Energieffektivisering av färskvatten- systemet på Skärblacka pappersbruk

UPTEC ES08 031

Examensarbete 30 hp

December 2008

Energieffektivisering av färskvatten-

systemet på Skärblacka pappersbruk

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student

Abstract

Energieffektivisering av färskvattensystemet på Skärblacka

pappersbruk

Improving the energy efficiency in the fresh water

system at Skärblacka paper mill

Inger Wering Yderfors

The purpose of this master thesis was to study the water system for mechanically cleaned water at Skärblacka mill, in order to find and evaluate possibilities of using energy more efficiently. The thesis also includes an evaluation of the software tool “Pumpanalys”

Skärblacka mill produces pulp and paper. The large amount of water required is cleaned mechanically through filters and called mechanically cleaned water (MR0). The MR0 water is pumped out to the factory by four crude water pumps. During normal conditions there are only three pumps in use. With regard to the water flow only two pumps would be sufficient during a large part of the year. But because of the head loss in the water system, a third pump has to be used to keep the pressure at the right level.

The result of the investigation showed that 514 000 kWh/year can be saved with a new strategy for operating the crude water pumps. The new strategy implies that only two pumps should be in operation, during November to April when the water consumption is under 4000 m3/h. To facilitate for the new strategy some of the weak links, like the air compressor and an evaporation plant, number 3, need to be

reinforced. A new pipe for cooling water to the air compressors should be installed and evaporation plant, number 3 needs to be complemented with a reinforcement pump. To optimize the operation strategy the crude water pumps need to be equipped with a long-distance control system.

The evaluation of the computer program “Pumpanalys” showed that the program was not suitable to use in this thesis work. But by making a different choice of system to investigate, the program could be used at Skärblacka mill.

Examinator: Ulla Tengblad, Uppsala Universitet Ämnesgranskare: Arne Roos, Uppsala Universitet

Sammanfattning

I dagens samhälle har det blivit allt viktigare att spara energi. Det beror både på stigande energipriser och större miljömedvetenhet från samhället. På Skärblacka bruk tillverkas papper och pappersmassa. Det är en process som kräver mycket vatten, vilket gör att pumpning av vatten är en stor energiförbrukare. Skärblacka bruk tar sitt färskvatten från Motala ström och renar det sedan mekaniskt genom sex

passavantfilter. Därefter går vattnet under benämningen mekaniskt renat vatten (MR0). Efter rening pumpas vattnet ut på bruket med hjälp av fyra råvattenpumpar. Vid normal drift används tre av dessa och en står som reserv. Egentligen skulle det räcka med enbart två pumpar en stor del av året. Detta då två pumpar tillsammans har en tillräckligt stor flödeskapacitet för att kunna förse bruket med vatten. Tyvärr sker det så mycket tryckförluster i vattensystemet att en extra pump tvingas vara igång för att kunna hålla vattentrycket på en önskad nivå. Genom att finna åtgärder som gör drift med två pumpar möjligt finns det potential att spara både pengar och energi. Syftet med detta examensarbete var att studera vattensystemet för mekaniskt renat vatten (MR0), med målet att finna och utvärdera energieffektiviseringsmöjligheter. I examensarbetet ingick även att utvärdera dataprogrammet ”Pumpanalys” och

undersöka om det passade att använda som ett hjälpmedel i det här examensarbetet. Då behovet av pumpning är beroende av konsumtionen av vatten utfördes först en flödeskartering över vattensystemet för mekaniskt renat vatten. Med hjälp av denna kunde stora konsumenter lokaliseras. För att ta reda på vilka delar av bruket som var känsligast för tryckförändringar utfördes ett försök, försök I. Det gick ut på att strypa en pump tills en reaktion uppstod någonstans på bruket. Resultat från försök I visade att känsliga områden var indunstning 3 och luftkompressorerna. Ytterligare ett försök, försök II, genomfördes lite senare på året, nu med syftet att undersöka om det gick att stänga av en pump helt och hållet. Försök II visade att det gick att stänga av en pump så länge konsumtionen av vatten var under 4000 m3/h.

Utifrån resultatet från försöken undersöktes möjligheterna till energieffektivisering. För att kunna energieffektivisera råvattenpumparna måste den överkapacitet som finns idag på grund av den extra pumpen minskas. Överkapaciteten kan enbart minskas genom att den extra pumpen stängs av. För att det ska vara möjligt måste först problemen med för lågt tryck i vattensystemet lösas. Det kan utföras antingen med en förstärkningspump i vattenverket eller också med en ny driftstrategi för råvattenpumparna. En förstärkningspump visade sig inte vara något bra alternativ. Däremot visade det sig att genom att införa en ny driftstrategi för råvattenpumparna finns det potential att spara 514 000 kWh/år. Den nya driftstrategin innebär att under månaderna november till april ska enbart två pumpar vara i drift så stor del av tiden som möjligt. Det finns dock nackdelar med den nya driftstrategin, vilka är:

• Systemet blir känsligare för konsumtionstoppar

• Problem med föroreningar i vattnet in till en av pappersmaskinerna • Risk för större konsekvenser om en pump stannar ofrivilligt

Känsligheten i systemet kan även minskas genom att minska risken för konsumtionstoppar. Detta görs genom att öka kommunikationen mellan

avdelningarna, vilket minskar risken för att flera avdelningar tar ut stora mängder vatten samtidigt. En ytterligare åtgärd för att minska konsumtionstopparna är att arbeta för ett ändrat konsumtionsbeteende. Vad gäller föroreningarna i vattnet till en av pappersmaskinerna borde de kunna åtgärdas genom att ledningarna dit spolas rena. För att kunna säkra upp vattentillförseln då en pump stannar ofrivilligt måste råvattenpumparna förses med fjärrstart.

Förord

Detta examensarbete har utförts på Billerud Skärblacka AB. Arbetet är det slutgiltiga steget i civilingenjörsprogrammet i energisystem vid Uppsala Universitet och

Sveriges Lantbruksuniversitet. Examensarbetet genomfördes under perioden juni till november 2008 och omfattade 30 högskolepoäng.

Jag vill tacka alla på Billerud Skärblacka som hjälpt mig med mitt arbete. Ni har alla varit mycket hjälpsamma och gett mig ett varmt mottagande samt fått mig att trivas här på Billerud. Jag vill rikta ett speciellt tack till mina handledare Ola Åkesson och Helén Gustafsson som har stöttat och gett mig vägledning genom hela arbetet. Jag skulle även vilja tacka Thomas Sigerud, Tommy Persson, Linn Jäderberg och Håkan Bengtsson som har tagits sig tid och hjälpt mig med de tekniska detaljerna kring bruket. Speciellt tack till Thomas som gjorde det möjligt för mig att genomföra mina försök.

Arbetet krävde en del manuella mätningar av bland annat flöden. Här vill jag tacka Bo-Göran Nilsson som gjort mätningarna möjliga.

Sist men inte minst vill jag skicka ett tack till Nils Bokander på KSB Mörck AB som bidragit med sin expertis kring pumpar och beräkningarna kring dem.

Innehållsförteckning

2.3 MEKANISKT RENAT VATTEN – MR0 ... 16

3 HJÄLPMEDEL... 18

3.1 FLÖDESMÄTNING MED PORTAFLOW X... 18

3.2 PROGRAM PUMPANALYS... 18

3.3 PROGRAMMET WINMOPS... 19

3.4 METOD FÖR KONTROLL AV FÖRORENINGSHALTEN I VATTEN... 20

4 TEORI ... 21 4.1 STRÖMNING I RÖR... 21 4.2 TRYCKFÖRLUSTER I RÖR... 22 4.2.1 Friktionsförluster i raka rör ... 22 4.2.2 Engångsförluster ... 24 5 FLÖDESKARTERING... 27 6 UTVÄRDERING AV DATAPROGRAM ... 29

6.1 KARTERING AV MR0-VATTENSYSTEM PÅ INDUNSTNING 2 OCH 3... 29

6.2 RESULTAT AV UTVÄRDERING... 31

6.3 SLUTSATS AV UTVÄRDERING... 32

7 STRYPNING AV PUMP – FÖRSÖK I ... 34

7.1 SYFTE MED FÖRSÖK I... 34

7.2 GENOMFÖRANDE AV FÖRSÖK I ... 34

7.2.1 Förberedelser till försök I... 34

7.2.2 Strypning av pump - Del I... 36

7.2.3 Strypning av pump – Del II... 36

7.3 RESULTAT AV FÖRSÖK I... 37 7.3.1 Kylning av lut ... 37 7.3.2 Indunstning 3 ... 40 7.3.3 Kylning av kompressorerna... 40 7.3.4 Igensättning av filter... 41 7.3.5 Energiförbrukning för pumparna ... 42 7.4 SLUTSATS AV FÖRSÖK I ... 42 8 AVSTÄNGNING AV PUMP – FÖRSÖK II ... 43

8.1 SYFTE MED FÖRSÖK II... 43

8.2 GENOMFÖRANDE AV FÖRSÖK II ... 43

8.3 RESULTAT OCH SLUTSATS AV FÖRSÖK II ... 43

9 ENERGIBESPARINGSALTERNATIV... 44

9.1 RÅVATTENPUMPARNA I VATTENVERKET... 45

9.1.1 Ny driftstrategi... 45

9.1.2 Förstärkningspump... 47

9.2 ALTERNATIV RÖRDRAGNING TILL LUFTKOMPRESSORERNA... 48

9.3 INDUNSTNING 3 ... 50

9.3.1 Dimensionering av rör... 51

10 SLUTSATS OCH DISKUSSION... 54

REFERENSER ... 56

BILAGOR ... 58

BILAGA 1 ... 58

1 Inledning

1.1 Bakgrund

I dagens samhälle har begreppet energibesparing blivit allt viktigare. Med en stark klimatdebatt och stigande energipriser blir intresset för att spara energi allt större. Billerud Skärblacka AB är inget undantag. Pappers- och massatillverkning

konsumerar stora mängder energi och vatten i processen. Skärblacka bruk konsumerar närmare 34 miljoner m3 färskvatten om året, vilket motsvarar 3500-5000 m3/h

beroende på säsong. Detta medför att pumpning av vatten är en stor energiförbrukare. För att transportera vattnet till de olika användarna används fyra råvattenpumpar. Var och en av dessa pumpar har en installerad effekt på 380 kW samt en maximal

flödeskapacitet på 2400 m3/h. Innan färskvattnet pumpas ut på systemet renas vattnet mekaniskt genom sex passavantfilter och kallas därefter mekaniskt renat vatten (MR0). Passavantfiltrena består av 54 filterdukar, vilka vattnet passerar igenom. Efter pumparna kan 800 m3/h av MR-vattnet renas ytterligare på kemisk väg, så kallat kemiskt renat vatten (KR0). Ur flödessynpunkt skulle det räcka med att använda två av råvattenpumparna vintertid och tre stycken sommartid, men på grund av

tryckförluster i systemet måste fler pumpar sättas in för att kunna hålla trycket uppe. Vintertid räcker det med tre pumpar, men på sommaren då behovet av kylning ökar händer det att även den fjärde pumpen måste sättas in. Dessa pumpar är dessutom stora elkonsumenter och kostar Billerud Skärblacka AB omkring 2,4 miljoner kr om året. Här finns en besparingspotential både vad gäller pengar och energi.

I Värmeforsks regi har det tidigare genomförts ett projekt för att ta fram ett excel-baserat program som heter ”Pumpanalys” som beräknar tryckfall och tryckbehov i ett pumpsystem. Programmet redovisar resultatet grafiskt för att försöka skapa en

lättöverskådlig bild över systemet. Projektet har till största del utförts som ett examensarbete.[1]

1.2 Syfte

Syftet med detta examensarbete var att studera och kartera vattensystemet för mekaniskt renat vatten (MR0) med målet att kunna energieffektivisera det. Efter att systemet analyserats skulle förslag på energibesparingsåtgärder presenteras. I examensarbetet ingick det även att utvärdera dataprogrammet ”Pumpanalys” för att om möjligt använda det som hjälpmedel i examensarbetet.

1.3 Avgränsning

Att studera och kartera hela systemet för mekaniskt renat vatten (MR0) var inte en realistisk arbetsbörda för ett examensarbete som endast omfattar 20 veckor. Istället fokuserades arbetet på att först studera hela bruket översiktligt och lokalisera enskilda problemområden som sedan kunde studeras mer i detalj. För utvärdering av

1.4 Metod

Hur mycket vatten som måste pumpas är beroende av mängden vatten som konsumeras. Det var därför intressant att undersöka hur mycket vatten som totalt konsumerades, vilka avdelningar som var stora konsumenter och hur vattnet fördelade sig mellan dem. Av den anledningen uppdaterades först en flödeskartering från år 2003. För att kunna utvärdera programmet ”Pumpanalys” karterades två områden i systemet. Då det inte fanns stationära flödesmätare överallt mättes några flöden hjälp av den portabla flödesmätaren Portaflow X.

2 Skärblacka

Bruk

2.1 Allmänt

Skärblacka bruk är beläget i det lilla samhället Skärblacka i Norrköpings kommun. Bruket är placerat precis vid Motala ström ur vilken allt färskvatten tas. Närheten till vatten är en förutsättning för att kunna driva pappersbruket då stora mängder vatten konsumeras. Skärblacka bruk är en del av Billerud AB. Utöver Skärblacka bruk ingår också bruken i Gruvön, Karlsborg och Beetham i Billerudkoncernen. Huvudkontoret är beläget i Stockholm och det finns försäljningskontor utspridda över hela världen. Billerud äger ingen egen skog utan köper in all råvara. De största leverantörerna till Skärblacka bruk är Holmen Skog AB och Sveaskog Förvaltning AB, vilka

tillsammans står för 80 % av leveranserna.

Skärblacka Bruks totala produktion uppgår till ungefär 400 000 ton per år. De produkter som tillverkas är:

• Brunt säckpapper

• Blekt Monoglättat (MG) kraftpapper • Fluting (vågiga mellanskiktet i wellpapp) • Blekt avsalumassa

Papperstillverkningen är till stor del inriktad på förpackningspapper, men ca en sjättedel av produktionen är torkad massa. Den massan som inte används för

tillverkning på bruket torkas i torkmaskin 1 (TM1) och säljs vidare efter att den arkats och buntats i balar. Det stora användningsområdet för denna massa är tillverkning av olika skriv- och tryckpapperskvaliteter. Massan som inte säljs, går vidare till brukets fyra pappersmaskiner pappersmaskin 4 (PM4), pappersmaskin 7 (PM7),

pappersmaskin 8 (PM8) och pappersmaskin 9 (PM9). PM4 tillverkar fluting, vilket är det vågiga mellanskiktet i wellpapp. På PM7 och PM8 tillverkas det MG kraftpapper, där MG står för monoglättat vilket betyder att pappret görs blankt på ena sidan. Det här pappret används till livsmedelsförpackningar, påsar och medicinska

förpackningar. PM9 är den största pappersmaskinen och tillverkar brunt säckpapper som bland annat används till säckar för cement och djurfoder.

Olika sorters trädslag ger olika egenskaperna hos papperet. Exempelvis ger

barrmassaved, med sina långa och starka fibrer, styrka åt pappret. Lövved däremot ger egenskaper som till exempel bättre formation. Detta är anledningen till att endast barrved används för tillverkning av säckpapper och lövved till fluting. Till fluting används även returpapper. Till MG papper blandar man barr- och lövved för att få de egenskaper som önskas. [2]

2.2 Processen

Pappers- och massatillverkningen är en komplicerad process som kan ske antingen mekaniskt eller kemiskt. Den mekaniska processen bygger på att fibrerna lösgörs på mekanisk väg med hjälp av kvarnar och slipar. Fördelen med den mekaniska

den kemiska processen är den kraftigt ökade papperskvaliteten. Det finns två kemiska processer: sulfit- och sulfatprocess. Vid sulfitprocessen används en sur kokvätska. Den aktiva kemikalien i kokvätskan är vätesulfitjonen som kombineras med en metalljon, vanligtvis magnesium. Vid sulfatprocessen används istället en basisk kokvätska. Kokvätskan kallas vitlut och har ett pH på ca 14 [3]. Förr i tiden var sulfitprocessen den vanligaste. Den ger en mycket ljusare men dock svagare massa. Men med tiden har metoderna för blekning av sulfatmassa utvecklats och på grund av sulfatmassans styrkeegenskaper har detta lett till att sulfatprocessen är idag den vanligaste processen [4]. Skärblacka Bruk använder sulfatprocessen.

Tillverkningsprocessen av papper vid Skärblacka Bruk beskrivs i figur 1. 1. Första steget i processen att göra papper av ved börjar i renseriet med

avbarkning av veden. Det sker med hjälp av en stor roterande barktrumma. De avbarkade stockarna flisas sedan upp av en stor flishugg till ca 25 mm långa bitar som skickas vidare till stora flissilor. Detta tillsammans med en del inköpt flis från sågverk blåses vidare från silorna till kokerierna.

Restprodukten, barken, eldas i barkpannan för att producera ånga vilken används i den övriga processen.

2. På Skärblacka Bruk sker kokningen på två olika linjer, Linje 1 och Linje 2. På Linje 1 används batchkokning, även kallad diskontinuerlig kokning. Det betyder att flisen och vitluten kokas 3-4 timmar som en sats och skickas sedan vidare i processen. På Linje 2 är kokningen istället kontinuerlig, det vill säga flis och vitlut fylls på kontinuerlig i toppen, samtidigt som färdigmassa plockas ut i botten. Båda kokningsmetoderna har ett massautbyte på ca 50 %. Efter kokning innehåller kokvätskan både lignin och rester från den ved som inte blev massa och har övergått från vitlut till svartlut. Vid kokningen bildas det en del illaluktande gaser, vilka skickas vidare till brännkammare 1 och 2 för destruktion.

3. Massan som kommer från kokningen innehåller lut vilken måste tvättas bort innan papperstillverkningen. Tvättningen sker i flera steg och vattnet med den lösta svartluten, så kallad tunnlut, skickas vidare till indunstningen i sodahuset för återvinning.

4. Efter tvättningen silas massan i sileriet. Huvudsyftet är att sila bort spet, det vill säga fibrer som inte har delat på sig under kokningen och bildat klumpar. Massan från Linje 1 bleks innan den skickas vidare till torkmaskin 1 (TM1), pappersmaskin 7 (PM7) och pappersmaskin 8 (PM8). Medan massan från Linje 2 skickas direkt från sileriet till pappersmaskin 9 (PM9).

5. Obehandlad pappersmassa innehåller fortfarande en del lignin och vedhartser vilket ger massan dess bruna färg. För att få vitt papper bleks massan, vilket sker i blekeriet. Metoden som används på Skärblacka bruk kallas ECF-blekning (Elemental Chlorine Free), vilken använder kemikalierna syrgas, klordioxid, väteperoxid och natronlut för att bleka massan. På grund av de miljömål som finns övergick Billerud Skärblacka AB från ren klorblekning till ECF-blekning år 1992. Tack vare detta har utsläppen till naturen av klor minskat kraftigt. Blekning bidrar, förutom till färgen, även till att pappret blev mer åldersbeständigt. Den blekta massan går sedan vidare till PM7, PM8 och till TM1.

6. Billerud Skärblacka AB säljer inte endast papper utan även blekt

sedan ner till ark. Det är endast massaöverskottet som säljs, resten används i den egna produktionen.

7. Pappret är nu färdigt att levereras till kund. Innan det skickas iväg packas det. Allt papper på Skärblacka bruk är specialtillverkat efter kundens önskemål. [2] 8. En viktig del för att få lönsamhet i papperstillverkningen är att återvinna

kemikalierna. Återvinningen är en sluten cykel som börjar med att tunnluten indunstas, det vill säga vattnet i svartluten kokas bort. Efter indunstningen kallas lutblandningen för tjocklut, vilken förbränns i sodapannan. Tjockluten innehåller både lut och utlösta vedämnen från kokningen. Vedämnena förbränns och ger energi som används till ång- och elproduktion.

Kemikalierna däremot smälter och sjunker ner genom pannans bädd och bildar en smälta. Genom att lösa upp smältan i svag vitlut fås så kallad grönlut. Omvandlingen från grönlut till vitlut sker i två reaktioner sker genom att grönluten blandas med bränd kalk, vilken startar kausticeringen. Efter kausticeringen är slutprodukten vitlut uppblandad med biprodukten mesa. Genom att filtrera blandningen avskiljs mesan från vitluten. Filtreringen är inte perfekt och mesan innehåller fortfarande lite vitlut. Därför filtreras mesan en gång till. Efter denna filtrering fås mesa och svaglut. Mesan matas in i mesaugnarna där den bränns och återbildas till bränd kalk. Cirkeln är nu sluten. [3]

7

8

7

8

Figur 1. Tillverkningsprocessen för papper och pappersmassa vid Skärblacka Bruk. [I]

2.3 Mekaniskt renat vatten – MR0

3 Hjälpmedel

Ett antal hjälpmedel, för att exempelvis kunna mäta flöden, har använts för att utföra det här examensarbetet. Dessa nämns ett flertal gånger i denna rapport. Här nedan beskrivs de lite mer ingående.

3.1 Flödesmätning med Portaflow X

På de platser i systemet för mekaniskt renat vatten där flödesmätning saknades användes den portabla flödesmätaren Portaflow X för att mäta flödet. Portaflow X använder sig av ultraljud för att mäta flödet och är utvecklad för att användas på rena fluider. Föroreningar försvagar ultraljudssignalen vilket leder till att noggrannheten i mätningen försämras. Mätaren består av två sensorer enligt figur 2. Båda fungerar som sändare och mottagare. I steg A, enligt figur 2, sänder den ena sensorn ut en ultraljudssignal som går via rörväggen och fluiden och når mottagaren. Tiden det tar för ultraljudsvågen att färdas mellan sensorerna mäts. I steg B byter sedan sensorerna funktion och sändaren blir en mottagare och tvärtom. En signal sänds nu i motsatt riktning och tiden det tar mäts. Med hjälp av differensen mellan de två tiderna beräknas flödet i röret. [6]

A

B A

B

Figur 2. Visar i princip hur Portaflow X mäter flöde med hjälp av ultraljud. I steg A sänds ultraljudsvågor ut från den ena sensorn och tas emot av den andra. I steg B byter sensorerna

funktion och mätningen genomförs en gång till. [II]

3.2 Program

Pumpanalys

Programmet ”Pumpanalys” är ett excel-baserat beräkningsprogram. Det är framtaget via ett tidigare examensarbete som beställts av Värmeforsks skogsindustriella

program, vilket har utförts tillsammans med Stora Enso på Hylte Bruk. Programmets arbetsområde är att kunna analysera ett pumpsystem för att undersöka möjligheterna för optimering och energieffektivisering. Programmet beräknar tryckförlusterna i ett rörsystem och summerar dem. Programmet börjar räkna från slutet av systemet. När tryckförlusterna beräknats i hela systemet anges vilket tryck som krävs för varje ström samt vilket tryck som krävs i början av systemet för att fluiden ska ta sig fram.

Resultaten från beräkningarna sammanfattas i en lista samt ritas upp grafiskt. Den grafiska bilden är ett försök att göra ett pumpsystem mer överskådligt och göra det lättare att hitta eventuella brister. Strömmarna beskrivs i diagrammet som pilar, där bredden på pilen indikerar storleken på flödet i strömmen och längden visar

10 - - - 13 - - - 16 - - - 19 - - - P [mvp] 1 2 3 4 10 mvp 20 mvp Q=5000l/min L=30000 DN300 Ström 1 Q=4000 l/min L=50000 DN300 Ström 2 Q=1000l/min L=10000 DN150 Ström 3 Nod 1 10 - - - 13 - - - 16 - - - 19 - - - P [mvp] 1 2 3 4 10 mvp 20 mvp Q=5000l/min L=30000 DN300 Ström 1 Q=4000 l/min L=50000 DN300 Ström 2 Q=1000l/min L=10000 DN150 Ström 3 Nod 1 10 13 16 19 -P [mvp] 1 2 3 4 p [mvp] 10 - - - 13 - - - 16 - - - 19 - - - P [mvp] 1 2 3 4 10 mvp 20 mvp Q=5000l/min L=30000 DN300 Ström 1 Q=4000 l/min L=50000 DN300 Ström 2 Q=1000l/min L=10000 DN150 Ström 3 Nod 1 10 - - - 13 - - - 16 - - - 19 - - - P [mvp] 1 2 3 4 10 mvp 20 mvp Q=5000l/min L=30000 DN300 Ström 1 Q=4000 l/min L=50000 DN300 Ström 2 Q=1000l/min L=10000 DN150 Ström 3 Nod 1 10 13 16 19 -P [mvp] 1 2 3 4 p [mvp] 10 - - - 13 - - - 16 - - - 19 - - - P [mvp] 1 2 3 4 10 mvp 20 mvp Q=5000l/min L=30000 DN300 Ström 1 Q=4000 l/min L=50000 DN300 Ström 2 Q=1000l/min L=10000 DN150 Ström 3 Nod 1 10 - - - 13 - - - 16 - - - 19 - - - P [mvp] 1 2 3 4 10 mvp 20 mvp Q=5000l/min L=30000 DN300 Ström 1 Q=4000 l/min L=50000 DN300 Ström 2 Q=1000l/min L=10000 DN150 Ström 3 Nod 1 10 - - - 13 - - - 16 - - - 19 - - - P [mvp] 1 2 3 4 10 mvp 20 mvp Q=5000l/min L=30000 DN300 Ström 1 Q=4000 l/min L=50000 DN300 Ström 2 Q=1000l/min L=10000 DN150 Ström 3 Nod 1 10 - - - 13 - - - 16 - - - 19 - - - P [mvp] 1 2 3 4 10 mvp 20 mvp Q=5000l/min L=30000 DN300 Ström 1 Q=4000 l/min L=50000 DN300 Ström 2 Q=1000l/min L=10000 DN150 Ström 3 Nod 1 10 13 16 19 -P [mvp] 1 2 3 4 p [mvp]

Figur 3. Ett enkelt exempel på hur ett pumpsystem och en grafisk presentation av det

pumpsystemet kan se ut i Pumpanalys. Pilarna presenterar strömmarna, där breddenindikerar

storleken på flödet och längden visar tryckfallet [III]

3.3 Programmet WinMOPS

3.4 Metod för kontroll av föroreningshalten i vatten

Metoden som användes för att mäta föroreningshalten i MR0-vattnet var en

modifierad variant av en standardiserad metod (SS 02 81 12) för att mäta suspenderad substans i avsloppsvatten. Principen för den metoden är att vattnet sugfiltreras genom ett glasfiberfilter, vilket torkas och vägs efteråt. Metoden modifierades på grund av att vid försök II då denna metod användes behövdes resultatet direkt och det fanns inte tid att vänta flera timmar på svar. Anledningen var att resultatet från föroreningstestet skulle ligga till grund för om försöket skulle tvingas avbrytas på grund av för mycket föroreningar in till Pappersmaskin 9. För detta arbete ersattes därför den tidskrävande torkningen av filtret i en värmeugn mot torkning i en mikrovågsugn. Proven utfördes enligt följande:

• Inhämtning av vattenprov: Prover togs vid passavantfiltrena i vattenverket och

vid inloppet till pappersmaskin 9. På varje provtagningsställe togs ett prov på 1 liter.

• Vägning 1 av filter: Filtret vägdes med en noggrannhet på 0,1 mg.

• Filtrering av vatten: För filtrering användes en filtertratt med magnetisk

låsning från Pall Life Sciences (tidigare Gelman sciences), se figur 4. Filtret placerades på en tratt som var kopplad till en vakuumsug. Den mängd vatten som filtrerade var beroende av mängden smuts i vattnet. Vid låg smutshalt krävs större volymer vatten för att få ett mätbart resultat.

Figur 4. En filtertratt med magnetisk låsning, vilken kopplas till en vakuumsug. [IV]

• Torkning av filter: För att ta reda på vikten på föroreningarna behövde all fukt

avlägsnas. Detta gjordes genom att värma filtret i en mikrovågsugn i 3 minuter på full effekt (1,3 kW). Tiden i mikrovågsugnen avgjordes utifrån tidigare erfarenheter som visat att denna tid var tillräcklig.

• Vägning 2 av filter

Beräkning av föroreningshalt: Differensen mellan den första och den andra vägningen

är vikten av föroreningarna. För att få jämförbara siffror beräknas mängden

4 Teori

4.1 Strömning i rör

Det finns två olika sorters strömning, laminär strömning och turbulent strömning. Vid laminär strömning är strömmen välordnad och rörelsen sker i skikt i

strömningsriktningen. Partikelbanorna blir i det här fallet parallella. Turbulent

strömning är istället oordnad och partikelbanorna är inte längre parallella. Ett mått på om strömningen är laminär eller turbulent är att studera Reynolds tal. Reynolds tal är ett dimensionslöst tal som är framtaget experimentellt av den irländska ingenjören Osborne Reynold år 1883. Reynolds tal beräknas enligt

η ρ ⋅ ⋅ = v d Re (4-1)

där v betecknar fluidens strömningshastighet, d rörets diameter, ρ fluidens densitet och η fluidens viskositet. När Reynoldstalet är mindre än ca 2300 anses strömningen vara laminär. Det finns dock ingen skarp gräns där strömningen övergår till att vara turbulent. Istället kallas området 2000<Re<4000 för en kritisk zon. I detta område är det lätt att den laminära strömningen störs så att strömningen övergår från laminär strömning till turbulent strömning. [8]

Vid strömning i ett rör gäller kontinuitetsekvationen, vilken definieras 2 2 1 1 2 1 v A q v A q_m= ⋅ρ⋅ = _m = ⋅ρ⋅ (4-2)

där qm betecknar massflödet, v fluidens strömningshastighet, ρ fluidens densitet och A

rörets area. Om fluiden är inkompressibel, medför detta att ρ1= ρ2 och densiteten kan förkortas bort.Ett exempel där kontinuitetsekvationen används är vid en förgrening i ett rörsystem. Resultatet blir där att flödet delar upp sig så att summan av det som flödar in i förgreningen är samma som summan av det som flödar ut ur systemet. [9] Kontinuitetsekvationen är tillsammans med Bernoullis ekvation grundekvationer vid beräkning av strömning i rör. Bernoullis ekvation är en energibalans som bygger på termodynamikens första huvudsats, att energi inte kan förintas eller nyskapas utan bara omvandlas mellan olika energiformer. Ekvationen visar att för alla punkter i systemet är summan av tryckenergin, lägesenergin och rörelseenergin densamma. Bernoullis ekvation kan skrivas

ρ ρ m p g mh mv m p g mh mv ₂ 2 2 2 1 1 2 1 2 2 + + = + + (4-3)

där v betecknar fluidens strömningshastighet, h höjden, p trycket, ρ fluidens densitet

och m massan. I Bernoullis ekvation görs antagandet att strömningen är förlustfri. I

f h g p h g v g p h g v _{+ + = + + +} ρ ρ 2 2 2 2 1 1 2 1 2 2 (4-4) där hf står för strömningsförlusterna.

4.2 Tryckförluster i rör

Det är flera företeelser som påverkar tryckförluster i ett rörsystem. Friktionen från rörväggen är en sak, andra bidrag till tryckförluster är engångsmotstånd som

exempelvis böjar och ventiler. Summeras alla förluster fås den totala tryckförlusten, vilken tillsammans med det önskade trycket hos användaren ger vilket tryck pumpen måste kunna leverera.

4.2.1 Friktionsförluster i raka rör

Det finns inget teoretiskt sätt att exakt beräkna tryckförlusterna i ett rör. Exakta värden fås genom mätning av tryckförlusten. Utifrån experiment och teorier har ett samband tagits fram, vilket ger ett ungefärligt värde på tryckförlusten. Sambandet skrivs g v d l h_f 2 2 ⋅ ⋅ =λ (4-5)

där l betecknar rörets längd, d rörets diameter, v fluidens strömningshastighet, g

gravitationskonstanten och λ friktionsfaktorn. λ skiljer sig för olika material och beror

på Reynoldstalet samt den relativa ytråheten ε /d, där ε betecknar den absoluta ytråheten och d rörets diameter. ε varierar beroende på materialets skick.

Moodydiagrammet visar sambandet mellan λ, ε /d och Re, se figur 5. Det togs först

Figur 5. Moodydiagram (f = λ). Rörfriktionskoefficienten λ som funktion av Reynolds tal och relativa råheten ε/d. [V]

Vid beräkning med datorer är det dock inte praktiskt att använda ett Moodydiagram. För Reynoldstal mellan 4·103_{<Re< 10}8 _{och 10}-5_<ε/d<2·10-2 _{kan Colebrook-White} formeln användas. Formeln definieras

2 9 , 0 10 _Re 74 , 5 7 , 3 log 25 , 0 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ₊ = d ε λ (4-6)

Inom det angivna intervallet kan formeln producera en friktionsfaktor som skiljer sig med mindre än 3 % från det värde som erhålls ur Moodydiagrammet. Vid laminär strömning är det betydligt enklare att beräkna λ. Då gäller formeln [10]

Re 64 =

4.2.2 Engångsförluster

Engångsförluster uppkommer vid lokala förändringar i röret, så kallade

engångsmotstånd. Formeln för tryckförlusten är oberoende av vad det är för ett motstånd. Det som skiljer motstånden åt är värdet på tryckförlustkoefficienten, ξ. Formeln för tryckfall på grund av engångsmotstånd är definierad enligt nedan

g v h_f 2 2 ξ = (4-8) Böjar

Förlusterna som uppstår i böjar beror på att det uppstår separationszoner där det skapas virvelströmmar, se figur 6. Vid strömning i ett rör har fluiden en lägre

hastighet vid rörväggen på grund av friktion än vad den har i mitten av röret. På grund av den högre hastigheten påverkas fluidpartiklarna i mitten av röret kraftigare av centrifugalkraften och de rör sig ut mot väggarna. Mellan rörväggen och mitten av röret skapas det samtidigt en tryckskillnad. Det bildas ett högre tryck längs väggen än i mitten vilket får fluidpartiklarna att dras tillbaka mot mitten. Dessa virvelströmmar som skapas bidrar till tryckförluster.[11] De parametrar som påverkar

förlustkoefficienten mest är rörets diameter och dess bockningsradie. Diagrammet i figur 7 har använts för att ta fram förlustkoefficienter. Där visas förlustkoefficienten som en funktion av förhållandet mellan medelbockningsradien rm och inre

rördiametern di.[8] Separationszon Separationszon Figur 6. Strömning i en rörböj. 90º 60º 30º 180º Bockningsradie 90º 60º 30º 180º 90º 60º 30º 180º Bockningsradie

Konor

Förlusterna vid en successiv areaförändring beror på om det är en ökning eller minskning. En minskning av arean, det vill säga att röret konas ner kan genomföras med små förluster. Detta beror på att när strömningen konvergerar omvandlas det statiska trycket till hastighetstryck, vilket är en stabil strömning. Tryckförlusterna beror på konans vinkel och längd. Ur figur 8 kan tryckförlustkoefficienten läsas ut för vinklarna 30º och 15º. För beräkning av tryckförlusten med hjälp av ekvation 4-8 används hastigheten efter areaminskningen.[8]

Figur 8. Tryckförlustkoefficienten vid en successiv areaminskning. Gäller både för runda och för fyrkantiga kanaler. [VII]

Figur 9. Tryckförlustkoefficient vid successiv areaökning dvs. i en diffusor. [VIII]

T-kors

I t-kors är det olika förluster beroende på vilken del av förgreningen om undersöks. Strömningen som går rakt fram har oftast mindre förluster än den ström som går via grenen. I den högra bilden i figur 10 kan tryckförlustkoefficienten för strömmen rakt fram läsas ut och i den vänstra bilden i figur 10 visas tryckförlustkoefficienten för strömmen som går via grenen. För tryckfallsberäkningen med ekvation 4-8 används hastigheten in i grenen för båda fallen.

Figur 10. Två fall av tryckförlustkoefficienter i t-kors. Den vänstra beskriver tryckfallskoefficienten för flödet som går via grenen och den högra beskriver

5 Flödeskartering

År 2003 genomfördes en övergripande kartering över MR0-flödena på bruket. Eftersom konsumtionen av vatten hänger ihop med energiförbrukningen för

pumpning av vatten var det viktigt att göra om karteringen. Genom att kartera flödena kunde de stora konsumenterna av vatten upptäckas. Dessutom visade karteringen om förbrukningen hade ökat eller minskat från karteringen 2003. Från alla flödesmätare som redan fanns i fabriken togs existerande data från 2002 fram till oktober 2008. För varje år beräknades medelvärdet av flödet, därefter beräknades medelvärdet av årens medelflöde. Resultatet visas i figur 11. Till massabruket och till mixeriet finns det inte några flödesmätare. Dessa flöden fick mätas med den portabla flödesmätaren

Portaflow X (se avsnitt 3.1). Eftersom det inte är möjligt att mäta flödet med den mätaren under flera år fick ett enda mätvärde representera ett årsmedelvärde. Det beslutet grundades på att vid mätningstillfället var de övriga flöden på samma nivå som årsmedelflöden. Resultatet från mätningarna är utritade i figur 11.

Sodahuset PM4 och renseri

~12 0+ 20 m3_/h PM7 o TM1 PM8 Va tt enverk Centralverkstaden PM9 Massabruket Fö rd eln ings låda Mixeri Sommarvatten Pumpar Kemisk rening ~600 m3_/h ~3300 m3_/h ~165 m3_/h ~50 m3_/h ~320 m3_/h ~55 m3_/h ~50 m3_/h ~140 m3_/h ~238 0 m 3/h ~2 m3_/h

Sodahuset PM4 och renseri

~12 0+ 20 m3_/h PM7 o TM1 PM8 Va tt enverk Centralverkstaden PM9 Massabruket Fö rd eln ings låda Mixeri Sommarvatten Pumpar Kemisk rening ~600 m3_/h ~3300 m3_/h ~165 m3_/h ~50 m3_/h ~320 m3_/h ~55 m3_/h ~50 m3_/h ~140 m3_/h ~238 0 m 3/h ~2 m3_/h

Figur 11. Fördelning av MR0-vatten till de olika konsumenterna på Skärblacka Bruk. Flödena i massabruket och det till mixeriet är mätta med en portabel flödesmätare.

Karteringen visade att sodahuset är den största konsumenten av MR0-vatten. Av de ca 2380 m3/h går ca 1200 m3/h till indunstningen. Det gör indunstningen till den enskilt största konsumenten av MR0-vatten. Även PM9 förbrukar ganska mycket vatten, men problemet här är att konsumtionen är ojämn. Det uppstår ofta kraftiga toppar i

konsumtionen, vilket påverkar resten av systemet.

6 Utvärdering

av

dataprogram

Programmet ”Pumpanalys” är ett excel-baserat program som är framtaget i ett tidigare examensarbete (se avsnitt 3.2)[1]. Programmet beräknar tryckfallen i ett givet

rörsystem. Utifrån en analys av tryckfallen i systemet går det att finna eventuella brister i systemet. Tanken var att detta program skulle användas som hjälpmedel för att optimera färskvattensystemet på Skärblacka bruk. Med de systemavgränsningar som gjorts innehöll systemet inte några pumpar. Därför passade inte heller

programmet som hjälpmedel till det här examensarbetet. Det var dock fortfarande av intresse att undersöka hur väl programmet var anpassat för att kunna användas på Skärblacka Bruk.

För utvärderingen av programmet valdes indunstningen 2 och 3 som underlag. Indunstningen är första steget vid återvinning av kemikalier på bruket. Här kokas vattnet bort från den lut som har använts som kokvätska till flisen (se avsnitt 2.2 processen, steg 8). Indunstningen är placerad i sodahuset, se avsnitt 5 figur 11. Anledningen att indunstningen valdes att karteras var att den är den enskilt största konsumenten av MR0-vatten på bruket. Dessutom går vattnet till indunstning 2 och 3 i samma ledning, vilket gör att flödet till den ena påverkar flödet till den andra.

6.1 Kartering av MR0-vattensystem på indunstning 2 och 3

Tidigare har man projekterat för att bygga en ny indunstning. Av den anledningen har det inte ansetts meningsfullt att kartera den här avdelningen på mycket länge.

Dessutom har det nyligen skett en del ombyggnationer. Resultatet är gamla och ouppdaterade ritningar, vilket medförde att det krävdes en kartering av rörsystemet till indunstning 2 och 3. De data som samlades in var: rörens längd och diameter, antalet böjar, höjdskillnader, antal ventiler, förkoningar, vattenflöden och relevanta tryck. En del vattenflöden mättes online och var då kopplade till WinMOPS (se avsnitt 3.3). Resten mättes upp med den portabla flödesmätare Portaflow X (se avsnitt 3.1). Vad gäller trycken fanns det bara en tryckmätare. För mätning av resterande tryck

placerades det ut analoga tryckmätare för manuell avläsning. Alla mätares placeringar finns utmarkerade med ett kryss i figur 12.

Det beslutades att startpunkten till systemet skulle sättas vid fördelningslådan, vilken fördelar ut vatten från huvudledningen till Sodahuset. Här finns också den enda tryckmätaren placerad. Som slutpunkt valdes kondensorerna. Hela systemet mättes och ritades upp, se figur 12. I figuren är alla tryck- och flödesmätare utmarkerade. Vid inmatningen av data i dataprogrammet Pumpanalys numrerades alla strömmar

24 00 ∆ h= 380 0 Fö rd el ni ng s lå da Stripper P 400/350 44F 28 0 15600 32 00 350/250/350 35 00 ∆ h= 500 ∆ l=6 00 5500 Ø400 4500 Ø200 ∆h=600 ∆l=1150 Tätn. vatten kylare ∆h=2700 4500 1700 500 Ind. 2 Ind. 3 Ø250 15000 ∆ h= 900 För st 95º Se n 10º ∆h=600 17 50 ∆ h= 600 ∆h=600 KR0 23000 Ø200 2500 1600 12 60 80 0 40 0 13 00 ₂₈₀₀ 1700 30 0 ∆h=1600 2300 80 0 ∆h=2100 P 4600 ∆h=2100 44T 23 9 ∆h=3000 Pumpar kra n 44 F438 Tätn. Vatten kylare Kondensor 1 VVX Kondensor 2 VVX Kondensor 2 VVX Kondensor 1 VVX P P P 6400 Ø50 Ø150 710 0 500 2000 Ø100 3200 ∆h=3400 ∆h=1200 900 ∆h=8600 200 ∆ h= 10 400 ∆ h= 104 00 44 F4 36 44 F4 35 ∆h=600 92 00 10 00 28 00 63 00 220 0 +∆h=4600 +∆h=6100 44P 004 Höjdskillnad finnes här Höjdskillnad Höjdförändringens längd Systemgräns Flödesmätare Tryckmätare ∆h ∆l P Rör ∆h ∆l P 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 3 25 0/ 20 0 150/200 8000 750 24 00 ∆ h= 380 0 Fö rd el ni ng s lå da Stripper P P 400/350 44F 28 0 15600 32 00 350/250/350 35 00 ∆ h= 500 ∆ l=6 00 5500 Ø400 4500 Ø200 ∆h=600 ∆l=1150 Tätn. vatten kylare ∆h=2700 4500 1700 500 Ind. 2 Ind. 3 Ø250 15000 ∆ h= 900 För st 95º Se n 10º ∆h=600 17 50 ∆ h= 600 ∆h=600 KR0 23000 Ø200 2500 1600 12 60 80 0 40 0 13 00 ₂₈₀₀ 1700 30 0 ∆h=1600 2300 80 0 ∆h=2100 P 4600 ∆h=2100 44T 23 9 ∆h=3000 Pumpar kra n 44 F438 Tätn. Vatten kylare Kondensor 1 VVX Kondensor 2 VVX Kondensor 2 VVX Kondensor 1 VVX P P PP PP 6400 Ø50 Ø150 710 0 500 2000 Ø100 3200 ∆h=3400 ∆h=1200 900 ∆h=8600 200 ∆ h= 10 400 ∆ h= 104 00 44 F4 36 44 F4 35 ∆h=600 92 00 10 00 28 00 63 00 220 0 +∆h=4600 +∆h=6100 44P 004 Höjdskillnad finnes här Höjdskillnad Höjdförändringens längd Systemgräns Flödesmätare Tryckmätare ∆h ∆l P Rör ∆h ∆l Höjdskillnad finnes här Höjdskillnad Höjdförändringens längd Systemgräns Flödesmätare Tryckmätare ∆h ∆l P P Rör ∆h ∆l P 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 3 25 0/ 20 0 150/200 8000 750

Figur 12. Rörsystem från ingående fördelningslåda till sodahuset till kondensorer på indunstning 2 och 3. Numreringen visar den indelning av systemet som användes för tryckfallsberäkning av programmet pumpanalys.

Tabell 1. Alla flöden i systemet uppmätta den 4 juli 2008

Beräknade flöden Uppmätta flöden

med befintlig mätutrustning, avläst

i WinMOPS

Uppmätta flöden med den portabla flödesmätaren Portaflow X Ström nr. Flöde m3/h Ström nr. Flöde m3/h ström nr. Flöde m3/h 1 1150 3 220 2 930 6 110 4 280 7 11 8 99 5 170* 12 11,4 9 650 10 560 11 548,6 13 90

*_{mätt med voltmeter inne i korskopplingsrummet}

Tabell 2. Uppmätta tryck i slutet av varje given ström

Ström nr. Tryck [bar] 3 2,4 5 2,6 7 3,3 8 2,6 10 1,5 12 3,6 13 3,7

6.2 Resultat av utvärdering

Programmet beräknade alla tryckfall i systemet och resultatet presenterades både grafiskt och med numeriska värden i en lista. Listan ligger till grund för hur diagrammet ritas upp och listan presenteras i bilaga 1. Figur 13 visar den grafiska presentationen. Längden på pilarna representerar tryckfallet och bredden indikerar storleken på flödet i ledningen. Genom att studera diagrammet i figur 13 inses det att det största tryckfallet sker i ström 3, då den pilen är längst. Anledningen är att ström 3 är den längsta strömmen samt innehåller flera höjdskillnader, vilka ger stora bidrag till tryckfallet, se figur 12. Diagrammet visar även att det krävs ett tryck på 47,2 mvp det vill säga 4,8 bar för att allt mekaniskt renat vatten (MR0) ska nå sina

15 - - - 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 -P [mvp] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Figur 13. Grafisk beskrivning av tryckfallen i rörsystemet till indunstning 2 och 3 från programmet Pumpanalys. Pilarna representerar tryckfallet för varje ström. Numrena anger strömnummer.

I utvärdering av programmet undersöktes korrektheten i beräkningarna av tryckfallen. Eftersom det fanns en tryckmätare i början av systemet kunde programmets resultat jämföras med verkligheten. Programmet beräknade att trycket skulle vara 4,8 bar vid fördelningslådan för att givna tryck skulle uppnås. I verkligheten var trycket ungefär 4,2 bar. Det betyder att programmet räknade ut lite för stora tryckförluster för just det här systemet. Det finns dock ett antal felkällor för den teoretiska beräkningen:

• Förlustkoefficienterna var anpassade efter Hylte Bruk inte Skärblacka bruk. • Mätningen av rörlängder utfördes med måttband och laser, vilket medför en

begränsad noggrannhet.

• Flödesmätningarna utfördes endast en gång. Noggrannheten skulle dock kunna förbättras genom ett utökat antal mätningar. Dessutom begränsades mätningarna av att det endast fanns en mätare, vilket medförde att bara ett flöde kunde mätas i taget.

6.3 Slutsats av utvärdering

Utvärderingen av programmet visade att beräkningsresultatet kom relativt nära det verkliga värdet. På grund av felkällorna kommer dock storleken på beräkningsfelet att variera beroende på vilket system som undersöks och hur väl just det systemet

beräknas för hand, då tryckförlusten endast beräknades en gång. Om tryckfallen beräknas för hand kan hänsyn tas till specifika förhållandena på plats, som exempelvis förlustkoefficienter i rör. Det gör att beräkningarna anpassas bättre efter det verkliga systemet och felkällorna minskas. Fördelen med programmet kommer då

tryckförlustsberäkningarna ska utföras flera gånger på samma system. Med hjälp av programmet minskas tidsåtgången för beräkningarna.

7 Strypning av pump – Försök I

Det finns ett stort antal variabler som påverkar trycket i systemet för mekaniskt renat vatten (MR0). Eftersom alla användare är kopplade till samma system påverkas de olika användarna av varandras konsumtion. Detta medför att vattenbrist hos en användare kan vara en effekt av händelser hos en eller flera andra användare. För att hitta problemområdena genomfördes ett försök på MR0-systemet, vilket sedan analyserades.

7.1 Syfte med försök I

Syftet med försöket var att finna den del av bruket som är känsligast för trycksänkningar samt undersöka vilken energibesparingspotential det finns för råvattenpumparna vid ett strypt tillstånd.

7.2 Genomförande av försök I

För att skapa illusionen av ett ökat vattenuttag och därmed en tryckförändring i systemet, ströps en av pumparna med hjälp av en ventil som sitter precis efter pumpen. Försöket delades in i två delar:

• Del I: Pumpen stryps med hjälp av ventilen tills dess att en reaktion på grund av strypningen uppstår hos någon konsument av mekaniskt renat vatten (MR0).

• Del II: För att kunna följa förändringarna i pumpens energiförbrukning lämnas ventilen i ett delvis stängt läge under en längre period. Ventilen stängs inte mer än att det finns en säkerhetsmarginal för ett eventuellt ökat vattenuttag.

7.2.1 Förberedelser till försök I

Eftersom ett oförberett driftstopp är kostsamt, var det viktigt att gå igenom varje del av bruket och studera vad vattnet användes till. Genom interjuver med personalen lokaliserades systemets förmodade problemområden. Karteringen visade att följande poster var i behov av extra uppsikt:

• Tätningsvatten till PM9: De flesta tätningsvattensystemen på bruket är utrustade med separata förstärkningspumpar för att säkerställa trycket. Tätningsvattensystem på pappersmaskin 9 (PM9) är inte utrustad med förstärkningspumpar, utan där har tätningsvattensystemet samma tryck som övriga systemet för mekaniskt renat vatten (MR0). Tätningsvattentrycket måste minst överstiga trycket på mediet som pumpas, annars går mediet in i tätningen och den förstörs. Problemet är att detta förlopp sker mycket fort och systemet förvarnar inte. För att undvika problem med tätningar var trycket tvunget att överstiga två bar vid tätningarna. Problemet var att det inte fanns någon tryckmätare där. Därför användes en tryckmätare tidigare i systemet och det beslutades att trycket där skulle vara högre än 2,5 bar.

• Skrubber 1: Skrubber 1 rengör gaserna från sodapannan och från

brännkammare 2 (BK2). Mekaniskt renat vatten används i skrubbern för att kyla betongen vilken gasen färdas förbi. Vattnet har även syftet att ta tillvara på energin som finns kvar i de varma rökgaserna. Av spillvärmen tillverkas 65 gradigt mekaniskt renat vatten (MR65) som bland annat används i kokerierna. Vattentillförseln till skrubbern är beroende av trycket i systemet. Eftersom reglerventilerna innan skrubbern redan har en hög öppningsgrad kan en sänkning av trycket leda till ett sänkt flöde in. Resultatet skulle bli sämre kylning och en minskad produktion av MR65.

• Luftkompressorerna: Luftkompressorerna förser större delen av bruket med tryckluft. Ett driftstopp på dem kan leda till ett driftstopp på större delen av fabriken. Kompressorerna kyls med hjälp av mekaniskt renat vatten (MR0). Ett för lågt tryck medför en otillräcklig kylning, vilket leder till att

kompressorerna löser ut automatiskt. Av den här anledningen var vattentrycket vid kompressorerna den faktorn som begränsande trycksänkningen i systemet. För att kunna tillgodose kompressorernas kylningsbehov behövdes ett

7.2.2 Strypning av pump - Del I

Försöket startade kl. 10.30 den 30 juli 2008. Ventilen stängdes försiktigt steg för steg. Efter varje strypning fick systemet tid för anpassning efter de nya tryckförhållandena innan ytterligare strypning genomfördes. Tabell 3 visar alla manuellt avlästa tryck under försöket. Den sista delstängningen utfördes kl. 14.55, då var medeltrycket vid luftkompressorerna 2,9 bar och ytterligare strypning hade kunnat resultera i ett driftstopp. Detta eftersom trycket inte är helt konstant.

Tabell 3. Värden från manuellt avlästa mätare under försöket.

Ventilöppning [%] 100 43 36 29 25 20 kl. 10.30 10.35 11.10 11.25 13.40 14.55 Tryckmätning [bar] I vattenverket 4,3 4,3 4,2 4,15 4,15 3,95 PM9 tryckbom 3,7 3,7 3,7 3,0 3,0 2,8 PM9 In 4,0 4,0 4,0 3,5 3,5 3,5 PM8/PM7 In 4,0 4,0 4,0 3,8 3,8 3,55 Flödesmätning [m3/h] 44F236 skrubber 1 432 - - - - 400 44F235 skrubber 1 385 - - - - 342 Reglerventilöppning [%] ind. 1 30 30 30 30 30 30 ind. 1 MR/KR* 45 45 45 45 45 45 ind. 3 80 80 80 80 85 90 ind. 3 MR/KR* 45 45 45 45 45 50

*Kondensorn kan köras på både MR- och KR-vatten

7.2.3 Strypning av pump – Del II

Råvattenpumparna bygger upp ett eget tryck vilket de arbetar emot. Genom att strypa pumpen med en ventil precis efter den blir det lättare att bygga upp rätt tryck.

Teoretiskt sätt borde pumpen konsumera mindre energi i ett strypt läge. Tanken är att detta ska illustrera den överkapacitet som den extra pumpen bidrar med. Det bör dock tilläggas att strypningen medför stora förluster, vilket gör att minskningen i

energiförbrukning kommer att vara mindre än överkapaciteten. Försöket skulle trots allt kunna ge en uppfattning om energibesparingspotentialen. Mätning av

7.3 Resultat av försök I

Under del I av försöket dokumenterades trycksänkningarna i hela systemet. De problem som uppstod under försöket var problem med kylning av lut på linje 2, samt indunstning 3 där reglerventilen nådde maximal öppningsgrad. Efter övergång till del II av försöket dröjde det inte mer än en timme innan försöket var tvunget att avbrytas. Operatören öppnade då upp ventilen vid pumpen från 20 % öppningsgrad till ca 40 %. Anledningen var tidigare nämnda problem. Det var framförallt problemet

lutkylningen som medförde att försöket avbröts. Med 40 % öppningsgrad fick sedan pumpen stå över natten. Dagen efter togs beslutet om att avbryta del II av försöket. Det visade sig att energiförbrukningen för den strypta pumpen sjönk lite, men detta kompenserades av att de andra två pumparna ökade sin förbrukning istället. Totalt sätt var energiförbrukningen oförändrad, vilket visade att det inte gick att se

energibesparingspotentialen genom att strypa en pump.

7.3.1 Kylning av lut

Både kylningen av tunnlut och kylningen av svartlut till indunstningen påverkades negativt av trycksänkningen. Hur dessa påverkades framgår av i figur 14 och 15. Båda figurerna visar lutens temperatur (gul kurva) och vilken öppningsgrad respektive reglerventil (svart kurva) har. Runt kl. 08 på morgonen fastnar ventil 1 (figur 16) i öppet läge, vilket syns som en tillfällig temperturtopp i båda figurerna (figur 14 och 15). I figur 15 går det även att se en temperaturtopp då försöket startar kl. 10.30. Vart efter försöket fortgår ökar temperaturen på både svartluten och tunnluten. Trots en reglerventilöppning på 100 % till kylningen av tunnluten till indunstningen fortsatte temperaturen att stiga över gränstemperaturen på 100ºC, enligt figur 14.

Reglerventilen till kylningen av svartlut visade sig ha större reglermån. Det

90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 T e m p erat u r [ ºC] 20 40 60 80 100 V e nti löppni ng [ % ] Temp. Lut Reglerventil lut

Figur 14. Reglerventilöppning och temperaturmätning till kylning av tunnlut till indunstningen på linje 2 (2008-07-30). 75 77 79 81 83 85 87 89 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 Te m p er at u r [ ºC ] 0 20 40 60 80 100 V ent il öppn ing [ % ] Temp. Sv.lutkyl. Reglervent il sv.lutkyl.

Vad gäller kylning av lut visade det sig i efterhand att trycksänkningen normalt inte bör påverka kylningen. Samma dag som försöket utfördes fastnade ventil (1) i 100 % öppet läge, se figur 16. Styrsystemet visade dock att ventilen var stängd. Detta medförde att luten gick via värmeväxlare 2 istället för värmeväxlare 1, vilket

operatören var omedveten om. I takt med att temperaturen på luten efter värmeväxlare 1 steg öppnades ventil (2) för att öka kylningen av värmeväxlare 1, se figur 16.

Kylvattnet som passerade värmeväxlare 1 fick då en mycket lägre temperatur. Samma kylvatten gick vidare till kondensorn och den lägre temperaturen på vattnet medförde att öppningsgraden för ventil (3) minskade, se figur 17. På grund av att ventil (3) stängs igen ökade trycket i MR45 systemet, vilket resulterade i att

svartlutsvärmeväxlaren fick för lite kylvatten. Vanligtvis kyls värmeväxlarna med enbart MR45 men vid otillräckligt kylning kopplas MR0 in, vilket blev fallet i den här situationen. På grund av tryckökningen i MR45 systemet fick MR0 som har ett lägre tryck svårt att ta sig in på MR45 systemet. Problemen förstärktes av att trycket i systemet var lägre än vanligt. När sedan strypningen släpptes ökade trycket i MR0-systemet och mer vatten kunde ta sig fram till svartlutsvärmeväxlaren, vilket gav illusionen av att det var det som var problemet. När det i själva verket berodde på den öppna ventilen (1).

Flashtank 3

VVX 2

Svartlutskylare

Kondensor

MR45

MR0

MR65

VVX 1

Flashtank 3

VVX 2

Svartlutskylare

Kondensor

MR45

MR0

MR65

MR45

MR0

MR65

VVX 1

7.3.2 Indunstning 3

Efter sista strypningen kl. 14.55 öppnades reglerventilen till kondensor 2 på indunstning 3 till 100 % för att kunna förse kondensorn med tillräckligt med

kylvatten. Det minskade flödet på grund av tryckminskningen syns tydligt i figur 17, den inringade delen. Figuren visar även att flödet generellt har legat på en lägre nivå tidigare. Anledningen är att det varit höga temperaturer utomhus under en tid, vilket har värmt upp vattnet i strömmen. Det mekaniskt renade vattnet hade en inkommande temperatur på ungefär 21ºC under dagen för försöket. Den ökade temperaturen på inkommande kylvattnet ledde till att det krävdes ett högre flöde för att uppnå

tillräcklig kylning. Ett ökat kylvattenbehov medförde att kylvattensystemet krävde ett högre tryck. 200 300 400 23 -jul 24 -jul 25 -jul 26 -jul 27 -jul 28 -jul 29 -jul 30 -jul Fl öde [m 3/h ] Ind. 3 MR Flödesminskning på grund av försök.

Figur 17. Flödet till kondensor 2 på indunstning från den 23 juli till den 30 juli 2008. Det inringade området är perioden under vilken försöket genomfördes.

7.3.3 Kylning av kompressorerna

En begränsande faktor under hela försöket var luftkompressorerna. Dessa kyls med mekaniskt renat vatten (MR0) och vid brist på kylvatten kan ett automatstopp ske. För att kompressorerna ska få tillräckligt med kylning måste kylvattnet ha ett tryck på minst 2,8 bar. Av säkerhetsskäl tilläts aldrig medeltrycket vid kompressorerna gå under 2,9 bar.

VäggBlekeri/kokeri 2 4 5 3 2 1 Ø8 0 Ø 100 Sileri Ø 100 VäggBlekeri/kokeri 2 4 5 3 2 1 Ø8 0 Ø 100 Sileri Ø 100

Figur 18. Rördragningen för kylvatten till luftkompressorerna.

2,50 2,70 2,90 3,10 3,30 3,50 3,70 3,90 00:0 0 03:0 0 06:0 0 09:0 0 12:0 0 15:0 0 18:0 0 21:0000:0 0 03:0006:0 0 09:0 0 12:0015:0 0 18:0 0 21:0 0 T ryc k [ b ar ]

Tryck kylva kompr 1,2,3,5 Tryck kylva kompr 4

Figur 19. Kylvattentrycket till luftkompressorerna, från 2008-07-29 till 2008-07-30. 7.3.4 Igensättning av filter

Efter försöket kom rapporter från pappersmaskin 9 (PM9) om att det hade varit problem med filter som sattes igen. Det var som värst precis efter försöket, då filterna behövde rengöras var tredje timme istället för normalt en gång per dygn. Den troliga orsaken var att smuts släppte från ledningarna på grund av tryckförändringar i

systemet. Problemen förstärktes av att det förutom partiklar fanns stora mängder alger i vattnet.

7.3.5 Energiförbrukning för pumparna

När pump nr 4 ströps minskade dess energiförbrukning vilket är markerat med en ring i figur 20. Samtidigt ökade förbrukningen på de andra två pumparna (pump 1 och 3), vilket ledde till att totalförbrukningen förblev densamma. Efter försöket visar figur 20 att energiförbrukningen gick ner. Detta berodde på ett planerat stopp i fabriken vilket minskade vattenförbrukningen. 150 200 250 300 350 400

25-jul 28-jul 31-jul 03-aug

E lfö rb ru k n in g [M W h ] 500 550 600 650 700 750 800 850 Totala E lf ö rb ru kning e n [M Wh] Vattenpump nr.1 Vattenpump nr 2 Vattenpump nr 3 Vattenpump nr 4 Total förbrukning

Figur 20. Råvattenpumparnas enskilda och totala energiförbrukning under perioden 2008-07-25 till 2008-08-03.

7.4 Slutsats av försök I

Försöket utfördes under extrema förutsättningar. Det var varmt både i luften och i strömmen, vilket medförde ett stort vattenbehov. På grund av det stora vattenbehovet som finns sommartid är det i dagsläget inte möjligt att stänga av en pump under denna årstid. De känsligaste punkterna är luftkompressorerna och indunstning 3. Där

luftkompressorerna ger störst påverkan vid driftstopp. Även utan trycksänkningar har i dagsläget indunstning 3 redan problem vid varma årstider. Innan försöket, det vill säga under normal drift var reglerventilen öppen till 80 %. Detta gör att systemet har en liten reglermån vid eventuella trycksänkningar. Ett nytt försök skulle behöva genomföras vid en svalare årstid för att undersöka möjligheten att stänga av en pump helt och hållet. Slutsatsen av försöket är att de känsligaste områdena är

luftkompressorerna och indunstningen. Här behöver man göra en djupare analys för att kunna åtgärda eventuella problem som uppstår vid en trycksänkning i systemet för mekaniskt renat vatten.

8 Avstängning av pump – Försök II

Idag är tre pumpar i drift under hela året och vid extrema tillfällen kan även en fjärde pump tas i drift. Drift med fyra pumpar har inte skett de senaste åren och anledningen är att pumparna renoverades för några år sedan, vilket ökade verkningsgraden och pumparna ger nu samma flöde som när de var nya. När temperaturen utomhus går ner och temperaturen i vattnet minskar borde bruket rent teoretiskt sett klara sig med endast två pumpar. Enda sättet att undersöka detta är genom att stänga av en pump vid ett passande tillfälle.

8.1 Syfte med försök II

Syftet med försöket var att undersöka konsekvenserna av drift med endast två råvattenpumpar i vattenverket.

8.2 Genomförande av försök II

Eftersom en grundläggande genomgång av eventuella känsliga områden på bruket redan genomförts inför försök I, var inte en upprepning nödvändig. De känsliga punkterna var samma som vid försök I, se avsnitt 7.2.1. Det fanns dock extra oro för de föroreningar som kan tänkas släppa från ledningarna vid tryckförändringar. En metod togs fram för att kontrollera mängden föroreningar i vattnet, se avsnitt 3.4. Försöket genomfördes den 30 september 2008 med start kl 08.30. För att kontrollera föroreningshalten i det mekaniskt renade vattnet (MR0) togs ett referensprov på morgonen innan försöket. Ett referensprov togs både från vattenverket efter

passavantfilterna och på det inkommande MR0-vattnet till pappersmaksin 9 (PM9). Det var PM9 som vid det förra försöket hade problem med föroreningar i MR0-vattnet, vilket resulterade i igensatta filter.

När råvattenpumparna tas ur drift stängs först ventilen och därefter stängs pumpen av. När pumpen skulle stängas av skedde det först en förväxling. Efter det att ventilen hade stängts, kopplades fel pump bort av misstag. Eftersom ventilen till den nu avstängda pumpen inte var stängd började vattnet att gå från trycksidan till sugsidan, vilket gjorde att pumpen gick åt fel håll. Det var nu bara en pump som trycksatte systemet, vilket medförde att trycket sjönk kraftigt. Det förstärktes dessutom av att den avstängda pumpen gick åt fel håll. Problemet åtgärdades snabbt.

På natten till den 2 oktober 2008 krävde det ökade vattenbehovet att en tredje pump startades. Anledningen till behovet var att PM9 stannade och skulle tvätta. Under tvätten steg vattenförbrukningen till närmare 5200 m3/h. Detta flöde kan inte två pumpar förse.

8.3 Resultat och slutsats av försök II

När pumpen stängts av sjönk trycket i hela systemet. Mätaren i vattenverket visade en minskning från ca 4,6 bar till ca 4,2 bar. I fördelningslådan i sodahuset visade mätaren ett tryck på ca 3,9 bar efter avstängning, vilket är ungefär samma tryck som vid försök I. Det var lite lägre än de minst 4 bar som var förhoppningen innan försöket.

Kontrollen av vattnet på pappersmaskin 9 (PM9) visade att det mekaniskt renade vattnet (MR0) var kraftigt förorenat. Sannolikt är att föroreningar uppkom på grund av de tryckförändringar i systemet som uppstod på grund av misstaget vid

till PM9 återställt till normala värden, det vill säga samma nivå som morgonens referensvärde. PM9 påverkades dock inte mycket av det förorenade vattnet. Detta på grund av att PM9 tvingades att stanna precis innan försöket.

Under försöket kom det inga rapporter om problem på grund av vattenbrist, trots att trycket var lågt. En förklaring kan vara att hela bruket inte var i drift under försöket. Linje 2 hade stoppats dagen innan och indunstning 1 stannades senare på

eftermiddagen. Linje 2 är ingen stor förbrukare av MR0-vatten, vilket indunstning 1 är. Det är omöjligt att avgöra hur stor skillnad det skulle ha varit om hela bruket varit i drift vid försöket. Med ett lägre tryck i systemet blir det känsligare för ökningar i förbrukningen. Vid ett scenario då hela bruket är i drift och det samtidigt sker en kraftig konsumtionstopp är det inte säkert att två pumpar klarar av att hålla ett tillräckligt tryck i vattensystemet. Detta visade sig då försöket tvingades avslutas, på grund av PM9 som började konsumera ovanligt stora mängder vatten, vilket medförde att trycket föll kraftigt. Tryckfallet resulterade i att indunstningen fick för lite vatten. Det kom även larm om för lite tätningsvattenflöde på sulfatsidan, vilket medförde att den tredje pumpen åter togs i drift.

Innan PM9 började konsumera stora mängder vatten gick det flera dagar när trycket i systemet var lika lågt som under försök I. Trots detta visade vare sig indunstning 3 eller kompressorerna några tecken på problem. På indunstning 3 var reglerventilen endast öppen mellan 45-50 %, det vill säga det fanns fortfarande möjligheter till att reglera processen. Vid kompressorerna låg trycket på ca 3,7 bar, vilket är nästan 1 bar över deras kritiska gräns.

När en pump stängdes av ökade som väntat energiförbrukningen på de pumpar som fortfarande var i drift. Genom att beräkna medelförbrukning för varje pump två dagar innan försöket och jämföra detta med medelförbrukningen under försöket, drogs slutsatsen att energiförbrukningen för varje pump i drift ökade med ca 20 %. På samma sätt beräknades förändringen av den totala förbrukningen.

Medelförbrukningen med två pumpar var 570 kWh, vilket medför att den totala förbrukningen sjönk med ca 23 %.

En av slutsatserna från försöket är att om vattenförbrukning ligger under 4000 m3/h är det möjligt att köra endast två pumpar. Vattensystemet blir dock känsligare för

förändringar i förbrukning och känsligare för en situation då en pump faller bort av någon anledning. Detta betyder att för att minska behovet av tre pumpar behöver konsumtionsmönstret ses över. Genom bättre kommunikation mellan avdelningarna behöver inte en oväntad och kraftig konsumtionsökning som den under försöket ske. En annan slutsats är att temperaturen utomhus och i vattnet påverkar vilka delar av bruket som är känsligast för tryckminskningar. Ett exempel är kompressorerna. De är den begränsande faktorn på sommaren men inte på vintern. Då det är kallt utomhus och i det ingående vattnet ligger trycket långt över gränsvärdet, vilket gör att de klarar ganska stora tryckminskningar utan några problem. Försöket visade att under kallare årstider är det tätningsvatten och indunstningen som är begränsande.

9 Energibesparingsalternativ

utvärderar olika åtgärdsalternativ. Det har också utförts en utredning om alternativa lösningar för pumparna i vattenverket.

9.1 Råvattenpumparna i vattenverket

Det enklaste och billigaste sättet att spara energi på är att om möjligt stänga av en pump. Data från försök II visade att vid drift med två pumpar bör inte flödet överstiga 4000 m3/h. Vid detta flöde är trycket i fördelningslådan ca 3,7 bar och trycket bör helst inte sänkas ytterligare. Flödesbegränsningen gör att det bara är under vissa tidsperioder av året då det är möjligt med drift med två pumpar. Vid analys av data från 2004 fram till 2008 visade att månaderna november - april har en låg frekvens av flöden som överstiger 4000 m3/h. Genom att beräkna medelförbrukningen med tre pumpar under dessa månader för 2007 och 2008 och jämföra det med data från försök II, beräknades besparingen för drift med två pumpar till ca 150 kWh per timme. Figur 21 visar ett diagram för det totala flödet av råvatten för månaderna november – april för åren 2004-2008. Det gula strecket visar det maximala flödet, på 4000 m3/h, för att drift med två pumpar ska vara ett alternativ. Ett normalt år håller sig flödet under denna gräns en stor del av tiden. Vid milda vintrar som år 2007 var flödet dock lite högre än normalt och drift med två pumpar hade inte varit något alternativ.

2500 3000 3500 4000 4500 5000

jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08

Fl öd e [ m 3/h ] totalt flöde maxflöde

Figur 21. Totalt flöde av råvatten månaderna november - april för åren 2004-2008. Den gula linjen visar maxflödet för drift med två pumpar.

I medeltal är det 195 timmar per år under den här perioden som medelflödet per timme överstiger 4000 m3/h. Genom att köra två pumpar de timmar som flödet ligger under 4000 m3/h, erhålls en besparingspotential på ca 514 000 kWh/år. Med ett beräknat pris på 40 öre/kWh blir det en besparing på ca 205 000 SEK/år