EXAMENSARBETE. Kartering av vattenbalanser samt optimering av sekunda värmesystem vid Karlsborgs bruk. Gabriel Joki 2015

Transkript

1 EXAMENSARBETE Kartering av vattenbalanser samt optimering av sekunda värmesystem vid Karlsborgs bruk Gabriel Joki 2015 Civilingenjörsexamen Industriell miljö- och processteknik Luleå tekniska universitet Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser

2 Kartering av vattenbalanser samt optimering av sekunda rva rmesystem vid Karlsborgs bruk Av Gabriel Joki

3 Förord Den sista och avslutande delen av min civilingenjörsutbildning är detta examensarbete som jag till stor del har gjort hos BillerudKorsnäs Karlsborg. Redan från första året på min utbildning kom jag i kontakt med Karlsborg och mitt intresse för företaget har sedan dess bara vuxit. Karlsborg har givit mig motivation och mål för min utbildning vilket har gett resultat i form av kunskap och ambition för industri. Den andra delen av mitt examensarbete har jag utfört hos Optimation i Luleå. Deras engagemang och handledning har bidragit till nya kunskaper och insikter som sträcker sig utanför min utbildning. Jag vill därför tacka Optimation för möjligheten och hjälpen jag har fått. Luleå juni 2014 Gabriel Joki 2

4 Sammanfattning Karlsborgs bruk är ett sulfatmassa- och pappersbruk lokaliserad utanför Kalix, vilket idag producerar ton massa per år baserat på 100 % nyfiber. I nuläget utförs arbete med att öka produktionskapaciteten till ton massa per år vilket medför processförändringar. Industriverksamheten står inför nya miljökrav från EU baserat på bästa möjliga teknik och materialet från denna rapport kommer att vara ett underlag för att hitta effektiva lösningar för anpassning till kommande regler. Teknikutvecklingen går stadigt framåt och kraven på mer effektiv användning av energi ökar parallellt med kraven på minskad miljöpåverkan. Att utnyttja den genererade energin maximalt är högst önskvärt inte bara från en ekonomisk synvinkel utan också från en miljömässig synvinkel. Det föreliggande examensarbetet innefattar en analys av vattenanvändningen över Karlsborgs bruk med avsikt att identifiera vattenflöden samt uppdatera sekundärvärmesystemet, vilket skall resultera i förbättringsförslag. Då en stor del av vattenförbrukningen används som kylvatten blir vattenförbrukningen säsongsberoende och just detta arbete utgår från vinterförhållanden. Datamaterialet i karteringen av vattenbalanser baserar sig på data hämtat ut brukets eget informationssystem som ett stort antal mätutrustningar är kopplade mot. Kompletterande mätningar och antaganden med hjälp av brukets egen personal har utförts där infosystemet saknar data. Färskvatten som tas in direkt från Kalixälven har karterats med avsikt identifiera och kvantifiera alla färskvattenförbrukare samt särskilja orena och rena vattenflöden som går till avlopp. Resultatet av karteringen jämfördes mot infosystemet som kontinuerligt mäter intag av färskvatten till bruket. Färskvattenintaget enligt infosystemet visar ett snittflöde om 3500 t/h och karteringen visar ett flöde omkring 3300 t/h. På grund av att en tredjedel av flödesmängden i karteringen är uppskattad eller uppmätt endast ett få antal gånger samt att datamaterialet visar en konstant skillnad mellan intag och förbrukning, finns anledning att tro på underestimerad flödesuppskattning. Angående avloppskarteringen visar rapporten även en möjlig underestimering då delavloppet ligger under infosystemet men summan av karteringen är över infosystemets flödesuppskattning. Sekundärvärmesystemet består av varm- och hetvatten, 45 C och 68 C respektive. Den största förbrukningen av hetvatten är blekeriet där massan späds ut med hetvatten. Temperaturen på massan varierar mellan 70 C till 75 C som uppnås genom uppvärmning med ånga vilket är ekonomiskt kostsamt. Genom att optimera sekundärvärmesystemet och då i synnerhet produktionen av hetvatten finns möjligheten att öka hetvattnets temperatur, vilket leder till reducerad förbrukning av ånga och därmed en ekonomisk besparing. Vad gäller förbättringspotentialer för hetvattentanken har dessa delvis simulerats dynamiskt med programmet Dymola. Tre förslag presenterades i rapporten, varav två omfattar investering av nya värmeväxlare på två olika positioner, medan den tredje bygger på omorganisering av en värmeväxlare och en kondensor i befintligt sekundärvärmesystem. De två förslagen omfattande nya värmeväxlare visade en potentiell besparing på 5,8 respektive 7,6 miljoner SEK per år. Det tredje förslaget visade en potentiell besparing på 3,5 miljoner SEK per år. En revidering av sekundärvärmesystemet blir nödvändig i samband med att det nya produktionsmålet uppnås, detta eftersom produktionsökningen medför förändrad belastning på sekundärvärmesystemet. 3

5 Abstract Karlsborg s mill is a Kraft pulp and paper mill located in Kalix Municipality, producing 310,000 tonnes Kraft of pulp per year based on 100 % virgin fiber. At present, a new production goal is set, which is to increase the yearly production to 320,000 tonnes per year. The industry is faced with new environmental requirements from EU which are based on the principle of best available technology. Consequently, the data contained in this report forms the basis for a future project regarding conformation to environmental regulation. The advancement of technology and demands for more energy efficient usage are steadily increasing, as do the demands for reducing the environmental impact. The best possible efficient way to use the generated energy is not only desired from an economical perspective but also from an environmental aspect. This master thesis includes an analysis of the water usage at Karlsborg s mill, with the intention to identify water flows and update the secondary heating system, which has resulted in suggestions of improvement. As a large part of the freshwater usage is for cooling the process and water usage is seasonal, this report focuses therefore on winter conditions. The data in this report was gathered from the plant s own information system which has a lot of connected measuring equipment. Additional data was obtained by manual measurements or estimated with the help of Karlsborg s own staff. The distribution of freshwater taken directly from the Kalix river was mapped with the intention to identify and quantify all freshwater users and also to make a separation between pure and wastewater that goes to sewage. The results of the mapping was then compared with the data from the information system which continuously measured the intake of freshwater. The mapping showed an average consumption of tonnes/h while the information system indicated an average intake of tonnes/h. As one third of the data for water usage in the mapping work was based on a few manual measurements and estimates and as the data showed a constant difference in time between the results obtained in the mapping and the information system, there are reasons to believe that these measured and estimated values were underestimated. Regarding the mapping of sewage, a potential underestimation is also reported in this work, as a subsection of the mapping showed a lower flow than the information system. However, the total mapped flow was larger than that in the information system. The secondary heating system consists of warm and hot water, at 45 C and 68 C, respectively. The largest consumption of hot water is the bleaching step of the pulp production, where the pulp is diluted with hot water. The temperature of the pulp through the bleaching step varies between 70 C and 75 C where steam is used to reach the desired temperature, which is economically costly. By optimizing the secondary heating system, especially the hot water tank, the hot water temperature may be increased in order to decrease steam usage in the bleaching step. This scenario was shown to lead to economical savings. There are three recommendations of improvement suggested in this report and these considerations have been partly dynamically simulated in Dymola, an object oriented simulation program. Two of the suggested improvements involve investments in new heat exchanger equipment at two different locations, while the third involves a reorganization concerning one heat exchanger and one condenser in the secondary heat system. The two first suggested improvements might result in a potential saving of 5.8 and 7.6 million Swedish kronor per year, respectively. The third suggestion might engender a potential saving of 3.6 million Swedish kronor per year. A revision of the secondary heating system will be necessary as soon as the new production target is reached, as the latter will result in higher loads in the system. 4

6 Innehållsförteckning Förord... 2 Sammanfattning... 3 Abstract... 4 Terminologi Inledning Bakgrund Syfte och Mål Karlsborg Renseriet Kokeriet Sileri, Tvätt och Syrgasblekeri Blekeriet Torkmaskin 3 och massahanteringen Indunstningen Sodapannan Mixeriet Klordioxidberedningen Papperbruket Svaggassystemet Bark-och starkgaspanna Matarvatten Sekundärvärmesystemet Avloppsvattenrening Sammanställning av tidigare arbeten Färskvatten, kemiskt renat vatten och avloppsvatten Sekundärvärmesystemet Teori Energi Värmeväxlare Ekonomi Dymola Metod Kartering

7 5.2 Simulering Metodkritik Förbättringsförslag Avloppsflödesreducering Sekundärvärmesystemet Förslag 1 och Förslag Resultat och diskussion Färskvattenkartering Avloppskarteringen Förbättringspotentialer av sekundärvärmesystemet Förbättringsförslag Förbättringsförslag Förbättringsförslag Slutsatser Fortsatta studier Litteraturförteckning Bilaga 1 Bilaga 2 Bilaga 3 6

8 Terminologi Följande lista förklarar och beskriver viktiga förkortningar och begrepp som förekommer i rapporten. FV Färskvatten, vatten som tas upp från Kalixälven och renas mekaniskt innan det används i fabriken. VV Varmvatten, färskvatten som hettats upp och lagras i en varmvattentank med en medeltemperatur på 45 C, önskvärt 45 C. HV Hetvatten, färskvatten som hettats upp och lagras i en hetvattentank med en medeltemperatur på 68 C, önskvärt 75 C. KRV Kemiskt renat vatten. BV Bakvatten, vatten som används i processen minst en gång och återanvänds, antingen I samma processavsnitt eller ett nytt. MAVA - Matarvatten, det renaste vattnet på fabriken vilket är totalavsaltat och syrefritt kemiskt renat vatten. VVX-1156 Värmeväxlare med positionsnummer 1156, förbättringsförslagen som berör denna värmeväxlare benämns med ett extra nummer. Till exempel benämns då första förbättringsförslaget för värmeväxlaren på positionen 1156 enligt VVX VVX-3212 Värmeväxlare med positionsnummer 3212 följer samma princip som värmeväxlare BM1 Fabrikens bestrykningsmaskin PM2 Fabrikens pappersmaskin TM3 Fabriken torkmaskin 7

9 1 Inledning Examensarbetet innefattar en analys av vattenanvändningen över Karlsborgsbruk med avsikt att identifiera vattenflöden samt uppdatera sekundärvärmesystemet, vilket skall resultera i förbättringsförslag. Då en stor del av vattenförbrukningen används som kylvatten blir vattenförbrukningen säsongsberoende och just detta arbete utgår från vinterförhållandena. Teknikutvecklingen går stadigt framåt och nya möjligheter uppstår, samtidigt som kraven på miljöansvar och mer effektiv användning av energi ökar. Att utnyttja den genererade energin maximalt är högst önskvärt inte bara från en ekonomisk synvinkel utan också från en miljömässig synvinkel. Genom att minska energianvändningen reduceras också miljöpåverkan. Rapporten inleds med en beskrivning av syfte och mål för att sedan ge en beskrivning över Karlsborgs bruk och dess processavsnitt. Därefter följer en studie berörande relevanta rapporter inom området. Innan metoden för arbetet presenteras ges ett kort teoriavsnitt berörande energi, värmeväxlare, ekonomi samt simuleringsprogrammet Dymola. 1.1 Bakgrund BillerudKorsnäs är en papperskoncern med fem produktionsanläggningar i Sverige; Gävle, Frövi, Skärblacka, Gruvön och Karlsborg. Utöver de svenska anläggningarna finns ett mindre bruk i Bettham; England, samt två pappersmaskiner i Finland; Tervasaari och Jakobstad. Koncernen har en omsättning på omkring 20 miljarder SEK per år med cirka anställda. Produktbasen är kraftpapper, säckpapper, vätskekartong, förpackningskartong, fluting, liner och avsalumassa. [1] 1.2 Syfte och Mål I denna rapport skall potentialen för utsläppsminskning undersökas genom identifiering av avloppsflöden och färskvatten i syfte att skilja på rena och förorenade flöden. Då den interna avloppsreningen idag opererar med högsta reduceringsgrad finns en potential för reducerat miljöutsläpp genom minskning av avloppsvolymerna. Karlsborgs bruk står även inför nya utsläppskrav baserat på bästa möjliga teknik, BAT Best available technology, vilket kan resultera i investering av ny biorening. Denna rapport kommer att stå som underlag vid fortsatta studier inom BAT-projektet där stora kostnader kan undvikas genom reducering av avloppsflödet och därmed storleken på bioreningen. Kyl- och tätningsvatten utgörs av rena flöden och används i stor utsträckning inom fabriken. Dessa bör till största grad gå till dagavlopp istället för fiberförande avlopp eller sura avloppet (blekeriavlopp från dioxidstegen). Arbetet skall även inkludera en sammanställning av tidigare arbeten inom samma område i syfte att identifiera utförandedatum och innehåll samt validera relevans och tillämpbarhet. Utöver vattenbalanser som berör färskvatten och avloppsvatten skall sekundärvärmesystemet karteras med avsikt att identifiera förbättringspotentialer. Arbetet kring sekundärvärmesystemet kommer att användas som underlag vid investeringsförslag och kommer därmed också innehålla en ekonomisk analys av potentialerna. Vatten tas in från flera håll; färskvatten från älv, vatten som kommer med kemikalier och vatten som kommer med träråvaran. Sedan en tid tillbaka har Karlsborgs bruk ändrat styrningen av vatten till bruket vilket har lett till möjligheten att se hur stor vattenförbrukningen är i realtid. Förbrukningen av färskvatten från älven är i snitt ungefär 3500 t/h under vinter tid. I detta arbete ligger fokus på färskvatten från älven, avloppsvatten samt sekundärvärmesystemet. Det som lämnas okarterat är vattnet med kemikalier och vattnet i träflisen, vilket var en prioriteringsfråga gällande storleken på projektet. 8

10 2 Karlsborg Karlsborgsverken, lokaliserad en bit utanför Kalix, har en produktbas med kraftpapper, vitt säckpapper och avsalumassa. Anläggningen har cirka 385 anställda med produktionskapacitet om 310,000 ton per år vilket företaget jobbar med att öka till 320,000 ton. Bruket jobbar endast med nyfiber från tall och gran, där cirka 90 % kommer från massaved och 10 % sågverksflis. Nedan i Figur 1 presenteras en skiss över processen i Karlsborgs bruk som sedan beskrivs kortfattat i efterföljande avsnitt. [1] [2] Figur 1. Skiss över processen i Karlsborgs bruk. [3] 9

11 2.1 Renseriet Råvaran, massaved och sågverksflis, anländer med tåg och lastbil till anläggningen Renseriet där barken från massaveden skalas av i en barktrumma. Ved består i stort av bark, träfibrer och lignin, där ligninet kan anses vara som ett lim mellan fibrerna som ger veden dess styvhet. Beroende på vilken produkt som önskas är det mer eller mindre viktigt att eliminera barken från veden, då barken försvagar papprets styrka, ger fläckar och försvårar avvattningsprocessen i pappersmaskinen. På grund av att Karlsborgsbruk producerar blekt massa och vita pappersprodukter är det extra viktigt att all bark är bortaget innan veden flisas. Efter barktrumman flisas veden och sorteras efter storlek i ett såll, det grova materialet flisas om och skickas tillbaka i processen medan det fina materialet blandas med barken från barktrumman. Barken avvattnas i en barkpress och skickas sedan vidare för förbränning i brukets barkpanna. Acceptet från silen skickas vidare till en flisstack innan flisen hamnar i en av brukets åtta kokare. [2] 2.2 Kokeriet Sulfatmassabruket är en kontinuerlig process med 8st batchkokare som frilägger fibrerna genom att koka träflisen i kokkemikalier, vitlut, vilket löser upp ligninet mellan fibrerna. Systematiskt kan kokprocessen uppdelas i 4 delar: Flisfyllning, basning, kokning och blåsning. Vid flisfyllning blåses ånga in i kokaren som ser till att flisen packas på optimalt sätt samt förbehandlar flisen inför basning. Vid basningen fylls kokaren med en del svartluts och kokkemikalier, så kallad vitlut. Vid basningen ökas trycket i kokaren och ångan kondenseras ut och fibrerna drar åt sig kokkemikalierna. Kokningen börjar efter det att temperaturen har stigit närmare 170 C och pågår tills fibrerna är fullt frilaggda. Efter friläggningen töms kokaren i en process som kallas blåsning. En koksekvens, från flisfyllning till blåsning, tar cirka fyra timmar och själva kokningen av flisen pågår i cirka två timmar. [2] 2.3 Sileri, Tvätt och Syrgasblekeri Massan från kokaren silas sedan på grovt/okokt material och skickas vidare till tvätten var vid det upplösta ligninet tvättas bort från massan. Tvättvattnet, även kallat bakvatten, går motströms med massan genom tre tvättfiltren och två tvättpressar. Mellan tvättfiltren och tvättpressen silas massa. Genom att köra motströms utnyttjas tvättvattnet optimalt i tvättprocessen vilket minimerar vattenförbrukningen samt energiåtgången i efterföljande indunstning. Den nytvättade massan förbleks sedan med syrgas, lokalt producerad av företaget Air Liquid. Massan passerar ytterligare två tvättpressar samt ett så kallat sjötvättfilter där rent vatten tas in som tvättvätska. [2] 2.4 Blekeriet Den förblekta massan leds sedan vidare till blekeriet där massan bleks av kemikalierna presenterade i listan nedan. O Syrgas D Klordioxid E Alkali P Peroxid Hela blekningssekvensen inklusive syrgasblekningen följer följande sekvens: OD(EPO)(DE)D, där parenteserna representerar blekningssteg med kombination av kemikalier. Mellan blekningsstegen och ett slutligt tvättsteg tvättas massa innan den lagras i två massatorn. Blekningen av massan är väldigt temperaturkänslig och variationer i temperaturen har stor effekt på blekningen. För att uppnå ett bra blekresultat och en bra körbarhet krävs därför rätt temperatur i processen. [2] 10

12 2.5 Torkmaskin 3 och massahanteringen Den massa som inte används i pappersbruket säljs som avsalumassa. Transporten av massa sker huvudsakligen med båt där massan skickas som balar. Torkmaskinen på Karlsborgs bruk kallas för torkmaskin 3 (TM3) och producerar ungefär ton avsalumassa. Innan massan hamnar på torkmaskinen späds den ut till ca 1,3 % fiberhalt samt silas på grovt material. Massan spolas sedan ut på en vira där avvattning sker genom viran och ett antal suglådor. Efter det så kallade virapartiet hamnar massan i så kallat pressparti där avvattningen sker genom mekanisk pressning av massan. Därefter torkas massan i ett torkskåp därånga används för att värma upp och kondensera ut vatten från massan. Den färdigtorkade massan med ca 90 % fiberhalt klipps sedan ut till ark. Arken staplas till små balar om 200 kg, pressas, paketeras och staplas till paket om 1600 kg innan de blir färdiga för leverans. [2] 2.6 Indunstningen Tvättvattnet/bakvattnet från tvätten går från rent vatten till svartlut genom tvättenheterna samt en slutlig förträngning av lut i massan från kokarna. Svartluten, med en torrhalt omkring 10%, kallas vanligen för tunnlut. Tunnluten som går från kokeriet innehåller fett- och hartssyror som skummar mycket, vilket försvårar indunstningsprocessen. Fett- och Hartssyror kommer att bilda en såpa ovanpå tunnluten, som sedan tas bort via dekantering i cisterner. Såpan från tunnluten skickas till hartskokeriet där tallolja produceras genom att tillsätta svavelsyra till såpan. Tunnluten fortsätter till indunstningen varvid sju seriekopplade indunstare höjer torrhalten på luten från 10 % till omkring 73 %. Svartluten kallas därefter för tjocklut och blandas med elfilteraska från sodapannan. [2] 2.7 Sodapannan Elfilteraskan från sodapannan innehåller natrium och det är viktigt att återföra så mycket kemikalier som möjligt till processen för att minimera inköpskostnaderna för nya kemikalier. Svartluten benämns efter inblandning av elfilteraska för brännlut vilket sprayas in i sodapannan där ligninet förbränns och efterlämnar en smälta med kemikalier i botten av sodapannan. Smältan töms kontinuerligt från sodapannan och blandas med svaglut från mixeriet i en så kallad sodalösare. Blandningen kallas för grönlut. [2] Vid förbränningen av lignin i sodapannan alstras en stor mängd ånga som till stor del täcker brukets behov av ånga. Rökgaserna från sodapannan renas i tre parallellkopplade elfilter varvid två av filtren leder rökgaserna till en skrubber. Skrubbern har som syfte att ta tillvara på energin i rökgaserna genom att spraya vatten ovanifrån och låta rökgaserna gå motströms med vattnet. På detta sätt tas den mesta energin tillvara på. [2] 2.8 Mixeriet Grönluten från sodalösaren filtreras på fast material, så kallat grönlutsslam vilket avvattnas och deponeras medan filtratet hamnar i en svaglutscistern. Den renade grönluten leds till en släckare där kalk tillsätts varvid en kemisk reaktion sker under värmeutveckling. Den kemiska reaktionen producerar vitlut under omrörningen när den leds genom 3 seriekopplade kausticeringskärl. Vitluten separeras sedan från kvarvarande mesaslam genom filtrering och lagras i vitlutscistern. Mesaslammet från filteringen tvättas och bränns sedan i en mesaugn där kalk åter genereras. Tvättvattnet från mesatvätten samlas upp i svaglutscisternen och återanvänds i sodalösaren. [2] 2.9 Klordioxidberedningen Klordioxid används som blekningskemikalie i blekeriet och produceras i klordioxidberedningen där natriumklorat låts reagera med koncentrerad svavelsyra och väteperoxid. Reaktionen sker genom två 11

13 reaktorer, en primär där reaktionen startas och en sekundär där den sedan fullföljs. Utöver de två reaktorerna används även en stripper som driver av kvarvarande klordioxid och restsyran skickas till restsyratank. Luft tillförs de tre enheterna genom botten med syfte att undvika explosiv blandning samt ge omrörning i reaktorerna. Den avdrivna produktgasen, klordioxiden, absorberas sedan i kallt kemiskt renat vatten i ett adsorptionstorn för att sedan lagras i klordioxidcisternen. [2] 2.10 Papperbruket I pappersbruket produceras vitt säck- och kraftpapper på brukets pappersmaskin (PM2). Bruket har även en bestrykningsmaskin (BM1) men maskinen bestrycker inget egenproducerat papper. Massan från massatornen har en fiberkoncentration om 10 % och späds därför ut till ca 4,6 % för att göra det möjligt att pumpa massan utan högkoncentrationspumpar. Massan som tas in till pappersbruket behandlas olika utefter önskad produkt genom kemikalieblandningar och malningsgrad i hög- och lågkoncentrationskvarnar. Genom flertalet mellantankar och blandningskärl späds massan ut till en fiberkoncentration omkring 0,2 0,4 % i inloppslådan. Massan sprutas sedan ut på en vira, så kallat formationsbord, där avvattningen av massan sker genom viran med hjälp av torra och våta suglådor. Efter formationsbordet pressas pappersbanan och fortsattavvattningen sker genom den mekaniska pressningen innan pappret hamnar i torkpartiet med en torrhalt omkring 37 %. I torkpartiet förångas pappersbanan med hjälp av ånguppvärmda cylindrar vilket höjer torrhalten till omkring 90 %. [2] Bestrykningsmaskinen använder en liten del kommunaltvatten vid blandning av olika smetar samt färskvatten till tätnings- och kylvatten. [2] 2.11 Svaggassystemet Karlsborgs bruk driftsatte ett svaggassystem hösten 2013, vilket inkluderar två svaggasskrubbrar med tillhörande värmeväxlare och en kondensator. Detta system installerades med avsikt att ta hand om diffusa utsläpp från processen så som basningsångor från kokarna samt gaser från blekeriet, tankar och cisterner. Svaggassystemet samlar upp dessa gaser, leder dem genom kondensatorer samt skrubbrar för att ta tillvara på energi innan gaserna förbränns i sodapannan. ( Muntlig kommunikation, , Strömberg Jens) 2.12 Bark-och starkgaspanna Barkpannan tillsammans med sodapannan producerar och försörjer i stort sett hela fabrikens värmeenergibehov. I barkpannan eldas primärt bark och slam från avloppsreningens sedimenteringsbassänger men även olja eldas vid behov. Både soda och barkpannan producerar 60 bars ånga. I starkgaspannan förbränns metanol, illaluktande gaser från terpentinframställningen och blåsångackumulatorn samt uppsamlade starkgaser från diverse tankar och cisterner m.m. från bruket. Tillhörande starkgaspannan används en lutskrubber för att rena rökgaserna från svavel genom att adsorbera föroreningar i vatten som skickas till indunstningen eller vattenreningen. Starkgaspannan producerar 10 bars ånga. [2] 2.13 Matarvatten Vattnet som används vid produktionen av ånga från soda, bark- och starkgaspannan skall vara kemiskt renat, totalavsaltat och syrefritt för att undvika korrosion och beläggningar på ledningarna. Vatten som skickas till matarvattenberedningen är kemiskt renat vatten och kondensat från indunstningen, TM3, PM2, värmecentralen, stripper och kokeriet. [4] 12

14 2.14 Sekundärvärmesystemet Sekundärvärmesystemet bestående av varmvatten och hetvatten, 45 C och 68 C respektive, används direkt eller indirekt för uppvärmning av procesströmmar. Primärvärmesystemet är ånga som genereras från brukets pannor. Varm- och hetvatten produceras genom ett antal värmeväxlare, skrubbrar samt kondensatorer. Hetvattnet används primärt i blekeriet, cirka 900t/h, varvid temperaturen på massan varierar mellan 70 C till 75 C beroende på bleksteg. Detta leder till att ångan som behövs för att höja massan till önskvärd temperatur blir betydligt högre än om medeltemperaturen på hetvattnet hade varit 75 C. Kommande förändringar som tas i drift under hösten 2014 presenteras i listan nedan. Nytt körsätt berörande förvärmning av lut vilket innebär reducerad energi till värmeväxlare VVX Installation av två nya värmeväxlare i avdelningen indunstningen, vilka skall värme varmvatten till hetvatten med hjälp av så kallat B-kondensat och kondensat från strippen. I Figur 2 nedan presenteras ett delavsnitt av sekundärvärmesystemet innefattande varmvattentanken, hetvattentanken, värmeväxlarna VVX-1156 och VVX Skissen visar hur varmvatten hettas upp till hetvatten via VVX-3212 med hjälp av bakvatten från tredje tvättfiltret i avdelningen Tvätt och Sileri, som sedan återanvänds på andra tvättfiltret. Det samma gäller för VVX-1156 där varmvatten hettas upp till hetvatten med hjälp av bakvatten från första tvättfiltret som sedan används till att styra koncentrationen på massan från kokeriet. Figur 2. Skiss över ett delavsnitt i sekundärvärmesystemet omfattande VVX-1156 och VVX Bakvattenflödet till värmeväxlare VVX-3212 är i storleksordningen 500 m 3 /h med toppflöden uppemot 582 m3/h. Medel temperaturen på bakvattnet till VVX-3212 är omkring C och lämna växlaren med en temperatur på 60 C. Kriterierna för investering i en ny värmeväxlare på positionen 3212, är att växlaren skall leverera 60 C bakvatten vid toppflödet 582m 3 /h. 13

15 Bakvattenflödet till värmeväxlare VVX-1156 har medel flöde på 860 m 3 /h och ett toppflöde på 1015 m 3 /h. Medel temperaturen till värmeväxlaren VVX-1156 är 82 C med topptemperatur på 85 C och lämnar växlaren med en medel temperatur på 70 C. Önskvärd temperatur på bakvattnet efter värmeväxlare VVX-1156 är 65 C vilket är kriterierna för investering i en ny värmeväxlare på positionen 1156 vid toppflödet 1015 m 3 /h. I kriterierna för nya värmeväxlare på positionerna 1156 och 3212 ingår också hetvattentemperaturen från växlarna skall uppnå 75 C, men acceptabel tempratur på 72 C ifall det är ett mer ekonomiskt. I bilaga 3 presenteras en sammanställning av sekundärvärmekällor Avloppsvattenrening Avloppsledningar som går till avloppsvattenreringen är alkaliskt/fiberförande avlopp, surt blekeriavlopp, renseriavlopp, kondensat/giftavlopp, dränagevatten från industritipp och diverse avloppsvatten genom gamla sodahusavloppet. Internreningen består av två stycken försedimenteringsbassänger där sedimentet från försedimenteringsbassängerna skickas till en förurvattnare samt slamsil innan det skickas till en slamtank belägen vid barkpannan. Slammet avvattnas sedan på en silbandspress, rivs och bränns sedan tillsammans med bark i barkpannan. Det behandlade vattnet från försedimenteringsbassängerna vidarebehandlas i luftade biologiska dammar. Detta utgörs av två luftningssteg samt en eftersedimentering där det renade vattnet sedan skickas ut till recipienten. Uppehållstiden för vattnet i de biologiska dammarna är fyra till fem dygn. [2] 14

16 3 Sammanställning av tidigare arbeten I detta avsnitt tas tidigare utredningar upp med avsikt att upprätta en sammanställning med hänsyn på innehåll, datum för utförande, relevans samt tillämpbarhet. Sammanställningen skall ge en större inblick och förståelse över processen samt vattenförbrukningen. 3.1 Färskvatten, kemiskt renat vatten och avloppsvatten I rapporten Vattenbalans för Billerud Karlsborg, [4], upprättas en totalbalans för processvatten över Karlsborgs bruk vilket visar en förbrukning av färskvatten omkring 2121 t/h baserat på data under november månad Data som använts i denna rapport är baserat på uppskattningar från driftpersonalen samt insamlat data från både informationssystemet och labbrapportsystem. Labbrapportsystemet innehåller alla labbresultat som utförts internt och även de prov som skickats till externt labb för analys. Rapporten går igenom alla processavsnitt med en kort beskrivning av processvattenanvändningen och vattenbalanser upprättas för dessa avsnitt. Målet med rapporten är att ge en nulägesrapport över förbrukningen av processvatten samt utgöra underlag i fortsatta arbeten berörande vattenreningen. Det datamaterial som är baserat på uppskattningar bör verifieras, nya värden från labbrapportsystemet bör hämtas med aktuellt datum. Rapporten ger en snabb översikt av bruket men innehållet är begränsat och kan vara missvisande. I rapporten Pappersbrukets avlopp, [5], upprättas en vattenbalans över pappersbruket med fokus på pappersmaskinen och utsläppen till avlopp. Rapporten är baserad på data över oktober månad 2012 och innehåller en analys av avloppen. Rapporten presenterar förbrukningen av kemiskt renat vatten, färskvatten och kommunalt vatten på pappersbruket, där datamaterialet är en kombination av uppskattningar och data från labbrapportsystem. Datamaterialet bör kontrolleras, verifieras samt uppdateras. Innehållet i rapporten är begränsat till pappersmaskinen och datamaterialet är ofullständigt då den saknar en bra processkoppling för framtida studier. En mer djupgående balans över avloppsvattnet tas upp i rapporten Intern rapport vattenbalanser miljöprojekt 17 kg COD PTM BillerudKorsnäs Karlsborg AB 2013, [6]. Rapporten presenterar en avloppskartering över Karlsborgs bruk varvid en vattenbalans över avloppen upprättas baserat på data för perioden mitten av januari till slutet av februari I rapporten framgår flertalet observationer av avloppen vid bestämda provpunkter med avsikt att identifiera avloppskällor. All data presenteras i en tabell med kommentarer om observationer kring provpunkterna. Den upprättade balansen presenterar resultatet av avloppsflödeskarteringen, där resultatet visar ett okänt flöde om 6000 t/d. Rapporten saknar en tydlig beskrivning över framtagandet av flödesdata, vilket ger verifieringsbehov av materialet. Flödeskartering med fokus på delflöden som går till fiberförande avlopp upprättades 2005 av Nils Hoffner, [7]. Detta var en kortare kartering med avloppsflödesanalyser av total organic carbon (TOC), chemical oxygen demand (COD), temperatur och suspenderat material. Syftet med karteringen var att ge underlag till beräkningar vid utbyggnad/nyinstallation av bioreninge och/eller fiberavskiljning. Med fokus på de större avloppskällorna har dessa flödesmätts, typ stickprov, där resterande bestod av grova uppskattningar. Då karteringen är mycket kort och liten eller då ingen beskrivning över källan till flödena ges, saknas trovärdighet. I en förstudie av ÅF, [8], berörande miljöåtgärder med fokus på processavdelningen blekeriet presenteras en vattenbalans över processavsnittet där avloppsflödena är karterade. Balansen är baserad på loggaddata över hela året Syftet med förstudien var att presentera ett antal processåtgärder, interna över blekeriet, externa över miljöreningen och kombinationer, varvid en utförlig kartering över blekeriet upprättades som 15

17 underlag för förändringar. Rapporten innehåller en mycket relevant och trovärdig kartering över blekeriet där datamaterialet kan återanvändas. 3.2 Sekundärvärmesystemet Sekundärvärmesystemet har genomgått och genomgår många förändringar på Karlsborgs bruk och med produktionsökningsprojektet pågående sker flödesförändringar över större delen av industrianläggningen. Detta leder till förändringar av tidigare karteringar vilket medför verifierings/uppdateringsbehov av upprättade balanser. Kartering av sekundärvärmesystemet på Karlsborgs bruk har upprättats av ÅF 2007, [9], och sedan uppdaterats vid ett antal tillfällen. I denna kartering presenteras två nulägesbalanser, ett vinterfall och ett sommarfall, samt ett antal förbättringspotentialer med data baserat på perioden till för vinterfallet och sommarfallet över perioden till På grund av stora förändringar av sekundärvärmesystemet och Karlsborgs bruk överlag bör datamaterial uppdateras och verifieras med aktuellt datum. En pinch analys är utförd av examensarbetare från Chalmers, [10]. Denna rapports syfte är att identifiera energibesparingspotentialer, förbättringsförslag berörande energibehovet samt att ge en kostnadsanalys av förbättringsförslagen. I arbetet identifieras vatten- och ångflöden över Karlsborgs bruk varvid karteringen står som underlag för förbättringsförslagen. Arbetet resulterar i två paketlösningar, en mindre och en större. Datamaterialet är baserat på data från labbrapportsystemet över tidsperioden till , uppskattningar samt manuella mätningar av temperatur- och flödesmätningar över perioden till Datamaterialet kan anses vara opålitligt då datamaterialet är insamlat under en kort period med komplementerande stickprovsanalyser. 4 Teori I detta avsnitt presenteras de grundläggande teorierna och matematiska beräkningar berörande energi och värmeväxlare. Avsikten är att ge en generell introduktion till de olika ekvationer och beräkningar som tas upp genom hela projektet. 4.1 Energi Energiberäkningar används överallt och är en viktig del när det kommer till kartering av vattenflöden och inte minst vid beräkningar berörande värmeväxlare. Energiberäkningar kan användas för att identifiera och kvantifiera okända vattenflöden genom enkla temperaturmätningar. Detta genom ekvation 1 och 2 nedan. Q = M Cp T (1) q = m Cp (T 2 T 1 ) (2) Q = energi ( J ) M = massa (kg ) Cp = specifik värmekapacitet ( J*kg -1 *k -1 ) T = temperatur ( k ) q = energiflöde ( J*s -1 ) m = massflöde ( kg*s -1 ) Ekvation 1 beräknar energin i ett objekt och ekvation 2 beskriver energin som frigörs eller tas upp vid 16

18 temperaturändring av objektet. Dessa ekvationer medför möjligheten att beräkna fram okända temperaturer eller flöden, förutsatt att tillräckligt mycket data är tillgängligt. Nedan i figur 3 visas en schematisk bild där vätskeström 1 och 2 blandas till en tredje vätskeström. Ifall den första och tredje vätskan är kända kan den andra vätskan bestämmas genom härledning av ekvation 1 och 2 ovan. [11] Figur 3. Schematisk bild över två vätskor som blandas och resulterar i en tredje ström. Ekvation 3 beräknar ut andra vätskans temperatur och ekvation 4 nedan beräknar vätskans massflöde. T 2 = m 3 T 3 m 1 T 1 m 3 m 1 (3) m 2 = m 3 m 1 (4) 4.2 Värmeväxlare Överallt i världen används värmeväxlare, från hushåll till industrin. En värmeväxlare för över energi från ett medium till ett annat. Hur effektiv en värmeväxlare är beror på storleken, mediernas specifika värmekapacitet och typ av värmeväxlare. Nedan i figur 4 visas olika flödesmönster olika värmeväxlare kan ha. Temperaturdifferensen mellan medierna driver energiöverförningen i värmeväxlare. Den mest effektiva typen av värmeväxlare är en motströmsvärmeväxlare. [11] Figur 4. Schematisk bild över olika typer av värmeväxlare. 1) Motströmsvärmeväxlare, 2) Medströmsvärmeväxlare, 3) Korsströmsvärmeväxlare. Den viktigaste typen av värmeväxlare i processindustrin är tub- och rörvärmeväxlare. Denna typ av värmeväxlare är väl anpassad för stora flöden och används frekvent ute i industrierna. Växlaren består av många parallella rör i en tub, där ena vätskan strömmar genom rören och den andra runt om rören, så kallat tubsidan. På tubsidan används krossbafflar för att tvinga vätskan att passera rören vinkelrätt och inte enbart parallellt. Detta skapar också ett mer turbulent flöde vilket ökar värmeöverförningskoefficienten på tubsidan. I figur 5 nedan presenteras två schematiska bilder på tub- och rörvärmeväxlare. [11] 17

19 Figur 5. Exempel på två olika typer av tub- och rörvärmeväxlare. A) 1-1 motströmsvärmeväxlare, 1- tubpassage och 1-rörpassag. B) 2-2 motströmsvärmeväxlare, 2-tubpassager och 2-rörpassager. Energiekvationerna 1 och 2 beskriver händelseförloppet för vätskorna i en värmeväxlare. Vid antagelsen att energiförluster är försumbar över en värmeväxlare gäller följande påstående: Energiförlusten för en av vätskorna över en värmeväxlare tas upp av den andra vätskan. Detta betyder att q för den kalla sidan skall vara lika med q på den varma sidan. I denna rapport betraktas alla värmeväxlare vara 1-1 motströms tub-och rörvärmeväxlare och beräknas enligt ekvation 5 nedan. q = U A ΔT lm (5) U = övergripande värmetransport koefficient (J*m -2 *k -1 ) A = Arean mellan rör och tub sidan (m2) ΔT lm = logaritmisk medelvärde (k) enligt följande: ΔT lm = (T hi T co ) (T ho T ci ) ln ((T hi T co ) (T ho T ci )) Ekvation 5 är en generell ekvation för 1-1 motströmsvärmeväxlare och ger en bra uppskattning över värmeväxlare. Mer exakta ekvationer vilka beskriver värmeväxlarna mer realistiskt finns utvecklade och används vid design av värmeväxlare [11]. I denna rapport kommer de mer komplexa ekvationerna inte att behandlas. 4.3 Ekonomi Ekonomisk analys av förbättringsförslagen är baserad på energiökningen som fås genom temperaturhöjning av hetvattentankens temperatur med förbrukningen av hetvatten till blekeriet. Den mest aktuella kostnaden av energiproduktion från barkpannan med biobränsle, bark, är 200 kr/mwh och då är elproduktionen vid turbin inräknat. Denna kostnad är framtagen av brukets egen personal. I ekonomiberäkningen antas kostnadsbesparingen gälla för 9 månader, då ångproduktionen ligger över ångbehovet under de tre sommarmånaderna. ( Muntlig kommunikation, , Larsson Andreas) 18

20 Vid payback beräkningar antas installationskostnaderna för en värmeväxlare vara närmare sek. Ingen skillnad i installationskostnad mellan stor eller liten antas då stor kostnad kommer hamna i rördragning vid installation av värmeväxlare. Denna kostnad är grovt uppskattad och används enbart för uppskattning av paybacktiden för förbättringsförslagen. 4.4 Dymola Dymola är ett objektbaserat simuleringsprogram som använder sig av Modelicas modelleringsspråk. Med objektbaserad simulering menas att alla matematiska ekvationer är kopplade till olika objekt, t.ex. i en tank finns ekvationer som beräknar tryck, temperatur, nivå i tanken och specifik värmekapacitet av mediet i tanken. I och med detta behövs ekvationerna för en viss typ av tank enbart skrivas en gång, för att sedan används oändligt många gånger. En stor fördel med denna typ av simulering är enkelheten samt snabbheten i uppbyggnad av nya simuleringar i de fall då alla nödvändiga objekt redan existerar. 5 Metod Examensarbetet delades upp i två faser, kartering och simulering. I detta avsnitt följer en presentation över respektive fas med hänsyn att ge inblick i upplägg av projektet, beskriva datainsamlingen samt ge kunskap inför analyserna av resultatet. Datamaterialet i denna rapport är baserat på dataloggningar, mätningar och uppskattningar från februari månad till mitten av mars månad Karlsborgs bruk använder sig utav ett informationssystem där ett stort antal utrustningar är uppkopplade mot detta. Informationssystemet ger onlineloggningar av mätvärden från processen samt sparar gamla mätvärden för en viss tid. Genom detta informationssystem kan sedan mätvärden hämtas för analys i andra program, till exempel Microsoft Excel. 5.1 Kartering Examensarbetet började med flödeskartering varvid flödesscheman studerades med avsikt att bekanta sig med processen samt bygga upp en grund för framtida interjuver med berörd personal från processen. Parallellt med karteringen av flödesscheman gjordes litteraturstudie över tidigare arbeten inom samma områden. Mycket av de tidigare arbetena har kunnat adapteras till detta projekt men verifiering av all gammal data har gjorts till den mån det varit möjligt. I de fall det funnits installerade flödemätare för kontinuerliga mätningar har dessa använts, det samma gäller temperaturmätningar berörande sekundärvärmesystemet. Möten med berörd personal från processavdelningarna planerades in och utfördes löpande. Avsikten med dessa möten var att intervjua personalen angående deras kunskaper berörande färskvattenflöden samt avloppsflöden med flödesscheman som grund. Intervjuerna gav ny information över gamla borttagna system, nya tillkomna system samt giltiga antaganden gällande små svåråtkomliga flöden. Vattenflöden som inte används i processen direkt saknar oftast flödesmätare vilket ledde till manuella stickprovsflödesmätningar. För att ge en så rättvis bild som möjligt har dessa stickprov utförts under normaldrift. Metoden för flödesmätningar har varierats beroende på omgivningen, det vill säga hur och var själva flödet går. Tre olika metoder har använts vid kvantifieringen av avloppsflöden, flödesmätning med portabel flödesmätare, antaganden samt hink och klocka. Portabel flödesmätare av märket GE TransPort PT 878 är en ultraljudbaserad flödesmätare som har används till identifiering av flödeshastigheter i rör. För ett lyckat och trovärdigt resultat måste röret i fråga vara fylld med vätska, flödesriktningen horisontellt eller uppåtlutande. Röret bör helst vara utan rost eller annat 19

21 ytbelägg i form av smuts. Denna utrustning har används som förstahandsalternativ då möjligheten att utföra flödesmätningen har funnits. Antaganden som har gjorts har varit grundade på teknisk data, beräkningar och erfarenheter från tidigare flödesuppskattningar. För färskvattenkarteringen har vissa antaganden som berör tätningsvatten till pumpar och hydraul aggregat använts. Nedanstående lista presenterar de antaganden som används under karteringen då mätning inte utförts av olika anledningar. Tätningsvatten till pumpar, exklusive vakuumpumpar, 3 l/min Tätningsvatten till vakuumpumpar 150 l/min Hydraulaggregat 6 t/h Hink och klocka har använts som flödesmätning där flödet mynnar ut i tillgängligt område. Rådata från karteringen samt källa med metod för identifiering och kvantifiering presenteras i Bilaga 1. Berörande karteringen över sekundärvärmesystemet verifierades temperaturerna i samband med flödena. Temperaturen har mätts med portabel termometer Optris MS, en lasertermometer, vid flera tillfällen för att ge en mer trovärdig temperatur. I det fall det funnits online mätutrustning på två sidor av en värmeväxlare har energiberäkningar gjorts för att säkerställa data. 5.2 Simulering För att studera optimeringsförslagen som togs upp i projektet används ett simuleringsprogram med avsikt att förutspå resultaten vid en potentiell investering. Simuleringen gjordes i programmet Dymola under handledning av företaget Optimation, ett konsultföretag inriktat på reglerteknik och dynamiska simuleringar mot processindustrin. Med fokus på VVX-1156 och VVX-3212 gjordes simuleringen för att se potentialen för medeltemperaturs höjning på hetvattentanken. I simuleringen har stora delar av sekundärvärmesystemet förenklats. De med störst inverkan på hetvattentemperaturen har simulerats mer ingående. Simuleringen är gjord att efterlikna den verkliga processen vid tiden :40 och max tolv timmar framåt. Simuleringsprocessen har följt följande struktur: Uppbyggnad Kalibrering/validering Simulering Resultatanalys Under första fasen byggdes största delen av simuleringen och data insamlades. Simuleringsbyggandet pågick under alla faser men av betydligt mindre karaktär, så som små justeringar och tillägg allt eftersom. Kalibrering och validering av simuleringen var den mest tidskrävande fasen. I denna fas jämförs beteendet av simuleringen mot verkligheten och justeringar gjordes för att få ett acceptabelt resultat. Först kalibrerades värmeväxlarna var för sig genom att mata växlarna med fixt flöde och temperatur, varvid temperaturerna ut analyserades. Sedan kalibrerades avdelningarna var för sig genom att jämföra resultatet mot verkligheten på temperatur och flödeshastigeter. Sista kalibreringen gjordes över alla avdelningar tillsammans genom analys av hetvattentankens temperatur. 20

22 Vätsketemperatur Datamaterialet för värmeväxlare VVX-3212 och VVX-1156 var ofullständigt. För växlare VVX-3212 saknades temperaturen på bakvattnet till växlaren och varmvattenflödet. För växlare VVX-1156 saknades båda flödena till växlaren samt bakvattentemperaturen till värmeväxlare. Genom att beräkna energiförlusten för bakvattnet över växlaren, vid antagelsen försumbara värmeförluster, kan varmvattenflödet beräknas genom ekvation 2. Det som saknas för denna beräkning är temperaturen på bakvattnet in. Eftersom det inte fanns möjlighet att mäta vätskans temperatur direkt, loggades temperaturen på rörets utsida samt på utgående hetvatten och bakvatten efter värmeväxlaren. Då båda vätsketemperaturerna efter värmeväxlaren mäts kontinuerlig gavs möjligheten att ta fram en konverteringsfaktor mellan rörets temperatur på utsidan och vätskans temperatur. I figur 6 nedan presenteras temperaturprofilen mellan vätskans temperatur och rörets yttertemperatur. Genom att plotta den lägsta temperaturen, mediantemperaturen och det hösta temperaturen för båda rören och skapa trendlinje för punkterna fås en rät linjes ekvation mellan vätskans temperatur och rörets temperatur på utsidan. Temperatur kalibrering ,00 65,00 y = 0,968x + 8, ,00 55,00 50,00 55,00 60,00 65,00 70,00 Temperatur utsidan röret Temperatur kalibrering Linjär (Temperatur kalibrering) Figur 6. Temperaturgraf över värmeväxlare VVX För VVX-1156 saknades både temperaturer och flöden till värmeväxlaren. Den saknade temperaturen behandlades på samma sätt som för värmeväxlare VVX För att få tag på flödesinformation genom värmeväxlaren gjordes en ventilberäkning över styrventilen för varmvatten genom värmeväxlaren. Ventilberäkningen gjordes med hjälp av Neljes, NEL Prof, ventilberäkningsprogram och kontrollerades mot en punk, 100 % öppet vars flöde mättes med en portabel flödesmätare. Med ventilkurvan beräknades flödet genom värmeväxlaren som sedan användes i simuleringen. Eftersom ventilen oftast stod på 100 % öppet enligt infosystemet ansågs det mest relevant att säkerställa max varmvattenflöde genom värmeväxlaren. En mer genomgående beskrivning över simuleringen presenteras i bilaga Metodkritik En stor andel av färskvattenkarteringen är baserad på flödesuppskattningar. Uppskattningarna är baserade på teknisk data eller erfarenheter där en del flöden saknar validering samt är konstanta där processen är dynamisk med variationer. I de fall där flödesmätningar är gjorda gäller samma resonemang som vid uppskattningarna, flödena är konstanta och saknar dynamik. Det finns en risk för att stickproven representerar ett udda flöde, högt eller lågt. Resultaten av alla mätningar och uppskattningar värderas mot 21

23 kontinuerliga flödes- och temperaturmätningar innan de accepteras i karteringen. Detta för att ge tillförlitlighet till resultatet. I simuleringen av sekundärvärmesystemet saknas viss dynamik som inte fångats upp vilket leder till felaktig resonans av hetvatten till hetvattentanken samt felaktiga flödesprofiler genom sekundärvärmesystemet. Då resultatet fokuserar på en medeltemperatur i hetvattentanken är behovet av en korrekt dynamik mindre betydelsefull vid resultat analys. Utöver dynamiken i sekundärvärmesystemet simulerades inte hela systemet, stora förenklingar gjordes över varmvattenproduktionen samt för ett antal värmeväxlare över hetvattenproduktionen. Förenklingarna har gjorts med avsikt att påverka slutresultatet så lite som möjligt, med hänsyn på medeltemperatur och inte dynamik som påverkats mest. De objekten som haft stor inverkan på resultaten har simulerats till större precision för att få acceptabla resultat. Ekvationerna för värmeväxlare som behandlas i denna rapport är generella och visar inte verkligheten utanför kalibreringspunkten. Detta leder till missvisande resultat vid flöden och temperaturer utanför kalibreringspunkten och därmed också hetvattentankens beteende vid flödes- och temperaturvariationer. Då resultaten fokuserar på medelvärden och kalibreringspunkten valts efter dessa medelvärden fås acceptabla resultat då felaktigheterna har samma storlek över och under kalibreringspunkten. 6 Förbättringsförslag I detta avsnitt presenteras bakgrunden till förbättringsförslagen som har betraktats i denna rapport. 6.1 Avloppsflödesreducering I detta projekt har karteringen av vattenflöden upprättas med avsikt att identifiera potential till reducering av avloppsflödesmängden genom avskiljning av rena flöden från förorenade flöden. Denna potential är uppmätt genom antagandet att tätnings- och kylvatten är rent vatten och bör skiljas från processvatten. Detta antagande bör undersökas vidare genom analys av specifikt vatten då tidigare kartering av Hoffner påpekar viss förorening av tätningsvatten i vakuumpumpar, [7]. Detta förbättringsförslag presenteras enbart efter potentialen utan praktisk hänsyn. 6.2 Sekundärvärmesystemet De senaste åren har Karlsborgs bruk lagt ner stort arbete på förbättring av sekundärvärmesystemet och med inplanerade förändringar som tas i drift hösten 2014 blir en sammanställning av dessa nödvändig. Installationen av svaggassystemet medförde två nya skrubbrar och kondensatorer, varav en skrubber och en kondensator är driftagen, vilket producerar varmvatten. Utöver svaggassystemet kommer någon ändring i körsätt samt två nya värmeväxlare för produktion av hetvatten. Kommande ändringar i sekundärvärmesystemet presenteras i listan nedan. Nyinstallation av kondensor, vilken ska hantera basningsånga från kokarna och producera hetvatten. En ny svaggasskrubber. Varmvatten från sekundärvärmesystemet värmeväxlas mot B-kondensat och strippat kondensat i seriekoppling av två nya värmeväxlare. Starklut från ackumulator seriekopplas med och istället för växelkörning mellan dessa. Efter körning genom de två växlarna kommer svartluten ha ett lägre energivärde än från tidigare växelkörning. Detta leder till att efterföljande värmeväxlare 1147 utnyttjar en mindre energikälla, vilket sänker varmvattenflödet genom växlaren. Detta innebär även att hela 22

24 hetvattenproduktionen från värmeväxlaren värmer matarvattnet i sodahuset istället för den delmängd som körs idag. Ny värmeväxlare mellan blekeriavlopp och ClO2-vatten Förbättringsförslag som behandlas i denna rapport är summerade i listan nedan. 1. Två förslag på ny värmeväxlare VVX-1156 för produktion av hetvatten med temperaturen 72 C och 75 C respektive, inklusive utbyte av värmeväxlare VVX-3212 med nuvarande VVX Ny värmeväxlare VVX-3212, för produktion av hetvatten med temperaturen 72 C och 75 C respektive 3. Utbyte av varmvatten mot färskvatten till VVX-1156 för möjligheten att producera varmvatten samt leda om hetvattnet från terpentin kondensorn 1302, som i dagsläget går till varmvattentanken, till hetvattentanken. Bakgrunden till dessa förbättringsförslag ligger i det faktum att dessa två värmväxlare producerar ett hetvatten under den önskvärda temperaturen 75 C. Värmeväxlare VVX-3212 producerar ett hetvatten kring 62 C och värmeväxlare VVX-1156 kring 58 C. Genom att investera i nya värmeväxlare med större area fås en högre temperatur på hetvattnet från växlarna vilket leder till ökad temperatur i hetvattentanken. Det mest intressanta och aktuella förslaget är ny värmeväxlare VVX-1156 för produktion av 75 C hetvatten. En annan aspekt av förbättringsförslagen är den ökade styrmöjligheten av bakvattentemperaturen efter växlare. Idag är kylkapaciteten bristfällig och bakvattentemperaturen är ofta högre än önskvärt för vissa värmeväxlare Förslag 1 och 2 Förslag 1 och 2 bygger på utbyte av befintliga värmeväxlare mot nya värmeväxlare som har större kapacitet. I första förslaget skall den nuvarande värmeväxlaren VVX-1156 jämföras mot två nya värmeväxlare, en mindre som producerar 72 C och en större som producerar 75 C hetvatten, inkluderat utbyte av VVX-3212 med befintlig VVX För den nuvarande VVX-1156 värmeväxlaren beräknas arean och övergripande värmetransportkoefficient rent teoretiskt då tekniska specifikationer saknas. Detta används sedan för att ersätta befintliga parametrar för värmeväxlaren VVX I det andra förslaget jämförs nuvarande värmeväxlare VVX-3212 med två nya växlare, en mindre och en större som producerar 72 C och 75 C hetvatten respektive. Nedan i tabell 1 presenteras de potentiella värmeväxlarnas designparametrar. Resultatet mellan utbyte av befintliga VVX-1156 med VVX-3212 jämförs med utbyte av VVX-3212 med de nya värmeväxlarna, VVX och VVX

25 Tabell 1. Förbättringsförslag 1 och 2, de potentiella värmeväxlarna med designparametrar. Värmeväxlare VVX VVX VVX-3212 VVX VVX utbytt mot VVX-1156 Flöde Varmvatten (t/h) Flöde bakvatten (t/h) Temperatur varmvatten in ( C) Temperatur , hetvatten ut( C) Temperatur bakvatten in ( C) Temperatur bakvatten ut ( C) Area (m 2 ) Ungefärlig kr enbart inköpskostnad installation med installation med installation installation installation (sek) rördragning rördragning med rördragning med rördragning med rördragning De fyra nya värmeväxlarna är designade efter maximalt flöde och temperatur för att säkerställa önskvärd drift vid maximal belastning. Dessa växlare jämförs sedan vid normal belastning där flöden och temperaturer är lägre än vid designpunkt Förslag 3 Förbättringsförslag 3 bygger på idén att bevara nuvarande värmeväxlare VVX-1156 men byta ut varmvattnet som i dagsläget kyler bakvattnet, mot färskvatten. I samband med detta producerar värmeväxlaren VVX-1156 varmvatten, ungefär 45 C, till varmvattentanken istället för hetvattentanken. I anslutning till detta leds hetvattnet från 1302 till hetvattentanken istället för varmvattentanken. Detta förslag bygger på det faktum att terpentinkondensorn 1302 producerar mellan t/h med en temperatur omkring C. I detta förslag skall hetvattnet från sodapannans skrubber förse hetvattentanken med den volym som saknas vid beräkning av förbrukning mot produktion. Temperaturen på hetvattnet från skrubben antas vara 66 C. Förslag skall även täcka in temperaturförändringar över varmvattentanken. 24

26 7 Resultat och diskussion I detta avsnitt presenteras resultaten och diskussioner av de upprättade vattenbalanserna, karteringen samt förbättringsförslagen. Vid analys av förbättringsförslagen berörande sekundärvärmesystemet skall referenstemperaturen på hetvattentanken antas vara 68 C. 7.1 Färskvattenkartering Som nämnts tidigare är datamaterialet baserat på mätningar och loggningar under februari månad till mitten av mars månad. Nedan i tabell 2 presenteras förbrukarna av färskvatten i respektive avdelning inom området fiberlinjen. Tabell 2. Sammanställning av färskvattenförbrukare över fiberlinjen per avdelning. Kokeriet FV-till ångvärmeväxlare 12 t/d KappaQ (Antaget) Tätningsvatten pumpar - 91 t/d Bakspolningsfilter 2 t/d 24st (Antaget/uppmätt) (enl.uppgifter/antaget) Hydraul aggregat -2st 288 t/d Blekeriskrubber (Uppmätt) 336 t/d (Antaget) Gaskylare t/d FV till blekeriprocessen 0 t/d (Beräknat) (Antaget) Lutkylare (Uppmätt) 1800 t/d TM3 och massahanteringen Gaskylare terpentin t/d Tätningsvatten pumpar 96 t/d (Antaget) (Antaget) Terpentinkylare t/d Hydraul aggregat -2st 288 t/d (Antaget) (Antaget) Terpentinkondensor t/d Vakuumpumpar -2st 298 t/d (Antaget) (Antaget) Sileri-Tvätt Balpress hydraul aggregat 385 t/d (Uppmätt/Beräknat) Tätningsvatten till pumpar 115 t/d Klordioxidberedningen -43st (Uppmätt/Antaget) Hydraul aggregat -2st 288 t/d Kylning primärreaktor 24 t/d (Antaget) (Antaget) Syrgasblekeriet Syrgasförgasning 432 t/d (Beräknat/Antaget) Tätningsvatten pumpar t/d Svavelfiltren 72 t/d 24st (Uppmätt/Antaget) (Uppmätt/Beräknat) Hydraul aggregat(2st) t/d Syrgasberedningen Syrgaskompressor (Antaget) Syrgasblåstank (Ur Info) 960 t/d Hydraul aggregat -1st 144 t/d (Antaget) Blekeriet Vakuumpump -1st 216 t/d (Antaget) Tätningsvatten pumpar t/d 32st (Uppmätt/Antaget) 25

27 Nedan i tabell 3 presenteras förbrukarna av färskvatten i respektive avdelning inom området lut och kraft. Tabell 3. Sammanställning av färskvattenförbrukare över lut och kraft per avdelning Indunstningen Bark- och Starkgaspanna Kylvatten till t/d BP-Kylvatten (Antaget) 14 t/d ytkondensatorerna (ur Info) Tätningsvatten till pumpar 144 t/d BP-Bottenblåsning 72 t/d ca 50 pumpar (Antaget) (Antaget) Sodahuset SGP-Tätningsvatten 14 t/d (Antaget) Skrubbervatten (ur Info) 8640 t/d SGP-Skrubbervatten 96 t/d (Beräknat/Antaget) Sodahuset (Uppmätt) 2880 t/d Mixeri Källor som ingår i Tätningsvatten pumpar t/d sodahuset-(uppskattad 43st (Antaget) flödesfördelning) Skrubbertvätt 456 t/d Vakuumpumpar 2st 576 t/d (Antaget) Tätningsvatten 58 t/d Bärrullar -3st (Antaget) 648 t/d Löprännor 216 t/d Kompressorer (ur Info) 67 t/d Oljekylare 432 t/d Mesaugnsskrubber (ur 1056 t/d Info) Div.Pumpar 131 t/d Turbin Bottenblåsning 720 t/d Kylvatten dump- och 240 t/d läckångkondensatorer (ur Info) Mavapumpar 576 t/d Luftkompressor (Uppmätt) 1320 t/d Värmeväxlare för 960 t/d Kylslinga (ur Info) 26

28 Nedan i tabell 4 presenteras förbrukarna av färskvatten i respektive avdelning berörande pappersbruket, renseriet och diverse övriga områden. Tabell 4. Sammanställning av färskvattenförbrukare över pappersbruket, renseriet och diverse andra avdelningar. Papperbruket Svaggassystemet Tätningsvatten pumpar t/d Svaggasskrubber (ur Info) 1920 t/d 190st (Antaget) Vakuumpumpar -8st 1728 t/d Svaggaskondensator 720 t/d (Antaget) (Beräknat/Antaget) Oljekylare (Antaget) 86 t/d Matarvattenberedningen Hydraul aggregat -2st 1886 t/d Tätningsvatten pumpar 14 t/d (Antaget) Färskvatten till 360 t/d Övrigt spritsvattentornet (ur Info) Renseriet Färskvatten till 3600 t/d Varmvattentanken (Beräknat/ur Info) Inspädning av färskvatten 720 t/d Brandvattensystemet 1200 t/d på hetvattenledningen (Uppmätt/Antaget) (Beräknat) Kemiskt renat vatten Kontinuerligt utsläpp vid 4800 t/d pumpsation (Antaget) Färskvatten till KRV t/d produktion (ur Info) Nedan i figur 7 presenteras vattenbalans för färsk-, avlopps-, varm- och hetvatten där flöden presenteras med enheten t/d. Svart färg representerar färskvatten, blå varmvatten och röd hetvatten. Balansen presenterar också det sammanlagda inkommande färskvattnet från älv till bruket, t/d, samt sammanlagda avloppsflödet till internreningen t/d. 27

29 Figur 7. Vattenbalans över färsk-, avlopps-, varm- och hetvatten. 28

30 Nedan i tabell 5 presenteras sammanställning av olika typer av färskvattenflöden samt potentialen av rena vattenflöden som går till avlopp och den interna reningen. Resultatet av karteringen visar en förbrukning av färskvatten omkring t/d där infosystemet visar ett snittflöde omkring t/d. Tabellen visar ett flöde omkring t/d som är uppmätt, beräknat eller uppskattat jämfört med t/d med kontinuerlig flödesmätare. Med tanke på att flödes- samt temperaturmätningarna är stickprov finns viss osäkerhet kring trovärdigheten över resultatet. Tabell 5. Sammanställning av olika typer av flöden samt avloppsflödenas reduceringspotential. Förbrukare t/h t/d Tätningsvatten Varav går till DAVA Vakuumpumpar Kylvatten Varav till DAVA & Sanitärt Rent till damm Production VV/HV Utan flödesmätning Med flödesmätare Enligt Karteringen Enligt Info Nedan i figur 8 presenteras en jämförelse av färskvattenförbrukningen mellan infosystemet och resultatet av karteringen över en tidsperiod på två timmar. Viktigt att ha i åtanke vid analys av grafen är den stora skillnaden i tidsperiod mellan karteringen på en och en halv månad och grafen på två timmar. Den blå linjen i grafen representerar färskvattenförbrukningen enligt infosystemet och visar på flödesvariationer över tiden. Den röda linjen representerar färskvattenkarteringen och har en tydligt mindre flödesvariation, vilket är förväntat. Intaget av färskvatten är styrd efter nivån i färskvattenbassängen på bruket och detta skapar en viss självsvängning då förbrukningen av färskvatten varierar. Grafen tyder på en konstant flödesskillnad omkring 100 t/h vilket vidare kan diskuteras ifall denna skillnad är på grund av underestimerade antaganden vid karteringen. Som tidigare nämnts finns osäkerhet kring resultatet vilket kan vara anledningen till de 100 t/h i differens mellan infosystemet och karteringen. Med detta resultat och förståelsen att processen är dynamiskt med dynamiska flöden på varje position finns en tillförlitlighet till karteringen men inte till flödesuppskattningarna vilka omnämns vara underestimerade. 29

31 Flöde (t/h) Tid (min) Färskvatten (Info) Färskvatten (Kartering) Figur 8. Färskvattenanvändningen enligt infosystemet i blått och karteringen i rött, över en tidsperiod på två timmar. 7.2 Avloppskarteringen Figur 9 presenterar avloppsvattenbalansen över Karlsborgs bruk. I balansen presenteras avloppsflöden i enheten t/d där de blå siffrorna representerar data hämtat från labbrapportsystemet och de röda representerar beräknade samt uppskattade flöden till avlopp. I balansen presenteras saknas flöde om 3000 t/d vid flödesmätare till A2. Efter A1 sker en flödesökning vilket leder till ett karterat flöde över infosystemet för avloppsflödet till recipienten. Detta kan bero på felaktig bedömning av flödet till recipienten samt vattenavdunstning vid biodammarna. 30

32 Figur 9. Avloppsbalans över Karlsborgs bruk. De blå siffrorna markerar data hämtat ur labbropportsystem och de röda är beräkningar/uppskattningar. 31

33 7.3 Förbättringspotentialer av sekundärvärmesystemet Sekundärvärmesystemet presenteras i figur 10 och figur 11. I Figur 12 och Figur 13 presenteras en prognos av sekundärvärmesystemet efter hösten 2014 och de kommande nyinstallationerna samt ändringarna i körsätt. Flödet presenteras i t/h och temperaturen i C. I nulägesbalansen presenteras en snittemperatur på hetvattentanken omkring 66 C och varmvattentankens temperatur kring 47 C. I balansen presenteras också förbrukningen av varm- och hetvatten till blekeriet, renseriet, mixeriet och sjötvättsfiltret. Flödet presenteras i t/h och temperaturen i C. 32

34 Figur 10. Nulägesbalans över sekundärvärmesystemets varmvattensida. 33

35 Figur 11. Nulägesbalans över sekundärvärmesystemets hetvattensida. 34

36 Figur 12. Prognos för sekundärvärmesystemet efter nyinstallationer hösten 2014, varmvattenavsnittet. 35

37 Figur 13. Prognos för sekundärvärmesystem efter nyinstallationer hösten 2014, hetvattenavsnittet. 36

38 7.3.1 Förbättringsförslag 1 Inköpskostnaden mellan VVX och VVX värmeväxlaren är omkring sek vilket anses vara en mindre kostnad. Av den anledningen anses den mindre värmeväxlaren vara irrelevant och behandlas därför inte mer ingående i denna rapport. Nedan i figur 14 presenteras resultatet av simuleringen av ny värmeväxlare VVX på hetvattentankens temperatur. I grafen visas en temperaturökning på omkring 4-5 C med en större ökning i början av grafen jämfört med senare delen. Detta beror på att potentialen för temperaturökning är högre vid lägre temperaturer och vice versa. Eftersom hetvattentanken är simulerad att starta med en temperatur på 66 C uppnås en kraftig stigning av temperatur i det fallet med en ny värmeväxlare VVX Med tanke på att styrventilen över värmeväxlaren VVX-1156 oftast stod på 100 % enligt infosystemet tyder det på kapacitetsbrist på vattenpumpen för varmvatten till växlaren. Detta ger grund för utvärdering av uppgradering av vattenpump. Enligt figur 15 nedan visar nya värmeväxlaren ett lägre behov av varmvatten, vilket är önskvärt med befintlig pump. Figur 14. Simulerad temperatur på hetvattentanken med nuvarande VVX-1156 värmeväxlare och med nya värmeväxlaren, VVX

39 Figur 15. Simulerat varmvattenflöde över värmeväxlare VVX-1156, nuvarnade i blått och nya växlaren i rött. Figur 16. Simulerad bakvattentemperatur efter värmeväxlarevvx-1156, den nuvarande jämfört med VVX En annan aspekt som är viktig att ha med i åtanke vad gäller investering i nya värmeväxlare är förmågan att kyla ned bakvattenflödena. Genom att investera i ny värmeväxlare, till exempel 1156 finns kapaciteten att kyla ned bakvattnets temperatur till önskvärd nivå, vilket medför bättre körbarhet av processen. 38

40 7.3.2 Förbättringsförslag 2 Efter som det mest aktuella förbättringsförslaget är förslaget med ny VVX och att den nuvarande VVX-1156 har ungefär samma egenskaper som nya VVX , kommer inte VVX behandlas något mer i denna rapport. Nedan i tabell 6 presenteras resultatet av förbättringsförslagen berörande värmeväxlare VVX-3212 på hetvattentankens temperatur med den nya VVX värmeväxlaren. Tabellen visar en höjning av hetvattentankens temperatur med 1,6 C och 1,7 C genom ersätta befintlig värmeväxlare VVX-3212 med befintlig VVX-1156 eller med ny VVX Enligt tabell 1 skulle båda förbättringsförslagen av VVX-3212 uppnå kriterierna vad gäller temperaturen på bakvattnet från växlaren men bara VVX uppnår en hetvattentemperatur om 75 C vid maximal belastning. Tabell 6. Resultat vid utbyte av värmeväxlare VVX-3212 med nuvarande värmeväxlare VVX-1156 och resultat vid ny VVX-3212-större värmeväxlare. Förbättringsförslag VVX Flöde varmvatten VVX Temperatur hetvatten Hetvattentanken Ny VVX Ny VVX gamla VVX-1156 ersätter VVX-3212 Ny VVX Ny VVX Flöde till tank Temp hetvatten 73,1 74,7 74,8 Den ekonomiska analysen presenteras i tabell 7 nedan. I tabellen visas den ungefärliga snitttemperaturen på hetvattentanken från förbättringsförslagen, vilken temperaturhöjning som sker, energiökning av hetvattenflödet till blekeriet, besparing i miljoner sek per år samt paybacktiden. Det bästa förslaget kan anses vara investering i VVX med utbyte av VVX-3212 med den gamla 1156 värmeväxlare, vilket skulle ge en temperaturökning av hetvattentanken med ungefär 6,6 C och med en payback tid omkring 4 månader. Tabell 7. Summering av förbättringsförslagens påverkan av hetvattentankens temperatur, energipåverkan och ekonomiskeffekt. Förbättringsförslag VVX VVX gamla VVX-1156 ersätter VVX VVX VVX-3212 Hetvattentankens 73,1 74,7 74,8 temperatur ( C) Höjning ( C) 5,1 6,6 6,7 Energiökning till blekeriet 4,45 5,76 5,85 (MW) Besparing (Mkr/år) 5,79 7,49 7,60 Paybak (år) 0,33 0,32 0,41 Viktigt att ha med i åtanke är kapacitetsökningen av processen som är pågående vid Karlsborgs bruk och hur det kan påverka belastningen av värmeväxlarna. Eftersom den befintliga 1156 värmeväxlaren enligt beräkningar inte skulle klara utav maximal belastning i dagsläget finns anledning att betrakta förslaget VVX värmeväxlaren istället. Det bästa kan vara att vänta med beslut om ny VVX

41 2 värmeväxlare tills kapacitetsökningen är gjord och påverkan på värmeväxlarna är kända och idag fokusera på förbättringsförslag ett, vilket innebär ny VVX värmeväxlare med utbytt VVX-3212 mot gamla/befintliga VVX-1156 värmeväxlaren Förbättringsförslag 3 I förbättringsförslag 3 byts varmvattnet ut mot färskvatten, från ca 40 C varmvatten till ca 2 C färskvatten. Förslaget bygger på iden att producera varmvatten istället för hetvatten och därmed minska kyleffekten som VVX-1156 bidragit med. I tabell 8 nedan presenteras designpunkt för förbättringsförslag 3 samt resultatet av förändringen vid normal drift. Tabell 8. Designpunkt för värmeväxlaren VVX-1156 vid förbättringsförslag 3 samt resultat vid normal drift. Design punk 1156 Flöde (t/h) Temperatur in ( C) Temperatur ut ( C) Bakvatten Färskvatten ,7 Normal drift Bakvatten VVX Färskvatten ,4 I tabellen ovan visas en temperaturökning av vattnet efter värmeväxlaren med ungefär 20 C och en reducering av färskvattenflödet med 245 t/h. Detta resultat kan anses vara opålitligt på grund av den stora temperaturförändringen mellan designpunkt och normal drift. För ett mer korrekt resultat krävs en mer specifik ekvation över värmeväxlaren i fråga. Nedan i tabell 9 presenteras en jämförelse mellan nuvarande förhållanden vid sekundärvärmesystemet mot förbättringsförslag 3. Tabellen visar en ökning av hetvattentankens temperatur omkring 3 C och varmvattentankens temperatur med negativt 0,3 C. Eftersom den önskvärda temperaturen på varmvattnet är 45 C ger detta förslag ett positivt resultat för varm- och hetvattentankarna. Bakgrunden till detta resultat ligger i stor utsträckning i det att hetvattnet från VVX-1156 med en temperatur om 58 C byts ut mot hetvatten från sodapannaskrubbern med en temperatur på omkring 66 C. Tabellen visar en flödeskompensation av hetvatten till hetvattentanken från sodapannans skrubber om 344 t/h och en reducering med samma mängd till varmvattentanken. Detta resultat, berörande flödet av skrubbervatten, bör undersökas vidare med hänsyn på produktion och konsumtion av varm- och hetvatten för att säkerställa drift. Besparingen av ånga beräknas uppgå emot 3,5 miljoner per år. 40

42 Tabell 9. Jämförelse mellan nuvarande drift och förbättringsförslag 3 med hänsyn till varm- och hetvattentankarna samt sodapannans skrubbervatten. Drift fall Nuvarande Förbättringsförslag 3 Hetvattentankens Temperatur 68,0 71,1 ( C) Temperaturförändring i 0,0 3,1 hetvattentanken ( C) Varmvattentankens Temperatur 47,3 47,0 ( C) Temperaturförändring i 0,0-0,3 varmvattentanken ( C) Hetvattenflöde från skrubber till 0,0 344 hetvattentank (t/h) Hetvattenflöde från skrubber till varmvattentank (t/h) Besparing (Mkr/år) 0 3,52 41

43 8 Slutsatser Färskvattenkarteringen presenterar färskvattenförbrukning omkring 3300 t/h där infosystemet visar en snitt förbrukning omkring 3500 t/h. Som diskuterats finns antydan om underestimerade flödesuppskattningar vilket kan stå för differensen om 200 t/h. Detta lämnar karteringen komplett i den mån att färskvattenförbrukarna är karterade men flödesmängden underestimerad. Karteringen presenterar summerat flöde på 8000 t/d rent vatten som idag går till internrening, vilket skulle potentiellt kunna skickas till dagvattenavloppen istället. Denna potential förutsätter att allt tätningsvatten samt en stor del av kylvattnet består av rent vatten, vilket bör fastsällas innan omledning till dagvattenavlopp. Avloppskarteringen visar på en skillnad omkring 3000 t/d mellan infosystemet och karteringen. Denna skillnad kan vara resultatet av fel bedömning av flödeskällor på grund av flödesvariationer. Genom att investera i ny värmeväxlare för ersättning av värmeväxlare VVX-1156 och samtidigt byta ut växlare VVX-3212 med den gamla VVX-1156 växlaren, fås en ekonomisk besparing på omkring 5,8 miljoner sek. Detta förslag ger en direkt påverkan på hetvattentankens temperaur på omkring 6,6 C ökning vilket är anledningen till besparingen. En revidering av sekundärvärmesystemet blir nödvändig i samband med att det nya produktionsmålet uppnås, detta eftersom produktionsökningen medför förändrad belastning på sekundärvärmesystemet. I dagsläget finns viss osäkerhet kring flöden och temperaturer kring värmeväxlare VVX-1156 samtidigt som produktionsökningen mest troligen kommer öka belastningen på växlaren. Detta leder till en viss skepticism över resultatet. För ett mer trovärdigt resultat krävs en mer genomgående flödes- och temperaturbeskrivning av nuvarande och framtida process. 9 Fortsatta studier Fortsättningsvis bör samma studie utföras med fokus på sommarhalvåret, speciellt fokus på färskvattenanvändningen då kylvattenbehovet bör vara mycket större under sommarmånaderna eftersom färskvattentemperaturen är mycket högre. Fabriken har genomgått/genomgår produktionsökning och processförändringar vilket skapar stor förbättringspotential i optimering av regleringar berörande sekundärvärmesystemet. En genomgång av regleringarna för enskild enhet skulle kunna göras/behöva göras samt att man eventuellt ser över möjligheten för en överordnade styrning av hela sekundärvärmesystemet. Detta med avsikt att optimera varm- och hetvattentemperaturen samt säkerställa den mest effektiva energianvändningen på fabriken. Vad gäller möjligheten för överordnad styrning skulle man kunna fokusera på att försöka påverka börvärden för respektive enhet med avsikt att optimera flöden och temperaturer. Till exempel finns potential för att sänka börvärdet på varmvattnet från indunstningens ytkondensatorer under vinterförhållanden för att kompensera för andra varmvattenflöden. 42

44 Litteraturförteckning [1] BillerudKorsnäs: Om oss: produktionsanläggningar, Billerudkorsnäs, [Online]. Available: [Använd 21 maj 2014]. [2] N. Hoffner, Processbeskrivning av verksamheten vid Billerud Karlsborg AB, Billerud, karlsborg, [3] Billerudkorsnäs Karlsborg AB. [4] F. Chedid, Vattenbalans för Billerud Karlsborg, Billerud, Karlsborg, [5] G. Joki, Pappersbrukets avlopp, BillerudKorsnäs, Karlsborg, [6] M. C. Larsson, Intern rapport vattenbalanser miljöprojekt 17 kg COD PTM BillerudKorsnäs Karlsborg AB 2013, BillerudKorsnäs, Karlsborg, [7] N. Hoffner, Kartering av olika delföden som går till fiberförande avlopp, Karlsborg: Billerud, [8] M. Puukko, E. Tennander och A.-M. Carlsson, Koncept-förstudie "Miljöåtgärder" COD 17 kg ptm, ÅF-Industry AB, Stockholm, [9] B. Larsson, Sekundärvärmebalans, Billerud Karlsborg, ÅF, [10] L. Eriksson och S. Hermansson, Pinch analysis of Billerud Karlsborg, a partly integrated pulp and paper mill, Chalmers University of Technology, Göteborg, [11] C. J. Geankoplis, Transport Processes and Separation Process Principles, Fourth Edition, New Jersey: Prentice Hall PTR,

45 Bilaga 1: Fa rskvattenkartering I följande bilaga gås bakgrunden till färskvattenkarteringen igenom med hänsyn att verifiera rådatat. För varje avdelning presenteras bakgrunden för de framtagna flödena i kategorierna; Online, Antaget, Uppmätt, Saknas/Icke kontinuerlig förbrukare och Beräknat. Här presenteras också rådatat till resultatavsnittet Färskvattenkatering. Denna kartering är utförd för perioden från till och kan betraktas som Vinterfall för Karlsborgsbruk Färskvattenkartering För färskvattenkarteringen har vissa antaganden används som berör tätningsvatten till pumpar och hydraulaggregat. Nedanstående lista presenterar de antaganden som används under karteringen då mätning inte har utförts av olika anledningar. Tätningsvatten till pumpar, exklusive vacuumpumpar, 3 l/min Tätningsvatten till vacuumpumpar 150 l/min Hydraulaggregat 6 m 3 /h När det gäller tätningsvatten till pumpar är en del av bruket pumpar utrustade med flödeskontroller som begränsar förbrukningen till 3 l/min men det är lång ifrån alla pumpar. För resterande pumpar kontrolleras förbrukningen inte, utan ett självtryckssystem används vilket medför att förbrukningen varierar mycket mellan pumparna. Tätningsvattenflödet har uppmätts variera mellan 1-2 l/min till uppåt 10 l/min. När tätningsvattenförbrukningen har uppskattats har hänsyntagits till omrörare med mera i tankar vilka också är förbrukare av tätningsvatten. För hydraulaggregaten har färsvattenflöde uppmätts för det hydraulaggregat som används i avdelning torkmaskin 3. Detta flöde har sedan ansatts som en standard där flödesmätning har uteblivit. Detta flöde skiljer sig mellan aggregaten men är en rimlig storleksordning och anses ge bra mått på medelförbrukning mellan alla hydraulaggregat. I det fall då flödesmätning har gjorts med portable flödemätare har driften varit normal och produktionen har legat omkring 985 ADt/d (Air Dried tonne per day, 90 % torrhalt på massan). 1.1 Matarvattenberedning För avdelningen matarvattenberedningen för brukas enbart tätningsvatten till pumpar och denna förbrukning har uppskattats vara kring 0,6 m 3 /h. Avdelning Förbrukare Flöde (m 3 /h) Flöde (m 3 /d) Matarvattenberedning Tätningsvatten (Antaget) 0,

46 1.2 Kokeri, Tvätt och Sileri, Syrgasblekeri och Blekeriet Sammanlagt förbrukas ca 200 m 3 /h färskvatten i dessa avdelningar vilket är ca 4700 m 3 /d. Tätningsvattnet till pumpar för dessa avdelningar har uppmätts och beräknats av brukets egna personal. För avdelningarna tvätt, sileri och syrgasblekeri går tätningsvattnet till dagavlopp. Hydraulaggregaten har uppskattats enligt tidigare nämnd antagelse, 6 m 3 /h Kokeriet Gaskylare 1411 använder en blandning av färskvatten och varmvatten till gaskylning. Genom temperatur mätning på ingående vatten till kylaren har fördelningen mellan färskvatten och varmvatten beräknats, vilket ger ett snitt 12 m 3 /h. Färskvattnet som används som tätningsvatten filtreras genom ett backspolningsfilter som backspolar ca engång per timme under vinter då färskvattnet är relativt rent. Filtret består av sju stycken filter där ett filter backspolas åtgången. För en spolsekvens åtgår ca 70 liter och tar ca1 minut att gå igenom alla sju filtren. Under våren och hösten backspolas filtret kontinuerligt p.g.a. det mycket smutsiga färskvattnet. Till lutkylare 1156 används färskvatten som spetsvatten för att uppnå önskvärd temperatur på utgående lut då varmvatten inte räcker till att kyla luten. Detta flöde har uppmätts med portabel flödesmätare till 75 m 3 /h och anses vara stabilt Syrgasblekeriet Färskvatten till syrgaskompressorn har uppskattats utifrån tidigare erfarenheter berörande flödeskartering. Under vintertid är flödet tillför att förhindra stockning i systemet och under sommaren används det för att kyla kompressorn. Avloppsröret från kompressorn ansluter sig till avloppsrören från hydraulaggregaten ( tvättpress 5 och 6) vilket medför svårigheter vid flödesbedömning av enskild förbrukare. Till cyklonen tillhörande O 2-blåstank används färskvatten och förbrukningen har flödesmätning, 35FI Blekeriet Blekeriskrubber använder färskvatten som sprayas över ångor från blekeriet. Detta flöde har uppmätts med portabel flödesmätare under normal drift till 14 m 3 /h och anses vara stabilt inom ± 1 m 3 /h. Till blekeriet används 4bars ånga till uppvärmning av bakvatten för att hålla önskvärd temperatur på massan vid det olika blekeristegen. Ånga värme växlas mot bakvatten och kondenseras ut till kondensat som sedan används till bland annat kappa-q analysatorn. I samband med detta gå en del av kondensatet igenom en värmeväxlare som kyler kondensatet med färskvatten. Förbrukningen av färskvatten har mätts med hink och klocka, flödet anses vara stabilt. 45

47 Avdelning Förbrukare Flöde (m 3 /h) Flöde (m 3 /d) Kokeriet Tätningsvatten -24st 63 liter/min (Enl.uppgifter) 3,8 91 Hydraulaggregat -2st (Antaget) 12,0 288 Gaskylare Producerar VV (Antaget) 12,0 288 Lutkylare 1156 (Flödesmätning) 75, Tvätt och Sileri Tätningsvatten -43st 80 liter/min (Enl.Uppgifter) 4,8 115 Hydraulaggregat -2st (Antaget) 12,0 288 Syrgasblekeri Tätningsvatten -24st 79 liter/min (Enl.Uppgifter) 4,7 113 Hydraulaggregat och O2-kompressor (Antaget) 13,0 312 FV till O2-Blåstank cyklon (Info) 40,0 960 Blekeriet Tätningsvatten -32st pumpar 88 liter/min (enl.uppgifter) 4,7 114 FV-till VVX (Antaget) 0,5 12 Bakspolningsfilter, 70 liter/sekvens 1ggr/timme vinter och konstant under vår/sommar. Sekvens ca 1 minut. Källa: HYDAC (enl.uppgifter) 0,1 2 Blekeriskrubber (Flödesmätning) 14,0 336 FV till Blekeristup och luttankar. (Ouppskattat) 0,0 0,0 Taggnr 35FI4074 FV till cyklon O2-blåstank Utöver dessa förbrukar används färskvatten för nivåhållning av stupen i blekeriet vid kritiskt låga nivåer. Orsak kan vara brist på VV/HV. 46

48 1.3 Pappersbruket Pappersbruket förbrukar ca 200 m 3 /h (4900 m 3 /d) och allt utom vattnet till spritsvattentornet går till fiberförandeavlopp som rent vatten. Färskvattenförbrukningen till spritsvattentornet är sporadiskt efter nivåhållning vid kritiskt låg nivå, online flödesmätare. Pappersbruket har ca 190 pumpar och antas förbruka 3 l/min tätningsvatten, ca 8 st vakuumpumpar med förbrukning 150 l/min. Hydraulaggregaten antas förbruka i snitt 79 m 3 /h och oljekylarna ca 3,6 m 3 /h. Dessa siffror är baserade på rapporten Pappersbrukets avlopp samt uppgifter från projekt kontoret. Avdelning Förbrukare Flöde (m 3 /h) Flöde (m 3 /d) Papersbruket Tätningsvatten -190st pumpar liter/min (Antaget) 35,1 842 Vaccumpumpar -8st 1200 liter/min (Antaget) 72, Oljekylare 60 liter/min (Antaget) 3,6 86 Hydraulaggregat -2st 655liter/min styck (Antaget) 78, FV till spritsvattentorn (Info) 15,0 360 Taggnr 50FIR2015 FV till spritsvattentorn 1.4 Torkmaskin 3 och Massahanteringen Avdelningen TM3 och Massahanteringen förbrukar färskvatten i storleksordningen 50 m 3 /h (1200 m 3 /d). Förbrukningen är till kylning och tätning av pumpar. Uppmätt med hink och klocka, 2st vacuumpumpar ca 150 l/min var och hydraulaggregaten ca 6 m 3 /h. Tätningsvattnet till resterande pumpar har beräknats efter antagen förbrukning på 3 l/min, ca 22 pumpar. Färskvatten används dessutom till kylning av hydrauloljan till ballpressen, uppmätt med portabel flödesmätare. Avdelning Förbrukare Flöde (m 3 /h) Flöde (m 3 /d) TM3, Massahanteringen Tätningsvattten (Antaget) 4 96 Hydraulaggregat -2st (Uppmätt) 12,0 288 Vaccumpumpar -2st (Uppmätt) 12,4 298 Balpress (Beräknat) hydraulaggregatkylning 16,

49 1.5 Barkpanna, Sodahus och Starkgaspanna Tätningsvattnet är uppskattat efter antalet pumpar och en förbrukning på 3 l/min per pump. Tillsammans är förbrukningen på dessa avsnitt ca 128 m 3 /h färskvatten som går till avlopp, ca 360 m 3 /h används till sodapannans skrubber, online flödesmätare. Förbrukningen av färskvatten till bottenblåsningen-bp och SO 2- skrubbern är ansatta av erfarenpersonal från bruket. Inkomande färskvatten till sodahuset har uppmätts med portabel flödesmätare och svänger runt 120 m 3 /h. I tabellen nedan i avdelning Sodapanna listas förbrukare med en uppskattad förbrukning, men den totala mängden är uppmätt. Avdelning Förbrukare Flöde (m 3 /h) Flöde (m 3 /d) Barkpanna Kylvatten (Antaget) 0,6 14 Båttenblåsning (Antaget) 3,0 72 Sodapanna Skrubbertvätt-Utblödning (Uppskattning) 19,0 456 Tätning (Uppskattning) 2,4 58 Löprännor (Uppskattning) 9,0 216 Oljekylaare (Uppskattning) 18,0 432 Div.Pumpar (Uppskattning) 5,4 131 Bottenblåsningen (Uppskattning) 30,0 720 MavaPumpar (Uppskattning) 24,0 576 Totalt uppmätt inkommande till förbrukare SodaHuset, Ovanstående är uppskatningar 120, Skrubber (Info) 360, Stargaspanna Tätningsvatten (Antaget) 0,6 14 Skrubbervatten (enl. uppgifter) 4,0 96 Taggnr 19FI1235 färskvatten till skrubbern 48

50 1.6 Syrgasberedningen Anläggningen syrgasberedningen ägs av Air Liquid och enligt Air Liquid förbrukas färskvatten till hydraulaggregat och en vacuumpump med förbrukningen l/min och 12 l/min respektive. Avdelning Förbrukare Flöde (m 3 /h) Flöde (m 3 /d) Syrgasberedningen Hydraulaggregat (enl. uppgifter) 4,8 115 Vacuumpump (enl. uppgifter) 0, Indunstningen Den enskilt största förbrukaren av färskvatten är kylningen av ytkondensatorerna i indunstningen med en medel förbrukning omkring 1000 m 3 /h online flödesmätning. Utöver denna förbrukning går det även tätningsvatten till ca 50 pumpar. Avdelning Förbrukare Flöde (m 3 /h) Flöde (m 3 /d) Indunstningen Kylvatten till ytkondensatorerna (Info) 1000, Tätningsvatten (Antaget) 6,0 144 Taggnr 36FC1020 FV till ytkondensatorerna 1.8 Mixeriet Förbrukningen av färskvatten till mixeriet har beräknats ligga kring 109 m 3 /h ( 2600 m 3 /d ). Mixeriet har ca 43 pumpar med inräknat omrörare, 2 st vacuumpumpar och 3 st bärrullar till mesaugnen. Förbrukningen till vacuumpumparna och bärrullarna är baserade på underlag från projektkontoret. Färskvattenförbrukningen till skrubbern och kompressorer mäts online. Avdelning Förbrukare Flöde (m 3 /h) Flöde (m 3 /d) Mixeriet Tätningsvatten -43st (antaget) 7,7 186 Vaccumpumpar -2st (antaget) Bärrullar -3st (enl. uppgifter) 27,0 648 Kompressorer (Info) 2,8 67 Skrubber (Info) 44, Taggnr 21FIC1159 FV till kompressor Taggnr 21FIC1155 FV till kompressor Taggnr23FIC3019 FV till MU-skrubber 1.9 Gas och kondensatbehandlingen Förbrukningen till gas och kondensatbehandlingen är uppskattat till ca 40 m 3 /h ( 950 m 3 /d ). Färskvatten används till mestadels för kylning/kondensering av terpentin, flödena är antagna och 49

51 baserade på tidigare gjorda balanser över sekundärvärmesystemet. Färskvattnet till vitlutsreaktorn mäts online. Avdelning Förbrukare Flöde (m 3 /h) Flöde (m 3 /d) Gas kondensatbehandling och Gaskylare Terpentin (Antaget) 5,0 120 Terpentin Kylare (Antaget) 5,0 120 Terpentin kondensor (Antaget) 28,0 672 Vitlutsreaktor (Info) 1,6 38 Taggnr 21FIC1181 FV till vitlutsreaktorn 1.10 Klordioxidberedningen Flödena i avdelningen klordioxidberedningen är uppdelat efter tätningsvatten till pumpar, kylning av hetvatten för syrgasförångning och svavelfilter. Tätningsvattnet är antaget, syrgasförångningen är beräknat utifrån flöde och temperatur. Färsvattenflödet till svavelfiltren är uppmätt med hink och klocka. Avdelning Förbrukare Flöde (m 3 /h) Flöde (m 3 /d) Klordioxidberednin gen Kylning primär-reaktor, till dagavloppet (Antaget) 1,0 24 O2-förgasningen (Beräknat/Antaget) 6,0 144 Svavel filtren (Flödesmätning) 3, Turbin Färskvatten till dump- och läckångkondensat mäts online, producerar hetvatten till hetvattentaken. Kylvattnet till värmeväxlaren mäts också online men detta vatten går till sanitärt avlopp. Färskvattnet till luftkompressorerna är uppmätt med flödesmätare och vattnet går till dagvattenavlopp efter värmeväxlaren. Avdelning Förbrukare Flöde (m 3 /h) Flöde (m 3 /d) Turbin Kylvatten till dump- och läckkondensator (Info) 10,0 240 Lufkompressor (Flödesmätning) 55, VVX-till kylslinga (Info) 40,

52 Taggnr 24FI1372 Kylvatten till dumpkondensatorn Taggnr 24FI1368 Kylvatten till läckångkondensatorn Taggnr 24FI1370 Kylvatten till värmeväxlare för kylslinga 1.12 Övrigt Till renseriet skickas hetvatten som är utspädd med färskvatten. Färskvatten mängden är beräknat på temperaturen på hetvattnet, färskvattnet och vattenblandningen i kombination med mängden vatten till renseriet. Varmvattentanken nivå och temperatur regleras med färskvatten. Med hjälp av flödesmätning med portabel flödesmätare och kontrollerad ventilöppning har en ventilberäknings gjorts vilket uppskattar flödet genom ventilen beroende på ventilöppning. Ventilkurvan presenteras i figur 1 nedan. Flödet färskvatten till svaggasskrubber mäts online medan färskvattnet till svaggaskondensorn är beräknad utifrån energin som gaserna avger över kondensorn. Genom energin och temperaturen in och ut på färskvattnet har flödet beräknats till storleksordningen 30 m 3 /h. Färskvatten till kemiskt renat vatten produktionen mäts online. Mängden vatten till brandvattensystemet har mätts med portableflödesmätare och jämförts med medel varvtal på brandvattenpumpen för uppskattning på medel förbrukning. En stor okänd faktor är ett kontinuerligt utsläpp av färskvatten vid pumpstationen på bruket. Avdelning Förbrukare Flöde (m 3 /h) Flöde (m 3 /d) Övrigt Inspädning av FV på HV ledning till renseriet (Beräknat) 30,0 720 Ställverk (enl. uppgifter) 0,0 0 Nivå/temperatur reglering VV-Tank (ventilberäkning) 150, Svaggasskrubber (Info) 80, Svaggaskondensor (Beräknat) 30,0 720 Till KRV produktionen (Info) 550, Kontinuerligt utsläpp vid pumpstationen (Antaget) 200, Brandvattenpump (Flödesmätning) 50, Taggnr 35FI1479 Färskvatten till värmeväxlare, svaggasskrubber Taggnr 40FI3004 Färskvatten till KRV produktion 51

53 Flöde (m3/h) FV till VV-Tank Ventilkurva y = 0,0503x 2 + 4,8996x - 12, Ventilöppning (%) Flöde per ventilöppning Poly. (Flöde per ventilöppning) Figur 17. Ventilberäkning över ventilen för nivå och temperatur reglering utav varmvattentanken. 52

54 1.13 Summering Tabell 10. Summering av alla färskvattenförbrukare, i m 3 /h och m 3 /d. Avdelning Förbrukare Flöde Flöde (m 3 /h) (m 3 /d) Matarvattenberedning Tätningsvatten 0,6 14,4 Kokeriet Tätningsvatten -24st 63 liter/min 3,8 91,2 Hydraulaggregat -2st 12,0 288,0 Gaskylare - Producerar VV 12,0 288,0 Lutkylare ,0 1800,0 Tvätt och Sileri Tätningsvatten -43st 80 liter/min 4,8 115,2 Tätningsvatten till Hydraulaggregat -2st 12,0 288,0 dagavlopp Syrgasblekeri Tätningsvatten -24st 79 liter/min 4,7 112,8 Tät- och kylvatten till Kondensatdumpning Dagavlopp Hydraulaggregat och O2-13,0 312,0 kompressor FV till O2-Blåstank cyklon 40,0 960,0 Blekeriet Tätningsvatten -32st pumpar 88 liter/min 4,7 113,8 FV-till VVX 1,0 24,0 Bakspolningsfilter, 70 liter/sekvens 0,1 1,7 1ggr/timme vinter och konstant under vår/sommar. Sekvens ca 1 minut. Källa: HYDAC Blekeriskrubber 14,0 336,0 FV till Blekeriet 0,0 0,0 Papersbruket Tätningsvatten -190st pumpar ,1 842,4 585 liter/min Vaccumpumpar -8st 1200 liter/min 72,0 1728,0 Oljekylare 3,6 liter/min 3,6 86,4 Hydraulaggregat -2st 655liter/min 78,6 1886,4 styck FV till spritsvattentorn 15,0 360,0 TM3, Massahanteringen Tätningsvattten 2,1 50,4 53

55 Hydraulaggregat -2st 12,0 288,0 Vaccumpumpar -2st 12,4 297,6 Tätningsvatten under maskin 2,0 48,0 Balpress hydraulaggregatkylning 15,6 375,0 Kylvatten 0,6 14,4 Barkpanna Båttenblåsning 3,0 72,0 Skrubber 360,0 8640,0 Sodapanna Skrubbertvätt-Utblödning 19,0 456,0 Tätning 2,4 57,6 Löprännor 9,0 216,0 Oljekylaare 18,0 432,0 Div.Pumpar 5,4 130,6 Bottenblåsningen 30,0 720,0 Totalt FV t Sodahuset 120,0 2880,0 Tätningsvatten 0,6 14,4 Stargaspanna Skrubbervatten 4,0 96,0 Syrgasberedningen Hydraulagg + Vaccumpump 4,8 115,2 9,0 Indunstningen Kylvatten till ytkondensatorerna 1000, ,0 Tätningsvatten 6,0 144,0 Mixeriet Tätningsvatten -43st 7,7 185,8 Vaccumpumpar -2st 27,6 662,4 Bärrullar -3st 27,0 648,0 Kompressorer 2,8 67,2 Svaglut 57,7 1385,4 Skrubber 44,0 1056,0 Gas och kondensatbehandling Gaskylare - Terpentin 5,0 120,0 Terpentin Kylare 5,0 120,0 Terpentin kondensor 28,0 672,0 Vitlutsreactor 1,6 38,4 Klordioxidberedningen Kylning primär-reaktor, till 1,0 24,0 dagavloppet! O2-förgasningen 6,0 144,0 Svavel filtren 3,0 72,0 54

56 Turbin Kylvatten till dump- och 10,0 240,0 läckkondensator Lufkompressor 55,0 1320,0 VVX-till kylslinga 40,0 960,0 Renseriet Inspädning av FV på HV ledning till renseriet 30,0 720,0 Övrigt Ställverk 0,0 0,0 Mavapump 24,0 576,0 Nivå/temperatur reglering VV-Tank 150,0 3600,0 Svaggasskrubber 80,0 1920,0 Svaggaskondensor 30,0 720,0 Summa FV till ovanstående 2560, ,6 positioner Till KRV produktionen 550, ,0 Kontinuerligt utsläpp vid 200,0 4800,0 pumpstationen Brandvattenpump 50,0 1200,0 Total vatten förbrukning! 3360, ,6 Enligt Info 3500, ,0 Fel/Avvikelse/Oförklarliga/Diverse/ 139,1 3340,4 Okända Avvikelse (%) 3,97 55

57 Tabell 11. Sammanställning av olika typer av flöden. m 3 /h m 3 /d Tätningsvatten Varav går till DAVA 9,5 228 Kylvatten Varav till DAVA 167, & Sanitärt Rent till damm 342, Production VV/HV Utan flödesmätning Med flödesmätning , ,

58 Bilaga 2: Simulering o ver hetvattentanken I följande bilaga gås simuleringen över hetvattentaken igenom med avsikt att ge inblick i simuleringens uppbyggnad och struktur utan diskussioner och kommentarer över resultatet. 1 Inledning Avdelningen runt hetvattentanken simulerades med avsikt att undersöka effekterna på hetvattentankens temperatur genom att byta ut den gamla värmeväxlaren 1156 mot en ny och större värmeväxlare. Två förslag på värmeväxlare togs in från RAMAB, en av dessa ansågs vara intressant och undersöktes därför med hjälp av simulering. I simuleringen har extra arbete lagts ned på avdelningarna 1156, 1147 och Blåsångkondensat (BÅK). Dessa avdelningar anses vara de viktigaste med tanke på deras bidrag/effekt på temperaturen i hetvattentaken. Nedan i Figur 18 visas en översiktsbild över simuleringen av hetvattentaken. I figuren visas varmvattentaken och hetvattentanken med de olika avdelningarna mellan sig, de blå boxarna. Utöver de viktigaste avdelningarna har sodapannans skrubber samt nödfyllning/kylning med färskvatten till varmvattentaken tagits med. Detta för att ge möjligheten att studera olika driftfall, t.ex. nivåbrist i varm- eller hetvattentaken. En genomgång av avdelningarna kommer längre fram i bilagan med avsikt att identifiera innehåll, styrkor och svagheter i modellen. Gemensamt för alla avdelningar är att dynamiken i den verkliga processen har försökts efterliknas med hjälp av rör och ventiler av rätt storlek och typ. Dynamiken har en stor betydelse i en sådan här simulering där fel dynamik kan ge stora avvikelser i temperaturer. Simuleringen är gjord för att efterlikna den verkliga processen vid tiden :40 och max tolv timmar framåt. Brister i simuleringen har varit att få fram data över tryckfall i rör och därmed har en gemensam koefficient använts. Problem har också uppstått med värmeväxlarna 3212 och 1156, då data har varit ofullständigt. T.ex. saknas kontinuerlig flödesmätning på bakvatten och varmvatten, samt kontinuerlig temperaturmätning på bakvattnet till Detta har get osäkerhet kring värmeväxlaren och dess resultat. För värmeväxlare 3212 saknas temperatur på bakvattnet in och den har därför mätts manuellt över en begränsad tid på två timmar. Mer ingående över processen för datainsamling gås igenom i respektive kapitel. Simuleringsprocessen har följt följande struktur: Uppbyggnad kalibrering/validering Simulering Analysering av resultat. Under första fasen byggdes största delen av simuleringen och insamling av data. Simuleringsbyggandet pågick under alla faser men av betydligt mindre karaktär, små justeringar och tillägg allteftersom. Kalibrering och validering av simuleringen var den största delen av simuleringen. I denna fas jämförs beteendet av simuleringen mot verkligheten och justeringar görs för att få ett godkänt resultat. Först kalibrerades värmeväxlarna var för sig genom att mata växlarna med fixt flöden och temperaturer in med analys på temperaturer ut. Detta för att få någorlunda rätt inställningar på värmeväxlarnas effekt. 57

59 Sedan kalibrerades avdelningarna var för sig genom att jämföra resultatet mot verkligheten på temperatur och flödeshastiget. Tillslut kalibreras alla avdelningar tillsammans genom analys av hetvattentankens temperatur. I simuleringsfasen byts 1156ans inställningar mot den nya värmeväxlarens inställningar. Simuleringen kördes, resultatet sparades och diskuterades i resultat fasen. Figur 18. Översikts bild över simuleringen, visar hur hetvattentaken är ihop kopplad med resterande objekt. 58

60 Vätsketemperatur 1.1 Manuella temperatur- och flödesmätningar Data materialet över värmeväxlare 3212 och 1156 var ofullständigt. För växlare 3212 saknades temperaturen på bakvattnet till växlaren och varmvattenflödet. För växlare 1156 saknades bägge flödena till växlaren samt bakvattentemperaturen till värmeväxlare. Genom att beräkna energiförlusten för bakvattnet över växlaren, vid försumbara värmeförluster, kan varmvattenflödet beräknas genom samma energiekvation. Det som saknas för denna beräkning är temperaturen på bakvattnet in. Eftersom det inte fanns möjlighet att mäta vätskanstemperatur direkt, loggades temperatur på röretsutsida, samt hetvatten och bakvatten efter värmeväxlaren. Då båda vätsketemperaturerna efter värmeväxlaren mäts kontinuerlig gavs möjligheten att ta fram en konverteringsfaktor mellan utsidan röretstemperatur och vätskanstemperatur. I figur 19 nedan presenteras temperatur profilen mellan vätskanstemperatur och utsidan röretstemperatur. Genom att plotta den lägsta temperaturen, mediantemperaturen och det hösta temperaturen för bägge rören och skapa trendlinje för punkterna fås en rät linjes ekvation mellan vätskan och röretytterstemperatur. Temperatur kalibrering ,00 65,00 y = 0,968x + 8, ,00 55,00 50,00 55,00 60,00 65,00 70,00 Temperatur utsidan röret Temperatur kalibrering Linjär (Temperatur kalibrering) Figur 19. Temperaturgraf över värmeväxlare För 1156 saknades både temperaturer och flöden till värmeväxlaren. Den saknade temperaturen behandlades på samma sätt som för värmeväxlare För att få tag på flödesinformation genom värmeväxlaren gjordes en ventilberäkning över styrventilen för varmvatten genom värmeväxlaren. Ventilberäkningen gjordes med hjälp av Neljes ventilberäkningsprogram och kontrollerades mot en punk, 100 % öppet vars flöde mättes med portabelflödesmätare. Med ventilkurvan beräknades flödet genom värmeväxlaren som sedan användes i simuleringen. 2 Kalibrering Vid kalibrering isolerades det aktuella avsnittet, varmvattenkällan byts ut från tank till tryckkälla med den verkliga varmvattentemperaturen över tidsperioden. Baksidan av värmeväxlarna, det vill säga kondensat, svartlut eller bakvattensidan är alla representerade som tryckkällor. Dessa tryckkällor ger sedan ut de verkliga uppmätta eller omberäknade flöden och temperaturer. Resultatet av simuleringen 59

61 jämförs efter temperatur efter värmeväxlaren på bägge sidor samt varmvattenflödet till växlaren, mot verkliga utfallet över avsnitten i fråga. Justeringar sker därefter. 2.1 Avdelning Blåsångkondensat Nedan i Figur 20 presenteras en översiktsbild över simuleringen av avdelningen BÅK. Simuleringen börjar med kondensatet, som i verkligheten kommer från en kondensattank, representeras som en flödeskälla. Flödet och temperaturen är direkt taget från verkligheten för den aktuella tidsperioden. Detta är en förenkling av verkligheten utan större svagheter då flödet och temperaturen är direkt taget från verkligheten. Kondensatet värme växlas mot varmvatten i en värmeväxlare istället för sju stycken. Styrningen över värmeväxlaren i verkligheten är nyligen omgjord, från styrning efter temperatur på kondensat från värmeväxlaren till temperatur på hetvattnet från värmeväxlare. Både kondensat och vattnet till och från värmeväxlaren temperatur mäts kontinuerligt. Styrningen i verkligheten är fördelat på pumpar och ventiler där simuleringen styr enbart en hetvattenventil. 60

62 Figur 20. Bild över avdelningen BÅK. 61

63 Nedan i Figur 21 presenteras resultatet av hetvattentemperaturen från BÅK värmeväxlaren efter slutförd kalibrering. I den översta figuren representerar den blåa linjen simulerade hetvattentemperaturen och den röda representerar den verkliga hetvattentemperaturen. Den nedre figuren presenterar differensen mellan hetvattentempraturen enligt, verkliga temperaturen simulerade temperaturen. Figur 21. I översta figuren presenteras två hetvattentemperaturen från BÅK värmeväxlaren, blåa linjen representerar den simulerade temperaturen och den röda är den verkliga temperaturen. I den nedre figuren presenteras differensen mellan verkliga och simulerade hetvattentemperaturen, blå representerar differensen C och den röda i procent. 62

64 Nedan i Figur 22 presenteras varmvattenflödet till BÅK värmeväxlaren, där den blåa linjen i översta figuren representerar simulerat flöde och den röda verkligt flöde. I den nedre figuren representeras differensen mellan verkliga flödet och det simulerade flödet med enheterna t/h blåa linjen och % den röda linjen. Figur 22. Översta figuren presenterar varmvattenflödet till BÅK värmeväxlaren där den blåa linjen representerar den simulerade varmvattenflödet och den röda presenterar det verkliga varmvattenflödet. Den nedre figuren presenterar differensen mellan verkliga och simulerade flödet, där den blåa linjen har enheten t/h och den röda är i %. 63

65 Nedan i Figur 23 presenteras resultatet av kondensattemperaturen från värmeväxlaren BÅK. I den över bilden presenteras simulerade kondensattemperaturen i blått och den verkliga i rött. Den nedre bilden presenterar differensen mellan den verkliga och den simulerade kondensattemperaturen, blått med enheten C och rött i %. Figur 23. Den översta bilden presenterar kondensattemperaturen från värmeväxlare BÅK, blå linjen representerar simulerad kondensattemperatur och den röda den verkliga kondensattemperaturen. Den nedre figuren presenterar differensen mellan verkligheten och simulerade kondensattemperaturen, den blåa linjen i enheten C och den röda i %. 64

66 2.2 Avdelning 1147 Till avdelning 1147 inräknas värmeväxlare 1147 och värmeväxlare 1226 som förvärmer MAVA med hetvattnet från Nedan i Figur 24 presenteras en översikts bild över avdelning Det första och stora objektet är värmeväxlaren 1147 som värmeväxlare svartlut med varmvatten. Flödet och temperaturen på svartluten och varmvattnet mäts kontinuerligt och används i simuleringen. Svartlutsflödet och temperaturen är direkt taget från verkligheten och implementerat i simuleringen som en flödeskälla. Värmeväxlaren 1226 är förenklad i simuleringen till en värmare/kylare där en konstant effekt på -8,7 MW vilket sänker hetvattentemperaturen från 91 C till 70 C. Figur 24. Bild över avdelning Styrningen över värmeväxlaren i verkligheten och simuleringen är efter svartlutens temperatur efter värmeväxlaren. Skillnaden mellan verkligheten och simuleringen är att i verkligheten öppnas en ventil 65

67 för färskvatten till värmeväxlaren 1147 när varmvattenventilen öppnar mer än 50 %. I simuleringen finns inte detta färskvattenpåstick utan en extra PID regulator som begränsar ventilen från att sänka ventilöppningen då hetvattentemperaturen börjar överstiga 95 C. I Figur 25 nedan presenterar hetvattentemperaturen, i översta bilden, från värmeväxlare 1147 där den blåa linjen representerar simulerade och den röda verkligheten. I den nedre bilden presenteras differensen mellan verkliga hetvattentemperaturen och den simulerade, enligt: verkliga temperaturen Simulerad temperatur. Figur 25. Den översta bilden presenterar hetvattentemperaturen från värmeväxlare 1147, blå linjen representerar simulerad hetvattentemperatur och den röda den verkliga hetvattentemperaturen. Den nedre figuren presenterar differensen mellan verkligheten och simulerade hetvattentemperaturen, den blåa linjen i enheten C och den röda i %. 66

68 Nedan i Figur 26 presenteras resultatet från värmeväxlare 1147 efter kalibrering. Den översta bilden presenterar varmvattenflödet, där den blåa är simulerat flöde och den röda är det verkliga flödet. Den nedre figuren presenterar differensen mellan det verkliga och den simulerade, den blåa linjen i enheten t/h och den röde i %. Figur 26. Den översta bilden presenterar varmvattenflödet till värmeväxlare 1147, blå linjen representerar simulerat flöde och den röda det verkliga flödet. Den nedre figuren presenterar differensen mellan verkligheten och simulerade varmvattenflöde, den blåa linjen i enheten t/h och den röda i %. 67

69 Nedan i Figur 27 presenteras svartlutstemperaturen från värmeväxlaren I den övre bilden visas simulerade temperaturen i blått och den verkliga i rött. Den nedre figuren presenteras differensen mellan temperaturerna, i blått med enheten C och % med rött. Figur 27. Den översta bilden presenterar svartlutstemperaturen från värmeväxlare 1147, blå linjen representerar simulerad svartlutstemperatur och den röda den verkliga svartlutstemperaturen. Den nedre figuren presenterar differensen mellan verkligheten och simulerade svartlutstemperaturen, den blåa linjen i enheten C och den röda i %. 68

70 2.3 Avdelning The Rest, Skrubber och Varmvattentank Detta är en avdelning som egentligen skall innehålla Trimmkondensor, partialkondensor och dumpoch läckångkondensator. Denna avdelning innehåller i simuleringen en värmare/kylare och används för att kalibrera hetvattentankens temperatur. I Figur 28 nedan visas en bild över avdelningen The Rest. Värmare/kylaren kyler med en konstant effekt vatten från varmvattentanken till hetvattentanken för att kalibrera hetvattentankens temperatur. En PID regulator är implementerad för att upprätthålla ett konstant flöde på 69

71 Figur 28. Bild över avdelning "The Rest". 70

72 Skrubbern är simulerad som en värmare där effekten justeras efter önskad temperatur på 63 C. Varmvattenflödet är simulerat som en tryckkälla efter verkligheten där varmvattnet pumpas till skrubbern med börvärde på 2 bar. Flödet därefter bestäms efter förbrukning. Skrubbervattnet är gjort så att det skall hålla nivå i varmvattentanken och hetvattentanken. Styrningen av detta system är ärvt från verkligheten, två PID regulatorer, en för varmvattentanken och en för hetvattentanken styr varsin ventil för påfyllning av skrubbervatten till tank. Hetvatten har förtur när det gäller skrubber vatten och regulatorn styr efter börvärde 85 % i nivå och med maximal ventilöppning 32 %. Styrningen över varmvattentanken är efter ett börvärde på 85 % nivå och maximal ventilöppning på 50 % om hetvattentankens ventil är stängd annars är begränsningen: 50 hetvattentankens ventilöppning i %. Figur 29. Bild över avdelning Skrubber. Varmvattentanken är taget med i simuleringen, vilket ger möjligheten att studera fler driftfall. En säkerhetsåtgärd som används vid varmvattentanken är en möjlighet att späda in kallt färskvatten till tanken om det råder nivåbrist. Denna åtgärd finns också kopplat till varmvattentankens temperatur, där färskvatten späds in för att hålla varmvattentemperaturen kring 45 C. 71

73 2.4 Avdelning 1156 I denna avdelning ingår värmeväxlare 3215, 3212 och Värmeväxlare 3215 är förenklad till att flödet varmvatten till värmeväxlaren är justerat till ett konstantflöde. Eftersom hetvattnet från värmeväxlare 3215 används direkt från värmeväxlaren till blekeriet, och därmed inte påverkar hetvattentanken, är denna förenklad på detta sätt. Nedan i Figur 30 visas en bild över avdelningen Figur 30. Bild över avdelning

74 Värmeväxlare 3212 och 1156 saknar temperaturmätning på bakvattnet till värmeväxlarna och därför har manuell temperaturmätning på utsidan rören gjorts, vilket beskrevs närmare i kapitel 1.1. För värmeväxlare 3212 har den omberäknade bakvattentemperaturen och flödet presenterats som flödekälla. Styrningen över värmeväxlaren är efter bakvattentemperaturen från växlare. Enligt verkligheten styrs bakvattentemperaturen efter önskvärd massatemperatur längre fram i processen. Nedan i Figur 31 presenteras hetvattentemperaturen från värmeväxlare 3212, i den över bilden representerar den blåa linjen den simulerade temperaturen och den röda verkliga temperaturen. I den undre bilden presenteras differensen mellan verkligheten och simuleringen, i blått med enheten C och rött i %. Figur 31. I den överbilden presenteras hetvattentemperaturen från värmeväxlare 3212, där den blåa linjen är den simulerade temperaturen och den röda är den verkliga. I den nedre figuren presenteras differensen mellan simulerade och verkliga temperaturen, där den blåa är med enheten C och den röda i %. 73

75 Nedan i Figur 32 nedan presenteras bakvattentemperaturen från 3212, där den blåa linjen i övrebilden representerar den simulerade temperaturen och den röda verkliga temperaturen. Den nedre bilden presenterar differensen mellan verkligheten och simuleringen, den blåa presentera i C och den röda i %. Figur 32. I den övrebilden presenteras bakvattentemperaturen från värmeväxlare 3212, där den blåa linjen representerar simulerad bakvattentemperatur och den röda representera verkligheten. I den nedre figuren presenteras differensen mellan verkligheten och den simulerade temperaturen i enheten den blåa linjen och i % den röda. 74

76 I Figur 33 nedan presenteras varmvattenflödet till värmeväxlare 3212 där den blåa linjen i övrebilden representerar simulerat flöde och det röda verkliga flödet. I den nedre bilden presenteras differensen mellan verkliga och det simulerade flödet, med enheten t/h i blått och % i rött. Figur 33. Den övre bilden presenterar varmvattenlödet till värmeväxlare 3212, där den blåe linjen representerar simulerat flödet och den röda är den verkliga temperaturen. Den nedre bilden presenterar differensen mellan verkligheten och simulerade varmvattenflöde, den blåe linjen med enheten t/h och den röde i %. 75

77 För värmeväxlare 1156 används den omberäknade bakvattentemperaturen och beräknade bakvattenflöde som en flödeskälla till värmeväxlare. Styrningen över värmeväxlaren är efter bakvattentemperaturen från växlare. Varmvattenröret till 1156 finns ett påstick med färskvatten som kyler ned varmvattentemperaturen före värmeväxlare för att säkra att bakvattentemperaturen sänks till önskat riktvärde. Detta färskvattenflöde har ingen styrning utan pumpen går med konstant effekt. Svårigheter med denna avdelning är den befintliga pump som nu är installerad i verkligheten, inte klara utav att försörja 1156 med varmvatten. Detta leder till att vid tillfällen, speciellt då värmeväxlaren är smutsig, står styrventilen konstant på max öppning. Detta leder till att ventilkurvan som tagits fram för styrventilen för 1156 har osäker tillförlitlighet. Risk finns att max uppmätta flödet på 575 t/h uppnås vid före ventilen öppnats 100 %. På grund av den icke tillförlitliga data på ingående flöde samt temperatur på bakvattnet, har två extra PID regulatorer installerats som vakter av temperatur och flöde varmvatten genom växlare. PID 1, är kopplad till varmvattenflödesmätare och justera övregränsen på PID 3. PID 2, är kopplad till hetvattentemperaturen efter växlaren och justerar undregränsen på PID 3. PID 3 styr varmvattentemperaturen genom växlaren, efter ett bör värde på bakvattentemperaturen genom att styra varmvattenflödet genom växlare. Dessa tillsammans styr då växlaren att hålla bakvattentemperaturen kring 65 C utan att låta hetvattentemperaturen skjuta i höjden samt undvika att varmvattenflödet överskrider verkliga maximala flödet. 76

78 Nedan i Figur 34 presenteras hetvattentemperaturen från värmeväxlare 1156, där den blåa linjen i övrebilden representerar simulerad temperatur och den röda representerar verkligheten. Den nedre bilden presenterar differensen mellan verkligheten och simulerade, där den blåa presenterar med enheten C och den röda i %. Figur 34. I den överbilden presenteras hetvattentemperaturen från värmeväxlare 1156, där den blåa linjen är den simulerade temperaturen och den röda är den verkliga. I den nedre figuren presenteras differensen mellan simulerade och verkliga temperaturen, där den blåa är med enheten C och den röda i %. 77

79 I Figur 35 nedan presenteras varmvattenflödet till värmeväxlare 1156, där den blåe linjen i den övrebilden representerar simulerat flöde och den röda det beräknat verkliga flödet. I den undre bilden visas differensen mellan de två flöden där den blåa presenterar med enheten t/h och den röde i %. Figur 35. Den övre bilden presenterar varmvattenlödet till värmeväxlare 1156, där den blåa linjen representerar simulerat flödet och den röda är den verkliga temperaturen. Den nedre bilden presenterar differensen mellan verkligheten och simulerade varmvattenflöde, den blåa linjen med enheten t/h och den röde i %. 78

80 Nedan i Figur 36 presenteras bakvattentemperaturen från värmeväxlare 1156 där den blåa linjen i den övrebilden representerar simulerad temperatur och den röde verkliga temperaturen. I den undre bilden presenterar differensen mellan de två temperaturerna där den blå linjen presenterar i enheten C och röda i %. Figur 36. I den övrebilden presenteras bakvattentemperaturen från värmeväxlare 1156, där den blåa linjen representerar simulerad bakvattentemperatur och den röda representera verkligheten. I den nedre figuren presenteras differensen mellan verkligheten och den simulerade temperaturen i enheten den blåa linjen och i % den röda. 79

81 2.5 Hetvattentanken Systemet runt hetvattentanken kalibrerades genom att ta simulera varmvattentanken som en tryckkälla med temperaturen från verkligheten över tidsperioden. Nedan i Figur 37 presenteras en bild kalibreringen av hetvattentanken. Figur 37. Bild över kalibreringen av hetvattentanken. Nedan i Figur 38 presenteras varm- och hetvattentankens temperatur. I Figur 39presenteras differensen mellan den simulerade hetvattentankens temperatur, där den blåa linjen presenterar differensen i enheten C och den röda i %. 80

82 Figur 38. I den övre bilden presenteras hetvattentemperaturen där den blåa linjen representerar den simulerade temperaturen och den röda visa verkligheten. I den nedre bilden presenteras varmvattentankens temperatur. 81

83 Figur 39. Grafen visar på differensen mellan simulerade hetvattentemperaturen och den verkliga. Den blåa linjen presenterar med enheten C och den röda i %. 82

84 3 Simulering Efter kalibreringen körs simuleringen med varmvattentanken och resultatet från den simuleringen sätts som bas för resultat analyser. För att få ett liknande temperaturmönster i varmvattentanken följer mesta delen av varmvattnet till tanken samma temperaturmönster som verkligheten under aktuell tidsperiod. Den nya värmeväxlaren är parametriserad att klara utav ett bakvattenflöde uppemot 1050 m 3 /h och kyla ned vätskan från 85 C till 65 C. För den kylkapaciteten krävs ett vattenflöde uppemot 630 m 3 /h med temperatur ökning från 45 C till 75 C. Nedan i figur 40 visas skillnaden i temperatur på den producerade hetvatten mellan gamla och den nya värmeväxlaren. Skillnaden i flöde mellan gamla och nya värmeväxlaren presenteras i figur 41, där den blåa linjen representerar den nuvarande växlaren och den röda linjen representerar den nya växlaren. Figur 40. Hetvattentemperatur efter värmeväxlare 1156, gamla i blått och nya i grönt. Figur 41. Flödesskillnad mellan gamla och nya 1156 värmeväxlare där den blåa linjen representerar den gamla växlaren och den röda representerar nya växlaren. Nedan i figur 42 presenteras det simulerade hetvattentankens temperatur med nuvarande och ny 1156 värmeväxlare. Resultatet av ny värmeväxlare jämförs mot simulerade hetvattentankens temperatur. 83

85 Figur 42. Simulerad hetvattentankens temperatur med nuvarande 1156 värmeväxlare och med nya värmeväxlaren. 84