Koksikaasu syntyy tehdasalueella olevassa koksaamossa koksituotannon sivutuotteena hiiltä kuivatislaamalla. Polttoöljyä käytetään lähinnä masuunikaasun tukipolttoaineena sekä silloin, kuin tarvittavaa tehoa ei saavuteta polttamalla edullisempia kaasupolttoaineita. Öljylaatuja on useita, raskaasta voimalaitoslaadusta kevytöljyyn. Kivihiiliterva, joka myös on koksin valmistuksen sivutuote, muistuttaa raskaimpia polttoöljyjä, mutta se on niitä halvempaa.

Polttoaineiden erilaisista ominaisuuksista johtuen kattilassa on kaikkiaan 14 poltinta, joita voidaan käyttää toisistaan riippumatta. Polttimet 1 - 6 ovat masuunikaasupolttimia. Masuunikaasun syttymisen varmistamiseksi käytetään sytytyksen aikana tukipolttoaineena raskasta polttoöljyä. Polttimet 7 - 10 ovat yhdistelmäpolttimia, joilla poltetaan pääasiassa koksikaasua, mutta kukin poltin voidaan valita polttamaan kaasun sijasta raskasta polttoöljyä. Koksikaasun, joka muistuttaa ominaisuuksiltaan maakaasua, palavuus on huomattavasti parempi kuin masuunikaasun, joten tukipolttoa ei tarvita. Polttoöljykäytöllä on lisäksi mahdollisuus valita kahdesta erityyppisestä öljystä. Polttimilla 11 - 14 voidaan polttaa raskaita öljylaatuja (PORV, PORE) ja kivihiilitervaa. Öljypolttimilla 11 ja 14 voidaan lisäksi polttaa kevytöljyä (POK).

Kattilat on kytketty rinnan 83 barin höyrytukkiin, joka syöttää kahta väliottolauhdeturpiinia (55 ja 21 MW) sekä puhallinturpiinia (7.6 MW). Kattiloilta tulevan höyryn lisäksi höyrytukkiin tuodaan höyryä koksaamolta. Koksaamon höyryntuotto vaihtelee satunnaisesti välillä 0 - 8.4 kg/s. Lisäksi tehtaalle johdettavan prosessihöyryn ja sähkön tarve vaihtelee siten, että ajoittain osa kattilalla tuotetusta höyrystä johdetaan ns. reduktiolinjaan prosessihöyryksi sekä kaukolämpöverkkoon. K3:n tuotantokapasiteetti on 58.3 kg/s, K4:n 41.7 kg/s höyryn paineen ollessa 84 baria.

Polttimien suuri määrä, polttoaineiden erilaisuus ja vaihteleva saatavuus (kaasupolttoaineet) sekä kattiloiden K3 ja K4 yhteiskäyttö tekevät kattilasta säädöiltään vaativan ja haastavan. Vaihtelevan tehontarpeen vuoksi kattilaa voidaan käyttää laajalla kuormitusalueella (40 - 100 %), mikä osaltaan lisää tehtävän haastavuutta.

3.3 Voimalaitoksen ajotavat

Voimalaitoksella on kaksi ajotapaa; kiinteän paineen ajotapa, jolloin säädetään laitoksella tuotettua sähkötehoa, sekä etupaineen ajotapa, jolloin säädetään 83 barin höyrytukin painetta. Reduktiolinjaan johdettavan höyryn määrää säätämällä voidaan tietyissä rajoissa määritellä laitoksella tuotettavan sähkötehon ja höyry-/kaukolämpötehon suhde.

3.3.1 Kiinteän paineen ajotapa

Tällä ajotavalla turpiinit pyrkivät pitämään laitoksen sähkötehon halutussa arvossa, kun taas kattilat säätävät yhteisen höyrytukin painetta. Vain yhtä kattilaa ja yhtä turpiinia pidetään automaattiohjauksessa, toisten ollessa vakioteholla. Koksaamolta tulevan höyrymäärän nopeat muutokset otetaan huomioon polttoaineensäädössä myötäkytkennän avulla. Yleensä säätimen lähtöviesti muodostetaan mittauksen ja asetusarvon funktiona. Damatic XD:n säädintoimilohkoon on lisäksi mahdollista ottaa käyttöön ns. myötäkytkentäkanava, johon kytketty signaali lisätään säätimen lähtöviestiin varsinaisen säätölaskennan jälkeen. Valitsemalla myötäkytkentäsignaali sopivasti, saadaan säädöstä nopea, ilman että häiriöt vaikuttaisivat varsinaiseen säätölaskentaan.

3.3.2 Etupaineen ajotapa

Käytettäessä etupaineen ajotapaa turpiinit säätävät yhteisen höyrytukin painetta, jolloin kattiloilla pidetään laitoksen sähköteho halutussa arvossa. Yleensä vain toinen kattiloista on automaattisäädöllä, mutta on myös mahdollista ajaa kumpaakin kattilaa vakiopolttoainesäädöllä.

Turpiinien etupaineen säätöä käytetään erityisesti polttoaineen hävityskäytössä, kun tehtaalta tulevaa kaasua poltetaan sen tarjolla olevan määrän mukaan. Tuotettavan sähkötehon määrä vaihtelee tällöin polttoaineen saatavuuden mukaan.

3.4 Kattilan prosessit ja säädöt

Höyrykattilalaitoksen prosessit vaativat kolme peruskomponenttia; polttoainetta, ilmaa ja vettä.

Vettä ei periaatteessa kulu, koska se voidaan palauttaa turpiinilta lauhteena prosessiin.

Edellä käytiinkin jo läpi voimalaitoksen lähtösuureet, nimittäin sähköteho ja höyryn paine, joista toinen pyritään pitämään säädöillä vakiona toisen vaihdellessa sallituissa rajoissa.

Jotta höyryn paine olisi vakio, polttoainevirtaa tulee säätää. Höyryn paine riippuu myös lieriön vesimäärästä, joten lieriön veden pinta pyritään pitämään vakiona

Höyryn lämpötilaa säädetään ruiskuttamalla jäähdyttävää syöttövettä höyryn joukkoon. Höyry lämmitetään siis ensin hieman kuumemmaksi kuin loppulämpötila. Tämä on käytännössä ainoa tapa saada säädöstä tarpeeksi nopea.

Jotta palaminen tapahtuisi taloudellisesti ja asetettujen saastenormien puitteissa, täytyy tulipesään tuotavan ilman määrää säätää. Savukaasuvirtaa säädetään, jotta tulipesässä saadaan pidettyä alipaine. Alipaine takaa, että savukaasut ja esimerkiksi palamaton masuunikaasu (häkä !) ei pääse leviämään itse kattilarakennukseen mahdollisten tulipesän vuotojen kautta.

Etenkin monipolttoainekattilassa tehon tai höyrynpaineen säädön saaminen vakaaksi edellyttää hyvin toimivia polttoainesäätöjä. Masuunikaasun sytyttäminen ja polttaminen ei onnistu samoilla säädöllä kuin kevyen polttoöljyn. Eri polttoaineiden kuluttamat ilmamäärät poikkeavat myöskin toisistaan.

On siis olemassa viisi säätökokonaisuutta:

Käsittelen seuraavassa edellä mainittuja säätökokonaisuuksia yleisesti, sekä yksityiskohtaisemmin säätöjä, joiden käytännön toteuttamisesta olen itse vastannut.

3.4.1 Syöttöveden ja lieriön pinnankorkeuden säätö

Kattilaprosessin nopeiden vaihteluiden takia laitoksen käyttämä vesi välivarastoidaan syöttövesisäiliöön ennen sen johtamista varsinaiseen lämmitysprosessiin. Tarkoituksena on taata syöttöveden riittävyys lieriössä, joka on vesi-/höyrypiirin kriittisin osa. K4:n syöttövesisäiliön tilavuus on 106 m³, minkä ansiosta laitoksen veden saanti voi katketa kymmeniksi minuuteiksi, ilman että se vaikuttaisi kattilan toimintaan.

Kattilan K4 tarvitsema syöttövesi saadaan voimalaitoksen päälauhteista. Syöttövettä on mahdollista siirtää erityisillä automaatiojärjestelmään tehdyillä ohjelmilla, sekvensseillä, kattila K3:n syöttövesisäiliöstä K4:n säiliöön, mikäli esimerkiksi kattiloiden tehoa muutetaan toisiinsa nähden. Tarpeen vaatiessa voidaan vesikiertoon lisätä vettä laitoksen ulkopuolelta, jolloin tämä ns. lisävesi johdetaan esilämmittimen kautta syöttövesisäiliöön.

Kattila K4:n syöttövesisäiliöstä vesi pumpataan nestekytkinkäyttöisellä syöttövesipumpulla esilämmittimien kautta höyrylieriöön. Syöttövesipumppuja on kaksi rinnan, jolloin toisen pumpun vikaannuttua automatiikka käynnistää varapumpun.

Höyrylieriöön tullessaan veden lämpötila on jo noin 300^o C. Lieriön tilavuus on vain 16 m³, mistä johtuen sen pinnan pitäminen yli kriittisen arvon, kuivakeittorajan, vaatii säädöltä paljon. Lisäksi esimerkiksi tehon säädössä tapahtuvien häiriöiden aiheuttamat lieriön paineen muutokset saavat aikaan lieriön pintamittauksessa suuriakin heittoja, joiden hallinta on yksi lieriökattiloiden säätösuunnittelun tärkeimmistä ongelmista.

3.4.2 Höyryn lämpötilan säätö

Lieriöstä vesi johdetaan luonnonkierrolla tulipesän seinien jäähdytysputkiin, joissa syntynyt höyry erotetaan lieriön sykloneissa. Sykloneista höyry joutuu kolmivaiheiselle tulistimelle, jossa lämpötilan säätö tapahtuu tulistinvaiheiden välissä ruiskutusjäähdyttimillä. Ruiskutusvetenä käytetään syöttövettä.

Tulistimien jälkeen höyry johdetaan voimalaitoksen yhteiseen höyrytukkiin, sekä tarvittaessa paineenalennuksen kautta 8 barin reduktiolinjaan.

3.4.3 Höyryn paineen säätö

Höyryn painetta säädetään polttoainevirtausta säätämällä. Usein säätimessä käytetään höyryvirtausmittauksen derivointia, jolla pyritään nopeuttamaan säätöä. Toisaalta prosessin häiriöt voimistuvat derivoinnin vuoksi, joten pelkästään derivoinnilla ei pystytä ratkaisemaan paineensäädön ongelmia.

Säätöä voidaan parantaa mittaamalla prosessin häiriöt, jos ne vain ovat ennakoitavissa. Tämän jälkeen niiden kompensointi tapahtuu polttoainesäädön kautta.

Yksi höyryn paineen vaihteluita aiheuttava tekijä on turpiinin kuormituksen vaihtelu. Mikäli säätimen paineanturi sijoitetaan turpiinin lähelle, saadaan kuormituksen vaihtelut ilmaistua välittömästi niiden tapahduttua.

Jos häiriö sattuu polttoaineen syötössä, esimerkiksi koksikaasulinjan paineen vaihdellessa, kestää melko kauan, ennen kuin se vaikuttaa höyryn paineeseen. Tällainen häiriö voidaan kompensoida kaskadi- eli sarjasäädöllä; kytketään polttoainevirtaukselle oma virtaus- ja/tai painesäätäjä, joka pyrkii pitämään polttoaineen syötön höyrynpainesäätimen antamassa asetusarvossa.

3.4.4 Palamisilman, savukaasujen ja tulipesän paineen säädöt

Kattilan polttoilma otetaan joko ulkoa tai kattilarakennuksen yläosasta. Pääilmapuhallin on mitoitettu täydelle kattilateholle. Puhallin on radiaalityyppinen, ja sen pyörintänopeutta ohjataan taajuusmuuttajalla. Lisäksi kattilassa on varailmapuhallin, joka käynnistyy automaattisesti pääilmapuhaltimen pysähdyttyä. Varapuhallin on mitoitettu kustannussyistä vain 70 % kattilateholle. Se on myös radiaalityyppinen, mutta ilmamäärän säätö tapahtuu muuttamalla puhaltimen johtosiipien asentoa. Pyörimisnopeuden säätöä ei ole.

Polttoilma esilämmitetään savukaasuilla noin 290^o C:een, ennen kuin se johdetaan tulipesään säätöpeltien kautta. Kullakin polttimella on oma säätöpeltinsä, paitsi masuunikaasupolttimilla, joilla on yksi ilmapelti kutakin poltinparia kohti. Lisäksi ilmaa johdetaan tulipesän ylänurkkiin säädettävien ilmapeltien kautta.

Kahta keskenään samanlaista savukaasupuhallinta ohjataan taajuusmuuttajalla. Vain yksi puhallin on käytössä kerrallaan, toisen ollessa varalla. Pyörimisnopeutta muuttamalla säädetään tulipesän alipainetta.

3.4.5 Polttoaineiden säädöt

Raskaat polttoöljyt sekä kivihiiliterva täytyy lämmittää 120 - 180^oC lämpötilaan, jotta ne juoksisivat putkistoissa. Niinpä näiden polttoaineiden syöttölinjoja lämmitetään koko matkalta (saattolämmitys). Lisäksi raskaita polttoaineita pidetään virtaavina koko ajan riippumatta siitä, poltetaanko kyseistä ainetta. Kattilalle menevissä linjoissa sekä sieltä lähtevissä paluulinjoissa olevilla säätöventtiileilla säädetään polttoaineiden painetta ja virtausta tulipesään.

Mikäli polttoaineen lämpötila alittaa sille määritetyn raja-arvon, sammutetaan poltin automaattisesti. Tällä varmistetaan, ettei huonosti palavaa jäähtynyttä polttoainetta kerry tulipesään, mistä olisi seurauksena räjähdysvaara. Toisaalta jo syöttölinjoissa mitatun lämpötilan laskeminen alle raja-arvon aiheuttaa hälytyksen, vaikkei kyseisen linjan polttoainetta olisikaan käytössä. Jos raskas polttoaine pääsee jähmettymään jäähtymisen takia, ei sen poistaminen putkistosta ole enää mahdollista uudelleen lämmittämälläkään. Syöttölinjan toimintaan saattamiseksi täytyy vaihtaa koko tukkeutunut putkisto.

4 TOTEUTETUT SÄÄDÖT, OHJAUKSET JA LOGIIKAT

4.1 Syöttövesisäiliöiden säädöt

Voimalaitoksen neljällä kattilalla on kullakin omat syöttövesisäiliönsä. Ne on liitetty toisiinsa putkistolla, joiden kautta vettä voidaan tarvittaessa siirtää säiliöstä toiseen joko käyttäjän tai automatiikan ohjaamana. Tästä syystä vanhojen kattiloiden syöttövesisäiliöiden pintasäädöt on siirretty kattila K4:n automaatiojärjestelmän alaisuuteen. Muut säätötoiminnot on jätetty olemassa olevien yksikkösäätimien ohjattaviksi.

4.1.1 Syöttövesisäiliö 1:n ja 2:n pintasäätö

Säiliöiden pinnankorkeus pyritään pitämään vakiona ohjaamalla päälauhteen palautusta. Jos lauhde ei riitä, siirretään lisävettä syöttövesisäiliöistä 3 tai 4. Säätö on toteutettu yksinkertaisena pintasäätönä, jossa lauhdeventtiiliä ohjataan suoraan pintasäätimeltä tulevan ohjauksen mukaan. Säätö on yksinkertainen toteuttaa, mutta se reagoi hitaasti putkiston paineenvaihteluihin (kuva 3).

Kuva 3. Syöttövesisäiliöiden 1 ja 2 pintasäätö

4.1.2 Syöttövesisäiliö 3:n pintasäätö

Kun kattila K3 on käynnissä, pidetään säiliön pinta asetusarvossaan lauhduttimelta saatavalta lisävesivirtauksella. Pintasäätö on toteutettu kaskadisäädöllä, jolloin putkistossa tapahtuvat painevaihtelut kompensoidaan virtaussäätimellä. Tämä taasen saa asetusarvonsa varsinaiselta pintasäätimeltä, joka kasvattaa virtausasetusta pinnan laskiessa alle Kun asetusarvon.

Säiliössä tulee kattilan käydessä olla aina tietty minimipinta. Jotta syöttöveden saanti kattilalle varmistuisi, on käytössä erityinen minimipintasäädin (260 LIC, kuva 4). Tämä ohjaa tarvittaessa lisävettä (raakavettä laitoksen ulkopuolelta) säiliöön.

Kuva 4. Syöttövesisäiliö 3:n pintasäätö

Mikäli säiliön pintamittaus pysyy kauan pintasäätimen asetusarvon alapuolella, pintasäädin pyrkii kasvattamaan lähtöviestiään. Lähtöviesti taasen on kytketty virtaussäätimen asetusarvoksi, jonka noustessa säädin kasvattaa lähtöviestiään saadakseen virtauksen asetusarvon mukaiseksi. Mikäli jostain syystä virtaus ei kasva tarpeeksi, vaikka virtaussäätimen ohjaama venttiili on jo täysin auki, jää säätimen lähtöviesti maksimiarvoonsa. Jos pintasäätimen lähtöviestin annettaisiin tässä tilanteessa vielä kasvaa, nousisi virtaussäätimen säätövirhe erittäin suureksi. Säiliön pinnan kohotessa asetusarvoon esimerkiksi veden kulutuksen pienennyttyä nopeasti, laskee pintasäätimen lähtöviesti ja tätä kautta myös virtaussäätimen asetusarvo pienenee. Kestää kuitenkin kauan, ennenkuin asetusarvo laskee alle todellisen virtauksen, ja niin kauan kuin säätöpoikkeama on olemassa, virtaussäädin pyrkii pitämään venttiilin täysin auki. Vettä virtaa säiliöön yhä, vaikka pinta oli jo noussut haluttuun arvoon, mistä seuraa, että pinta nousee nopeasti hyvin korkealle. Seurauksena on todennäköisesti säätöpiirin värähtely, joka ei välttämättä lopu muuten kuin asettamalla säätimet hetkeksi käsiohjaukselle.

Edelläkuvatun tilanteen estämiseksi lisättiin toteutettuihin kaskadisäätöihin piiri, joka estää pääsäätimen lähtöviestin kasvamisen alasäätimen jo ollessa säätöalueensa yläpäässä. Nyt virtaussäätimen asetusarvo jää lähes samaksi kuin toteutunut virtaus, ja säätö reagoi nopeasti syöttövesisäiliön pinnan nousuun.

Kaskadisäätöön on lisätty ns. tasauspiiri. Kun pintasäädin asetetaan automaattiohjaukselle, sen lähtöviestiksi pakko-ohjataan virtaussäätimen mittausta vastaava arvo.

Tällöin alasäätimen asetusarvo on yhtäsuuri kuin mittaus, eikä säätimen erosuureeseen tule hyppäyksenomaista muutosta, vaan piiri toimii joka tilanteessa rauhallisesti.

Piirissä on myös lukitus, joka kytkee pääsäätimen käsiohjaukselle, mikäli alasäätäjä on käsiohjauksella tai sen asetusarvo ei ole kytketty pääsäätimen asetusarvoon. Mikäli lukitusta ei olisi, ohjaisi automaattiohjauksessa oleva pääsäädin lähtöviestinsä minimi- tai maksimiarvoonsa, koska virtaussäädin ei säätäisi virtausta pintasäätimen ohjauksen mukaan. Tuloksena olisi todennäköisesti säiliön pintasäädön värähtely, kun säätimet jälleen kytkettäisiin kaskadiin.

4.1.3 Syöttövesisäiliö 4:n pintasäätö

Säätö on toteutettu samantyyppisellä kaskadisäädöllä kuin syöttövesisäiliö 3:n pintasäätö (kuva 5). Virtaussäädin saa kuitenkin ohjauksensa normaalisti kattilalle menevän syöttöveden virtausmittauksesta. Tällöin säiliöön tuodaan saman verran päälauhdetta kun kattilalle syötetään. Järjestelyllä pyritään säätöön, joka reagoi nopeasti vedenkulutuksen muutoksiin. Virtaussäätimelle menevään asetusarvoon lisätään pintasäätimen ohjausviesti, joka kasvattaa säiliöön tulevaa virtausta, mikäli pinta pyrkii laskemaan.

Tasaukset ja lukitukset on toteutettu samoin kuin syöttövesisäiliö 3:n säädössä.

Kuva 5. Syöttövesisäiliö 4:n pintasäätö

4.2 Lieriön pintasäätö

Lieriöön syötetään jatkuvasti vettä syöttövesipumpulla. Lieriön vesimäärää säädetään pumpun kierrosnopeutta tai pumpun jälkeen olevan venttiilin asentoa muuttamalla. Säätävästä toimilaitteesta riippuen puhutaan lieriön pinnan pumppu- tai venttiilisäädöstä. Pumppusäätöä käytetään ajettaessa kattilaa suurilla tehoilla, jolloin venttiili on lähes täysin auki. Tällöin venttiilin asentoa ohjaa paine-erosäädin. Tämä pyrkii pitämään syöttövesiventtiilin yli paine-eron, joka mahdollistaa tulistimissa syöttöveden ruiskutuksen. Paine-ero pidetään mahdollisimman pienenä häviöiden minimoimiseksi. Pienillä tehoilla säätöön tarvittava tarkkuus saavutetaan paremmin venttiilisäädöllä. Venttiilin yli pyritään pitämään tietty paine-ero syöttövesipumpun nopeutta muuttamalla, jotta venttiili pystyisi säätämään syöttövesivirtausta kumpaankin suuntaan.

4.2.1 Kuivakeittosuoja

Lieriön läpi virtaava vesi jakaa lämmön tasaisesti. Jos vesipinta laskee liian alas, kohdistuu lieriön seinämiin lämpörasituksia, jotka saattavat heikentää lieriön paineenkestokykyä. Kuivakeittosuojalla tarkoitetaan suojauspiirejä, joiden tarkoituksena on estää lieriön vesipinnan lasku alle kriittisen rajan tai pysäyttää poltto, mikäli raja alitetaan. K4:n kuivakeittosuoja muodostettiin normaalin lieriön pinnan säädön ohella pintamittausrajoilla.

Jokaista painekompensoitua pintamittausta verrataan kuivakeiton raja-arvoon (-250 mm). Vertailusta muodostetaan binääritieto, joka viedään kattilasuojalogiikkaan. Logiikassa käytetään ns. 2/3-valintaa. Tällöin kolmesta binääritulosta vähintäin kahden tulee olla aktivoituneena, jotta lähtö aktivoituisi. 2/3-valinnan etuna 1/3-valintaan nähden on, että yhden mittauksen vikaannuttua ei aiheudu turhaa suojan aktivointia. Toisaalta kahden mittauksen yhtäaikainen vikaantuminen on hyvin epätodennäköistä. Logiikka on lisäksi toteutettu PLU-logiikkakorteilla sekä prosessiasemilla, joten suoja toimii kattilasuojalta vaadittavalla varmuudella.

4.2.2 Syöttöveden virtaussäätö

Kuva 6. Syöttövesivirtauksen säätö venttiilillä

Säätö on mahdollista toteuttaa venttiili- tai pumppusäätönä, tai näiden yhdistelmänä. Seuraavassa käydään läpi kunkin säätötyypin ominaisuudet sekä toteutettu yhdistelmäsäätö yksityskohtaisemmin.

Säätö syöttövesiventtiilillä (venttiilisäätö)

Säätö perustuu siihen, että muutetaan virtaukseen vaikuttavaa syöttövesiventtilin avausta (kuva 6). Syöttövesipumppu on yleensä vakiokierrosluvulla toimiva pumppu, jolla päästään halvempaan toteutukseen.

Kuvassa 7 on esitetty erilaisilla syöttövesiventtiilin avauksilla aikaansaatujen kuristushäviöiden vaikutus virtausmäärään, kun pumpun pyörimisnopeus on vakio. Käyrä a₁ esittää kattilan painetta virtauksen funktiona, kun venttiili on täysin auki. Venttiilin erilaisilla kuristuksilla saadaan käyrät a₁ - a₃.

Kun säätäjä esimerkiksi ohjaa venttiiliä auki, niin venttilin aiheuttama kuristushäviö pienentyy dP:n verran ja virtaus lisääntyy määrällä dF.

Venttiilisäädön etuna on nopea ja herkkä säätötoiminta, mutta siitä aiheutuvat häviöt ovat suuret. Taloudellisuuskysymykseen palataan pumppusäädön yhteydessä.

Säätö syöttövesipumpulla (pumppusäätö)

Kuva 7. Syöttövesiventtiilin kuristushäviöiden vaikutus

Syöttövesimäärän säätäminen tapahtuu syöttövesipumpun pyörimisnopeutta muuttamalla (kuva 8). Syöttövesiventtiiliksi voidaan valita tavallinen sulkuventtiili, joka on käynnistyksen jälkeen aina täysin auki. Kattilan täyttö tapahtuu pienemmällä venttiilillä joko käsin tai automatiikan ohjaamana.

Pumpun pyörimisnopeuden vaikutus virtaukseen ja paineeseen on esitetty kuvassa 9 (puuttuu). Kun säätäjä muuttaa pumpun pyörimisnopeutta n₂:sta n₁:een, kasvaa virtaus määrällä dF ja pumpun jälkeinen paine nousee vastaavalla virtausvastuksen lisäyksellä dp.

Pumppusäädön etuna on taloudellisuus, koska ylimääräisiä venttiilin kuristuksesta johtuvia häviöitä ei ole.

Kuva 8. Syöttövesivirtauksen säätö pumpulla

Haittana taas on sen hitaus, eikä pumppusäätöä tämän takia useinkaan käytetä yksinään, vaan yhdistetään venttiili- ja pumppusäädöstä saatavat edut.

Virtaussäätö venttiilillä ja paine-eron säätö pumpulla

Säätötavassa on yhdistetty edellä kuvattujen säätöjen edut. Pumpun pyörimisnopeutta säätämällä pidetään venttiilin yli vaikuttava painehäviö vakiona, jolloin kuristushäviöt pysyvät kohtuullisina. Lisäksi venttiilillä on aina säätövaraa kumpaankin suuntaan (kuva 11 - puuttuu).

Käynnistyksessä ohjataan syöttövesi aluksi varsinaisen syöttövesiventtiilin sijasta ohitusventtiilin kautta.

Kuvassa 10 (puuttuu) on esitetty syöttövesiventtiilin ja -pumpun yhteisvaikutus syöttöveden virtaukseen ja paineeseen.

Kun venttiilisäätö avaa syöttövesiventtiiliä, sen yli jäävä paine-ero (kuristushäviö) pienentyy. Tämä vastaa kuvassa siirtymistä painekäyrältä a₂ käyrälle a₁. Pumpun pyörimisnopeus ei vielä ole ehtinyt muuttua, mutta virtausmäärä kasvaa hetkessä dF₁:n verran. Hitaammaksi viritetty pumppusäätö reagoi venttiilin paine-eron pienentymiseen kasvattamalla pumpun pyörimisnopeuden arvosta n₃ arvoon n₂. Virtaus kasvaa tämän seurauksena vielä dF₂:n verran.

Kuvissa 14 - 16 on esitetty toteutettu lieriön pinnan ja syöttövesiventtiilin paine-eron säädöt. Lieriön pintasäätö voidaan kytkeä venttiili- tai pumppusäädölle.

Venttiilisäätö säätää paremmin pienillä syöttövesivirtauksilla, mutta pumppusäätö on taloudellisempi suurilla virtauksilla. Venttiilisäätö kytkeytyy automaattisesti päälle, kun virtaus laskee alle 17.5 kg/s, eikä pumppusäädölle voida vaihtaa, ennenkuin virtaus kasvaa yli tämän rajan.

4.2.3 Syöttövesipumpun rajapainesäätö

Syöttövesipumpun ohjaus on kriittisintä pienillä virtauksilla ja paineilla. Etenkin liukuvan paineen käytössä on varmistettava, ettei pumpun jälkeinen paine pääse laskemaan pumpun rakenteen määräämän rajapaineen alapuolelle, jolloin pumppu voi vahingoittua.

Kuvassa 12 on esitetty rajapainesäädön toiminta-alue. Säädön on estettävä pumpun kavitoiminen. Kavitaatio syntyy pumpun imupuolella äkillisen paineenlaskun takia. Paine laskee, jos pumpun läpivirtaus lisääntyy äkillisesti syöttövesiventtiilin nopean avaamisen tai rinnakkaispumpun pysähtymisen takia. Syöttövesipumpun jälkeisestä paineesta voidaan ilmaista nämä virtausmuutokset.

Rajapainesäätö muodostettiin omalla säätäjätoimilohkollaan, jolle muodostetaan syöttöveden virtausnopeudesta riippuva asetusarvo taulukkotoimilohkolla. Pumpun jälkeisen paineen ollessa alle raja-arvon, on säädin pakko-ohjauksella, ja sen lähtöviesti seuraa paine-erosäätimen lähtöviestiä. Mikäli paine laskee alle rajan, pakko-ohjaus poistuu ja säätimen lähtöviesti alkaa kasvamaan. Paine-ero- ja rajapainesäätimien lähdöt on kytketty yhteen maksimivalinnan kautta, joten rajapainesäätimen lähtö ohjaa nyt alasäätäjää (pumppua tai venttiiliä säätötavasta riippuen). Samalla paine-erosäädin asetetaan pakko-ohjauksella seuraamaan rajapainesäätimen lähtöviestiä. Seurannalla saadaan aikaan nopea reagointi paine-ero- ja rajapainesäädön vuorotellessa. Ilma seurantaa passiivisen säätäjän lähtöviesti ajautuisi kohti nollaa, jolloin säätötilanteen muuttuessa säätimeltä kuluisi aikaa sen ottaessa kiinni aktiivisen säätimen lähtöviestiä. Raja-painesäädön tapauksessa säädön hitaus tekisi prosessin ohjauksesta epävakaisen, ja pahimmassa tapauksessa pumpun jälkeinen paine ehtisi laskea alle lukitusrajan. Tällöin automatiikka sammuttaisi syöttövesipumpun, mistä johtuen kattilasuojalogiikka pysäyttäisi polton.

4.2.4 Syöttövesipumpun käsiohjaus

Syöttövesipumpuille tehtiin kattilatoimittajan toivomuksesta automaattiohjauksen lisäksi mahdollisuus ohjata pumppujen toimilaitteiden (KE3) käsiohjaustuloja Damatic XD:ltä käsin (kuvat 13 ja 16).

Kuva 12 - Rajapainesäädön toiminta-alue
Kuva 13 - Syöttövesipumpun ohjaus, toimilohkototeutus
Kuva 14 - Lieriön pintasäätö (1)
Kuva 15 - Lieriön pintasäätö (2)
Kuva 16 puuttuu.

Toimintaa varten konfiguroitiin analogia-asetusarvotoimilohko (am), jonka skaalaksi määriteltiin -1..+1. Toimilohkoon kytketty vertailulogiikka ilmaisee, mikäli operaattori ohjaa asetusarvoa positiiviseen tai negatiiviseen suuntaan. Tällöin KE3:n käsi-/automaattituloon viedään käsiohjauskäsky, joka pysyy päällä niin kauan kuin operaattori ohjaa asetusarvoa, sekä viisi sekuntia sen jälkeen. Samalla KE3:n ylös- tai alasohjaustulo asetetaan, riippuen ohjaussuunnasta. Pumppusäädintä pidetään ohjauksen ajan pakko-ohjauksella, ja säätimen lähtöviesti pakotetaan KE3:lta saatavaan arvoon. Viiden sekunnin viive viimeisestä operaattorin ohjauksesta varmistaa, että KE3 on ehtinyt asettua käsiohjauksen mukaisesti, jonka jälkeen XD:n säädin ohjaa KE3:a.

4.3 Höyryn lämpötilan säätö

Säädön tarkoituksena on pitää yllä haluttu höyryn loppulämpötila sekä vaimentaa prosessin häiriöistä johtuvia lämpötilan nopeita muutoksia. Säätö on kriittinen, koska kattilan teho määräytyy pitkälti juuri höyryn lämpötilan mukaan. Säätö on oleellinen myös kattilan turvallisen käytön kannalta, sillä liian nopeat lämpötilanvaihtelut voivat heikentää ratkaisevasti höyryputkiston kestävyyttä. Turpiini saattaa myös vaurioitua, mikäli lämpötila muuttuu liian nopeasti.

Höyryn lämpötilaa voitaisiin periaatteessa säätää polttoaineen ja syöttöveden avulla. Käytännössä näin toteutettu säätö olisi liian hidas. Lisäksi säätö vaikuttaisi tehon- ja paineensäätöihin. Niinpä säätö on toteutettu niin, että höyryn lämpötila nostetaan tulistimissa hieman yli halutun, jolloin syöttövettä ruiskuttamalla jäähdytetään höyry oikean lämpöiseksi. Järjestelystä aiheutuvat tehohäviöt minimoidaan ajamalla kattilaa teholla, jolla ruiskutussäätö toimii prosessin säädön kannalta optimaalisen alueen keskellä.

Lämpötilan säätöön on konfiguroitu myös suojasäätimiä, jotka jäähdyttävät tarvittaessa höyryä, mikäli lämpötila kohoaa tulistimien välillä yli rakenteellisten raja-arvojen. Lisäksi suojasäätimet estävät höyryn jäähtymisen niin, että tapahtuisi tiivistymistä kastepisaroiksi.

Höyryn lämmitys tapahtuu kolmessa tulistimessa. Höyry kulkee tulistinten kautta kahta putkilinjaa (oikea ja vasen) myöten. Polttimet on jaettu linjojen kesken, mutta jokainen poltin lämmittää käytännössä molempia linjoja. Linjojen tasapainon varmistamiseksi ajetaan kattilaa yleensä symmetrisesti, niin että molemmat linjat saavat osapuilleen saman lämpötehon. Lämpötilan säätö huolehtii siitä, että kolmannen tulistimen jälkeen linjoista tulee halutunlämpöistä höyryä. Lisäksi linjat on kytketty ristiin ensimmäisen tulistimen jälkeen, mikä osaltaan parantaa kattilan symmetriaa.

Säätö koostuu siis kahdesta identtisestä kokonaisuudesta (vasen ja oikea höyrylinja), joissa molemmissa on kaksiportainen ruiskutus. Ruiskujen ohjaus on toteutettu kaskadi- eli kahden säätäjän sarjakytkennällä.

Ruiskutussäätö 2 tulistinten II ja III välissä

Käyttäjä määrää halutun loppulämpötilan pääsäädinten 207 TIC (lämpötila tulisimen III jälkeen, vasen höyrylinja, kuva 17) ja 208 TIC (oikea, kuva 19) asetusarvoilla. Koska haluttu loppulämpötila on linjoille sama, on asetusarvot kytketty ohjelmallisesti yhteen. Käyttäjän ei näin tarvitse muuttaa kuin toisen säätimen asetusarvo halutuksi. Asetusarvo on turvallisuussyistä rajoitettu 522^o C:een.

Pääsäätäjien lähtöviesteistä muodostetaan alasäätäjien 195 TIC (vasen, kuva 17) ja 196 TIC (oikea, kuva 19) asetusarvot. Asetusarvolaskentaan tuodaan myös höyryn paineen säädöpiiristä polttoaineen kulutuksen ja höyrytehon mittaukset. Näiden muutokset ilmaistaan derivoimalla, jolloin lämpötilan säätö kykenee reagoimaan nopeasti prosessissa muodostuviin tehomuutoksiin. Höyryteho vaikuttaa myös pääsäädinten parametreihin, koska suuremmilla tehoilla ajettaessa prosessin aikavakiot muuttuvat. Tehon kasvaessa kasvatetaan vahvistusta k_p ja lyhennetään integrointiaikaa T_i.

4.3.2 Ruiskutussäätö 1 tulistinten I ja II välissä

Säätö on periaatteeltaan ruiskutussäätö 2:sta poikkeava. Pääsäätimen asetusarvoksi annetaan ruiskun 2 yli muodostuva lämpötilaero. Tyypillinen arvo on 15^o C. Ruiskun 2 jälkeisen lämpötilan mittaus tuodaan pääsäätimille 189 TIC (lämpötilaero ruiskun 2 yli, vasen höyrylinja, kuva 18) ja 190 TIC (oikea, kuva 20) alipäästösuodatettuna (aikavakio 4..6 min.), joten säätö reagoi hitaasti ruiskun 2 muutoksiin. Tulistimen II jälkeinen lämpötilamittaus tuodaan suodattamatta säätimille, joten kaskadisäätö pysyy kuitenkin nopeana. Pääsäätäjän rinnalle on kytketty suojasäätimet 189 TIC.2 ja 190 TIC.2, joiden lähtöviestit on kytketty pääsäätäjän pakko-ohjaustuloihin. Normaalitilanteessa passiivinen suojasäädin on seurannalla, ts. sen lähtöviesti seuraa aktiivisen pääsäätimen lähtöviestiä. Mikäli tulistimen II jälkeinen lämpötila nousee yli rajan 505^o C, muodostetaan alasäätimen asetusarvo aktivoituneen suojasäätimen lähtöviestistä ja pääsäätäjä kytkeytyy seurannalle. Seurannan ansiosta alasäätimen asetusarvo ei "hyppää" vaihtotilanteessa. Lisäksi reagointi on tapahtuu nopeasti, koska aktivoituvan säätimen ei tarvitse ajaa lähtöviestiään satunnaisesta arvosta kohti prosessitilanteen vaatimaa arvoa, vaan se käyttää hyväkseen passivoituvan säätimen keräämän tiedon.

Kuva 18 - Vasemman höyrylinjan lämpötilan säätö, tulistimet I ja II
Kuva 19 - Oikean höyrylinjan lämpötilan säätö, tulistimet II ja III Kuva 20 - Oikean höyrylinjan lämpötilan säätö, tulistimet I ja II

4.4 Pääsäädöt

Kattilan taloudellisuuden parantamiseksi on muodostettu ylemmän tason säädöt, jotka huolehtivat kattilalla tuotettavan tehon pysymisen haluttuna. Nämä pääsäädöt ovat höyrytehon säätö, joka käytännössä toteutetaan höyryn paineen säätönä, sekä sähkötehon säätö ().

Koska voimalaitoksella on käytössä kaksi säätöihin vaikuttavaa kattilaa ja turbiinia, muodostuu sinällään suoraviivaisista pääsäädöistä monimutkainen kokonaisuus. Säätöjen toteutuksessa kiinnitettiin erityistä huomiota käyttäjäystävällisyyteen. Tasauspiirien ansiosta kaikki vaihdot säätötapojen ja säätävien polttoaineiden välillä voidaan tehdä "lennosta".

4.4.1 Höyryn paineen säätö

Säätö on periaatteessa yksinkertainen. Mittaukseksi säätimelle 215 PIC.1 tuodaan tuorehöyryn paine viimeisen tulistimen jälkeen (kuva 22). Asetusarvo on käyttäjän valittavissa. Lähtöviesti viedään säätävien polttoaineiden asetusarvoksi. Mikäli yksikään polttoainesäätimistä ei ole automaatilla ja asetusarvo kytkettynä painesäätimen lähtöön, seuraa höyrysäätimen lähtöviesti kattilalle menevien polttoaineiden määrää. Vaihdettaessa jokin polttoainesäätimistä painesäätimen perään, on painesäätimen lähtöviesti näin ollen jo prosessin mukaisessa arvossa. Tämän jälkeen seuranta poistuu päältä ja painesäädin aktivoituu.

Polttoainesäätimien asetusarvolaskennassa huomioidaan muidenkin kuin säätävien polttoaineiden vaikutus painesäätöön; mikäli esimerkiksi masuunikaasua poltetaan enemmän, lasketaan säätävien polttoaineiden virtausasetusarvoa vastaavalla määrällä. Polttoainevirtaukset on suhteutettu toisiinsa pääsäätöjen kannalta niin, että laskennassa käytetään varsinaisten virtausmäärien (kg/s, m³/s) sijasta kunkin polttoaineen tehontuottokykyä (MW). Polttoaineille on tiedossa lämpöarvot, joiden perusteella tuotettavissa oleva teho lasketaan. Lämpöarvo ei kuitenkaan pysy etenkään masuunikaasulla vakiona, mutta laskennalliset tulokset ovat tarpeeksi tarkkoja, jotta säätimet pystyvät kompensoimaan todellisessa prosessitilanteessa syntyvät häiriöt.

Höyryn kulutuksen vaihtelut aiheuttavat häiriöitä höyryn paineeseen (liite 2). Kulutuksen noustessa nopeasti laskee paine päähöyrylinjassa hetken kuluttua. Painesäädin huomaa muutoksen ja kasvattaa polttoainesäätimille menevää lähtöviestiä, jolloin kattilan teho nousee. Mikäli höyryn kulutuksen kasvu on suuri, on hitaaksi viritetty painesäädin liian hidas kompensoimaan sen aiheuttaman häiriövaikutuksen. Niinpä höyryvirtauksesta viedään mittaustieto säätimen myötäkytkentäkanavaan, jolloin höyryvirtauksen muutokset muuttavat välittömästi painesäätimen lähtöviestiä ja niin ollen polttoainesäätimien asetusarvoja.

Kattilalla on kaksi ilmapuhallinta, puhaltimet 41 ja 42. Puhallin 41 on invertteriohjattu pääpuhallin, jota käytetään normaaliolosuhteissa. Varapuhallin 42 on suorakäyttöinen, ja se on mitoitettu vain 70 prosentin kattilatehoa varten. Niinpä varapuhaltimen ollessa käytössä, rajoitetaan painesäätimen lähtö tehosäätimen kanssa yhteisellä minimivalintakytkimellä 70 prosenttiin. Tällä pyritään estämään ilma-alijäämä kattilassa, joka voisi aiheuttaa räjähdysvaaran.

4.4.2 Sähkötehon säätö

Säädöllä pyritään pitämään tuotettu sähköteho vakiona polttoainevirtausta tarvittaessa muuttamalla. Alasäätiminä toimivat polttoainesäätimet ovat höyryn paineen säädön kanssa yhteiset (kuva 22). Käyttäjä valitsee säätötavan operointipäätteeltä, jolloin valittu säädin aktivoituu. Tasauspiirit huolehtivat siitä, ettei vaihto aiheuta häiriötä säätöön.

55 MW:n turbiinin tehon asetusarvo summataan 21 MW:n turbiinin tehomittaukseen. Summasta vähennetään kattila K3:lla tuotettu teho, jolloin saadaan K4:llä tuotettava teho. Sähkötehon asetusarvo viedään polttoainesäätimille, joissa lasketaan tehoon vaadittava polttoainemäärä.

Edellä kuvattu säätö riittäisi häiriöttömässä kattilaprosessissa, jossa polttoaineiden lämpöarvot tiedettäisiin tarpeeksi tarkasti ja kattila toimisi ideaalisesti. Käytännön prosessissa häiriöitä kompensoimaan on lisätty säädin 215 PIC.2, jonka lähtöviesti viedään kertoimeksi turbiinien ja K3:n teholaskennasta saadulle arvolle. Mikäli jonkun käytetyn polttoaineen polttoarvo laskee hetkellisesti oletusarvoa pienemmäksi, laskee 55 MW:n generaattorin teho alle asetusarvon. Tällöin säädin kasvattaa kerrointa, polttoainesäätimien asetusarvot kasvavat ja tuotettu teho nousee asetusarvoon.

4.5 Kattilan ylösajoautomatiikka

Kattilan tuottaman höyryn lämpötilaa ei saa muuttaa liian nopeasti putkistoon kohdistuvien lämpörasitusten välttämiseksi. Etenkin kattilan ylösajovaiheessa on vaara, että lämpötila nousee liian nopeasti. Niinpä kattilalla toteutettiin ylösajoautomatiikka, joka ohjaa höyryn painesäätöä kattilaa käynnistettäessä. Kylläisen höyryn lämpötila riippuu sen paineesta, joten lämpötilan säätö on toteutettu painesäädön avulla. Paine-/lämpötilariippuvuus määriteltiin höyrytaulukosta. Kattilatoimittajalta saatiin ohjearvo suurimmasta sallitusta lämpötilan noususta aikayksikköä kohti. Yhdistämällä nämä tiedot konfiguroitiin 20-pisteparinen taulukko, jonka mukaan höyryn painetta nostetaan säätimellä automatiikan ollessa päällä. Mikäli paine säädöstä huolimatta pyrkii nousemaan liian nopeasti, avautuu höyryn laitoksesta ulos johtava käynnistysventtiili automaattisesti, kunnes paine polttoainesäätöjen avulla palautuu ohjearvoon.

4.6 Nuohous

Kattilan puhdistaminen säännöllisin väliajoin on välttämätöntä taloudellisen toiminnan varmistamiseksi ja palovaaran ehkäisemiseksi. Tulistinten ja savukanavien nuohous ei kuitenkaan saa häiritä merkittävästi polttoprosessia. Koska kyseessä on usein toistuva toiminne, tulisi sen myös olla mahdollisimman pitkälle automatisoitu ja varmatoiminen.

Korkeapaineisella höyryllä nuohoaminen on käytännössä osoittautunut toimivaksi ratkaisuksi. Kattilan tuottama korkeapaineinen höyry johdetaan putkistoa myöten nuohoimille, jotka toimivat kukin oman logiikkansa ohjauksessa. Logiikat saavat käynnistyskäskyn askelmaisesti etenevältä sekvenssiohjelmalta. Vain yksi nuohoin on kerrallaan toiminnassa, joten höyryn lisäkulutus jää pieneksi verrattuna kattilan normaalituottoon.

4.6.1 Nuohoimet

Nuohoimia on viisitoista kappaletta. Ne jakaantuvat kahteen nuohoushöyryputkilinjaan. Nuohoimet 1 - 4 ovat ensimmäisessä linjassa, loput toisessa. Tulistinten II ja III sekä savukanavan alkupään nuohoimet ovat sijaintipaikkansa kuumuuden takia normaalisti ulkona kattilasta. Nuohoimen kautta suihkutetaan höyryä heti sen lähdettyä liikkeelle. Nuohoin on rei'itetty putki, joka pyörii kulkiessaan sisään ja ulos. Höyry suihkuaa putken rei'istä ja puhdistaa tulistimen pinnat. Höyry estää samalla nuohoimen kuumenemisen, kun nuohous ei kestä liian kauan. Näiden nuohointen ohjauslogiikassa on aikarajoitus, joka palauttaa nuohoimen ulos kattilasta, mikäli se ei saavuta kääntörajaansa ajoissa.

Nuohoimet 5 ja 6 puhdistavat tulistimen I. Lämpötila on siellä vielä tarpeeksi alhainen, jotta nuohoimet voivat olla jatkuvasti kattilan sisällä. Rakenne on samanlainen kuin edelläkuvatuissa nuohoimissa. Nuohoimen käynnistyessä sinne johdetaan höyryä ja se pyörähtää puoli kierrosta.

Nuohoimet 10 - 15 puhdistavat palamisilman esilämmittimenä toimivan höyryluvon. Nuohoimet ovat kiinteitä höyrysuuttimia, joiden kautta höyry suihkutetaan luvon pinnoille.

4.6.2 Nuohoinlogiikat

Nuohoinlogiikka toteutettiin nopeilla PLU-logiikkakorteilla suoritettavilla ohjelmilla sekä prosessiasemakonfiguraatiolla. PLU-korttien etuna on niiden nopeus, sekä se, ettei niiden toiminta häiriinny, vaikka yhteys prosessiasemaan katkeaisi. Prosessiasemakonfiguraatio taaseen tarvitaan käyttäjäliityntää ja sekvenssiohjausta varten.

PLU-kortin ohjelma lukee nuohoimen rajakytkintiedot ja prosessiasemalta tulevat ohjaustiedot, toteuttaa toimintalogiikan, ja kirjoittaa kortin lähtökanaviin ohjaustiedot. Lisäksi ohjelma muodostaa ohjelmalliset lähtötiedot prosessiasemaa varten. Kortin virhelogiikka ilmaisee laitteistoviat ja sytyttää vastaavat merkkivalot kortin etulevyssä.

Prosessiasemakonfiguraatio lukee PLU-ohjelman tarjoamat nuohoimen tilatiedot, suorittaa virhetarkastelun ja kirjoittaa ohjauskäskyt PLU-kortille. Konfiguraatio mahdollistaa nuohoimen käynnistämisen käsin, jolloin käyttäjän on huolehdittava, että prosessi on sopivassa tilassa nuohoukseen. Käytännössä nuohoimet ovat automaattiohjaustilassa, jolloin sekvenssiohjelma tarkistaa prosessitilanteen ennen nuohoimen käynnistämistä. Konfiguraatio muodostaa myös monipuoliset hälytystilatiedot PLU-ohjelmalta saatujen tietojen perusteella. Jalostettujen hälytystietojen avulla käyttäjä voi kohdistaa toimintansa nopeasti häiriön aiheuttajaan.

Käyttöönoton aikana nuohointen 1 - 4 ohjelmista tuli satunnaisesti hälytyksiä, joiden mukaan ne eivät aina saavuttaneet kääntörajaansa sallitussa nuohousajassa. Alussa epäiltiin aiheuttajaksi nuohointen jäykistymistä likaantumisen takia, jolloin hidastuneen toiminnan vuoksi kääntörajaa ei saavutettaisi. Tähän viittasi myös hälytysten lisääntyminen ajan myötä. Aikarajan kasvattaminen ei kuitenkaan poistanut hälytyksiä. Lopulta hälytysten syyksi paljastui PLU-ohjelman ja prosessiasemakonfiguraation suoritusaikojen suuresta erosta (20 ms / 1 s) johtuva ajastusongelma. Pienentämällä konfiguraation suoritusväliä sekunnista 400 millisekuntiin ja muuttamalla eräiden toimilohkojen keskinäistä suoritusjärjestystä saatiin turhat aikavalvontahälytykset karsittua.

4.6.3 Nuohoussekvenssi

Sekvenssiohjelma koostuu askelista. Askeleeseen kuuluu ehto- ja toimenpideosa. Askeleen toimenpiteet suoritetaan, mikäli kaikki sen ehdot toteutuvat. Sekvenssiohjelman askeliin voidaan määritellä sekvenssin etenemistä valvonta, joka hälyttää askelkohtaisesti määritellyn ajan kuluttua, mikäli ehdot eivät siihen mennessä ole toteutuneet. Ohjelmoijan tehtävänä on tietenkin huolehtia tarvittavien hälytysten konfiguroinnista sekvenssin toiminnan kannalta haitallisten häiriöiden varalta.

Kuvassa 23 on yhteenveto nuohoussekvenssistä. Askelten nimet ovat käyttäjän näkemässä muodossa.

Sekvenssiohjelman ensimmäinen askel "ALOITUS" on sekvenssirakenteen alustusaskel, joka ei tee mitään varsinaiseen nuohoukseen liittyvää.

Varsinainen nuohousohjelma (askel 2) alkaa nuohointen tarkistuksella. Nuohointen 1 - 9 tulee olla pysähtyneenä leporajalle ja nuohointen 10 - 15 tulee olla kiinni, jotta ohjelma etenisi toimenpideosaan. Mikäli ehdot toteutuvat, jatkuu ohjelma nuohoushöyryputkiston vesityksellä. Vesitysventtiilit asetetaan tarvittaessa automaattiohjaukseen, jotta sekvenssiohjelma voisi ohjata niitä. Automatiikka avaa venttiilit, mikäli putkiston lämpötila on alle 240^o C ja sulkee ne 250^o C:n lämpötilassa. Tällöin putkistoon höyrystä lauhtunut vesi pääsee virtaamaan ulos. Nuohoushöyryventtiili avataan 25 % auki, jolloin nuohoushöyryputkiston kautta kulkeva ja vesitysventtiilien kautta poistuva kuuma höyry lämmittää ja kuivaa putkiston. Putkistossa olevat vesipisarat voisivat aiheuttaa vaurioita nuohouksen aikana korkeapaineisen höyryn suihkutessa nuohoimien suuttimista.

Kolmannen askeleen tehtävänä on odottaa, kunnes putkiston lämpötila on kohonnut yli asetetun rajan. Lämpötila mitataan molempien putkilinjojen päistä. Mikäli lämpötilan kohoaminen kestää liian kauan, sekvenssi jää askeleeseen ja aiheuttaa hälytyksen. Lämpötilan noustua rajan yli avataan höyryventtiili täysin auki.

Tästä eteenpäin jokainen askel tarkistaa, että höyryventtiili on täysin auki, nuohoushöyryn paine on yli rajan (painekytkin 242 PZ), sekä että yksikään nuohoin ei ole käynnissä (moottorinuohoimet) tai auki (venttiilinuohoimet).

Nuohoin kytketään sekvenssiin asettamalla se automaattiohjaukselle. Mikäli nuohoin on automaatilla, sekvenssi ohittaa tämän nuohoimen käynnistysaskeleen toimenpiteittä.

Askeleet 4 - 12 ovat keskenään samanlaisia. Askel käynnistää nuohoimen, mikäli sen ehdot toteutuvat ja nuohoin on automaattiohjauksella. Nuohointen logiikkaohjelmat tarjoavat tilatietonsa sekvenssille, joka etenee askeleeseen 13.

Seuraavaksi on vuorossa luvon nuohous. Sekvenssiohjelmassa on valinta, jolla luvo voidaan nuohota useamman kerran yhdellä nuohoussekvenssiajolla. Yleensä luvo nuohotaan kahdesti peräkkäin.

Askel 13 lukee käyttäjän asettaman nuohouskertojen määrän ja alustaa nuohouslaskennan.

Luvon nuohoimet ovat venttiilinuohoimia, jotka sekvenssi avaa ja sulkee yksi kerrallaan. Kukin nuohoin vaatii siis kaksi askelta, avaus- ja sulkemisaskeleen. Askeleet 14 - 25 ohjaavat näitä nuohoimia.

Nuohoimen aukioloaika määritellään kaikille nuohoimille yhteisesti, ja se on muutettavissa diagnostiikka-aseman avulla.

Askel 26 vertaa suoritettujen nuohouskertojen määrää käyttäjän asettamaan arvoon. Mikäli nuohouskertoja on jäljellä, hypätään takaisin askeleeseen 14. Muussa tapauksessa jatketaan askeleeseen 27. Askel tarkistaa, että nuohoimet ovat leporajalla ja ehdon toteutuessa sulkee nuohoushöyryventtiilin.

Nuohouksen päätyttyä nuohousputkiston lämpötila laskee. Koska vesitysventtiilit jäävät sekvenssin jäljiltä automaattiohjaukselle, ne avautuvat lämpötilan laskeuduttua alle rajan.

Sekvenssi on valmis uuteen käynnistykseen heti pysähdyttyään. Mikäli käyttäjä epäilee, että joku kattilan osa on lisänuohouksen tarpeessa, hän asettaa vain kyseisen nuohoimen automaattiohjaukseen ja muut nuohoimet käsiohjaukseen, muuttaa ehkä luvon nuohouskertojen lukumäärän halutuksi ja käynnistää sekvenssin. Sekvenssi etenee tällöin nopeasti, koska putkiston lämpötila on valmiiksi riittävä, eikä kaikkia nuohoimia käytetä.

ASKEL	TEHTÄVÄ
1 ALOITUS	Sekvenssirakenteen alustus
2 VESITY AUTOM	Nuohointen tarkistus, vesitysventtiilit automaatille, nuohoushöyryventtiili 25 % auki.
3 HÖYRYVENT AUKI	Kun putkiston lämpötila on yli rajan, avataan höyryventtiili 100 % auki
4 NUOH 1 TUL II	Tarkistetaan, että höyryventtiili on täysin auki, höyryn paine riittää, ja ettei nuohous ole käynnissä millään nuohoimella. Ehdon toteutuessa käynnistetään nuohoin.
5 NUOH 2 TUL II	Kuten askel 4.
6 NUOH 3 TUL III	Kuten askel 4.
7 NUOH 4 TUL III	Kuten askel 4.
8 NUOH 5 TUL I	Kuten askel 4.
9 NUOH 6 TUL I	Kuten askel 4.
10 NUOHOIN 7 EKO	Kuten askel 4.
11 NUOHOIN 8 EKO	Kuten askel 4.
12 NUOHOIN 9 EKO	Kuten askel 4.
13 LUVO NUOH ALKU	Nollataan nuohouskertojen laskuri ja haetaan käyttäjän asettama nuohouskertojen lukumäärä.
14 NUOH 15 AUKI	Tarkistetaan nuohousehdot kuten askeleessa 4 ja ehtojen toteutuessa avataan nuohousventtiili.
15 NUOH 15 KIINNI	Suljetaan nuohousventtiili
16 NUOH 14 AUKI	Kuten askel 14.
17 NUOH 14 KIINNI	Kuten askel 15.
18 NUOH 13 AUKI	Kuten askel 14.
19 NUOH 13 KIINNI	Kuten askel 15.
20 NUOH 12 AUKI	Kuten askel 14.
21 NUOH 12 KIINNI	Kuten askel 15.
22 NUOH 11 AUKI	Kuten askel 14.
23 NUOH 11 KIINNI	Kuten askel 15.
24 NUOH 10 AUKI	Kuten askel 14.
25 NUOH 10 KIINNI	Kuten askel 15.
26LUVO NUOH LASK	Tarkistetaan, onko nuohouskertoja jäljellä. Jos on, hypätään askeleeseen 14, muuten edetään seuraavaan askeleeseen.
27HÖYRYVENT KIIN	Tarkistetaan, että kaikki nuohoimet ovat leporajalla, jolloin voidaan sulkea nuohoushöyryventtiili.
28LOPPU	Sekvenssirakenteen lopetus.

5 KOESTUS JA KÄYTTÖÖNOTTO

Koestus alkaa automaatiojärjestelmän toimittajan luona, kun sovelluksen katsotaan olevan olennaisilta osiltaan valmis. Tämä ns. kylmäkoestus tapahtuu täysin mittaus- ja toimilaitesimulaattoreiden avulla. Kun järjestelmä on toimitettu asiakkaan laitokselle ja asennettu toimintakuntoon, ryhdytään järjestelmää ja sovellusta koestamaan todellisten toimilaitteiden kanssa siinä määrin kun näiden instrumentointi on valmis. Vielä tässäkin vaiheessa mittaukset joudutaan yleensä simuloimaan, kuten osa toimilaitteistakin. Käyttöönotto pääsee alkamaan, kun laitoksen instrumentointi on valmis ja lain vaatimat luvat viranomaisilta on saatu. Kyseessähän on tarkkojen turvamääräysten alainen laitos, joten monet viranomaisten suorittamat tarkastukset kuuluvat osana laitoksen ja sitä kautta myös automaatiojärjestelmän käyttöönottoon.

5.1 Koestus

Laajan automatisoinnin koestus tapahtuu useissa vaiheissa. Pyrkimyksenä on kuitenkin testata automaatiojärjestelmän ja sovelluksen toiminta mahdollisimman laajasti jo järjestelmätoimittajan luona. Osa tästä ns. kylmäkoestuksesta jää kuitenkin usein asiakkaan luona tehtäväksi. Tällöin järjestelmätuen järjestäminen on hankalampaa kuin toimittajan tiloissa. Nykyaikaisten tietoliikenneyhteyksien käytöllä ongelmaa voidaan lieventää, mikä tämänkin projektin aikana tuli osoitetuksi.

Koestus asiakkaan luona tapahtuu myös vaiheittain sitä mukaa kun automaatiojärjestelmän ohjattavaksi aiottu laitos valmistuu. Lisäksi koestus jaetaan usein toimilaitetyyppien mukaan, ja koestetaan esimerkiksi moottoriohjaukset ensin, sitten magneettiventtiilit, seuraavaksi asentolähettimillä varustetut venttiilit, ja niin edelleen. Koska sovellukset ovat usein hyvin pitkälle toistensa kaltaisia tietyllä toimilaitetyypillä, pystytään sovelluksen tai instrumentoinnin ongelmiin paneutumaan huomattavasti tehokkaammin, kuin piirityypistä toiseen hyppimällä. Toisaalta piirien keskinäiset lukitukset määräävät joskus koestusjärjestyksen.

Yksittäisten mittausten, ohjausten ja toimilaitteiden testauksen jälkeen koestettiin poltinohjaukset ja päälukitukset. Tämän jälkeen voitiin kattilaan sytyttää ensimmäiset tulet kattilatoimittajan toimenpiteitä varten. Kattilalla ei kuitenkaan vielä tuoteta hyötytehoa, vaan tuotettu höyry johdetaan ulos.

5.2 Käyttöönotto

Koska laitoksen käyttövastuu käyttöönoton aikana kuuluu kattilan toimittajalle, tapahtuu myös automaatiojärjestelmän käyttöönotto pitkälti tämän määräysten ja aikataulun mukaan.

Käyttöönotto alkaa kattilatoimittajan tarpeiden mukaan. Ennen kattilan käynnistymistä tehdään ns. vesipainekoe, jolla tarkistetaan rakenteiden tiiviys. Putkistojen ja säiliöiden käsittely vaatii, että kattilaa ajetaan esimerkiksi magnetiittikalvoa muodostettaessa kaksi vuorokautta. Tässä yhteydessä tarkistetaan laitoksen paineenkestävyys käyttölämpötilassa.

Putkistot puhalletaan puhtaaksi kattilalla tuotetulla korkeapaineisella höyryllä ennen sen liittämistä kattiloiden yhteiseen höyryverkkoon. Tämän jälkeen suoritetaan asennus- ja käyttövalmiustarkastus, jonka jälkeen kattila liitetään höyryverkkoon ja viritysajot päästään aloittamaan.

Viritysajon aikana ajetaan eri polttoaineilla vaihtelevilla tehoilla, niin että ajettavissa oleva tehoalue tulee testatuksi. Viritysajon aikana asetellaan säätöpiirien parametrit niin, että varsinainen koekäyttö voidaan aloittaa.

Koko koestusvaiheen ajan on ohjelmiin tehty käyttäjien ja virittäjien esittämien huomioiden perusteella korjauksia ja parannuksia. Damatic XD-järjestelmän konfiguroitavuus laitoksen käynnissä ollessa (on-line) mahdollisti korjausten teon heti muutostarpeiden tultua tiedoksi. Lisäksi diagnostiikka-asemalla voitiin muuttaa asetuksia, joihin käyttäjät eivät pääse käsiksi, ja joita ei vielä testausvaiheessa kannattanut konfiguroida kiinteäksi.

Ennen koekäyttöä suoritettiin 24 tunnin häiriötön ajo, jossa ei sallittu kattilan pysähtymistä. Mikäli kattila olisi pysähtynyt, olisi syy täytynyt selvittää perinpohjaisesti, ennenkuin uusi keskeytymättömän ajon koe olisi aloitettu. 24 tunnin ajon läpivieminen ehtona kattilan käyttötarkastukselle.

Käyttötarkastuksen suorittaa Teknillinen Tarkastuskeskus (TTK). Varoventtiilien avautuminen koestetaan heti kattilan noustua täyteen paineeseen. Samalla koestetaan TTK:n edustajan vaatimia muita lukituksia, kuten lieriön kuivakeittosuoja ja poltinlukitukset.

5.3 Koekäyttö

Viritysajojen ja viranomaisen tarkastuksen jälkeen aloitettiin kuuden viikon pituinen koekäyttö, jonka tarkoituksena on testata kattilan toiminnat todellisissa käyttöolosuhteissa. Koekäyttö hyväksytään vain keskeytymättömänä, joten kattilan pysähtyessä automaatiojärjestelmässä ilmenneen ohjelma- tai laitevian vuoksi, aloitetaan kuuden viikon koejakso uudelleen, kunnes koekäyttö onnistuu keskeytyksettä. Koeajon päätyttyä onnistuneesti luovutetaan kattila virallisesti asiakkaalle.

Koekäytön aikana automaatiojärjestelmä pyrittiin rauhoittamaan toisarvoisilta ohjelmamuutoksilta. Käyttäjiltä tulleiden toivomusten mukaiset muutokset ja parannukset luonnollisesti toteutettiin, mutta mitään "uuden kokeilua" ei tässä vaiheessa tehty. Keskeytymättömän ajon aikana järjestettiin ympärivuorokautinen päivystys, jonka hoidin lähes kokonaan. Hälytyksen tullessa päivystäjän tuli olla laitoksella puolessa tunnissa.

Koekäyttö onnistui kerralla, huolimatta yhden prosessiaseman CPU-kortin vikaantumisesta. Prosessiasema pysähtyi ja alustui staattisen sähkön vaikutuksesta. Koska järjestelmän ohjaukset pysyvät liityntäkorteilla muuttumattomina huolimatta prosessiaseman alustamisesta, ei prosessin ohjaus häiriintynyt olennaisesti. Automaatiojärjestelmän häiriönsieto perustuu pitkälti myös PLU-korttien itsenäiseen toimintaan prosessiaseman toiminnasta riippumatta. Viallisen kortin tilalle vaihdettiin uusi kortti myöhemmin.

6 YHTEENVETO

Diplomityössä suunniteltiin ja toteutettiin koko voimalaitoksen automatisointi Damatic XD:llä. Alusta pitäen tavoitteena oli päästä korkeaan automaatioasteeseen. Käytössä ollut laitteisto ja sen konfigurointityökalut mahdollistivat tavoitteeseen pääsyn.

Kattilasuojan toteutuksessa käytettiin ensi kertaa Damatic XD:n ohjelmoitavia logiikkakortteja, joiden ansiosta vältyttiin kalliiden ja runsaasti tilaa vievien langoitettujen logiikkojen käytöltä. Lisäksi logiikkakorteilla saavutettiin suuri toimintavarmuus moottori- ja venttiiliohjauksissa.

Käyttäjän toimintaa helpottamaan suunniteltiin piirien välisiä tasauskytkentöjä, joiden ansiosta käyttäjän ei tarvitse suunnata huomiotaan triviaaleihin seikkoihin, vaan hän voi keskittyä prosessitilanteen vaatimiin erityistoimenpiteisiin. Tasauskytkennät toteutettiin käytännöllisesti katsoen kaikkiin toisiinsa kytkettyihin piireihin, joissa käyttäjät näkivät siihen tarvetta.

Järjestelmän ylläpidosta vastaavat henkilöt olivat mukana koestuksessa ja käyttöönotossa erittäin aktiivisesti. Koska järjestelmä on joustavasti muokattavissa käyttäjän tarpeiden mukaisesti, säilyi motivaatio korkeana koko projektin ajan. Diplomityön jälkeen olen jo ollut toteuttamassa laajennuksia järjestelmään, ja asiakkaan taholta tulleet kommentit automaatiojärjestelmän suhteen ovat olleet poikkeuksetta positiivisia.

Laitoksen automatisointia ei voi koskaan sanoa lopullisesti valmiiksi, sillä asiakas tekee itse lisäyksiä ja muutoksia järjestelmään laitoksen käyttökokemuksen karttuessa ja uusien tarpeiden ilmetessä. CAD-pohjaisen konfiguroinnin ansiosta dokumentointi pysyy helposti ajan tasalla.

Toteutettu korkea automaatioaste aiheuttaa toisaalta koulutuspaineita käyttöhenkilöstöä kohtaan. Kaikkia automaattitoimintoja ei käytetä hyväksi, vaikka niillä pystyttäisiin helpottamaan omaa työtä. Tähän on mitä ilmeisemmin syynä toimintojen runsaus; harvemmin tarvittavia toimintoja ei muisteta käyttää. Esimerkiksi kattilan ylösajoautomatiikkaa ei liene juuri käytetty, toisaalta kattila käynnistetään vain muutaman kerran vuodessa.

Diplomityössä toteutetut säädöt ja ohjaukset ovat osoittautuneet käytännössä hyvin toimiviksi. Joitakin liityntäkorttivikoja lukuunottamatta laitteisto on toiminut moitteettomasti. Kaikkiaan projektin tulokset tyydyttivät kaikkia osapuolia.

7 LÄHDELUETTELO

LIITTEET