Modellering och reglering av hyttgasnät

MODELLERING OCH REGLERING

AV HYTTGASN ¨

AT

Examensarbete utf¨ort i Reglerteknik vid Tekniska H¨ogskolan i Link¨oping

av

BJ ¨ORN HULTMAN JOHANNES INGEMANSON

Reg nr: LiTH-ISY-EX-3495 Link¨oping 2004

MODELLERING OCH REGLERING

AV HYTTGASN ¨

AT

Examensarbete utf¨ort i Reglerteknik vid Tekniska H¨ogskolan i Link¨oping

av

BJ ¨ORN HULTMAN JOHANNES INGEMANSON

Reg nr: LiTH-ISY-EX-3495

Handledare: PER-˚AKE GUSTAFSSON RAGNAR WALLIN Examinator: ANDERS HANSSON Link¨oping 20 april 2004.

Avdelning, Institution Division, Department

Institutionen för systemteknik

581 83 LINKÖPING

X Examensarbete ISRN LITH-ISY-EX-3495-2004

C-uppsats

D-uppsats Serietitel och serienummer

Title of series, numbering

ISSN

Övrig rapport ____

URL för elektronisk version

http://www.ep.liu.se/exjobb/isy/2004/3495/

Titel

Title

MODELLERING OCH REGLERING AV HYTTGASNÄT

Författare

Author

Björn Hultman och Johannes Ingemanson

Sammanfattning

Abstract

Examensarbetet behandlar en modellering av hyttgasnätet vid SSAB Oxelösund AB. Det objektorienterade modelleringsspråket Modelica används. Modellen valideras statiskt och dynamiskt för olika driftsfall med gott resultat.

Hyttgasen används delvis för generering av elektricitet i kraftverket. Simuleringar av modellen visar att hyttgasnätets konstruktion begränsar inflödet av hyttgas till kraftverket. Modellen används för att studera förändringar av hyttgasnätet som kan öka inflödet till kraftverket. I examensarbetet föreslås byte av de befintliga brännarna i kraftverket, införande av två extra brännare eller införande av en tryckstegringsfläkt. Samtliga förändringar möjliggör en ökad elproduktion i kraftverket, detta leder till ökad vinst för SSAB.

Olika driftsstörningar i hyttgasnätet simuleras för att ge förslag på åtgärder som kan minska störningen. Ett snabbstopp av kraftverket ger en tryckstegring i nätet. Störningen kan minskas genom att facklorna regleras av trycket i gasnätet, tryckregleringen kombineras med dagens reglering mot gasklockans nivå. När ett snabbstopp i blåsmaskinen studeras kan en modifiering av regulatorn till reglerspjället göras. Förändringen medför att gasklockans nivå stabiliseras.

För att minska förlusterna av gas bör facklornas reglering ändras. Facklornas reglering kan förbättras genom att fördelningen av den hyttgas som ska förbrännas i facklorna ändras. Om förbättringen införs i hyttgasnätet minskas förlusterna av hyttgas och elproduktionen i kraftverket kan ökas.

Sammanfattning

Examensarbetet behandlar en modellering av hyttgasn¨atet vid SSAB Oxel¨osund AB. Det objektorienterade modelleringsspr˚aket Modelica anv¨ands. Modellen valid-eras statiskt och dynamiskt f¨or olika driftsfall med gott resultat.

Hyttgasen anv¨ands delvis f¨or generering av elektricitet i kraftverket. Simu-leringar av modellen visar att hyttgasn¨atets konstruktion begr¨ansar infl¨odet av hyttgas till kraftverket. Modellen anv¨ands f¨or att studera f¨or¨andringar av hyttgas-n¨atet som kan ¨oka infl¨odet till kraftverket. I examensarbetet f¨oresl˚as byte av de befintliga br¨annarna i kraftverket, inf¨orande av tv˚a extra br¨annare eller inf¨orande av en tryckstegringsfl¨akt. Samtliga f¨or¨andringar m¨ojligg¨or en ¨okad elproduktion i kraftverket, detta leder till ¨okad vinst f¨or SSAB.

Olika driftsst¨orningar i hyttgasn¨atet simuleras f¨or att ge f¨orslag p˚a ˚atg¨arder som kan minska st¨orningen. Ett snabbstopp av kraftverket ger en tryckstegring i n¨atet. St¨orningen kan minskas genom att facklorna regleras av trycket i gasn¨atet, tryckregleringen kombineras med dagens reglering mot gasklockans niv˚a. N¨ar ett snabbstopp i bl˚asmaskinen studeras kan en modifiering av regulatorn till regler-spj¨allet g¨oras. F¨or¨andringen medf¨or att gasklockans niv˚a stabiliseras.

F¨or att minska f¨orlusterna av gas b¨or facklornas reglering ¨andras. Facklornas reglering kan f¨orb¨attras genom att f¨ordelningen av den hyttgas som ska f¨orbr¨annas i facklorna ¨andras. Om f¨orb¨attringen inf¨ors i hyttgasn¨atet minskas f¨orlusterna av hyttgas och elproduktionen i kraftverket kan ¨okas.

Abstract

This master thesis treats modeling of a gas network at SSAB Oxel¨osund AB. The object-oriented modeling language Modelica is used. Static and dynamic validation of the model is performed, with good results, for different modes of operation.

The gas is, among other things, used for producing electricity in a power plant. Simulations show that the construction of the gas network limits the inflow of gas to the power plant. Different changes can increase this inflow. We suggest replace-ment of existing burners, buying two new burners or investing in a fan. All of the above would make it possible to produce more electricity and thus increase the profit.

Different breakdowns in the gas network are simulated. The results are used to suggest network modifications. A breakdown in the power plant makes the pressure in the network too high. Simulations show that a flare, controlled by the pressure instead of the volume in the gasometer, would rapidly decrease the pressure. Sim-ulation of breakdowns in the compressors show that retuning the controllers in the power plant would make fluctuations in the gasometers volume smaller.

To minimize the loss of gas the control of the flares should be modified. The ratio between how much gas is burned in the different flares should be changed. The result will be that more electricity can be produced in the power plant.

Tackord

Under examensarbetet hade inte varit m¨ojligt att genomf¨ora utan den hj¨alp vi f˚att av personalen vid SSAB Oxel¨osund. Vi vill speciellt tacka v˚ar handledare Per-˚Ake Gustafsson som alltid har haft tid f¨or oss. Dessutom vill vi tacka instumentarna Lennart Fredriksson och Bertil Jonsson f¨or deras hj¨alp vid datainsamling och in-stallation av m¨atutrustning. ¨Ovrig personal som vi varit i kontakt med vid SSAB har varit hj¨alpsamma och visat stort intresse f¨or v˚art arbete.

Dessutom vill vi tacka Ragnar Wallin, v˚ar handledare vid LiTH. Hj¨alpen vid rapportskrivandet har varit mycket v¨ardefull.

Inneh˚

all

2 SSAB Oxel¨osund 3 2.1 Historik om J¨arnverket i Oxel¨osund . . . 4

3 Processbeskrivning 5 3.1 Bl˚asmaskiner . . . 5 3.2 Varmapparater . . . 6 3.2.1 Konstruktion . . . 6 3.2.2 Drift . . . 8 3.3 Masugnar . . . 9 3.3.1 R˚avaror . . . 9 3.3.2 Konstruktion . . . 9 3.3.3 F¨or¨adlingsprocess . . . 9 3.3.4 Drift . . . 11 3.4 Gasrening . . . 11 3.4.1 Sots¨ack . . . 11 3.4.2 Kyltorn . . . 12 3.4.3 Elektrofilter . . . 12 3.5 Gasklocka . . . 12 3.6 Facklor . . . 13 3.6.1 Konstruktion . . . 13 3.6.2 Drift . . . 13 3.7 Koksverk . . . 13 3.7.1 Konstruktion . . . 13 3.7.2 F¨or¨adlingsprocess . . . 14 3.7.3 Drift . . . 14 3.8 Kraftverk . . . 14 vii

3.8.1 Konstruktion . . . 14 4 Teoribakgrund 17 4.1 Hyttgasens egenskaper . . . 17 4.2 Grundl¨aggande fluiddynamik . . . 18 4.2.1 Str¨omningens karakt¨ar . . . 18 4.2.2 Inkompressibel str¨omning . . . 19 4.2.3 Kompressibel str¨omning . . . 20 4.2.4 Friktionsf¨orluster . . . 21 4.2.5 Eng˚angsf¨orluster . . . 22 4.3 Modellbygge . . . 25 4.3.1 Modelleringsverktyg . . . 25 5 Val av modelleringverktyg 27 5.1 Kravspecifikation . . . 27

5.1.1 Kategori 1, krav p˚a systemuppbyggnad . . . 27

5.1.2 Kategori 2, krav p˚a simuleringsm¨ojligheter . . . 27

5.1.3 Kategori 3, krav p˚a system och licens . . . 28

5.1.4 Kategori 4, ¨onskem˚al p˚a ytterligare funktioner . . . 28

5.2 Bed¨omningsmall f¨or kravspecifikation . . . 28

5.3 Studerade program . . . 28 5.3.1 Matlab / Simulink . . . 29 5.3.2 Modelica . . . 29 5.3.3 Fluent . . . 30 5.3.4 Easy5 . . . 30 5.3.5 Fluidflow . . . 30 5.3.6 Hopsan . . . 30 5.3.7 Flowmaster II . . . 31 5.3.8 Pneuma . . . 31 5.3.9 Aspentech . . . 31 5.4 Resultat . . . 31 6 M¨atningar 33 6.1 Loggning av data . . . 33 6.1.1 Loggerdatorer . . . 33 6.1.2 Extern utrustning . . . 34

6.1.3 Styr och ¨overvakningssystem . . . 35

6.2 M¨atpunkter . . . 35

6.2.1 M¨atpunkter vid hyttan . . . 35

6.2.2 M¨atpunkter vid kraftverket . . . 37

6.3 M¨atningarnas os¨akerhet och felk¨allor . . . 38

6.3.1 Tryckm¨atningarnas os¨akerhet . . . 38

6.3.2 Os¨akerhet hos ¨ovriga m¨atningar . . . 40

6.3.3 Ovriga felk¨allor . . . 41¨

Inneh˚all ix

7 Anv¨anda komponenter i Modelica 43

7.1 Thermofluid . . . 43

7.1.1 Val av klass i Termofluid . . . 44

7.1.2 Val av tillst˚and i Single Static . . . 44

7.2 Grundkomponenter i Thermofluid . . . 44 7.2.1 Mediummodell . . . 44 7.2.2 Reservoar . . . 45 7.2.3 R¨orledning . . . 45 7.2.4 Fl¨odesmotst˚and . . . 46 7.2.5 Reglerventil . . . 46 7.2.6 Treport . . . 47 7.2.7 Volym . . . 48 7.2.8 Sensorer . . . 48 7.3 Grundkomponenter ur ModelicaAdditions . . . 48 7.3.1 Switch . . . 48 7.3.2 Table . . . 49 7.4 Grundkomponenter ur Blocks . . . 49 7.4.1 PI- regulator . . . 49

7.4.2 PID-regulator med begr¨ansad utsignal . . . 49

7.4.3 Integrator . . . 50

7.4.4 Overf¨oringsfunktion . . . 51¨

7.4.5 Trapets . . . 51

7.4.6 Ovriga funktioner . . . 52¨

8 Modell f¨or hyttgasn¨atet 53 8.1 Kopplingsregler i Modelica . . . 53

8.2 Hyttgasmodell Statisk . . . 54

8.2.1 Submodell f¨or kraftverk . . . 54

8.2.2 Submodell f¨or br¨annarplan . . . 55

8.2.3 Submodell f¨or reglerventil OK3 . . . 56

8.3 Val av intrimningsdata . . . 57

8.3.1 Ber¨aknad massbalans . . . 59

8.4 Intrimning av Hyttgasmodell Statisk . . . 59

8.4.1 Intrimning av sektioner med r¨or och fl¨odesmotst˚and . . . 61

8.4.2 Intrimning av sektioner med enbart fl¨odesmotst˚and . . . 63

8.4.3 Intrimning av Reglerventil OK3 . . . 64

9 Submodeller 67 9.1 Gasklocka . . . 67 9.1.1 Inst¨allning av parametrar . . . 67 9.2 Masugn . . . 69 9.2.1 Inst¨allning av parametrar . . . 70 9.3 Varmapparater . . . 71 9.3.1 Inst¨allning av parametrar . . . 72 9.4 Bl¨asterfl¨ode . . . 72

9.5 Facklorna . . . 72 9.5.1 Inst¨allning av parametrar . . . 74 9.6 Koksverket . . . 76 9.6.1 Inst¨allning av parametrar . . . 77 9.7 OK2 . . . 78 9.7.1 Inst¨allning av parametrar . . . 78 10 Validering av modellen 79 10.1 Statisk validering . . . 79 10.1.1 Vald valideringsdata . . . 80

10.1.2 Till˚aten avvikelse i modellen . . . 80

10.1.3 Genomf¨orande av statisk validering . . . 81

10.1.4 Validering av driftsfall 1 . . . 81

10.1.5 Validering av driftsfall 2 . . . 83

10.1.6 Validering av driftsfall 3 . . . 84

10.1.7 Resultat . . . 84

10.2 Dynamisk validering . . . 85

10.2.1 Validering av koksverkets v¨axling . . . 85

10.2.2 Validering av facklornas uppf¨orande . . . 86

11 Kapacitetsh¨ojande f¨or¨andringar i hyttgasn¨atet 89 11.1 Drift av hyttgasn¨atet . . . 89

11.2 F¨orslag p˚a f¨or¨andringar . . . 89

11.2.1 ¨Okad belastning p˚a gasklockan . . . 90

11.2.2 Byte av r¨or mellan M2 och vertikalr¨or . . . 91

11.2.3 Byte av snabbst¨angare 1 vid OK3 . . . 91

11.2.4 OK3 ut¨okas med tv˚a extra br¨annare . . . 92

11.2.5 Byte av befintliga br¨annare . . . 92

11.2.6 Inf¨orande av en tryckstegringsfl¨akt . . . 92

11.3 Resultat fr˚an simuleringar av f¨or¨andringar i hyttgasn¨atet . . . 92

11.4 Simuleringar av LD-gasens inf¨orande . . . 94

12 Driftsst¨orningar i hyttgasn¨atet 97 12.1 Modell f¨or dynamiska simuleringar . . . 97

12.2 Snabbstopp av OK3 . . . 98

12.2.1 Simuleringar . . . 98

12.2.2 Inf¨orande av tryckreglerad fackla . . . 100

12.2.3 Byte av r¨or mellan M4:s utlopp och gasklocka . . . 101

12.3 Snabbstopp bl˚asmaskin . . . 102

12.4 Gasklocka full . . . 103

Inneh˚all xi

13 Reglering av hyttgasn¨at 105

13.1 Facklornas reglering . . . 105

13.2 Reglering kraftverk . . . 108

13.2.1 Inf¨orandet av tv˚a extra br¨annare till OK3 . . . 108

13.2.2 Byte av befintliga br¨annare i OK3 . . . 109

13.3 Resultat . . . 110

14 Slutsatser 111 14.1 F¨orslag p˚a fortsatt arbete . . . 112

A Bilder 115 A.1 Hyttgasn¨atets konstruktion . . . 115

B Kravspecifikation f¨or modelleringsverktyg 117 B.1 Kategori 1, krav p˚a systemuppbyggnad . . . 117

B.2 Kategori 2, krav p˚a simuleringsm¨ojligheter . . . 118

B.3 Kategori 3, krav p˚a system och licens . . . 119

B.4 Kategori 4, ¨onskem˚al p˚a funktionalitet . . . 119

B.5 Sammanst¨allning av betygs¨attningen . . . 120 C Ber¨akningar 123 C.1 Toppgasfl¨ode . . . 123 C.2 Utbytesfaktorer . . . 124 C.3 Tryck i gasklocka . . . 124 C.4 Hyttgasens densitet . . . 124 C.5 Dimensionering av ny fackla . . . 125

D Definerade funktioner i Thermofluid och Script 127 D.1 Egendefinerade funktioner i Thermofluid . . . 127

D.1.1 Ber¨akning i fl¨odesmotst˚and . . . 127

D.1.2 Ber¨akning i r¨or . . . 127

D.1.3 Mediummodellens definition . . . 128

Kapitel 1

Inledning

I det inledande kapitlet redovisas bakgrunden och syftet med examensarbetet. M˚alet med examensarbetet beskrivs samt vilka avgr¨ansningar som ¨ar n¨odv¨andiga att g¨ora f¨or att begr¨ansa uppgiftens omfattning. Rapportens uppbyggnad redovisas i slutet av kapitlet.

1.1

Bakgrund

Vid framst¨allning av r˚aj¨arn i masugnarna vid SSAB Oxel¨osund f˚as hyttgas som en biprodukt. Gasens energiinneh˚all utnyttjas huvudsakligen f¨or elgenerering i en ˚angturbindriven generator. Idag ¨ar ungef¨ar h¨alften av den energi som f¨orbrukas vid SSAB Oxel¨osund egenproducerad. Genereringen och upphettningen av ˚angan sker i en panna eldad med huvudsakligen hyttgas. Om generatorn utnyttjades maximalt skulle SSAB Oxel¨osund kunna bli s˚a gott som sj¨alvf¨ors¨orjande av elenergi vid normaldrift och ¨odrift kan uppn˚as. Med ¨odrift menas att SSAB Oxel¨osund vid behov kan kopplas bort fr˚an stamn¨atet och att all kraftproduktion sker lokalt. Om hyttgasen utnyttjas mer effektivt kan SSAB komma n¨armare sitt m˚al med ¨odrift och minska energikostnaderna. SSAB vill unders¨oka hur hyttgasn¨atets konstruktion och reglering p˚averkar produktionen. Dessutom finns ¨onskem˚al att unders¨oka hur f¨or¨andringar i hyttgasn¨atet kan ¨oka elproduktionen.

1.2

Syfte

Examensarbetets syfte ¨ar att skapa en modell ¨over hyttgasn¨atet som ska ¨oka SSAB:s kunskap om hyttgasn¨atet. Simuleringar av modellen ska anv¨andas till att unders¨oka hur hyttgasn¨atets konstruktion och reglering kan f¨orb¨attras. SSAB vill minska f¨orlusterna av hyttgas samt att ¨oka kraftverkets kapacitet.

1.3

M˚

al

Det ¨overgripande m˚alet med examensarbetet ¨ar att unders¨oka hur en st¨orre del av hyttgasproduktionen kan utnyttjas i kraftverket, utan att koksverk och varmappa-rater f˚ar ett minskat gasfl¨ode. F¨or att n˚a det ¨overgripande m˚alet finns ett flertal delm˚al som ska uppn˚as:

• _{Val av l¨ampligt modelleringsverktyg f¨or hyttgasn¨atet}

• Implementering av en matematisk modell intrimmad och validerad mot data fr˚an k¨anda driftsfall

• _{F¨orslag p˚a f¨orb¨attringar av hyttgasn¨atets konstruktion och reglering ska ges} utifr˚an simuleringar i modellen

• _{Simuleringar ska ge f¨orslag p˚a hur driftsst¨orningar kan minskas}

1.4

Avgr¨

ansningar

Modellen som implementeras kommer att behandla endimensionell str¨omning i hyttgasn¨atet. Gasstr¨omningen ¨ar endast intressant f¨or att tryckfall och fl¨ode i hyttgasn¨atet ska kunna studeras. N˚agon djupare analys av de str¨omningstekniska detaljerna kommer ej att ber¨aknas i modellen.

1.5

Rapportens struktur

Kapitel 2 i rapporten presenterar en kort beskrivning av SSAB Oxel¨osund som f¨oretag. F¨or de l¨asare som inte ¨ar bekanta med st˚alindustrin finns en process-beskrivning av hyttgasn¨atets komponenter i kapitel 3. I kapitel 4 redovisas den teori som anv¨ands i examensarbetet. Kapitel 5 inneh˚aller en beskrivning av de krav och ¨onskem˚al som finns vid valet av modelleringsverktyg. Verktyget som anses b¨ast l¨ampat f¨or uppgiften utses. De m¨atpunkter som ing˚ar i hyttgasn¨atet diskuteras med avseende p˚a funktion och noggrannhet i kapitel 6. De grundl¨aggande kom-ponenterna i modellen beskrivs i kapitel 7. I kapitel 8 presenteras modellen och intrimningen av r¨orsystemet. De submodeller som anv¨ands beskrivs i kapitel 9 f¨oljt av validering av modellen i kapitel 10. Kapitel 11 inneh˚aller en sammanst¨allning av de f¨or¨andringar som testats f¨or attunders¨oka om kraftverkets konsumtion kan ¨okas. I examensarbetet ing˚ar att utf¨ora simuleringar av olika driftsst¨orningar. Resultat-en presResultat-enteras i kapitel 12. Modifieringar av regulatorer i hyttgasn¨atet redovisas i kapitel 13 tillsammans med information om hur regulatorerna har best¨amts. Sista kapitlet inneh˚aller en kort sammanfattning av de resultat som uppn˚atts under ex-amensarbetet samt f¨orslag p˚a fortsatt arbete.

Kapitel 2

SSAB Oxel¨

osund

SSAB Oxel¨osund AB ¨ar ett frist˚aende dotterbolag som ¨ar hel¨agt av SSAB. I SSAB-koncernen ing˚ar dessutom SSAB Tunnpl˚at, Plannja, SSAB Hardtech och Tibnor. F¨or att ge en inblick i hur stor koncernens verksamhet ¨ar redovisas dotterbolagens f¨ors¨aljning och produkter under ˚ar 2002 i Tabell 2.1.

Tabell 2.1.SSAB:s f¨ors¨aljning under 2002

Bolag ˚Arsf¨ors¨aljning Produkter SSAB Tunnpl˚at 10 046 Mkr Tunnpl˚at SSAB Oxel¨osund 5 225 Mkr Grovpl˚at

Plannja 1 195 Mkr Byggpl˚at

SSAB HardTech 835 Mkr Specialprodukter till bilindustrin Tibnor 5 424 Mkr F¨ors¨aljning Sverige

SSAB:s koncernenstrategi ¨ar att:

Koncentrationen p˚a platta produkter som genom sin h˚allfasthet, slitstyrka och form-barhet ger kunden ett v¨asenligt merv¨arde.

Dotterbolaget SSAB Oxel¨osund AB har som sin aff¨arsid´e:

Att utveckla, tillverka och marknadsf¨ora ¨amnen och grovpl˚at med bra teknisk och kommersiell service s˚a att vi har n¨ojda kunder.

SSAB Oxel¨osund tillverkar fyra olika typer av st˚al slitst˚al, konstruktionsst˚al, skyddssst˚al och verktygsst˚al med varum¨arkena HARDOX, WELDOX, ARMOX och TOOLOX.

• _{HARDOX ¨ar en slitpl˚at med ytterst gott n¨otningsmotst˚}and. St˚alet anv¨ands till att tillverka gr¨avskopor, lastbilsflak och stenkrosserier mm.

• _{WELDOX ¨ar ett h¨ogh˚}allfasthetsst˚al som anv¨ands f¨or att bygga l¨atta och mycket starka st˚alkonstruktioner s˚asom broar och kranarmar.

• _{ARMOX ¨ar skyddsst˚al med utm¨arkta ballistiska egenskaper i kombination} med h¨og h˚ardhet och styrka. Armox anv¨ands i skyddsapplikationer som bank-diskar, v¨ardetransporter mm.

• TOOLOX ¨ar ett h¨ogkvalitativt verktygsst˚al som precis har introducerats p˚a marknaden. F¨orhoppningen ¨ar att ¨aven detta st˚al ska bli marknadsledande. Biprodukterna fr˚an st˚alverket f¨orekommer i ett flertal produkter t.ex. cement, mineralull och l¨akemedel. F¨oretaget MEROX sk¨oter˚atervinningen av restprodukter i fabriken. SSAB Oxel¨osund AB har totalt 2387 personer anst¨allda i Oxel¨osund och 126 personer utomlands ˚ar 2002.

2.1

Historik om J¨

arnverket i Oxel¨

osund

Nedan f¨oljer en lista ¨over de viktigaste ˚artalen kopplade till utvecklingen av Jern-verket i Oxel¨osund:

• 1914 - 1917 Masugnen, koksverk och kraftverk byggs upp • 1957 - 1959 St˚al och valsverk byggs upp av Gr¨anges • _{1970 F¨orsta h¨ardningslinjen byggs}

• 1978 SSAB bildas

• _{1988 SSAB Oxel¨osund AB bildas} • 1989 SSAB introduceras p˚a b¨orsen

• 1998 Nya kvartovalsverket, ett av Europas modernaste, tas i drift. • 1999 St˚alhamnen invigs

• _{2001 Andra h¨ardningslinjen tas i bruk}

Investeringstakten i Oxel¨osund ¨ar h¨og. Stora investeringar har genomf¨orts i st˚alverket och h¨ardningsanl¨aggningen de senaste ˚aren. Genom investeringarna kan SSAB h¨oja sin produktion och d¨arf¨or n˚a en h¨ogre l¨onsamhet.

Kapitel 3

Processbeskrivning

N¨ar processen att framst¨alla r˚aj¨arn ur pellets och koks studeras ¨ar det naturligt att masugnarna hamnar i fokus. I masugnarna sker reaktionen som f¨or¨adlar j¨arnmalm till r˚aj¨arn. Vid reaktionen frig¨ors stora m¨angder gas i form av kolmonoxid, koldiox-id, v¨atgas, syrgas och kv¨avgas. Gasblandningen kallas f¨or masugnsgas eller hyttgas. F¨or att ¨oka produktionen i masugnen matas den med bl¨asterluft. Bl˚asmaskiner och varmapparater anv¨ands f¨or att producera den ca 1000 grader varma bl¨asterluften. Eftersom hyttgasen ¨ar br¨annbar har SSAB valt att anv¨anda den f¨or energi- och v¨armeproduktion. Hyttgasn¨atet binder samman masugnarna som producerar hytt-gasen med konsumenterna av hytt-gasen. Konsumenterna ¨ar koksverket, varmappara-terna och kraftverket. Hyttgasen anv¨ands som br¨ansle i koksugnarna, f¨or att v¨arma upp det v¨armekonserverande resteglet i varmapparaterna samt f¨or energiframst¨all-ning i kraftverket. De viktigaste komponenterna i hyttgasn¨atet beskrivs i detta kapitel. Dessutom redovisas en skiss ¨over systemet i bilaga A.

3.1

Bl˚

asmaskiner

Vid SSAB finns tv˚a luftkompressorer s.k. bl˚asmaskiner, de anv¨ands f¨or att produc-era bl¨asterluft till masugn 2 (M2) och masugn 4 (M4). Bl˚asmaskinerna ¨ar placerade vid kraftverket. Utfl¨odet fr˚an bl˚asmaskinerna kopplas till varmapparaterna d¨ar den komprimerade luften f¨ardas i separata r¨orledningar fr˚an bl˚asmaskin 6 (Blm6) till M4 och bl˚asmaskin 7 (Blm7) till M2. Innan den komprimerade luften n˚ar varmappa-raterna spetsas luften med ˚anga och syrgas f¨or att ¨oka produktionen i masugnarna. Tekniska data till bl˚asmaskinerna redovisas i tabell 3.1.

F¨or att styra bl¨asterfl¨odet till ¨onskat referensv¨arde kan tre olika typer av reg-lering anv¨andas.

1. Fl¨odesreglering. Regulatorn styr bl˚asmaskinen baserat p˚a fl¨odet i bl¨aster-ledningen.

2. Tryckreglering. Regulatorn styr bl˚asmaskinen baserat p˚a trycket i bl¨aster-ledningen.

3. Manuell styrning av varvtalet p˚a bl˚asmakinen

Tabell 3.1.Tekniska data ¨over bl˚asmaskinerna Blm6 och Blm7 [25]

Blm6 Blm7

Sluttryck 1,2 bar 1,5 bar

Sluttemperatur 106◦_{C 143}◦_C

Maximal insugningsm¨angd 139 300 Nm3

/h 90 000 Nm3

/h Maximalt varvtal kompressor 4410 rmp 4600 rpm

3.2

Varmapparater

Varmapparaterna anv¨ands f¨or att v¨arma upp den kalla bl¨asterluften som produc-eras i bl˚asmaskinerna. V¨arme¨overf¨oringen fr˚an varmapparatens v¨armekonserver-ande restegel till bl¨asterluften ¨ar viktig. Ungef¨ar 10 % av den energi som tillf¨ors masugnen kommer fr˚an bl¨asterluften. I masugnarna vid SSAB anv¨ands kolinjektion vilket kr¨aver en h¨og bl¨astertemperatur. Varmapparaten arbetar enligt den regen-erativa principen som bygger p˚a en cykel best˚aende av tv˚a delar [30]. I den f¨orsta delen sker en uppv¨armning av varmapparatens restegel genom att apparaten eldas med hyttgas. Under den andra delen passerar bl¨asterfl¨odet genom den upphettade apparaten och anv¨ands som varmbl¨aster i masugnen. Till varje masugn finns fyra varmapparater kopplade tv˚a apparater v¨arms, och tv˚a anv¨ands f¨or att producera den varma bl¨asterluften. N¨ar bl¨asterluftens temperatur sjunker v¨axlas apparaterna. Varmapparaterna p˚a SSAB kopplade till M2 ben¨amns V22, V23, V24, V25 och de kopplade till M4 ben¨amns V41, V42, V43, V44.

3.2.1

Konstruktion

Varmapparaten best˚ar av tv˚a schakt, ett br¨annschakt och ett schakt fyllt med restegel. Teglet vilar p˚a ett gjutj¨arnsroster som ¨ar en metallkonstruktion i varmap-paratens botten. H¨ogst upp i varmapparaten finns en kupol som sammanbinder schakten med varandra. Varmapparatens konstruktion visas i figur 3.1.

Vid uppv¨armningen av varmapparaten eldas br¨annaren i br¨annschaktet med en blandning av koksgas och hyttgas f¨or att v¨arma upp varmapparatens v¨aggar. Det finns tv˚a typer av mekaniska och en typ av keramisk br¨annare. Vilken typ som anv¨ands i de olika varmapparaterna redovisas i tabell 3.2.

Vid uppv¨armningen har de olika varmapparaterna inte samma infl¨ode av hyttgas eftersom br¨annarnas motst˚and och ledningarnas konstruktion ¨ar olika. Motst˚andet

3.2 Varmapparater 7

Figur 3.1.Varmapparatens konstruktion

Tabell 3.2.Varmapparaternas br¨annare [27]

Typ av br¨annare Varmapparat Mekaniska typ 1 V41, V42, V43 Mekaniska typ 2 V44, V24, V25

Keramiska V22, V23

f¨or bl¨asterluften genom varmapparaterna beror p˚a hur slitet resteglet ¨ar. N¨ar reste-glet ¨ar slitet kan ¨aven f¨orskjutningar i tereste-glet uppst˚a. F¨orskjutningarna kan medf¨ora att kanalerna i resteglet t¨apps till och ett ¨okat motst˚and f˚as. Dessutom varierar den v¨armeledande ytan mellan de olika varmapparterna. I tabell 3.3 presenteras varmappaternas v¨armeledande yta.

Tabell 3.3.V¨armeledande yta f¨or varmapparaterna [27]

Varmapparat V¨armeledande yta

V22 14 700 m2 V23 24 200 m2 V24 14 700 m2 V25 24 200 m2 V41 32 400 m2 V42 33 500 m2 V43 20 700 m2 V44 23 900 m2

Innan varmapparaterna v¨axlar mellan uppv¨armning och bl¨aster m˚aste br¨ann-schaktet och resteglet trycks¨attas. Trycks¨attningen sker med en bypasskoppling till V22, V23 och V41. I V24, V25, V42, V43 och V44 sker trycks¨attningen genom

att en mindre ventil¨oppning ¨oppnas inuti kallbl¨asterventilen, som styr infl¨odet av kallbl¨aster till varmapparaten.

3.2.2

Drift

Tidigare i rapporten n¨amns det att varmapparaterna arbetar enligt den regenerati-va principen som best˚ar av en uppv¨armningsperiod och en bl¨asterperiod. Varmap-paraterna tillh¨orande M2 st˚ar i bl¨asterl¨age under ca 1 h. F¨or varmapparaterna tillh¨orande M4 ¨ar tiderna f¨or bl¨asterl¨age och uppv¨armning n˚agot l¨angre. Under den totala tiden anv¨ands 15 - 20 % av varmapparatens drifttid f¨or att ¨oppna och st¨anga ventiler [27].

V¨axlingarna mellan varmapparaterna sker p˚a olika s¨att f¨or M2 och M4. Vid M2 sker v¨axlingarna av bl¨asterfl¨ode mellan varmapparaterna parallellt. Inneb¨orden illustreras i figur 3.2. Vid M4 anv¨ands tidsf¨orskjuten parallell v¨axling. Principen exemplifieras i figur 3.3.

Figur 3.2.Parallell v¨axling av varmapparaterna till M2

3.3 Masugnar 9

3.3

Masugnar

Vid SSAB Oxel¨osund finns tv˚a av Sveriges totalt tre masugnar. I masugnarna reduceras j¨arnoxiden i malmen till j¨arn genom en kemisk reaktion. Det j¨arn som tappas ut ur masugnen kr¨aver efterbehandling, bl.a. p˚a grund av sin h¨oga kolhalt, och kallas d¨arf¨or r˚aj¨arn.

3.3.1

R˚

avaror

Den j¨arnr˚avara som anv¨ands vid SSAB ¨ar pellets som huvudsakligen levereras fr˚an LKAB. Pelletsen inneh˚aller j¨arnoxiderna hematit (Fe2O3) och magnetit (Fe3O4)

[24].

F¨or¨adlingen av j¨arnr˚avaran till r˚aj¨arn kr¨aver en stor energitillf¨orsel. SSAB anv¨ander framf¨orallt koks som energik¨alla. Huvuddelen av den koks som avv¨ands produceras i SSAB:s egna koksverk i Oxel¨osund. Kol ¨ar betydligt billigare ¨an koks. D¨arf¨or anv¨ands ¨aven rent kol som br¨ansle i masugnen. Kolet som anv¨ands ¨ar finmalt och bl˚ases in i botten p˚a masugnen. Det kallas d¨arf¨or injektkol. Det ¨ar koksen som styr permeabiliteten, d.v.s. hur l¨att gas och flytande j¨arn passerar genom b¨adden i masugnen. D¨arf¨or kan injektkol bara ers¨atta koks till en viss gr¨ans.

3.3.2

Konstruktion

Masugnen ¨ar ett schakt som matas med koks och pellets i toppen och tappas p˚a j¨arn och slagg i botten. Masugnens v¨aggar best˚ar av en pl˚atmantel som ¨ar kl¨add inv¨andigt med v¨armebest¨andigt tegel. V¨aggarna kyls delvis med ett vattenburet kylsystem. Dessutom spolas delar av mantelns utsida med vatten.

I botten p˚a ugnen finns ett tapph˚al d¨ar b˚ade r˚aj¨arn och slagg tappas ut. R˚aj¨arnet kan separeras fr˚an slaggen eftersom j¨arnets densitet ¨ar betydligt h¨ogre ¨an slaggens. R˚aj¨arnet tappas i stora beh˚allare, s.k. torpeder och slaggen i speciella slaggrytor f¨or att sedan transsporteras bort fr˚an masugnen [26].

I den nedre delen av masugnen sitter de s.k. formorna placerade i en ring kring masugnen. Genom formorna pressas bl¨asterluften in i masugnen. I varje forma sitter dessutom en kollans genom vilken injektkolet bl˚ases in. Tekniska data f¨or M2 och M4 redovisas i tabell 3.4.

3.3.3

F¨

or¨

adlingsprocess

De kemiska reaktioner som sker i masugnen redovisas i ekvation 3.1 - 3.7. Uppdel-ningen i flamzon, sm¨altzon, reservzon och torkzon ses i figur 3.4 [26].

Flamzonen ¨ar den nedersta av de fyra kemiska reaktionszonerna. H¨ar f¨orbr¨anns koks och injektkol tillsammans med syre fr˚an bl¨asterluften. Reaktionen sker enligt ekvation 3.1.

Tabell 3.4.Tekniska data f¨or M2 och M4 [26] M2 M4 Volym 670 m3 1280 m3 Formdiameter 6,9 m 8,6 m Antal formor 18 20

Produktion 2000 ton r˚aj¨arn/dygn 3000 ton r˚aj¨arn/dygn

Figur 3.4.Masugnens olika reaktionszoner. 1 = flamzon, 2 = sm¨altzon, 3 = reservzon och 4 = torkzon.

C+ O2→CO2+ v¨arme (3.1)

Eftersom det r˚ader ¨overskott av kol och temperaturen ¨ar ca 2200◦_{C reagerar}

den bildade koldioxiden enligt ekvation 3.2.

CO2+ C → 2CO − v¨arme (3.2)

Sm¨altzonen ligger ovanf¨or formorna och flamzonen. N¨ar j¨arnoxiden sm¨alter f˚as en s.k. direktreduktion mellan j¨arnoxiden w¨ustit (FeO) och kol enligt ekvation 3.3.

F eO+ C → F e + CO − v¨arme (3.3)

Ovanf¨or sm¨altzonen ligger reservzonen. H¨ar ¨ar temperaturen ungef¨ar 900◦_C.

Temperaturen ¨ar under sm¨altpunkten f¨or pellets, d¨arf¨or sker ingen dirketreduktion. Ist¨allet sker s.k. indirekt reduktion mellan j¨arnoxiderna, magnetit och hematit, samt kolmonoxid. Reaktionerna sker i tre steg som beskrivs i ekvation 3.4 - 3.6.

3F e2O3+ CO → 2F e3O4+ CO2+ v¨arme (3.4)

F e3O4+ CO → 3F eO + CO2−v¨arme (3.5)

3.4 Gasrening 11

Torkzonen ¨ar masugnens ¨oversta och kallaste zon. Temperaturen ¨ar h¨ar drygt 150◦_{C. I torkzonen torkas r˚avarorna pellets och koks, dessutom kan kol f¨allas ut ur}

gasen och bilda sot enligt ekvation 3.7.

2CO → C + CO2−v¨arme (3.7)

I den nedre delen av torkzonen, d¨ar temperaturen ¨ar ¨over 400◦_{C p˚ab¨orjas den}

indirekta reduktionen av hematit och magnetit som tidigare beskrivits i reservzo-nen.

3.3.4

Drift

Styrningen av masugnen ¨ar en mycket komplicerad process. Som underlag f¨or styrningen anv¨ands bl.a. en m¨angd termoelement vilka ger en temperaturpro-fil i masugnen. Temperaturprotemperaturpro-filen kan ocks˚a anv¨andas f¨or att best¨amma vilken s¨attningsteknik som ska anv¨andas.

S¨attningen av r˚amaterial sker enligt f¨ordefinerade program d¨ar pellets och koks placeras ut med hj¨alp av en r¨anna vid materialventilen i 11 olika ringar. Vid normal drift sker s¨attningen i ordningen: pellets, pellets, koks, pellets, pellets, koks o.s.v. Via olika s¨attningsprogram styrs permeabiliteten och temperaturprofilen i ugnen.

F¨or att ¨overvaka bl¨asterluften finns givare som m¨ater temperatur, tryck, fl¨ode och fukthalt. Genom att ¨andra storeterna kan processen p˚averkas. Bl¨asterluftstem-peraturen styrs med varmapparaterna och bl¨asterluftssammans¨attningen regleras innan varmapparaterna. Laboratorieanalyser av r˚aj¨arn och slagg ¨ar dessutom en mycket viktig styrparameter f¨or masugnen, men behandlas inte n¨armare i examen-sarbetet.

3.4

Gasrening

Hyttgasen som bildas i masugnen inneh˚aller mycket stoft. Det beror p˚a att sot bildas vid reaktionen i torkzonen. Dessutom f¨oljer stoft med fr˚an r˚amaterialet vid s¨attningen. Reningen av hyttgasen sker i tre steg: Sots¨ack, kyltorn och elektrofilter.

3.4.1

Sots¨

ack

I sots¨acken avl¨agsnas de st¨orsta stoftpartiklarna. N¨ar hyttgasen str¨ommar in i sots¨acken fr˚an masugnstoppen s¨anks fl¨odeshastigheten eftersom volymen ¨okar. N¨ar gasfl¨odet v¨ander upp˚at igen mot utloppet faller de tyngre stoftpartiklarna ner till botten. Sots¨ackar dimensioneras i allm¨anhet f¨or att avskilja ca 75% av stoftin-neh˚allet i gasen. Vid SSAB ¨ar sots¨ackarna kraftigt underdimensionerade d¨arf¨or ¨ar reningsgraden reducerad till ca 30% f¨or M4 och endast 20% f¨or M2 [27].

Vid inloppet till sots¨acken sitter sots¨acksventilen. Den st¨angs vid produktion-sstopp, f¨or att undvika tryckfall i hyttgasn¨atet.

3.4.2

Kyltorn

Kyltornets uppgift ¨ar att kyla ner gasen samt att tv¨atta ur s˚a mycket stoft som m¨ojligt. Gasen str¨ommar in underifr˚an och sedan upp˚at. P˚a v¨agen upp m¨oter gasen p˚a flera niv˚aer finf¨ordelat vatten som sprutas in. Vattnet s¨anker temperaturen fr˚an 200◦_{C till 30}◦_{C. Vattnet tar dessutom med sig stoftpartiklar. Kyltornen ¨ar}

placerade efter sots¨acken. Vid M4 finns tv˚a kyltorn som ¨ar kopplade parallellt och vid M2 finns endast ett kyltorn.

3.4.3

Elektrofilter

Den slutliga reningen av hyttgasen sker med elektrofilter. Vid SSAB finns det ett elektrofilter kopplat efter varje kyltorn. Vid M4 ben¨amns elektrofiltren F41 och F42 och vid M2 ben¨amns elektrofiltret F22. N¨ar hyttgasen str¨ommar in i elektrofiltret blir partiklarna som f¨oljer med gasen elektriskt laddade av elek-troner vilka emitteras fr˚an elektroder. De laddade partiklarna attraheras av jor-dade utf¨allningspl˚atar som sk¨oljs rena med vatten [26].

F¨or att styra gasfl¨odena s˚a att b˚ada elektrofiltrena vid M4 belastas j¨amnt finns det spj¨allventiler monterade p˚a utloppen fr˚an elektrofilterna. Ventilerna kan dessu-tom anv¨andas f¨or att styra topptrycket. ¨Aven vid M2 anv¨ands spj¨allventilen efter elektrofiltret f¨or att styra topptrycket.

3.5

Gasklocka

Gasklockans best¨ammer trycket i hyttgasn¨atet. Den stora volymen g¨or att trycket blir j¨amnare. Gasklockan anv¨ands dessutom f¨or att lagra ¨overskott av hyttgas. Klockan best˚ar av tre r¨orliga sektioner samt en bottensektion som ¨ar fast monterad. De r¨orliga sektionerna kallas fr˚an botten och upp˚at f¨or teleskop 2, teleskop 1 och klockdel. Den ¨oversta delen, klockdelen, ¨ar dessutom belastad med 166 ton f¨or att ¨oka trycket i n¨atet ytterligare. Utloppet fr˚an klockan ¨ar utrustad med ett vattenl˚as som anv¨ands f¨or att stoppa in och utfl¨odet av hyttgas i gasklockan n¨ar s˚a ¨onskas. Klockan rymmer ca 25 000 m3

gas n¨ar alla sektioner ¨ar lyfta. Trycket i n¨atet ¨ar direkt beroende av antalet sektioner som anv¨ands. Trycket minskar n¨ar f¨arre sektioner ¨ar i bruk. F¨or att undvika tryckfall i gasn¨atet regleras gasfl¨odet f¨or att gasklockan ska ha en fyllnadsgrad ¨over 75 %. Trycket i hyttgasn¨atet vid 85 % fyllnadsgrad ¨ar ca 41,5 mbar.

3.6 Facklor 13

3.6

Facklor

F¨or att undvika tryckstegringar i n¨atet samt f¨or att reglera niv˚an i gasklockan inneh˚aller hyttgasn¨atet tv˚a facklor. I facklorna f¨orbr¨anns ¨overskottet av hyttgas f¨or att undvika att of¨orbr¨and gas str¨ommar ut i atmosf¨aren. F¨or att ant¨anda hyttgasen anv¨ands en pilotflamma vilken eldas med koksgas. Fl¨odeshastigheten kan inte ¨oka godtyckligt snabbt till facklan eftersom det d˚a finns en risk att sl¨acka pilotflamman. Fl¨odet till facklan regleras baserat p˚a gasklockans niv˚a.

3.6.1

Konstruktion

Facklorna ¨ar placerade mellan masugnarnas utlopp p˚a hyttgasn¨atet. Kapaciteten f¨or den stora facklan (F2) ¨ar maximalt 90 000 Nm3

/h medan den mindre facklan (F1) kan f¨orbr¨anna maximalt 35 000 Nm3

/h. Facklornas minimala konsumtion av hyttgas ¨ar ungef¨ar 3 500 Nm3

/h. Enheten Nm3

/h utl¨ases normalkubikmeter per timme och beskriver volymfl¨odet av gas vid atmosf¨arstryck och 0◦_{C.St¨alldonet f¨or}

F1 ¨ar elektriskt drivet medan F2 har ett hydrauliskt st¨alldon. M¨angden hyttgas som f¨orbrukas n¨ar facklorna anv¨ands minimalt kan manuellt justeras med ett spj¨all. Detta hj¨alper pilotflamman att minska f¨orbrukningen av koksgas. Facklornas plac-ering ses i ritningen i bilaga A.

3.6.2

Drift

F¨orbr¨anningen i facklorna styrs av gasklockans niv˚a. N¨ar den ¨onskade niv˚an ¨over-stigs ant¨ands facklorna. Vid en kraftig tryckstegring i gasn¨atet ¨ar facklornas funk-tion viktig. F¨orbr¨anning i facklorna ¨ar inte ¨onskv¨ard eftersom den inte generera pengar till f¨oretaget. Regleringen av kraftverket syftar d¨arf¨or till att h˚alla facklor-na st¨angda.

3.7

Koksverk

I koksverket f¨or¨adlas kol till koks. Koksen anv¨ands i masugnarna f¨or att att tillf¨ora energi, samt f¨or att h¨oja permeabiliteten.

3.7.1

Konstruktion

Vid Oxel¨osunds koksverk finns fem ungsbatterier som tillsammans inneh˚aller 100 ugnar. Ugnarna ¨ar 4 m h¨oga, 0,45 m breda och 11 m djupa. I ugnsbatterierna ¨ar ugnarna moterade radvis. V¨aggarna mellan ugnarna ¨ar konstruerade av tegel och inneh˚aller flera f¨orbr¨anningskanaler. F¨or att pressa ut koksen ur ugnarna anv¨ands en tryckvagn. P˚a den motsatta sidan av ugnen finns en ledvagn och en sl¨ackvagn som transporterar koksen till sl¨acktornet. Efter sl¨ackning siktas koksen och trans-porteras till hyttan med bandtransport¨orer [17].

3.7.2

F¨

or¨

adlingsprocess

Koks tillverkas av mald stenkol. F¨or att ge koksen de ¨onskade egenskaperna blandas flera olika sorters stenkol. Kolet hettas upp i koksverket utan tillg˚ang till syre, f¨or att undvika f¨orbr¨anning. Kolet avger gaser som finns bundna i materialet, koksens t¨athet ¨okar och klumpar bildas. Efter ca 19,5 timmar i ugnen d˚a koksen n˚att en temperatur p˚a ca 1030◦_{C, tas den ut och sl¨acks med vatten. Koksen m˚aste}

sl¨ackas f¨or att f¨orhindra f¨orbr¨anning tillsammans med luftens syre. Gasen som kolet avger, koksgasen, anv¨andas efter en omfattande reningsprocess som br¨ansle i olika processavsnitt p˚a SSAB, bl.a. vid varmapparater, koksverk och kraftverk [17].

3.7.3

Drift

Eldningen sker i tv˚a olika cykler. Med ca 30 minuters mellanrum ¨andras r¨okgasernas och f¨orbr¨anningsluftens v¨ag s˚a att str¨omningsriktningen genom f¨orbr¨anningskanal-erna ¨andras. V¨axlingarna g¨or att f¨orbr¨anningsluften f¨orv¨arms n¨ar den passerar kanalerna som i f¨oreg˚aende cykel v¨armdes upp av r¨okgaserna. Ugnarna eldas med en blandning av hyttgas och koksgas. Andelen koksgas ¨ar vid normaldrift ca 15 %. Koksverkets f¨orbrukning av hyttgas sker via en r¨orledning som ansluter vid dr¨aneringsstationen, det s.k. vertikalr¨oret, som ¨ar placerad mellan M2 och kraftver-ket. Vid v¨axlingarna mellan f¨orbr¨anningscyklerna stryps infl¨odet av br¨ansle, vilket orsakar en tryckstegring i hyttgasn¨atet.

3.8

Kraftverk

Kraftverket ¨ar den st¨orsta konsumenten av hyttgas. I kraftverket finns fyra pannor som anv¨ands f¨or produktion av ˚anga, hetvatten till fj¨arrv¨arme och elektricitet. Panna 1 och panna 2 ¨ar omv¨axlande i drift f¨or ˚angproduktion. Den ˚anga som produceras anv¨ands i olika processer p˚a SSAB. Pannornas f¨orbrukning av hyttgas ¨ar upp till 28 000 Nm3/h vid full produktion. Panna 3 ¨ar f¨orlagd i malp˚ase och kommer troligen inte att tas i drift igen. Panna 1, 2 och 3 ben¨amns vanligtvis OK2. Panna 4 har vid normal drift en hyttgasf¨orbrukning p˚a 140 000 Nm3

/h. Pannan anv¨ands f¨or produktion av elektricitet, via en ˚angturbin och generator. Panna 4 ben¨amns vanligtvis OK3. Pannorna kan inte eldas enbart med hyttgas utan det kr¨avs att gasen spetsas med den mer energirika koksgasen. Vid brist p˚a hyttgas kan pannorna ¨aven eldas med olja.

3.8.1

Konstruktion

Kraftverket ¨ar p˚akopplat hyttgasn¨atet vid vertikalr¨oret. R¨oret som anv¨ands ¨ar be-tydligt nyare ¨an det ¨ovriga r¨orsystemet. Kopplat till r¨oret sitter tv˚a blandstationer och pannorna. I blandstationerna blandas koksgasen in i hyttgasen f¨or att h¨oja v¨armev¨ardet. R¨oren till Panna 1, 2 och 3 ¨ar kopplade strax efter den f¨orsta bland-stationen. D¨arefter finns ytterligare en blandstation som anv¨ands f¨or att ytterligare h¨oja v¨armev¨ardet f¨or br¨anslet till panna 4. Panna 4 har fyra br¨annare som kan eldas

3.8 Kraftverk 15

med hyttgas. Gasfl¨odet f¨ordelas mellan br¨annarna med en f¨ordelarl˚ada. Gasfl¨odet till pannan styrs med ett reglerspj¨all som ¨ar monterat f¨ore f¨ordelarl˚adan. Till varje br¨annare finns det tv˚a snabbst¨angare, en fj¨aderbelastad (snabbst¨angare 1) och en gravitationsventil (snabbst¨angare 2). Ventilerna anv¨ands f¨or att snabbstoppa pan-nan.

Panna 4 har totalt sex br¨annare, fyra kombinationsbr¨annare och tv˚a oljebr¨ann-are. Kombinationsbr¨annarna klarar tre olika br¨anslen hyttgas, koksgas och olja. Koksgas anv¨ands endast som st¨odbr¨ansle till hyttgasen.

Lufttillf¨orseln till pannan kvotregleras mot br¨anslefl¨odena. Andelen luft till pan-nan styrs med en axialfl¨akt. I eldstaden r˚ader ett undertryck p˚a ca 2 mbar, vilket regleras med tv˚a r¨okgasfl¨aktar. Undertrycket i f¨orbr¨anningskammaren f¨orhindrar att br¨anslen och r¨okgaser kommer ut i pannans omgivning.

Panna 4 anv¨ands f¨or att producera ˚anga till en ˚angturbin. Vattnet f¨orv¨arms i en economizer och f¨ors sedan till en ˚angdom. Economizern utnyttjar pannans r¨okgaser f¨or v¨armev¨axling. Vattnet str¨ommar fr˚an ˚angdomen ned till pannas botten d¨ar vattnet f¨ordelas i ett r¨orsystem inuti pannans v¨aggar. N¨ar vatten-˚angblandningen n˚ar pannans topp ˚aterf¨ors det till ˚angdomen igen. I ˚angdomen separeras ˚angan fr˚an vattnet. Den ˚anga som separeras i ˚angdomen ¨overhettas i fyra steg som ¨ar placerade i pannans ¨oversta del. ˚Angan som har temperaturen 525◦_{C och ett tryck p˚a 105}

bar f¨ors ned till ˚angturbinen som driver en generator p˚a 65 MW. Kondensatet fr˚an turbinen anv¨ands delvis f¨or uppv¨armning av fj¨arrv¨armen¨atet.

Kapitel 4

Teoribakgrund

I detta kapitel presenteras den teori som anv¨ands f¨or att konstruera modellen f¨or hyttgasn¨atet. Grundl¨aggande fakta om hyttgasen och dess egenskaper presen-teras i kapitel 4.1. F¨or att beskriva hur hyttgasen uppf¨or sig inneh˚aller kapitel 4.2 grundl¨aggande teori om fluiddynamik. Avsnittet avslutas med kapitel 4.3 som behandlar modellbygge.

4.1

Hyttgasens egenskaper

Hyttgasen inneh˚aller gaserna kv¨avgas, koldioxid, kolmonoxid, v¨atgas samt syrgas. Hyttgasens sammans¨attning redovisas i volymprocent f¨or torrgas [25].

• _{kv¨avgas N}2 52,8%

• kolmonoxid CO 22,6% • koldioxid CO2 22,6%

• _{v¨atgas H}2 1,5%

• syrgas O2 0,5%

De br¨annbara gaserna i hyttgasen ¨ar v¨atgas och kolmonoxid. Hyttgasen ¨ar f¨orh˚allandevis sv˚arf¨orbr¨and med ett l˚agt v¨armev¨arde, ca 2,8 MJ/Nm3

. Energi-v¨ardet f¨or hyttgasen h¨ojs genom att gasen spetsas med den mer energirika koks-gasen vars v¨armev¨arde ¨ar ca 18,5 MJ/Nm3

[25]. Koksgasens inblandning medf¨or att gasen blir mer energirik och f˚ar en h¨ogre flamtemperatur. Andelen koksgas som blandas in i hyttgasen ¨ar beroende av tillg˚angen p˚a koksgas. Vid en h¨og niv˚a i koksgasklockan f¨orbr¨anns mer koksgas i kraftverket. Vid f¨orbr¨anningen i varmap-parater, koksverk och kraftverk ¨ar dock hyttgasen den dominerade gasen.

4.2

Grundl¨

aggande fluiddynamik

F¨or att ber¨akna hyttgasens egenskaper i olika delar av hyttgasn¨atet kr¨avs kun-skaper om fluiddynamik. Fluiddynamik ¨ar den teori som beskriver hur fluider i r¨orelse uppf¨or sig. Vanligtvis antas samtliga gaser och v¨atskor infattas av fluidbe-greppet. Definitionen av en fluid ¨ar [9]:

En fluid ¨ar ett en substans som deformeras kontinuerligt n¨ar den uts¨atts f¨or en skjuvande kraft i n˚agon riktning.

Teorin om fluider ¨ar omfattande. I detta kapitel redovisas endast den teori som anv¨ands vid modelleringen av hyttgasn¨atet. Beskrivningen koncentreras till str¨omning av gaser i r¨or.

4.2.1

Str¨

omningens karakt¨

ar

Fl¨oden i r¨or kan vara lamin¨ara eller turbulenta. Vid en l˚ag fl¨odeshastighet ¨ar str¨omningen lamin¨ar. N¨ar fl¨odet ¨okar ¨overg˚ar str¨omningen till att bli turbulent. F¨or att teoretiskt avg¨ora om en str¨omning ¨ar lamin¨ar eller turbulent kan det s.k. Reynoldstalet studeras. F¨or r¨orstr¨omning ¨ar Reynoldstalet definierat enligt ekva-tion 4.1 [9]. Re= ρvd µ (4.1) ρ– densitet µ– dynamisk viskositet v– str¨omningshastighet d– diameter

F¨or att avg¨ora str¨omningens karakt¨ar i cirkul¨ara r¨or finns en tumregel som s¨ager:

Str¨omningen ¨ar lamin¨ar om Reynoldstalet understiger 2100. Om Reynoldstalet ¨overstiger 4000 kan str¨omningen betraktas som turbulent [9].

Om Reynoldstalet ¨ar mellan 2100 och 4000 kan str¨omningen vara antingen lamin¨ar eller turbulent.

Den fluid som studeras vid modelleringen av hyttgasn¨atet ¨ar hyttgas. F¨or att avg¨ora str¨omningens karakt¨ar ber¨aknas Reynoldstalet.

Viskositeten f¨or hyttgas finns inte dokumenterad. Ist¨allet anv¨ands dynamiska viskositeten f¨or luft vid atmosf¨arstryck och 300 K i ber¨akningen [1]. Anledningen till att luft anv¨ands ¨ar att b˚ada gaserna domineras av kv¨avgas och kan s˚aledes antas ha liknande egenskaper. Str¨omningshastigheterna i hyttgasn¨atet ber¨aknas

4.2 Grundl¨aggande fluiddynamik 19

utifr˚an data som redovisas i kapitel 8.1. I ber¨akningen anv¨ands medianhastigheten i hyttgasn¨atet. R¨ordiametern v¨aljs som den diameter d¨ar medianhastigheten r˚ader. Hyttgasens densitet ¨ar ber¨aknad vid 30 mbars ¨overtryck, vilket ¨ar normaltryck i den del av hyttgasn¨atet d¨ar medianhastigheten r˚ader. Ber¨akningar av densiteten f¨or hyttgas redovisas bilaga C. Parametrarna som anv¨ands vid ber¨akningen av Reynoldstalet ¨ar:

ρ– 1,3 kg/m3

µ– 18 · 10−6 _{Kg/(m s)}

v– 17,5 m/s d– 1,95 m

Detta resulterar i ett Reynoldstal p˚a ungef¨ar 2 500 000 som ¨ar mycket st¨orre ¨

an tumregelns gr¨ansv¨arde f¨or turbulent str¨omning. D¨arf¨or kan all str¨omning i hyttgasn¨atet antas vara turbulent.

4.2.2

Inkompressibel str¨

omning

Det ¨ar av stort intresse att studera hur trycket varierar i olika delar av gasn¨atet. F¨or att ber¨akna de teoretiska trycken kan det f¨orenklade fallet med inkompressibel och f¨orlustfri str¨omning studeras. Med f¨orlustfri str¨omning menas att str¨omningen sker utan eng˚angs- och friktionsf¨orluster samt att inget arbete tillf¨ors eller utf¨ors av fluiden. Bernoullis ekvation beskriver sambandet mellan tryck, hastighet och h¨ojd f¨or en fluid l¨angs en str¨omlinje. En str¨omlinje har f¨oljande definition [9].

En str¨omlinje ¨ar en linje som i alla punkter ¨ar en tangent till hastighetsf¨altet. Bernoullis ekvation definieras enligt ekvation 4.2 [12].

p+ρv 2 2 + ρgz = konstant (4.2) p– tryck ρ– densitet v– str¨omningshastighet g– gravitation z– h¨ojd

Samtliga termer i Bernoullis ekvation har dimensionen tryck. Den f¨orsta termen kallas statiskt tryck, den andra termen ¨ar det s.k. dynamiska trycket och den tredje termen i Bernouills ekvation kallas hydrostatiskt tryck. Det hydrostatiska trycket representerar tryckskillnaden som orsakas av fluidens ¨andring av potentiell energi. Giltigheten f¨or Bernoullis ekvation ¨ar begr¨ansad av antagandet om f¨orlustfri str¨omning. En mer generell ekvation ¨ar d¨arf¨or Bernoullis utvidgade ekvation som tar h¨ansyn till friktions- och eng˚angsf¨orluster. H¨ar antas att ingen energi utf¨ors

eller tillf¨ors fluiden. Ekvationen kan allts˚a ej ta h¨ansyn till pumpar och turbiner. Tv˚a punkter l¨angs samma str¨omlinje i ett inkompressibelt fl¨ode studeras. Bernoullis utvidgade ekvation ¨ar definierad enligt ekvation 4.3 [12].

p1+

ρv12

2 + ρgz1= p2+ ρv22

2 + ρgz2+ ∆Pf (4.3)

J¨amf¨ort med Bernoullis ekvation har termen ∆Pf tillkommit. ∆Pf

beskriv-er tryckf¨orlustbeskriv-erna som orsakas av friktion och eng˚angsf¨orluster. Eng˚angsf¨orluster uppkommer vid t.ex. r¨orkr¨okar. Tryckf¨orlusterna kan ber¨aknas enligt ekvation 4.4.

∆Pf = ∆Pf.f rik+ ∆Pf.eng˚ang (4.4)

Ber¨akning av friktions- och eng˚angsf¨orluster redovisas i kapitel 4.2.4 respektive kapitel 4.2.5.

4.2.3

Kompressibel str¨

omning

I kapitel 4.2.2 behandlades inkompressibel str¨omning men i m˚anga till¨ampningar ¨ar fluidens densitet beroende av trycket. Gaser m˚aste i de flesta fall behandlas som kompressibla fluider. Sambandet mellan tryck, temperatur, molmassa och volym beskrivs av ideala gaslagen, ekvation 4.5 [10].

pM= ρRT (4.5)

p– tryck M – molmassa ρ– densitet

R– univerella gaskonstanten (= 8.3145 (J/(mol K))) T – absolut temperatur

N¨ar gaser komprimeras ¨ar f¨orh˚allandet mellan densitet och tryck beroende av hur kompressionen genomf¨ors. Om kompressionen sker under konstant temper-atur, en isoterm process, ¨ar f¨orh˚allandet mellan tryck och densitet linj¨art och kan utryckas enligt ekvation 4.6 [10].

p

ρ = konst (4.6)

Sker kompressionen utan friktion och utan temperaturutbyte med omgivningen kallas processen adiabatisk. En adiabatisk kompression som dessutom ¨ar reversibel, vilket inneb¨ar att processen kan ske ˚at b˚ada h˚all, kallas isentropisk. F¨orh˚allandet mellan tryck och temperatur ges d˚a av ekvation 4.7 [10].

p

ρκ = konst (4.7)

4.2 Grundl¨aggande fluiddynamik 21

κ= cp cv

(4.8) D¨ar cp ¨ar specifik v¨armekapacitet vid konstant tryck och cv ¨ar specifik

v¨arme-kapacitet vid konstant volym. D¨ar cp och cv ¨ar tabellerade storheter.

Bernoullis ekvationer g¨aller inte vid kompressibel str¨omning eftersom den kr¨aver att densiteten ¨ar konstant. Bernoullis ekvation kan dock utvidgas s˚a att den ¨ar giltig ¨

aven vid kompressibel str¨omning. Ett samband f¨or kompressibela och isoterma processer redovisas i ekvation 4.9 [10].

v2 1 2g+ z1+ RT glog p1 p2
= v2 2 2g+ z2 (4.9)

En f¨oruts¨attning f¨or att sambandet ska vara giltigt ¨ar att kompressionen ¨ar invisk¨os, vilket inneb¨ar att fluidens viskositet ¨ar noll. Den praktiska anv¨andningen av sambandet ¨ar begr¨ansad, eftersom isoterma fl¨oden n¨astan alltid har visk¨osa ef-fekter [10].

Ett mer vanligt f¨orekommande villkor f¨or kompressibel str¨omning ¨ar isentrop-iskt fl¨ode av ideala gaser. D˚a f˚as uttrycket som redovisas i ekvation 4.10 [10].

 κ κ −1   p1 ρ1  +v 2 1 2 + gz1=  κ κ −1   p2 ρ2  +v 2 2 2 + gz2 (4.10) Skillnaden fr˚an Bernoullis ekvation ¨ar faktorn_κ−1κ som multipliceras med tryck-faktorn samt att densiteterna ¨ar olika. M˚anga processer kan approximeras v¨al med en isentropisk process [10].

4.2.4

Friktionsf¨

orluster

Friktionsf¨orluster i r¨or ber¨aknas enligt ekvation 4.11 [12].

∆Pf.f rik = λ (Re, d, ks) lρv2 2d (4.11) λ– friktionskoefficient l– r¨orl¨angd d– r¨ordiameter ks – ekvivalent sandskrovlighet

Friktionsfaktorn λ kan ber¨aknas analytiskt men vanligen anv¨ands tabellerade v¨arden f¨or λ. De tv˚a vanligaste tabellerna som anv¨ands f¨or att best¨amma frik-tionsf¨orlustsfaktorn ¨ar enligt Moody och Nikuradse. Friktionsfaktorn enligt Moody ¨ar l¨ampligast att anv¨anda vid turbulent str¨omning [12]. Figur 4.1 beskriver frik-tionsfaktorn enligt Moody.

Figur 4.1.Friktionsfaktorn enligt Moody

Den ekvivalenta sandskrovligheten, ks, som anv¨ands vid ber¨akningen av λ

beskriver ytskrovligheten p˚a r¨oret. Sandskrovlighet f¨or olika r¨or finns tabellerade och presenteras i tabell 4.1 [12].

Tabell 4.1.Ekvivalent sandskrovlighet f¨or olika r¨or

R¨ormaterial Ekvivalent sandskrovlighet ks

[mm] Glasr¨or eller dragna r¨or, nya, tekniskt sl¨ata 0,0013 - 0,0015 S¨oml¨osa st˚alr¨or, nya galvaniserade 0,07 - 0,16 Svetsade st˚alr¨or nya med valshud 0,04 - 0,10 St˚alr¨or i bruk, lite rost och avlagringar 0,15 - 0,4

Gjutna r¨or, nya 0,2 - 0,6

Gjutna r¨or med avlagringar 1,5 - 4

4.2.5

Eng˚

angsf¨

orluster

Eng˚angsf¨orluster ¨ar de tryckf¨orluster som inte orsakas av friktion. De uppkommer lokalt i r¨orsystemet. N˚agra exempel ¨ar f¨orluster som uppkommer vid r¨orkr¨okar, areaf¨or¨andringar och f¨orgreningar. Eng˚angsf¨orlusterna ber¨aknas enligt ekvation 4.12 [9].

∆Pf.eng˚ang = KL

ρv2

4.2 Grundl¨aggande fluiddynamik 23

KL – eng˚angsf¨orlustskoefficent

Eng˚angsf¨orlustskoefficienten, KL, h¨amtas oftast fr˚an tabellerade v¨arden. Figur

4.2 beskriver KL f¨or r¨orkr¨okar som funktion av kr¨okningsvinkel, kr¨okningsradie

och r¨ordiameter [11].

Figur 4.2. Eng˚angsf¨orlustkoefficienter f¨or r¨orkr¨okar olika kr¨okningsvinkel och kr¨okningsradien Rbsamt r¨ordiametern D

F¨orlustkoefficienten K0 som presenteras i figur 4.2 ¨ar giltig f¨or Reynoldstal

i storleksordningen 105

. Eng˚angsf¨orlustskoefficienter f¨or andra Reynoldstal kan ber¨aknas med ekvation 4.13 [11].

KL= αK0 (4.13)

Korrektionsfaktorn α best¨ams enligt: F¨or Rb D = 1 α = 19, 53Re −0,26 _{d˚a 2 · 10}4_{≤Re ≤2 · 10}5 α = 0, 83 d˚a Re ≥ 2 · 105 F¨or Rb D ≥2 α = 5, 08Re −0,141 _{d˚a 2 · 10}4_≤Re

Vid ber¨akningar av eng˚angsf¨orluster i hyttgasn¨atet anv¨ands α = 0,83.

I figur 4.3 visas eng˚angsf¨orlustskoefficienter f¨or pl¨otsliga areaminskningar och area¨okningar, beroende p˚a inlopps- och utloppsarrean [9]. Exemelvis uppkommer dessa eng˚angsf¨orluster vid DO-ventiler och vid infl¨ode i gasklockan.

De areaf¨or¨andringar som presenterats ovan ¨ar momentana men vid byte av r¨or-diameter anv¨ands vanligtvis en kona. Den teoretiskt maximala tryckf¨orlusten ¨over en kona kan ber¨aknas enligt ekvation 4.14 och 4.15 [11].

Figur 4.3.Eng˚angsf¨orlustskoefficienter f¨or pl¨otsliga areaminskningar t.h. och pl¨otsliga area¨okningar t.v. KL= 1 − 1 AR2 (4.14) AR=  1 + N Ri tan θ 2 (4.15) Ekvation 4.14 och 4.15 kan f¨orenklas till uttrycket i ekvation 4.16.

KL= 1 −

R4 1

R24

(4.16) Parametrarna i ber¨akningen beskriver konans geometri, θ ¨ar vinkeln p˚a konan, N beskriver konans l¨angd, R1 ¨ar den mindre radien och R2 ¨ar den st¨orre radien.

Ber¨akning enligt ekvation 4.16 ger den teoretiskt maximala eng˚ angsf¨orlustskoeffi-cienten som kan orsakas av konan.

Tryckf¨orluster vid T-f¨orgreningar av r¨or ¨ar beroende av fl¨odesv¨agen genom f¨orgreningen. I tabell 4.2 redovisas eng˚angsf¨orlustskoefficienter f¨or T-f¨orgreingar [9]. T-f¨orgreningarna f¨orekommer vid ett flertal platser i hyttgasn¨atet, exempelvis d¨ar varmapparaterna ansluter till det ¨ovriga hyttgasn¨atet.

Tabell 4.2.Eng˚angsf¨orlustskoefficienter i T-f¨orgreningar

Fl¨odesv¨ag KL

Linjefl¨ode, fl¨ode rakt igenom T-f¨orgreningen 0,2 Grenfl¨ode, fl¨odet viker av i T-f¨orgreningen 1

4.3 Modellbygge 25

4.3

Modellbygge

Modellens uppgift ¨ar att efterlikna det verkliga systemet. Genom simuleringar i modellen efterstr¨avas resultat som ¨ar giltiga f¨or den verkliga processen. F¨or att modellera en process kan huvudsakligen tv˚a olika metoder anv¨andas, fysikaliskt modellbygge eller identifiering.

Vid fysikaliskt modellbygge modelleras systemet utifr˚an fysikaliska ekvationer. F¨or att modellen ska efterlikna verkligheten trimmas den in genom att parametrar som t.ex. friktionskoefficienter justeras.

Den andra modelleringsstrategin ¨ar identifiering. Vid identifiering studeras pro-cessens in- och utsignaler. Utifr˚an dessa ber¨aknas en ¨overf¨oringsfunktion som be-skriver systemet. Enkla processmodeller s.k. tre- och fyraparametermodeller, an-v¨ands ofta f¨or industriella processer.

Treparametermodellens ¨overf¨oringsfunktion redovisas i ekvation 4.17 [13]. G(s) = e−Ls K

1 + sT (4.17)

Kbeskriver systemets f¨orst¨arkning och L dess d¨odtid vid ett steg. Parametern T beskriver systemets stigtid, som ¨ar definierad som den tid det tar att n˚a 63 % av slutv¨ardet vid ett steg i insignalen. Fyraparametermodellen har tv˚a olika tidskonstanter. Fyraparametermodellens ¨overf¨oringsfunktion presenteras i ekvation 4.18 [13].

G(s) = e−Ls K

(1 + sT1)(1 + sT2)

(4.18) F¨or ett system med reella poler kan T1och T2best¨ammas av insv¨angningstiden,

t5%, enligt ekvation 4.19 [23].

t5%≈(2.2 + α) T1 och T2= αT1 (4.19)

I ekvation 4.19 kan α ses som en designparameter.

4.3.1

Modelleringsverktyg

Modellering av komplexa tekniska system sker oftast m.h.a. datorbaserade model-leringsverktyg. Det finns en m¨angd olika verktyg att v¨alja mellan. Vid modellering av fluidtekniska system kan modelleringsverktygen mycket grovt delas in i fyra kategorier. En kort beskrivning f¨oljer nedan:

• _{Generella modelleringsverktyg. Verktygen ¨ar inte specialiserade till endast} flu-idtekniska system utan modelleringsverktygen klarar att modellera ett godty-ckligt tekniskt system. Modelleringen kan ske genom att de fysikaliska

ekva-tionerna implementeras matematiskt eller med identifierade ¨overf¨oringsfunk-tioner.

• Avancerade fluidtekniska modelleringsverktyg. Verktygen ¨ar specialiserade f¨or fluidtekniska system. Modellen ber¨aknas m.h.a finita elementmetoden som har anpassats till fluider och kallas CFD (Computational Fluid Dynamics). Modellering med CFD ¨ar kraftfull och kan ge en mycket noggrann bild av str¨omningen. Ofta kr¨avs mycket datorkraft f¨or att genomf¨ora simuleringarna. • _{Enkla fluidtekniska modelleringverktyg. Verktygen ¨ar specialiserade f¨or} flu-idtekniska system men anv¨ander inte lika avancerade metoder som CFD. Modelleringsverktygen ger d¨arf¨or inte en lika noggrann bild av str¨omningen och oftast ¨ar variationsm¨ojligheterna begr¨ansade. Modelleringsverktygen ¨ar dock mindre komplexa och ¨ar d¨arf¨or l¨attare att anv¨anda ¨an de mer avancer-ade CFD-baseravancer-ade modelleringsverktygen.

• _{Speciella modelleringsverktyg f¨or processindustrier. Modelleringsverktygen ¨ar} anpassade f¨or att modellera hela processavsnitt f¨or framf¨orallt kemisk indus-tri, men verktygen beh¨arskar ¨aven fluidtekniska system. I verktygen finns f¨ardiga funktioner som anpassas f¨or den aktuella processen.

Gr¨ansen mellan kategorierna ¨ar inte alltid enkel att dra. Det finns modeller-ingsverktyg som ¨ar en kombination av flera kategorier. De fyra olika typerna har b˚ade f¨or och nackdelar vilket kommer att belysas i kapitel 5. D¨ar studeras flera modelleringsverktyg n¨armare och det som ¨ar b¨ast l¨ampat f¨or modelleringen av hyttgasn¨atet utses.

Kapitel 5

Val av modelleringverktyg

Det finns en m¨angd olika modelleringsverktyg som kan anv¨andas f¨or modeller-ing av hyttgasn¨atet. F¨or att underl¨atta valet av modellermodeller-ingsverktyg skapas en kravspecifikation, som beskriver vad verktyget ska klara av. Kravspecifikationen un-derl¨attar bed¨omningen av modelleringsverktyg eftersom samtliga modelleringsverk-tyg bed¨oms utifr˚an samma krav samt att inga viktiga detaljer missas.

5.1

Kravspecifikation

Varje punkt i kravspecifikationen betygs¨atts med hj¨alp av betygen klarar krav, klarar ej krav, ingen uppgift och ej bed¨omt. Betygen inf¨ors till sist i den samman-fattning som redovisas i bilaga B. Kravspecifikationen delas in i fyra kategorier som beskrivs kortfattat i f¨oljande kapitel. En mer utf¨orlig beskrivning av de olika kraven redovisas i bilaga B.

5.1.1

Kategori 1, krav p˚

a systemuppbyggnad

En helt¨ackande modell ¨over hyttgasn¨atet kr¨aver att alla komponenter som ing˚ar i n¨atet kan efterliknas i modelleringsverktyget. Komponenterna ska kunna hantera b˚ade station¨ar och tidsvariabel endimensionell str¨omning som kan vara b˚ade kom-pressibel och inkomkom-pressibel.

5.1.2

Kategori 2, krav p˚

a simuleringsm¨

ojligheter

Det ska finnas goda m¨ojligheter att styra simuleringarna f¨or olika driftsfall. Re-sultaten fr˚an simuleringarna ska l¨att kunna analyseras och j¨amf¨oras med uppm¨att data. Simuleringsresultaten ska pressenteras i plottar d¨ar zoom-m¨ojlighet finns.

5.1.3

Kategori 3, krav p˚

a system och licens

F¨or att anv¨anda modelleringsverktyget med befintliga resurser p˚a SSAB kr¨avs att verktyget ¨ar PC-baserat. Ett annat krav ¨ar att modelleringsverktyget kan anv¨andas under examensarbetet utan, eller till en ringa, kostnad.

5.1.4

Kategori 4, ¨

onskem˚

al p˚

a ytterligare funktioner

F¨or att underl¨atta arbetet med modellen har fler ¨onskem˚al p˚a modelleringsverk-tygen fastst¨allts. ¨Onskem˚alen ber¨or bl.a. hur simuleringsresultaten pressenteras, m¨ojligheter att p˚averka simuleringen samt anv¨andarv¨anlighet.

5.2

Bed¨

omningsmall f¨

or kravspecifikation

Modelleringsverktyget kan f˚a betygen godk¨and eller icke godk¨and p˚a de tre f¨orsta kategorierna. F¨or att erh˚alla betyget godk¨and i kategorin ska samtliga punkter i kravspecifikationen f˚a betyget klarar krav.

I kategori 4 summeras punkterna ihop till po¨angsumma. Summan ber¨aknas genom att betyget klarar krav ger +1 po¨ang, klarar ej krav, ingen uppgift och ej bed¨omt ger 0 po¨ang. Po¨angsumman redovisas och anv¨ands som ett m˚att p˚a hur utvecklingsbar modellen ¨ar i det aktuella modelleringsverktyget. Utifr˚an betygen p˚a de tre f¨orsta kategorierna, po¨angsumman fr˚an den fj¨arde kategorin, ekonomiska aspekter samt det personliga intrycket formuleras en slutgiltig bed¨omning av mod-elleringsverktyget.

5.3

Studerade program

Vid studien av modelleringsverktygen har ett flertal modelleringsverktyg j¨amf¨orts. Vid unders¨okningen har Internet anv¨ands f¨or informationss¨okning. Internet ger inte en helt¨ackande bild av alla modelleringsverktyg, men ¨onskem˚alet var i detta fall att g¨ora en bred och snabb studie av m˚anga program. F¨or att ge samtliga verktyg en helt r¨attvis bed¨omning vore det n¨odv¨andigt att provk¨ora modelleringsverktygen. Detta har dock inte varit m¨ojligt.

Informationen som tillverkarna presenterar p˚a sina hemsidor har anv¨ants f¨or att avg¨ora l¨ampligheten f¨or respektive verktyg. Efter bed¨omningen av modeller-ingsverktygens l¨amplighet har nio verktyg valts ut och studerats mer ing˚aende m.h.a. kravspecifikationen.

De modelleringsverktyg som studerats mer ing˚aende indelas i fyra grupper enligt kapitel 4.3.1. Informationsk¨allan anges f¨or varje program. Vilket program som h¨or till varje grupp definieras enligt:

5.3 Studerade program 29

- Matlab / Simulink [18] - Modelica [3]

• Modelleringsverktyg f¨or fluider med avancerad ber¨akningsmetod - Fluent [15]

• _{Modelleringsverktyg f¨or fluider med enklare ber¨akningsmetod} - Easy5 [19]

- Fluidflow [16] - Hopsan [20] - Flowmaster II [14] - Pneuma [22]

• Modelleringsverktyg anpassade f¨or modellering av processindustrier - Aspentech [2]

Varje modelleringsverktyg kommer att beskrivas i ett eget stycke d¨ar en bed¨om-ning utifr˚an kravspecifikationen sammanfattas. Resultatet fr˚an varje punkt i krav-specifikationen redovisas f¨or samtliga modelleringsverktyg i bilaga B, f¨or att l¨asaren l¨attare ska kunna j¨amf¨ora modelleringsverktygen.

5.3.1

Matlab / Simulink

Matlab i kombination med Simulink kan anv¨andas till modelleringen. Det finns m¨ojlighet att modellera de komponenter som ing˚ar i hyttgasn¨atet. Matlab ¨ar ett m˚angsidigt modelleringsverktyg som dessutom m¨ojligg¨or modellering av andra sys-tem ¨an just fluidtekniska. Modellering i Matlab kr¨aver en stor fysikalisk f¨orst˚aelse av systemet eftersom samtliga fysikaliska ekvationer m˚aste implementeras av anv¨an-daren. Ekvationerna m˚aste implementeras f¨or varje enskild komponent som ska ing˚a i modellen. Det kr¨avs olika komponenter f¨or inkompressibel respektive kompress-ibel str¨omning. Sammantaget ¨ar Matlab ett m¨ojligt alternativ f¨or modelleringen av hyttgasn¨atet, men ger upphov till en kr˚anglig modellstruktur som ¨ar sv˚ar att ¨overblicka f¨or anv¨andaren.

5.3.2

Modelica

Modelica ¨ar ett generellt modelleringsverktyg som har stora modelleringsm¨ojlighet-er. Det ¨ar m¨ojligt att anv¨anda Modelica vid modelleringen av hyttgasn¨atet. Mod-elleringen i Modelica kan ske utifr˚an f¨ardiga komponeter men Modelica till˚ater ¨aven anv¨andaren att implementera egna komponenter. Komponeterna finns im-plementerade i olika programpaket. Bl.a. finns programpaketet Thermofluid som inneh˚aller fluiddynamiska komponenter. Modelica ¨ar ett objektorienterat model-leringsverktyg. Detta inneb¨ar f¨ordelar d˚a komponenterna implementeras i klasser

som till˚ats ¨arva egenskaper. Eftersom modellerna som implementeras i Modelica byggs upp av f¨ardiga komponenter, d¨ar de fysikalisk ekvationerna ej beh¨over im-plementeras grafiskt, f˚as modeller med en bra struktur som ¨ar l¨atta att ¨overblicka.

5.3.3

Fluent

Fluent ¨ar ett avancerat program som anv¨ands f¨or att analysera flerdimensionella str¨omningsf¨orlopp. Modelleringsverktyget ¨ar ber¨akningskr¨avande redan f¨or relativt sm˚a modeller. Modeller av hyttgasn¨atets storlek kommer att kr¨ava en mycket stor datorkraft f¨or ber¨akningarna. Vid diskussioner med anv¨andare av Fluent har det ¨

aven framkommit att Fluent ¨ar sv˚art att bem¨astra och d¨armed tar modelleringen mycket tid. Modelleringen av hyttgasn¨atet kr¨aver inte en s˚a avancerad analys som Fluent ger. Sammantaget ¨ar inte Fluent ett modelleringsverktyg som ¨ar l¨ampligt f¨or den aktuella modelleringen av hyttgasn¨atet.

5.3.4

Easy5

Easy5 ¨ar ett modelleringsverktyg som v¨al klarar modellering av fluidtekniska sys-tem. Easy5 kan d¨arf¨or anses vara l¨ampligt att anv¨anda f¨or modelleringen av hytt-gasn¨atet. I Easy5 sker modelleringen med f¨orprogrammerade komponenter. Detta g¨or att modelleringen g˚ar snabbt och en v¨alstrukturerad modell f˚as. Nackdelen med de f¨orberedda blocken ¨ar att det begr¨ansar variationsm¨ojligheterna och det kan vara sv˚art att veta exakt under vilka f¨oruts¨attningar som komponenten ¨ar giltig. Easy5 kan ¨aven anv¨andas tillsammans med Matlab, vilket ¨ar en f¨ordel d˚a de b˚ada modelleringsverktygen kompletterar varandra. Kontakten med generala-genten gav inga svar p˚a finansieringen under examensarbetet. Detta g¨or att Easy5 inte ¨ar m¨ojligt att anv¨anda.

5.3.5

Fluidflow

Fluidflow ¨ar ett modelleringsverktyg som ¨ar anpassat f¨or modellering och simuler-ing av r¨orsystem. Modellersimuler-ingsverktyget ¨ar l¨att att anv¨anda och f¨orst˚a. Eftersom modelleringsverktyget ¨ar ¨oversk˚adligt blir modellerna enkla att analysera ¨aven f¨or en anv¨andare som inte konstruerat modellen. Fluidflow saknar dock m˚anga av de funktioner som kr¨avs f¨or att modellera hela hyttgasn¨atet och ¨ar d¨arf¨or inte ett l¨ampligt val av modelleringsverktyg. Fluidflow ¨ar under uppdatering. I den nya versionen kommer det att finnas st¨orre m¨ojligheter f¨or anv¨andaren att skapa egna komponenter, samt att anpassa de befintliga komponenterna.

5.3.6

Hopsan

Hopsan ¨ar ett modelleringsverktyg som ¨ar specialiserat p˚a hydrauliska system. Modelleringsverktygets l¨osningsmetod med fasta tidsintervall som defineras av an-v¨andaren ¨ar i de flesta fall inte l¨amplig f¨or hyttgasn¨atet. Det ¨ar oftast ¨ar mer effek-tivt att anpassa stegl¨angden efter systemets dynamik. Hopsan kr¨aver programmer-ingskunskaper eftersom m˚anga delar av systemet saknas i komponentbiblioteket.