Content uploaded by Harri Haukka
Author content
All content in this area was uploaded by Harri Haukka on Feb 09, 2022
Content may be subject to copyright.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Voimakattilalaitoksen
muuttuvien painojen
mittausjärjestelmän
kehittäminen
Insinöörityö – Banchelor’s Thesis (BSc)
Harri Petri Juhani Haukka
9-24-2003
POHJOIS-SAVON AMMATTIKORKEAKOULU- TEKNIIKKA, VARKAUS
Koulutusohjelma
Automaatio- ja tietotekniikka
Tekijä
Harri Petri Juhani Haukka
Työn nimi
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
Työn laji
Päättötyö
Päiväys
24.9.2003
Sivumäärä
49 + 12
Työn valvoja
Pekka Huotari
Työn ohjaaja
Pentti Lankinen
Yritys
Foster Wheeler Energia Oy
Tiivistelmä
Työn lähtökohtana oli se, ettei Foster Wheeler Energialla Oy:llä ollut tarkkaa tietoa muuttuvien kuor-
mien eli hiekan ja tuhkan sijoittumisesta kattilassa sen ollessa ajossa ja siitä, kuinka nämä kuormat
muuttuvat prosessimuuoksien mukana. Tarkka kuormien käyttäytymisen tunteminen auttaisi ennakoi-
maan muun muassa mahdollisia syklonin tukkeutumisia ja estäisi näin ollen parhaimmillaan jopa
kattilan alasajon.
Työn tavoitteena oli selvittää mahdolliset mittaustavat ja valita oikeat mittauskohdat muuttuvien kuor-
mien mittaamiseksi. Mittauksien perusteella haluttiin selvittää muuttuvien kuormien poikkeuksellinen
kertyminen kattilassa luotettavasti sekä laskea niiden aiheuttamat rasitukset kussakin mittauspisteessä.
Lisäksi haluttiin tutkia sitä, että voidaanko kuormien määrien perusteella ennustaa ja mahdollisesti
myös ennalta estää mahdollisten ongelmien kuten esimerkiksi syklonin tukkeutumisen syntyä.
Työssä tarvittava mittausjärjestelmä toteutettiin venymäluiskamittauksella, jonka pääperiaatteena oli
selvittää kattilaa kannattelevien primääripalkkien päissä olevien muuttuvien kuormien aiheuttamia
leik-kausjännityksien muutoksia tilanteesta, jossa kattila on tyhjillään. Mittausjärjestelmä koostui
kahdek-sasta ristikkäin asennetusta Microcell-anturista, jotka yhdessä muodostivat neljä eri
mittauspistettä kah-dessa palkissa. Kunkin mittauspisteen anturit kytkettiin datankeräyslaitteeseen,
josta mittaukset tallen-tuivat jatkokäsittelyä varten tietokoneelle.
Työn tuloksena syntyi mittausjärjestelmä, joka kertoi muuttuvien kuormien määrän neljässä valitussa
mittauspisteessä sekä kuormien kokonaismäärän kattilassa kohtuullisella tarkkuudella.
Avainsanat
Microcell, Voimalaitos, Voima-anturi
Luottamuksellisuus
POHJOIS-SAVO POLYTECHNIC - SCHOOL OF ENGINEERING, VARKAUS
Degree Programme
Automation and Information Technology
Author
Harri Petri Juhani Haukka
Title of study
Developing of the Variable Loads Tracking System for Power Plant
Type of project
Final Year Project
Date
24.9.2003
Pages
49 + 12
Supervisor of study
Pekka Huotari
Advisor of study
Pentti Lankinen
Company
Foster Wheeler Energia Oy
Abstract
The starting point for this final year project was the Foster Wheeler Energia´s lack of knowledge of
how the variable loads, like sand and ash, are located in boiler when it is in use and how these loads
behave compared to process changes. Knowing the accurate behaviour of the variable loads would
help to anticipate and prevent possible cyclone blockages and boiler shutdowns.
The main aim of this project was to clarify possible measuring ways, search the right measuring
points for measurements and carry out the measurements. One of the measurings objectives was to
clarify how the variable loads are located in the boiler and calculate the stress which they cause to
each measuring point. Also the prediction and possible prevention of the cyclone blokages was
targeted.
The needed measuring system was carried out by strain gauge measurement. The leading princible of
the measuring system was to clarify the shearing stress changes, caused by variable loads, in both
ends of each selected primary beam. Measuring system consisted of eight Microcell sensors which
formed four measuring points in two primary beam. Each Microcell sensor was connected to the
datalogger from where measurements stored to a portable computer.
As a result of this project, a measuring system that told the amount of the variable loads in four
measuring points and the total amount of the variable loads with quite good accuracy was formed.
Keywords
Microcell, Power Plant, Load Cell
Confidentiality
Sisällysluettelo
Alkusanat __________________________________________________ 3
1. Johdanto _________________________________________________ 1
1.1 Taustaa _________________________________________________________ 1
1.2 Työn tavoite _____________________________________________________ 1
2. Yritysesittely _____________________________________________ 2
2.1 Foster Wheeler Limited ___________________________________________ 2
2.2 Foster Wheeler Energia Oy ________________________________________ 3
2.2.1 Yrityksen historia ............................................................................................. 3
2.2.2 Foster Wheeler Energia Oy ja sen tytäryhtiöt .................................................. 4
2.2.3 Foster Wheeler Energia Oy:n tarjoamat tuotteet ja palvelut ............................ 4
2.2.4 Rakenteilla olevat laitokset vuonna 2003 ........................................................ 5
3. Leijukerrostekniikka ______________________________________ 6
3.1 Kattilalaitos _____________________________________________________ 6
3.2 Voimalaitos _____________________________________________________ 7
3.3 Leijukerrospoltto_________________________________________________ 8
3.4 Leijupetikattila _________________________________________________ 10
3.5 Kiertopetikattila ________________________________________________ 12
3.6 Muuttuvat ja muuttumattomat painot ______________________________ 14
4. Voimien ja painojen mittaus________________________________ 16
4.1 Voima-anturit __________________________________________________ 16
4.1.1 Venymäliuska-anturit ..................................................................................... 16
4.1.2 Pietsosähköiset anturit .................................................................................... 20
4.1.3 Induktiiviset anturit ........................................................................................ 21
4.2 Mittasillat ______________________________________________________ 21
4.4 Mitoitus _______________________________________________________ 23
5. Mittausjärjestelyt ________________________________________ 29
5.1 Valitut mittalaitteet ______________________________________________ 29
5.1.1 Microcell-anturi.............................................................................................. 29
5.1.2 STX-signaaliprosessori / virransyöttö ja Horbox-kytkentälaatikko ............... 31
5.1.3 Fluke -datalogger ja kannettava tietokone ..................................................... 32
5.2 Mitoitus kohteessa _______________________________________________ 33
5.3 Asennus kohteeseen ______________________________________________ 36
6. Mittaukset ______________________________________________ 39
6.1 Datan keräys ___________________________________________________ 39
6.2 Kuormien laskeminen ____________________________________________ 40
6.3 Kuormien määrät _______________________________________________ 41
6.4 Tulosten tulkinta ja vertailu vertailudataan__________________________ 42
7. Jatkokehitys _____________________________________________ 45
7.1 Kytkentä automaatiojärjestelmään _________________________________ 46
8. Yhteenveto ______________________________________________ 48
9. Lähteet _________________________________________________ 50
10. Liitteet ________________________________________________ 51
Alkusanat
Tämä insinöörityö tehtiin Foster Wheeler Energia Oy:n suunnitteluosastolle 9.1.2003-
25.7.2003 välisenä aikana. Työn valvojana toimi Pekka Huotari ja ohjaajana Pentti
Lankinen. Haluankin kiittää heitä avusta ja neuvoista, joita sain tätä insinöörityötä teh-
dessä.
Haluan kiittää myös kaikkia Foster Wheeler Energia Oy:n Varkauden ja Karhulan yksi-
köiden henkilöitä, jotka ovat myötävaikuttaneet työn tekemiseen. Erityiskiitokset mene-
vät Vesa Jokelaiselle, Kalevi Laineelle, Matti Pitkäselle, Jouni Tuonoselle, Hannu Kin-
nuselle ja Leena Pietiläiselle.
Lisäksi haluan kiittää seuraavia Foster Wheeler Energia Oy:n EC Chorzòw Elcho Sp.
zo.o -projektin henkilökuntaan kuuluvia: Harri Mikkolaa, Riku Parkkosta, Antti Mati-
kaista, Tore Ahlgrenia sekä Risto Kannistoa unohtamatta muutakaan henkilökuntaa.
Ilman heidän apuaan Puolassa työ ei olisi koskaan valmistunut.
Suuret kiitokset vielä koko Kouvo Automation Oy:n henkilökunnalle Microcell-
antureista ja neuvoista joita sain aina kun niitä tarvitsin.
Varkaudessa 24.9.2003
______________________
Harri Haukka
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
1
1. Johdanto
1.1 Taustaa
Energian tuotantoon käytettävissä höyrykattilalaitoksissa hiekan ja muun aineksen
osuus koko kattilan painosta on noin 25 prosenttia . Näin suuri osa kokonaispainosta
vaikuttaa kattilaan paitsi rasituksen muodossa, myös monella muulla tavalla ja hiekan
sijoittumisen tietäminen on kattilan toiminnan ja kehittämisen kannalta tärkeää.
Kattiloiden yksi ikävimmistä alasajoon, eli pysäyttämiseen, johtavista vioista on syklo-
niin kerääntyneen hiekan ja tuhkan aiheuttama tukos eli kakku. Kakun poisto on kallis
ja vaativa operaatio ja sen ennustaminen oli yksi tämän työn tekemisen syitä.
1.2 Työn tavoite
Insinöörityön tavoite oli suunnitella Foster Wheeler Energia Oy:lle mittaus- ja seuranta-
järjestelmä, jolla voitaisiin ennakoida mahdolliset syklonissa ja muualla kattilassa ta-
pahtuvat tukokset, ennen kuin joudutaan turvautumaan voimakattilan alasajoon. Tavoit-
teena oli lisäksi mittalaitteiden asennus ja koekäyttö jossain Foster Wheeler Energia
Oy:n rakenteilla olevassa voima- tai kattilalaitoksessa.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
2
2. Yritysesittely
Seuraavissa kappaleissa on esitelty Foster Wheeler Limited (ks. kuva 1) konsernin toi-
mialaa sekä sen tuottamia palveluja ja tuotteita niin Suomessa kuin muuallakin maail-
massa.
2.1 Foster Wheeler Limited
Kuva 1: Foster Wheeler Limitedin logo
Foster Wheeler Limited on monikansallinen teollisuuskonserni, joka aloitti toimintansa
Yhdysvalloissa vuonna 1884. New Yorkin pörssiin yhtiö listautui vuonna 1929 ja kon-
sernin pääkonttori sijaitsee nykyään Yhdysvalloissa, Clintonin kaupungissa, New Jer-
seyn osavaltiossa.
Foster Wheeler Limited toimittaa suunnittelupalveluja ja tuotteita energiantuotantoon
sekä sen lisäksi useille eri teollisuudenaloille kuten esimerkiksi öljy-, kaasu-, petroke-
mian-, lääke- ja kemianteollisuudelle. Konsernin tuottamia palveluja suunnittelun lisäk-
si ovat myös muun muassa rakennus- ja hankintapalvelut. Myös projektinhallinta, tut-
kimus, laitosten käyttöönotto ja ympäristöpalvelut kuuluvat konsernin tuottamiin palve-
luihin.
Konsernin liiketoiminta on jaettu kahteen toimialaryhmään:
1. Suunnittelu ja rakentaminen (Engineering and Construction), jonka tarjoamien tuot-
teiden ja palvelujen piiriin kuuluvat muun muassa:
• Öljy- ja kaasukenttien laitteet
• Öljynjalostamot
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
3
• Kemiantehtaat
• Petrokemian laitokset
• Lääketehtaat
• Teollisuuslaitokset.
2. Energia (Energy), jonka toimialaan kuuluvat:
• Voimalaitokset ja höyrykattilat apulaitteineen voimantuottajille ja te-
ollisuudelle.
Foster Wheeler Limitedin liikevaihto oli vuonna 2002 3,6 miljardia Yhdysvaltain dolla-
ria ja voitto satunnaiserien jälkeen 525 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria. Yhtiön palve-
luksessa työskenteli vuonna 2002 yli 10000 henkilöä (Foster Wheeler Energia Oy
2003a).
2.2 Foster Wheeler Energia Oy
2.2.1 Yrityksen historia
Yrityksen historia alkaa vuodesta 1851, jolloin Wahlin konepaja perustettiin Varkau-
teen. Yrityksen toimialaan kuuluivat tällöin höyrylaivat ja laivojen kattilat. Vuonna
1909 yhtiö siirtyi A. Ahlström Osakeyhtiön omistukseen, jolloin yhtiön pääasiallisiksi
tuotteiksi tulivat höyrykattilat teollisuuteen ja sähköntuotantoon. Vuonna 1995 yritys
myytiin Foster Wheeler Corporationille jolloin uuden yrityksen nimeksi tuli Foster
Wheeler Energia Oy. (Foster Wheeler 2003b).
Vuoden 2003 keväällä Foster Wheeler Limitedin Espanjan yksikön Foster Wheeler Ibe-
ria S.A.:n energia-liiketoiminta liitettiin osaksi Foster Wheeler Energia Oy:tä, jolloin
uudesta yhdistyneestä yhtiöstä ruvettiin käyttämään sisäisesti nimeä Foster Wheeler
Power Group Europe. Yhtiön nimi kaupparekisterissä ja markkinoinnissa säilyi kuiten-
kin Foster Wheeler Energia Oy:nä.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
4
2.2.2 Foster Wheeler Energia Oy ja sen tytäryhtiöt
Foster Wheeler Energian pääkonttori sijaitsee Suomessa Helsingin Haagassa. Henkilös-
töstä suurin osa työskentelee kuitenkin Varkaudessa, jossa sijaitsee yhtiön Suomen
suunnittelu- ja tuotantoyksikkö. Yhtiön tuotekehitys ja tutkimustoiminta on keskittynyt
Karhulaan. Yhtiöllä on tytäryhtiöitä Ruotsissa, Saksassa, Espanjassa, Thaimaassa, Indo-
nesiassa ja Puolassa, jossa yhtiöllä on myös tuotantotoimintaa. Päämarkkina-alueena
yhtiöllä on Eurooppa ja Aasia.
Foster Wheeler Energia Oy:n ja sen tytäryhtiöiden palveluksessa on yhteensä noin 1300
henkilöä kahdeksassa eri maassa. Näistä noin 600 työskentelee Suomessa. Yhtiön vuo-
tuinen myynti on noin 450 miljoona euroa ja nettotulos noin 15 miljoonaa euroa (Foster
Wheeler Energia Oy 2002).
2.2.3 Foster Wheeler Energia Oy:n tarjoamat tuotteet ja palvelut
Foster Wheeler Energia Oy on erikoistunut voimalaitosten kokonaistoimitus-
projekteihin, kattilateknologiaan ja niihin liittyviin kunnossapito- sekä huoltopalvelui-
hin. Muita Foster Wheeler Energia Oy:n tarjoamia tuotteita ja palveluja ovat muun mu-
assa:
• Kaasuttimet
• Jätelämpökattilat
• Lämmöntalteenottokattilat
• Kattiloiden modernisointi.
Yhtiön erityinen osaamisalue on leijukerrosteknologia, jonka saralla yhtiö on ollut vuo-
sia edelläkävijä. Ensimmäiset leijupetikattilat yhtiö valmisti jo 1960- luvulla ja ensim-
mäiset CFB- eli kiertopetikattilat 1970- luvun lopulla.
Foster Wheeler Energia Oy ja muut emokonserniin kuuluvat yritykset ovat toimittaneet
asiakkaille jo yli 300 leijukerrosteknologiaan pohjautuvaa voima- tai kattilalaitosta.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
5
Näistä laitoksista yli 200 on kiertopetikattiloita, joiden myynnistä Foster Wheeler Ener-
gia Oy:llä on lähes 50 prosentin markkinaosuus (ks. kuva 2) maailmanmarkkinoilla.
Kuva 2: CFB-laitokset maailmanlaajuisesti ja niiden toimittajat (Foster Wheeler Energia Oy
2003b).
Suurimmat Foster Wheeler Energia Oy:n toimittamat kiertopetikattilat ovat 600 MWe:n
luokkaa.
2.2.4 Rakenteilla olevat laitokset vuonna 2003
Vuoden 2003 alussa Foster Wheeler Energia Oy:llä oli rakenteilla yhteensä 23 laitosta
11 eri maassa. Rakenteilla olevista laitoksista suurin osa sijaitsee Euroopassa, Saksassa
kolme, Puolassa ja Irlannissa kummassakin kaksi. Myös Lähi-idässä Iranissa ja Saudi-
Arabiassa on Foster Wheeler Energia Oy:n Espanjan tytäryhtiön toimesta rakenteilla
yhteensä kuusi voimalaitosta. Yksittäisiä rakenteilla olevia laitoksia löytyy muun muas-
sa Ruotsista, Venäjältä ja Japanista.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
6
3. Leijukerrostekniikka
3.1 Kattilalaitos
Kattilalaitoksen tehtävänä on tuottaa energiaa sähkön ja lämmön tuotantoon. Tarvittava
energia tuotetaan lämmittämällä eli tulistamalla vettä höyryksi voimalaitoskattilassa.
Voimalaitoskattilat ovat nykyisin pääasiassa vesiputkikattiloita, jotka voidaan jakaa
vedenkierron perusteella luonnonkiertokattiloihin, pakkokiertokattiloihin ja läpivirtaus-
kattiloihin (Huhtinen, Kettunen, Nurminen & Pakkanen 1994, s. 111-113).
Voimalaitostyypit eroavat toisistaan siten, että luonnonkiertokattilassa vesi kiertää katti-
lan sisällä veden ja höyryn tiheyseron vaikutuksesta. Kuuma höyry johdetaan lieriöstä
tulistimen kautta turbiinille ja höyrystymätön vesi takaisin kiertoon. Läpivirtaus- ja
pakkokiertokattiloissa vesi syötetään pumpulla kattilassa oleviin putkiin ja kuumentunut
vesihöyry edelleen turbiinille. Läpivirtauskattilan voidaankin ajatella olevan pitkä put-
ki, jonka toisesta päästä vesi syötetään sisään ja jonka toisesta päästä se tulee ulos kuu-
mana, tulistuneena, höyrynä.
Kattilan rakenne riippuu hyvin paljon siitä, mitä polttoainetta siinä käytetään. Kiinteää
polttoainetta käyttävät kattilat vaativat suuremman tulipesän kuin neste- ja kaasumaisia
polttoaineita käyttävät kattilat. Tämä siksi, että kiinteät polttoaineet vaativat suuremman
viipymisajan tulipesässä täydellisen palamistuloksen aikaansaamiseksi.
Kattilalaitos koostuu:
• Polttoaineen kuljetus- ja käsittelylaitteista ennen polttoa
• Palamisilman tuonnista kattilaan
• Savukaasujen puhdistuksesta ja poistosta kattilasta
• Tulipesästä sekä sen eristyksistä ja muurauksista
• Vesihöyryputkistosta
• Automatiikasta, joka ohjaa kattilan toimintaa.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
7
Yleisesti voidaankin sanoa, että kattilalaitos on kaikki mitä kattilarakennus sisällään
pitää.
3.2 Voimalaitos
Teollisuudessa vallitsevina voimalaitostyyppeinä ovat vastapainevoimalaitos ja lauhdu-
tusvoimalaitos. Kummankin laitostyypin toiminta perustuu veden ja vesihöyryn kierto-
prosessiin eli paineistettu syöttövesi syötetään höyrykattilaan josta taas tulistettu vesi-
höyry johdetaan turbiinilaitoksen turbiineihin. Turbiinissa osa höyryn lämpöenergiasta
muutetaan turbiinia pyörittäväksi mekaaniseksi energiaksi. Turbiini taas pyörittää gene-
raattoria, jolla mekaaninen energia muuttuu sähköenergiaksi. Loppu lämpimästä höy-
rystä voidaan johtaa muihin kulutuskohteisiin kuten esimerkiksi lämmitykseen.
Voimalaitos koostuu tyypillisesti (ks. kuva 3):
• Kattilaitoksesta
• Turbiinilaitoksesta (turbiini ja generaattori)
• Veden- ja lauhteen käsittelylaitoksesta sekä ilmajärjestelmästä
• Sähköistyksestä, automaatiosta ja teräsrakenteista.
Kuva 3: Voimalaitoksen koostumus (Foster Wheeler Energia Oy 2003a).
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
8
Edellisten lisäksi joidenkin laitosten yhteydessä voi olla kaukolämpölaitos tai muu höy-
ryllä toimiva laitos.
3.3 Leijukerrospoltto
Useimmat nykyajan kiinteän polttoaineen höyrykattilat perustuvat leijukerrospolttoon.
Leijukerrospolton suosioon ja kehitykseen ovat vaikuttaneet monet seikat, mutta suu-
rimpina suosion syinä ovat polttotavan ympäristöystävällisyys ja mahdollisuus käyttää
kosteita tai muuten heikkolaatuisia polttoaineita.
Ympäristöystävällisen leijukerrospoltosta tekee se, että käytettävä palamislämpötila,
jota käytetään on alhainen, suurimmillaankin vain noin 1000 C. Tämä johtaa siihen,
että polttoprosessissa syntyy hyvin vähän typen oksideja. Myös savukaasujen rikkipääs-
töt voidaan minimoida käyttämällä patjamateriaalina rikkidioksidia sitovia aineita kuten
esimerkiksi dolomiittia tai lisäämällä polttoaineen joukkoon kalkkia. Tulipesässä kalkki
reagoi rikin kanssa muodostaen kipsiä, joka taas voidaan poistaa hiekan vaihdon yhtey-
dessä (Huhtinen, Kettunen, Nurminen & Pakkanen 1994, s.153-163).
Leijukerrospoltossa polttoaine palaa niin sanotussa inertissä, palamattomasta materiaa-
lista koostuvassa materiaalissa. Inerttinä leijumateriaalina käytetään joko polttoaineen
omaa tuhkaa, hiekkaa, jonka raekoko on kattilasta riippuen määritelty tai muuta rae-
maista materiaalia. Tämä hiekan muodostama patja toimii samalla arinana, joka ei pääse
tukkeutumaan. Polttoaine syötetään suoraan patjamateriaalin joukkoon, jossa sen pala-
minen tapahtuu suhteellisen matalassa, noin 800-1000 C lämpötilassa. (Hellgren,
Heikkinen & Suomalainen 1997, s. 63).
Leijukerrospoltossa hiekkapatjaa puhalletaan voimakkaasti alhaaltapäin. Tästä alhaalta
päin puhallettavasta ilmasta käytetään yleisesti nimitystä primääri-ilma. Kun alhaalta-
päin tuleva puhallusilman nopeus on noussut tarpeeksi korkeaksi, rupeaa hiekkapatja
leijumaan ja käyttäytymään kiehuvan veden lailla (ks. kuva 4). Tästä leijuvasta patjasta
käytetään yleisesti nimitystä kupliva leijukerros tai leijupeti ja nopeudesta, joka aiheut-
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
9
taa patjan leijumisen, minimileijutusnopeus. Minimileijutusnopeus riippuu siitä kuinka
suuri hiukkaskoko hiekalla on.
Lisättäessä primääri-ilman puhallusnopeutta edelleen minimileijutusnopeudesta, alkavat
kiintoainepartikkelit kulkemaan leijutusväliaineen, joka yleensä on ilma, mukana. Tästä
leijutustilasta käytetään nimitystä kiertävä leijukerros ja se edustaa toista leijukerros-
polttotapaa.
Kiertävässä leijukerrospoltossa (ks. kuva 4) kiintoainepartikkelit kulkeutuvat tulipesän
yläosaan jossa ne erotellaan savukaasuista niin sanotussa syklonissa. Syklonista kiinto-
ainepartikkelit valuvat takaisin alas tulipesään ja uudelleen kiertoon (Perttula 2000, s.
177).
Leijukerrosreaktori voi olla toiminnaltaan joko paineistamaton tai paineistettu. Paineis-
tamattomassa leijukerrospoltossa käytetään vettä tai höyryä tuottamaan tarvittava ener-
gia turbiinin pyörittämiseen. Paineistettu leijukerrospoltto taasen perustuu paineenalais-
ten savukaasujen johtamiseen kaasuturbiiniin (Hellgren, Heikkinen & Suomalainen
1997, s. 63). Foster Wheeler Energia Oy:n valmistamat leijukerrosreaktorit toimivat
pääpiirteittäin paineistamattoman leijukerrospolton periaatteella.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
10
Kuva 4: Leijukerrospolttoreaktorit (Foster Wheeler Energia Oy 2003c).
3.4 Leijupetikattila
Leijupetikattilassa käytettävän hiekan keskiraekoko on noin 1-3mm ja leijutusnopeutena
käytetään noin 0,7-2 m/s. Hiekkakerroksen korkeus reaktorissa on puolesta metristä
lähes metriin (Huhtinen, Kettunen, Nurminen & Pakkanen 1994, s. 153-163).
Polttoaineensyöttö leijupetikattilassa on mekaaninen. Polttoainesiilon alapuolella on
kuljetin, jonka päälle polttoaine laitetaan. Kuljettimesta polttoaine menee sulkuventtii-
lien kautta pudotusputkeen ja putoaa petin päälle (ks. kuva 5). Syöttöputkia on kattilassa
yleensä useita, jotta polttoaine jakautuisi tasaisesti koko petin päälle. Näin saadaan ai-
kaan paras ja tasainen polttoaineen palamistulos.
Koska petillä on suuri lämpökapasiteetti, soveltuu se hyvin kosteiden ja huonolaatuisten
polttoaineiden polttoon. Kuuman hiekkaan sekoittuva polttoaine kuivaa erittäin nopeasti
ja sen vuoksi erillistä kuivausta ennen tulipesää ei tarvita. Suuri lämpökapasiteetti tasaa
hyvin tehokkaasti myös polttoaineen laatuheilahteluja.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
11
Ennen kuin pääpolttoainetta voidaan laittaa kattilaan, on peti lämmitettävä tarpeeksi
korkeaan lämpötilaan jotta polttoaine saadaan syttymään turvallisesti. Yleensä tämä
lämpötilataso on luokkaa 500-600C (Huhtinen, Kettunen, Nurminen & Pakkanen 1994,
s. 153-163). Alkulämmitys toteutetaan kattilaan sijoitetuilla öljy- tai kaasukäyttöisillä
sytytyspolttimilla.
Tulipesä ja sen alaosan putket vuorataan erityisellä tulenkestävällä massalla. Massan
tarkoituksena on estää putkia lämmön ja hiekan aiheuttamalta kulumiselta sekä suojata
niitä ylikuumenemiselta. Pohjana tulipesässä on suuttimista koostuva ilmanjakoarina.
Myös arina vuorataan tulenkestävällä massalla.
Tuhkanpoisto on toteutettu päästämällä kattilasta välillä tietty määrä hiekkaa pois. Tämä
poistettu hiekka seulotaan mahdollisesta kuonasta ja palautetaan takaisin kattilaan, petil-
le. Kaikkein hienojakoisin tuhka ja hiekka poistuu kattilasta savukaasujen mukana. Jos
polttoaineena käytetään vähätuhkaista polttoainetta, on kattilaan lisättävä aika ajoin
hiekkaa korvaamaan jauhautunut aines.
Petin lämpötila on pidettävä tarpeeksi alhaisena jottei polttoaineen tuhka pääse sula-
maan tai edes pehmenemään. Jos näin pääsee käymään, hiekka sintraantuu (Huhtinen,
Kettunen, Nurminen & Pakkanen 1994, s. 153-163). Hiekan sintraantuminen on siinä
mielessä ikävää, että sen poistaminen kattilasta merkitsee poikkeuksetta kattilan alas-
ajoa. Alasajoa halutaan välttää, koska se on kallista ja uudelleen ylösajo vie aikaa. Tä-
män vuoksi petin lämpötila pidetään noin 100C tuhkan pehmenemispisteen alapuolella.
Leijupetikattilan tarvitsema palamisilma saadaan osittain leijutusilmasta. Yleensä tarvi-
taan kuitenkin lisäilmaa, joka toteutetaan tuomalla palamisilmaa petin päälle sijoitetuilla
sekundääri-ilmasuuttimilla.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
12
Kuva 5: Leijupetikattilan periaatekuva (Foster Wheeler Energia Oy 2003d).
3.5 Kiertopetikattila
Leijutusnopeutena kiertopetikattilassa käytetään 3-10 m/s ja hiekan raekokona 0,1-0,5
mm. Kiertopetissä, toisin kuin leijupetissä, ei ole selvästi erottuvaa pintaa, vaan petin
tiheys pienenee korkeuden mukana (Huhtinen, Kettunen, Nurminen & Pakkanen 1994,
s. 153-163).
Kiertopetikattilan erikoisominaisuus leijupetikattilaan verrattuna on se, että siinä hiek-
kapartikkelit lähtevät lentoon primääri-ilman vaikutuksesta. Tämä, minimileijutusno-
peutta korkeampi, leijutusnopeus aikaan saa kattilalle ominaisen voimakkaan pyörtei-
syyden ja hiukkasten hyvän sekoittumisen.
Kiertopetikattilan pääosat (ks. kuva 6) ovat tulipesä ja siihen liitetty sykloni, jonka teh-
tävänä on palauttaa kiertävä petimateriaali ja palamaton polttoaine takaisin tulipesään ja
näin uudelleen polttoon. Tällä tavoin saadaan polttoaineelle tarpeeksi pitkä palamisaika
ja sen vuoksi myös hyvä palamishyötysuhde. Suurimmissa kattiloissa sykloneja voi olla
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
13
useitakin. Syklonin jatkeena savukaasukanavassa ovat suurin osa tulistimista sekä ve-
den- ja ilmanesilämmittimet.
Polttoaineen syöttö on toteutettu syöttämällä polttoaine joko etuseinän kautta tai sekoit-
tamalla se syklonista palautuvan hiekan yms. joukkoon joista jälkimmäinen onkin ylei-
sin tapa. Jos polttoaineen syöttöä ei saada syklonin kautta tasaiseksi, voidaan osa poltto-
aineesta syöttää etuseinän kautta. Savukaasujen pääsy alakautta sykloniin on estetty
rakentamalla syklonin alle polvi. Polveen sijoitetuilla ilmasuuttimilla johdetaan pai-
neilmaa polven eri kohtiin jonka vaikutuksesta hiekka siirtyy tulipesään johtavaan las-
kuputkeen ja takaisin kiertoon (Huhtinen, Kettunen, Nurminen & Pakkanen 1994, s.
153-163).
Ajan myötä kattilaan polttoaineen mukana tulleet kivet ja palanut tuhka on poistettava
jotta kattilan toiminta ei häiriintyisi. Poisto tapahtuu viemällä kuona arinan läpi kuo-
nankuljettimelle. Jotta hiekan kulutus ei kasvaisi, voidaan poistetusta petimateriaalista
seuloa käyttökelpoinen hiekka pois ja palauttaa takaisin kattilaan. Kaikkein hienojakoi-
simmat kiintoainepartikkelit poistuvat savukaasujen mukana, kun ne eivät enää erotu
syklonissa savukaasuista.
Aivan kuten leijupetikattilassakin, tuodaan palamisilma kattilaan primääri- ja sekundää-
ri-ilmana. Primääri-ilma tuodaan pohjasuuttimien avulla ja sekundääri-ilma muutaman
metrin petin yläpuolelle. Myös käynnistystä ja ylösajoa varten kattila on varustettu sa-
manlaisilla käynnistyspolttimilla kuin leijupetikattila.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
14
Kuva 6: CFB- eli kiertopetikattilan periaatekuva (Foster Wheeler Energia 2003d).
3.6 Muuttuvat ja muuttumattomat painot
Kattilan aiheuttama kuorma voidaan jakaa kahteen eri kategoriaan:
1. Muuttuvat painot (muuttuvat kuormat), jonka muodostavat:
• Tulipesässä oleva hiekka
• Kierrossa oleva ja tulipintoihin tarttunut tuhka.
2. Muuttumattomat painot (pysyvät kuormat), johon kuuluvat taasen:
• Kattilan teräsrakenne
• Putkistoissa oleva vesi
• Muuraus
• Eristys.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
15
Muuttuvien painojen osuus vaihtelee kattiloittain, mutta yleensä niiden osuus koko kat-
tilan koko painosta on noin 25 prosentin luokkaa. Esimerkiksi eräässä vuonna 2003
Foster Wheeler Energia Oy:n toimittamassa, massaltaan noin 4660 tonnin kattilassa, on
muuttuvien kuormien osuus maksimissaan reilut 1130 tonnia.
Suurimman kuorman muuttuvat painot kohdistavat, arinan ohella, kattilaa kannattele-
viin rakenteisiin. Kattilan primääripalkit kannattelevat kattilan ohella myös lähes kaiken
muuttuvan painon.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
16
4. Voimien ja painojen mittaus
Nykyään kaikissa teollisuusrakennuksissa ja -laitoksissa käytetään teräspalkkeja ja mui-
ta rakenteita, jotka joutuvat erilaisten voimien rasittamaksi ja sen vuoksi taipuvat tai
muuttavat muotoaan enemmän tai vähemmän. Kun ulkoneva palkki taipuu alaspäin, sen
yläpinta pitenee ja vastaavasti alapinta lyhenee. Tätä ja muita rakenteissa tapahtuvia
muodonmuutoksia hyväksi käyttäen voidaan mitata rakenteissa vaikuttavia voimia ja
painoja.
4.1 Voima-anturit
Mitattaessa voimia käytetään niin sanottuja voima-antureita (eng. load cells). Voima-
antureita on kolmea eri tyyppiä:
• Venymäliuska-antureita
• Pietsosähköisiä antureita ja
• Induktiivisia antureita.
Näistä venymäliuska- ja induktiivisia antureita käytetään yleensä sekä staattisten että
myös dynaamisten voimien mittaamiseen. Pietsosähköiset anturit soveltuvat taas lähin-
nä vain dynaamisten kuormien mittaukseen.
4.1.1 Venymäliuska-anturit
Venymäliuskat (eng. Strain Gauge) ovat sähköisiä vastuksia, joiden toiminta perustuu
elastisen muodonmuutoksen aiheuttamaan vastuksen resistanssin muutokseen. Venymä-
liuskojen tyypillisiä vastusarvoja ovat 120, 300, 350 ja 600 ohmia (Fonselius & kump.
1988, s. 141). Vastuselementtinä liuskoissa on joko ohut metallilanka, metallikalvo tai
puolijohde.
Metallilangasta tehty venymäliuskassa ohut vastuslanka muotoillaan polveilevaksi lius-
kan resistanssin ja herkkyyden kasvattamiseksi. Metallilankaliuskojen pituudet voivat
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
17
vaihdella muutamasta millimetristä noin pariin senttimetriin (ks. kuva 7). Lankaveny-
mäliuskat ovat stabiileja ja sopivat erittäin hyvin voimakkaiden dynaamisten kuormien
mittaamiseen. (Metalliteollisuuden keskusliitto 1986, s. 58).
Kuva 7: Lankavenymäliuskan rakenne (Metalliteollisuuden keskusliitto 1986, s. 59).
Käytetyimpiä venymäliuskoja ovat metallikalvot, jotka valmistetaan etsaamalla eli syö-
vyttämällä. Tämä tapahtuu siten, että muutaman mikrometrin paksuinen valssattu metal-
linen kalvo päällystetään valoherkällä aineella, jota sitten valotetaan maskin läpi. Halut-
tu johdin kuvio saadaan syövyttämällä valottuneet kohdat pois. Liuskat voidaan sitten
kiinnittää halutulle alustalle kuten esimerkiksi muoville, lasille tai keraamiselle alustalle
(ks. kuva 8).
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
18
Kuva 8: Etsaamalla valmistettuja venymäliuskoja (Metalliteollisuuden keskusliitto 1986, s. 59).
Myös puolijohteita käytetään venymäliuskojen valmistuksessa. Puolijohteiden ominais-
vastuksen pienuudesta johtuen voidaan liuskan rakenne tehdä yksinkertaisemmaksi kuin
edellä mainituissa tavoissa. Puolijohteet ovat myös herkempiä, kuin lanka- ja metalli-
kalvoliuskat, mutta niiden haittana on herkkyys lämpötilan vaihteluille ja huonohko
lineaarisuus.
Venymäliuskojen kiinnityksessä suositaan yleensä liimaamista, koska se on helppoa ja
vaivatonta. Joissakin tapauksissa joudutaan kuitenkin turvautumaan hitsattaviin liuskoi-
hin. Varsinkin paikoissa, joissa liimojen käyttö on kielletty tai niiden käyttö on muuten
mahdotonta, joudutaan usein turvautumaan hitsattaviin liuskoihin.
Venymäliuskaan perustuvia voima-antureita ovat muun muassa sauva-, rengas- ja palk-
kianturit. Sauva-anturi on metallisauva joka vetorasituksen voimasta ohenee ja pitenee.
Puristavan rasituksen voimasta se vastaavasti paksunee ja lyhenee (ks. kuva 9). Mo-
lemmissa tapauksissa anturin resistanssi muuttuu ja tästä muutoksesta saadaan sitten
mitattua sauvaan vaikuttavat voimat.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
19
Kuva 9: Sauva-anturi (Luotsinen, 1983, s. 52).
Rengasanturi on ympyränmuotoinen anturi jonka sisä- ja ulkopinnalle on liimattu ve-
nymäliuskoja (ks. kuva 10).
Kuva 10: Rengasanturin rakenne (Fonselius & kump. 1988, s. 145).
Voiman vaikutuksesta, tämä levossa ympyränmuotoinen anturi muuttuu soikeaksi.
Muodonmuutoksen johdosta renkaan sisäpinta venyy ja ulkopinta kutistuu. Samalla
pinnoilla olevien liuskojen resistanssit muuttuvat (ks. kuva 11).
Kuva 11: Rengasanturin toiminta (Luotsinen, 1983,s. 52)
Palkkimaiset anturit voivat olla rakenteeltaan joko taivutus- tai leikkausvoiman mittaa-
miseen perustuvia. Taivutusvoiman perustuvassa anturissa liuskat kiinnitetään palkin
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
20
ylä- ja alapinnoille. Kun palkkiin kohdistuu rasitusta, palkin toinen pinta venyy ja toi-
nen kutistuu (ks. kuva 12). Rakenne vaatii kuitenkin sen, että rasittavan voiman tulee
vaikuttaa tarkasti niin sanottuun kuormituspisteeseen josta mittaus tehdään. Liuskojen
resistanssin muutoksesta saadaan selville rasittava voima. Palkkianturia voidaan käyttää
myös leikkausjännityksen mittaamiseen asentamalla liuskat ristikkäin 45 asteen kulmiin
molemmille puolille palkkia (Luotsinen 1983, s. 53). Tämänlainen liuskojen sijoittelu
eliminoi myös ei-toivotut taivutusjännitykset pois joten kuormituksen siirtyminen
kuormituspisteestä ei vaikuta mittaukseen.
Kuva 12: Taivutuspalkkianturi (Luotsinen, 1983,s. 52)
4.1.2 Pietsosähköiset anturit
Pietsosähköistä anturia käytetään dynaamisten voimien mittaamiseen ja sen toimintape-
riaate on yksinkertainen. Kun pietsosähköistä kidettä puristetaan, syntyy siihen purista-
vaa voimaan verrannollinen sähkövaraus, joka voidaan muuttaa jännitteeksi varausvah-
vistimella (ks. kuva 13). Kooltaan anturi on pieni, mutta haittapuolena anturissa on sen
huono tarkkuus ja huonohko pitkäaikaisstabiilius. (Metalliteollisuuden keskusliitto
1986, s. 63).
Kuva 13: Pietsosähköisen voima-anturin periaate (Metalliteollisuuden keskusliitto 1986, s. 64).
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
21
4.1.3 Induktiiviset anturit
Induktiivisissa voima-antureissa rasittava voima muutetaan muun muassa jousen avulla
mitattavaksi liikkeeksi (ks. kuva 14). Tämä liike muutetaan sähköiseksi viestiksi joko
differentiaalimuuntajalla tai sitten differentiaali-induktanssianturilla. Nämä määräävät
myös anturin sähköiset ominaisuudet. Anturin herkkyyteen vaikuttavat sen mekaaninen
rakenne eli mitä joustavampi se on, sitä suurempi myös liike on. Tästä taas seuraa se,
että anturin sähköinen signaali on vastaavasti suurempi. Joustavuuden haittapuolena on
anturin huono soveltuvuus dynaamisiin mittauksiin. Etuna taasen on anturiin liitettävä
mekaaninen ylikuormitussuoja, jonka käyttö ei ole mahdollista esimerkiksi pietsosäh-
köisissä antureissa. (Metalliteollisuuden keskusliitto 1986, s. 63).
Kuva 14: Induktiivinen voima-anturi (Metalliteollisuuden keskusliitto 1986, s. 64)
4.2 Mittasillat
Venymäliuska-anturit kytketään vastussiltaan, jota syötetään joko tasa- tai vaihtovirral-
la. Yleisin kytkentätapa on kytkeä anturit niin sanottuun Wheatstonen siltaan.
Wheatstonen siltakytkennällä saadaan vähennettyä ei-toivottujen voimien vaikutusta
mittaustulokseen. Muun muassa lämpötilan vaikutukset saadaan kompensoitua ko. sil-
takytkennällä lähes kokonaan pois.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
22
Mittasiltoja on kahta eri tyyppiä. Tasavirtasiltoja, joiden toiminta perustuu resistanssin
mittaukseen ja vaihtovirtasiltoja, joissa mitataan kapasitanssin, induktanssin sekä hä-
viökulman suuruutta (Halko & kump. 1998, s. 57). Kummatkin sillat sisältävät erilaisia
komponentteja jotka voivat olla joko säädettäviä tai kiinteitä. Siltamittaus sopii muun
muassa:
• lämpötilan kompensointiin
• pienten jännitteiden mittauksiin
• rakenteiden ja materiaalien jännitys- ja muodonmuutosmittauksiin
• voiman ja momentin mittauksiin.
Tasavirtasiltojen perusmuoto on edellä mainittu Wheatstonen silta. Yleisimmin käytetty
Wheatstonen silta koostuu neljästä vastuksesta, joista vähintään yhden resistanssi muut-
tuu rasituksen mukaan (RVL). Muut vastukset ovat kiinteitä, eli niiden resistanssien ar-
vot ovat vakioita (ks. kuva 15).
Kuva 15: Wheatstonen silta
Kun muuttuvan vastuksen resistanssi muuttuu, joutuu silta epätasapainoon ja pisteiden
A ja B välille syntyy jännite-ero US. Jännite-eroa hyväksi käyttäen, saadaan selville ha-
luttu mittaustulos. Pisteiden A ja B välillä oleva jännite-ero saadaan laskettua kaavalla
E
R1
R2
RVL
R3
A
B
+
-
Us
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
23
E
RR R
RR R
UUU
VL
VL
bas •
+
−
+
=−=
32
3
1
(4.1)
Vaihtovirtasillassa syöttävänä jännitteenä käytetään vaihtojännitettä ja mitattavana koh-
teena impedanssia, kuten kelaa tai kondensaattoria. Jotta sillan tasapainottaminen onnis-
tuisi, on vähintään yhden sillan muista haaroista oltava impedanssi. Yleisesti ottaen,
kaikki Wheatstonen sillan vastukset voidaan korvata impedansseilla.
Wheatstonen siltatyypistä käytetään myös nimeä kokosilta ja se onkin yleisimmin käy-
tetty siltatyyppi. Voimanmittauksessa voidaan käyttää myös niin sanottua puolisiltaa,
jossa on vain kaksi vastuselementtiä. Sen haittana on se, että venymäliuskojen resistans-
sin vaikuttaa myös lämpötilan muuttuminen ja silta joutuu epätasapainoon. (Anderson
& Kördel 1983, s. 73).
4.4 Mitoitus
Tutkittaessa rakenteissa vaikuttavia voimia joudutaan usein turvautumaan lujuuslasken-
taan. Seuraavassa on esitetty joitakin tärkeimpiä lujuuslaskennan käsitteitä ja niihin liit-
tyviä kaavoja, joita tarvitaan kun selvitetään kappaleissa ja rakenteissa olevia voimien
vaikutuksia.
Lujuuslaskennassa tärkeimpiä tehtäviä ovat: laskea kappaleeseen vaikuttavat sisäiset
rasitukset eli jännitykset, määrittää ulkoisten voimien aiheuttamia muodonmuutokset ja
mitoittaa kappale kestämään nämä rasitukset. Tavallisimpia rasitustyyppejä ovat veto,
puristus, taivutus, leikkaus ja vääntö.
Ehkäpä tärkein lujuusopin laesta ja perusteista on niin sanottu Hooken laki jonka mu-
kaan jännitys on suoraanverrannollinen venymään. (Pennala 1982, s. 22). Käyttämällä
jokaiselle aineelle ominaista niin sanottua venymän ja jännityksen välistä verrannolli-
suuskerrointa eli kimmokerrointa E, saadaan Hooken lain kaavaksi
•= E
(4.2)
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
24
Jossa on jännitys ja venymä.
Kaavan 4.2 mukainen suoraanverrannollisuus on voimassa kuitenkin vain tiettyyn pis-
teeseen saakka (ks. kuva 16). Tätä pistettä, jossa Hooken laki ei enää päde, sanotaan
myötörajaksi jonka kohdalla aine alkaa myötää eli kappale venyy huomattavasti ilman
että jännityksen tarvitsee suurentua (Saarineva 1993, kpl. 2.1).
Teräkselle kimmokerroin E on tyypillisesti luokkaa 210 x 103 N/mm2 ja esimerkiksi
betonille se on vain noin 30 x 103 N/mm2.
Kuva 16: Esimerkki veto- ja puristuskokeen käyrästä
Veto- ja puristusjännitystä eli normaalijännitystä laskettaessa on otettava huomioon
kaksi asiaa, kappaleen poikkipinnassa vaikuttava normaalivoima ja poikkipinnan ala.
Oletettaessa että kappaleen sisäiset voimat ovat jakautuneet tasan koko poikkipinnalle
saadaan normaalijännityksen kaavaksi
A
F
=
(4.3)
Tämä on samansuuruinen poikkileikkauksen joka kohdassa ja se on laskettu sauvan
vedossa muuttuvalle poikkipinnalle. Käytännössä normaalijännitys (ks. kuva 17) laske-
Hooken laki
ei voimassa
Hooken laki
voimassa
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
25
taan alkuperäiselle poikkipinnalle A0. Tästä jännityksestä käytetään yleisesti nimitystä
tekninen vetojännitys. Vastaavasti negatiivisena kaava 4.3 kuvaa kappaleen puristusta
eli teknistä puristusjännitystä. (Saarineva 1993, kpl. 4.1 – 4.2).
Kuva 17: Normaalijännitys (Pennala 1982, s. 13).
Taivutetun palkin tapauksessa normaalijännityksen kaavaksi saadaan
y
I
M
A
N
Z
Z•+=
(4.4)
jossa N on normaalivoima, y etäisyys neutraaliakselilta ja Mz taivutusmomentti z-
akselin suhteen.
Jännitysten lisäksi puristuksen ja vedon yhteydessä syntyy muodonmuutoksia ja suu-
rimmillaan muodonmuutokset ovat voiman vaikutussuunnassa. Muodonmuutosten suu-
ruudet riippuvat suoraan verrannollisesti voimasta ja alkuperäisestä pituudesta sekä
kääntäen verrannollisesti kappaleen poikkipinnan alasta ja kimmokertoimesta E. (Saari-
neva 1993, kpl. 4.3).
Yksi jännityslajeista on taivutusjännitys (ks. kuva 18) joka syntyy taivutusmomentin
kuormittaessa kappaletta jolloin tämä taipuu. Taipumasta voidaan huomata, että kappale
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
26
on kuperalta puolelta venynyt ja koveralta vastaavasti kutistunut. Muodonmuutoksista
seuraa se, että kuperalle puolelle syntyy vetojännitystä ja koveralle puristusjännitystä.
Kuva 18: Taivutusjännitys (Saarineva 1993, kpl. 5)
Taivutusjännitys jakaantuu näiden reuna-arvojen a ja b välillä suoraviivaisesti materi-
aalin suhteellisuusrajaan saakka, jolloin kappaleen neutraaliakselilla taivutusjännitys on
nolla. Ylä- ja alareunojen jännitykset ovat taasen
a
Z
ae
I
M•=
(4.5)
ja
b
Z
be
I
M•=
(4.6)
jossa ea on etäisyys neutraaliakselilta, missä taivutusjännitys on nolla, kappaleen kupe-
ralle pinnalle ja eb vastaavasti etäisyys kappaleen koveralle pinnalle.
Itseisarvoltaan suurin taivutusjännitys on
maxmax e
I
M
Z
•=
(4.7)
Kaavoissa 4.4 – 4.7 Iz on poikkipinnan neliömomentti taivutustasoa vastaan kohtisuoran
painoakselin suhteen laskettuna ja M taivutusmomentti. (Saarineva 1993, kpl. 5.1).
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
27
Jos kappaleen poikkileikkaustasossa vaikuttaa tämän tason suuntainen voima eli leik-
kausvoima, pyrkivät kappaleen ”osat” liukumaan leikkaustasoa pitkin. Niin kauan kuin
kappale kestää tämän voiman aiheuttaman rasituksen, ei ”osien” irtoamista tapahdu,
vaan tasossa on leikkausvoimaa vastaava jännitys eli leikkausjännitys (ks. kuva 19).
Leikkausjännitys on yleensä pinnan eri kohdissa erilainen.
Kuva 19: Leikkausjännitys (Saarineva 1993, kpl. 6)
Sellainen tapaus jossa leikkauspinnassa ei esiinny taivutusjännitystä leikkauksen yhtey-
dessä, on leikkausjännitys vakio eli
A
Q
=
(4.8)
Jos leikkaus sen sijaan esiintyy taivutuksen yhteydessä, on leikkausjännitysjakautuma
erilainen ja sen lausekkeeksi poikkipinnan mielivaltaisessa kohdassa tulee
z
Ib SQ
•
•
=
(4.9)
Jossa S on mittauskohdan toisella puolella olevan pinnan staattinen momentti z-akselin
suhteen, b kohdan leveys ja Iz jo aikaisemmin mainittu poikkipinnan neliömomentti.
Maksimiarvonsa leikkausjännitys saa kun, S/b on maksimissaan. (Saarineva 1993, kpl.
6.2).
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
28
Momenttitasoa vastaan poikkileikkaustason suuntaisesti olevat leikkausjännitykset saa-
daan leikkausjännitysten parittaisen yhtäsuuruuden mukaan kaavalla 4.10. (Pennala
1982, s. 65-70).
tI SQ
Z
ZXXZ •
•
==
(4.10)
Edellä useasti esiin tullut leikkausvoima Q on eräs kappaleen sisäisistä rasituksista. Sa-
moin kuin muutkin sisäiset rasitukset, on leikkausvoimakin riippuvainen kappaleen ul-
koisista kuormituksista ja tuennasta. Leikkausvoima lasketaan siten, että otetaan leik-
kauksen toiselta puolella oleva osa kappaletta niin sanotuksi vapaakappaleeksi ja merki-
tään siihen kaikki kappaleeseen vaikuttavat ulkoiset ja sisäiset rasitukset. Leikkausvoi-
man suuntaisten voimien tasapainoehtoa hyödynnettäessä saadaan leikkausvoima Q
laskettua. (Saarineva 1993, kpl. 6.2.1).
Edellä esitettyjen peruskaavojen ja tapauksien lisäksi kappaleisiin vaikuttavat monet
muutkin voimat ja rasitukset. Muun muassa väännöt, lämpötilan aiheuttamat kappaleen
muutokset yms. vaikuttavat jännityksiin ja muodonmuutoksiin. Yksityiskohtaisempaa
tietoa lujuuslaskennan teoriasta löytyy muun muassa Jarmo Saarinevan Lujuusoppi:
Peruskurssi- kirjasta.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
29
5. Mittausjärjestelyt
Insinöörityön pääasiallisena tarkoituksena oli määrittää kattilassa olevan hiekan ja tuh-
kan eli muuttuvien painojen sijoittuminen kattilassa ja syklonissa. Tätä varten jouduttiin
tarkastelemaan mahdollisia mittaus- ja asennustapoja sekä mittalaitteita joilla mittaus
toteutettaisiin.
Tutkimusten jälkeen päädyttiin venymäliuskapohjaiseen mittaukseen, jossa mitattaisiin
kattilan primääripalkeissa tapahtuvia muodonmuutoksia. Seuraavissa kappaleissa on
esitetty valitut mittalaitteet, niitä varten tarvittavat mitoitukset sekä antureiden asennuk-
set.
5.1 Valitut mittalaitteet
Kuten edellä todettiin, valittiin mittaukseen venymäliuskaan perustuva mittaustapa. Va-
littu anturi oli Kistler Morsen valmistama Microcell-anturi. Seuraavassa on esitetty an-
turin toiminta ja sen tärkeimmät ominaisuudet ja syyt, miksi juuri kyseinen anturi ja
muut laitteet valittiin tähän mittaukseen.
5.1.1 Microcell-anturi
Microcell-anturia käytetään lähinnä venymän, puristuman, taipuman tai leikkausvoiman
mittauksissa. Yleisimmät anturin käyttösovellukset ovat punnitus- ja pintamittaukset.
Toisin kuin yleensä venymäliuskamittauksessa, anturia ei liimata vaan se ruuvataan
kiinni mitattavaan kohtaan, esimerkiksi palkkiin.
Mitattavassa kohteessa tapahtuvat muodonmuutokset, kuten puristumat ja venymät,
välittyvät anturiin ruuvien kautta. Tämä aiheuttaa anturin sisällä oleviin puolijohdekitei-
siin resistanssien muutokset, jotka muutetaan jännitteeksi vahvistimen tehonsyötön
avulla. Kenno mittaa siis ruuvien välisen liikkeen, joka on verrannollinen kappaleeseen
vaikuttaviin painoihin eli rasituksiin. (Kistler Morse 2003a, s. 1).
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
30
Microcell- anturin sisällä on kaksi puolijohdekidettä Ra ja Rb (ks. kuvat 20a, b ja c) jot-
ka muodostavat puolisillan. Nämä vastukset muodostavat jännitteenjakopiirin vahvisti-
men tehonsyötölle.
Kuva 20a: Microcell- anturiin kohdistuva puristuma tai venymä saa sisäiset resistanssiarvot muut-
tumaan.
Kuva 20b: Anturiin kohdistuu puristus Kuva 20c: Anturiin kohdistuu venytys
Kun anturiin ei kohdistu voimaa ovat molemmat vastukset noin 8400 ohmia ja vastusten
keskipisteen jännite noin kuusi volttia. Kun anturiin tulee puristusta (ks. kuva 20b), suu-
renee vastuksen Rb resistanssi ja Ra:n vastaavasti pienenee. Tällöin keskipisteen jännite
kohoaa yli kuuden voltin ja puhutaan niin sanotusta positiivisesta viestistä. Jos anturiin
kohdistuu venytystä (ks. kuva 20c), pienenee vastuksen Rb:n arvo ja vastaavasti Ra:n
kasvaa. Tällöin keskipisteen jännite on alle kuuden voltin ja viesti negatiivinen. Signaali
saadaan laskettua kaavasta:
Ra
Rb
Anturin/kennon runko
Ra
Rb
8600 Ohm
8200 Ohm
Ra
Rb
8200 Ohm
8600 Ohm
+12 VDC
+12 VDC
0 VDC
0 VDC
+
-
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
31
itesyöttöjänn
RR R
signaali
ab
b•
+
=
(5.1)
Anturi sisältää vastusten lisäksi myös muita komponentteja kuten esimerkiksi lämpöti-
lakompensointipiirit. (Kistler Morse 2003a, s. 2-3).
Mitattaessa kappaleissa tapahtuvia rasituksia, kytketään Microcell-anturit sähköisesti
rinnan. Yleensä Microcell-anturit asennetaan palkin vastakkaisille puolille ristikkäin 45
asteen kulmiin toisiinsa nähden. Tällä antureiden asentamisella saadaan kompensoitua
palkissa tapahtuvat ei toivotut muutokset ja ilmiöt, kuten esimerkiksi vääntymät ja epä-
symmetriat, pois. Lisää anturin asentamisesta löytyy myöhemmistä kappaleista.
5.1.2 STX-signaaliprosessori / virransyöttö ja Horbox-kytkentälaatikko
Kistler Morsen STX-elektroniikkaa käytetään yleensä punnituksen, pinnan ja moment-
tien mittaukseen . STX on mikroprosessoripohjainen signaalien prosessointiyksikkö,
joka muokkaa anturilta tulevan viestin virta- tai sarjaliikenneviestiksi (ks. kuva 21). Sen
24- bittinen A/D- muunnin mahdollistaa hyvän erottelukyvyn ja sarjaliikennelähtö yk-
sinkertaisen liittymisen digitaaliseen ohjausjärjestelmään. Signaalien muokkauksen li-
säksi se hoitaa myös antureiden jännitesyötön (+ 12 VDC) (Kistler Morse 2003b, s. 1-
2). Tosin tässä insinöörityössä STX:n tehtävänä oli vain ja ainoastaan syöttää tarvittava
jännite antureille. Anturiviestien vastaanottamisesta vastasi erillinen dataloggeri eli tie-
donkeruulaite joka oli liitetty kannettavaan tietokoneeseen, jossa tapahtui signaalien
lopullinen prosessointi.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
32
Kuva 21: STX-signaaliprosessori
Horbox-kytkentälaatikon avulla Microcell-anturit kytketään oikein ja se tapahtuu seu-
raavalla tavalla: puristusta mittaava anturi kytketään joko Sensor 1+ tai Sensor 2+ liit-
timiin ja vastaavasti venymää mittaava anturi kytketään joko liittimeen Sensor 3- tai
Sensor 4-. Miinusmerkkinen mittasignaali saadaan liittimestä TP1 ja plusmerkkinen
mittasignaali virransyötön W-liittimestä (Liite 1).
5.1.3 Fluke -datalogger ja kannettava tietokone
Dataloggeri kerää tulokanavista mittaustietoja ja muokkaa niitä, näyttää ne näytössä ja
tallentaa ne haluttuun tallennus- tai tulostuslaitteeseen eli tässä tapauksessa kannettaval-
le tietokoneelle (Halko & kump. 1998, s. 83). Tässä insinöörityössä dataloggerina käy-
tettiin Fluken 2645-mallista NetDaq dataloggeria ja siihen liitettyä Pentium tason kan-
nettavaa tietokonetta.
Fluke 2645-dataloggerissa on 20 analogista sisääntulokanavaa ja kymmenen tietoko-
neohjattua kanavaa erilaisia laskentoja varten ja sen operointiohjelmistona käytettään
Windows pohjaista NetDaq Logger for Windows -ohjelmaa. Nämä kaksi muodostavat
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
33
yhdessä datankeräyslaitteiston. NetDaq Logger -ohjelmalla voidaan konfiguroida ja
kontrolloida jopa 20 instrumenttia Ethernet-verkkoyhteyden kautta eli yhtä instrument-
tia per sisääntulokanava. Ohjelma myös näyttää skannatun datan sekä tallentaa sen ha-
luttuun tiedostoon ja tiedostomuotoon. (Fluke 1996, s. 19).
Fluken 2645-dataloggeri voi mitata tasajännitettä, vaihtojännitettä, resistanssia, taajuutta
tai vaihtovirtaa. Lämpötilan mittaamisessa käytetään hyväksi termoelementtejä tai resis-
tanssi lämpötila-anturia (RDT:tä). Muita mittauksia varten pitää käyttää muuntimia.
Mittausnopeuksina dataloggerissa on joko 45, 200 tai 1000 mittausta sekunnissa, riip-
puen valituista asetuksista.
Datan käsittelyn dataloggeri hoitaa skannaamalla edellä mainittuja 20 analogisia kana-
via peräkkäin ja laskemalla arvot jo mainituille kymmenelle tietokoneohjatulle kanaval-
le. Skannauksen laukaisijana voivat toimia näytteenottovälin eli intervallin aiheuttama
signaali, hälytyksen aiheuttama signaali tai jokin ulkoinen signaali. (Fluke 1996, s. 19).
Dataloggeriin liitetty kannettava tietokone oli tavallinen koti- ja työkäyttöön tarkoitettu
Pentium 90 MHz:n tietokone. Vaikka tietokone ei ollut aivan uusinta markkinoilla ole-
vaa mallia, oli se riittävä tämän mittauksen toteutukseen. Sen tehtävänähän oli vain ja
ainoastaan kerätä dataloggerilta tuleva data talteen. Tietokone oli liitetty dataloggeriin
Ethernet-verkkokortin ja siihen liitetyn datakaapelin avulla dataloggerin takana olevaan
Ethernet-liittimeen.
5.2 Mitoitus kohteessa
Antureiden valinnan jälkeen piti laskea, missä hiekan ja tuhkan aiheuttamat rasitukset
näkyisivät mittauksen kannalta parhaiten. Tätä varten oli etsittävä parhaat kohdat katti-
lan rakenteista ja laskettava niissä olevat mitattavat suureet, kuten leikkausvoimat ja –
jännitykset.
Alussa nousi esiin kolme vahvaa mittauskohtaa jotka olivat kattilaa kannattelevat kan-
natustangot, primääripalkkien päät ja kattilaa kannattelevat palkit. Pohdintojen jälkeen
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
34
tultiin siihen tulokseen, että primääripalkkien päät ovat paras vaihtoehto mittauksille.
Anturitoimittajan mielestä niistä saatava data oli luotettavampaa kuin kattilaa kannatte-
levista palkeista saatava, vaikka niistäkin mittaus olisi ollut mahdollista tehdä. Kanna-
tustangoista tehtävä mittaus osoittautui liian vaikeaksi toteuttaa, johtuen kannatustanko-
jen keskinäisten kuormituksien eroista kuormituksen muuttuessa.
Valitut primääripalkit sijaitsivat likimain kattilan etuseinän ja takaseinän yläpuolella
(liite 2). Etuseinän yläpuolella olevan I-palkin mitat olivat: uuman korkeus 3000 mm,
uuman paksuus 20 mm, laipan leveys 600 mm ja laipan korkeus 40 mm. Vastaavat mi-
tat takaseinän yläpuolella olevalle palkille olivat: 3800 mm, 35 mm, 700 mm ja 65 mm.
Antureiden mahdollisiksi asennuspaikoiksi valittiin palkkia kannattelevan palkin ja
palkkiin kohtisuoraan tulevan vaakapalkin väliin jäävä alue. Tarkaksi anturin asennus-
kohdaksi tuli tämän alueen ja palkin uuman keskikohta.
Mitoituksen kannalta oli vain kaksi tärkeää asiaa jotka piti selvittää: ovatko mittauskoh-
dissa olevat muuttuvien painojen aiheuttamat muodonmuutokset riittävän suuria Micro-
cell-anturille ja mikä on muuttuvien painojen osuus koko rasituksesta kyseessä olevassa
mittauspisteessä. Antureiden toimittajan mukaan Microcell-anturille suositellaan noin 5-
10 N/mm2 leikkausjännitystä, jotta se olisi luotettava. Tämä ehto toteutui primääripalk-
kien päistä tehtävässä mittauksessa riittävän hyvin jotta mittaus voitiin toteuttaa.
Ensin laskettiin valituissa paikoissa, eli primääripalkkien päissä olevat hiekan maksi-
missaan aiheuttamat rasitukset. Apuna tässä oli esimerkkiprojektissa käytetty yhteenve-
to kattilan muuttuvista ja muuttumattomista painoista. Näiden perusteella voitiin todeta,
että koko kattilan painosta muuttuvia painoja oli maksimissaan noin 25 prosenttia eli
hieman reilut 1230 tonnia.
Valitut mittauspisteet A1 ja A2 (liite 2) sijaitsivat kattilan etuseinän yläpuolella olevan
primääripalkin päissä. Näihin kumpaankin pisteeseen vaikutti täsmälleen sama rasitus
kattilan ollessa levossa. Rasituksien laskussa näihin pisteisiin käytettiin seuraavia kaa-
voja
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
35
FLFL BA •=•
(5.2)
Jossa F on palkkiin vaikuttavien voimien summa, FA palkin toisessa päässä vaikuttava
rasitus, L palkin pituus ja LB voiman F vaikutuskohta voiman FB rasituspisteestä katsot-
tuna (ks. kuva 22).
Kuva 22: Voimien määritys palkissa
Kaavasta 5.2 saadaan johdettua rasitus FB seuraavasti
BA FFF +=
(5.3)
LLF
FFF B
BA
•
=−=
(5.4)
Kaavoja 5.2 – 5.4 hyväksi käyttäen pystyttiin laskemaan mittauspisteisiin A1 ja A2 vai-
kuttavien muuttuvien painojen maksimi rasituksien lisäksi myös toisen, kattilan takasei-
nän yläpuolella, olevan palkin mittauspisteisiin B1 ja B2 (liite 2) vaikuttavat muuttuvien
painojen maksimirasitukset. Myös B1 ja B2 mittauspisteiden rasitukset ovat symmetrisiä
toisiin nähden, eli molemmissa vaikuttaa sama rasitus kattilan ollessa levossa.
Laskettuamme muuttuvien painojen osuuden kussakin mittauspisteessä huomasimme,
että palkin A mittauspisteissä (A1 ja A2) muuttuvat painot aiheuttavat maksimissaan
noin 500 kN:n leikkausvoiman ja 8,3 N/mm2 leikkausjännityksen. Vastaavat maksimi-
rasitukset palkin B mittauspisteissä (B1 ja B2) olivat noin 2880 kN ja 21,7 N/mm2. (liite
F
FB
FA
L
LB
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
36
2). Leikkausjännityksien laskuun käytettiin kaavaa 5.5 jossa on leikkausjännitys, Q
rasittava voima ja A uuman poikkileikkauspinta-ala.
A
Q
(5.5)
Käytössä olevien kokonaisrasituslaskelmien perusteella voitiin todeta, että levossa ole-
vassa kattilassa muuttuvien painojen aiheuttamat maksimileikkausjännitykset olivat
pisteissä A1 ja A2 noin 12% ja pisteissä B1 ja B2 noin 32%.
Leikkausjännityksien arvoja kannatinpalkeissa, antureiden kohdilla tarkasteltiin myös
ns. elementtimenetelmällä (FEH) (liite 10). Sen perusteella voitiin todeta, että anturien
lähellä olevat pilarien tukipisteet ja sekundääripalkkien liitokset primääripalkkeihin ei-
vät tässä työssä aiheuta kovinkaan merkittävää vääristymää leikkausjännityksien arvoi-
hin antureiden kohdilla. Eroa nimellisjännityksestä, eli teoriassa lasketusta, on vain noin
4%, näin ollen edellä lasketut leikkausjännitykset ovat riittävän tarkkoja mittauksien
kannalta.
Laskelmien perusteella vakuutuimme lopullisesti siitä, että anturit tulisi asentaa edellä
mainittuihin mittauspisteisiin jotka sijaitsevat kahden primääripalkin päissä liitteessä
kaksi esitetyissä kohdissa. Kuhunkin mittauspisteeseen asennettiin kaksi anturia ristik-
käin 45 asteen kulmiin vastakkaisille puolille palkkia. Enemmän tietoa antureiden asen-
nuksesta ja niihin liittyvistä ongelmista löytyy seuraavasta kappaleesta.
5.3 Asennus kohteeseen
Edellä mainittujen mittalaitteiden (Microcell, STX, Fluke Datalogger, Horbox-
kytkentälaatikko ja kannettava tietokone) asennus valittuun kattilalaitokseen toteutettiin
seuraavasti.
Asennus alkoi Microcell-antureiden asennuksella joka olikin asennustyön vaikein ja
eniten huolellisuutta vaativa osa. Anturien asennuspaikkoina olivat kappaleessa 5.2
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
37
määritetyt primääripalkkien kohdat. Asennustyö alkoi kiinnitysreikien teolla. Oikea
reikävälin teko on anturin toiminnan kannalta erittäin tärkeää, koska anturi mittaa rei-
kiin ruuvattujen kiinnitysruuvien välistä liikettä.
Microcell- anturin reikävälin on oltava tasan 69,85 mm ( 0,1 mm) (Kistler Morse
2003a, s. 4). Jos reikäväli on liian suuri tai pieni, ei anturin asennus onnistu. Reikien
paikkojen merkkaaminen ei kuitenkaan ole vaikeaa, jos käyttää apuna anturin asennus-
paketin mukana tullutta 2-teräistä pistepuikkoa. Reikien poraamisessa on myös oltava
huolellinen, sillä vinoon porattuun reikään asennettu anturi ei anna oikeaa mittaustulos-
ta, koska kiinnitysruuvi aiheuttaa anturiin vetoa tai puristusta.
Kun reiät oli tehty oikein, puhdistettiin tulevan anturin kohdalta lika ja maali pois pora-
koneen pyöröharjalla. Tämän jälkeen porattuihin reikiin tehtiin kierteet M4-
kierretapilla.
Kierteiden teon jälkeen asennettiin anturi kierrereikiin sen mukana tulleilla ruuveilla.
Ennen kuin anturia voitiin ruveta kiristämään, piti varmistua, että reikäväli oli sopiva.
Testaus tehtiin heiluttamalla anturia päittäin, jolloin kennon tuli liikkua vapaasti. Jos
anturi ei liiku vapaasti, täytyy asennus tehdä uudelleen.
Microcell- anturin ruuvien kiristämisessä käytettiin apuna Kistler Morsen Test Meter-
mittaria. Mittarin avulla ruuvit kiristettiin niin, että anturin puolisillan vastukset saatiin
lähes samansuuruisiksi. Lepotilassa olevan anturin lukema tulisi olla alle 25 mV ja
asennuksen jälkeen 50 mV tai 50 Ohm (Kistler Morse 2003a, s. 7).
Onnistuneen kiristyksen jälkeen anturin päälle asennettiin suojakuori ja sen johdot ve-
dettiin Horboxiin. Yhteen Horboxiin kytkettiin kahden anturin johdot kappaleessa 5.1.2
esitettyjen periaatteiden mukaan. Horboxilta lähtevät mittasignaalijohdot (2 kpl.) vedet-
tiin dataloggerille ja antureiden jännitesyöttöjohdot (2 kpl.) STX:n virransyöttöön. Nä-
mä johdot kulkivat samassa kaksiparisessa parikierretyssä KJAAM-tyyppisessä kenttä-
kaapelissa joka haaroitettiin sekä sähkötilassa että Horboxissa (liite 3).
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
38
Sähkötilassa antureilta tulevat mittaviestit kytkettiin dataloggerin tuloihin siten, että
ensimmäisen anturinparin (Horboxin) positiivinen signaali tuli dataloggerin 1 kanavan
High-liittimeen ja negatiivinen Low-liittimeen. Samaa periaatetta käytettiin kolmeen
muuhun anturipariin. Dataloggerista mittaustulokset vietiin kannettavaan tietokoneeseen
verkkokortin kautta.
Tietokoneessa mittaustuloksien käsittelyyn käytettiin Fluken NetDaq Logger -ohjelmaa
jolla määriteltiin mittauksessa käytettävät asetukset ja määritykset kuten esimerkiksi
mittausalue, hälytykset, mittasignaalin tyyppi, kanavat, näytteenottoväli ja datan tallen-
nusmuoto (ASCII) (liite 4). Tässä mittauksessa alueeksi valittiin Auto, eli ohjelma itse
”etsi” parhaan mahdollisen alueen. Mittasignaalityyppinä käytettiin VDC:tä, eli jännite-
viestiä ja näytteenottoväliksi valittiin 15 sekuntia. Kanavia mittauksessa oli neljä, yksi
kutakin anturiparia kohden.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
39
6. Mittaukset
Insinöörityön päätarkoituksena oli mitata muuttuvien kuormien (hiekan, tuhkan, jne.)
määrää ja sijoittumista kattilassa ja selvittää voidaanko niiden avulla ohjata kattilan
ajoa. Jotta antureilta tulevasta niin sanotusta ”raakadatasta” saatiin selville halutut asiat,
oli sitä muokattava ja käsiteltävä useilla eri tavoilla. Seuraavissa kappaleissa on esitetty
kuinka tätä ”raakadataa” käsiteltiin ja kuinka saatiin laskettua mittauspisteissä vaikutta-
vat rasitukset eli muuttuvat kuormat.
Mittauksista saatuja tuloksia verrattiin lisäksi myös prosessista saatuun vertailudataan,
jotta saatiin selville se, että ovatko mittaukset riippuvaisia jostakin vertailudatan para-
metrista. Jos riippuvuutta on, niin millaista se on ja kuinka se näkyy muuttuvien kuor-
mien mittauksissa.
6.1 Datan keräys
Antureilta tuleva ”raakadata” tallentui kannettavan tietokoneen kovalevylle Microsoft
Excel -taulukkomuotoon. Näytteitä taulukkoon tallentui joka 15. sekunti kuten kappa-
leessa 5.3 mainittiin ja mittaukset aloitettiin toukokuun 13 päivä 2003 kello 12.29 Suo-
men aikaa (liite 5). Mittauksia tehtiin muutamaa katkosta lukuun ottamatta aikavälillä
13.5–1.7.2003.
Ensimmäinen katkos mittauksissa oli 23–26.5.2003. Katkoksen syynä oli mittauksissa
käytettävän kannettavan tietokoneen liiallinen lämpiäminen, jonka johdosta mittaustu-
loksien ottaminen koneelta talteen oli mahdotonta. Sen vuoksi kannettava tietokone
jouduttiin viemään viileään tilaan, jossa mittaukset voitiin ottaa talteen vasta koneen
jäähdyttyä tarpeeksi. Toinen katkos mittauksissa oli aikavälillä 12–18.6.2003. Tämän
katkoksen syynä oli releiden ja sulakkeiden laukeaminen eräässä kattilalaitoksen osassa.
Näiden releiden ja sulakkeiden takana olivat myös tässä insinöörityössä käytetyt mit-
tauslaitteistot, joten virtojen katkettua myös mittauslaitteistot kytkeytyivät pois päältä.
Poiskytkeytyminen huomattiin vasta siinä vaiheessa kun uutta mittausdataa haettiin tal-
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
40
teen aamulla 18.6.2003. Kaavioissa mittauskatkokset ovat merkitty vihreillä pystyvii-
voilla erottuakseen selvästi (Liitteet 6-7, 9-11).
6.2 Kuormien laskeminen
Periaate jolla muuttuvia kuormia määriteltiin oli se, että mitattiin rasituksien muutoksia
alkutilanteesta jossa kattilassa ei ollut vielä muuttuvia painoja lainkaan. Tässä mittauk-
sessa alkutilanteeksi valittiin mittauksen ensimmäiset näytteet (4 kpl.) jotka olivat sa-
malla myös koko mittauksen nollapisteet (liite 5). Muuttuvien kuormien aiheuttamat
muutokset millivoltteina alkutilanteesta saatiin vähentämällä valitut nollapistenäytteet
kustakin mittauksen näytteestä (kaava 6.1).
Kuormien muutokset (mV) = Näyte (mV) – Nollapistenäyte (mV) (6.1)
Kaavassa 6.1 näytteellä tarkoitetaan siis kunkin sarakkeen (4 kpl.) mittausnäytettä ja
nollapistenäytteellä kyseessä olevan sarakkeen, eli mittauksen, nollapistenäytettä.
Suurimmillaan muuttuvat kuormat aiheuttivat valituissa mittauspisteissä (mittauspiste
B1) noin 93 millivoltin muutoksen valitusta mittauksen nollapisteestä (liite 6). Pienim-
millään millivolttimuutokset olivat luonnollisesti hyvin lähellä nollaa.
Edellä mainittujen millivolttimuutoksien avulla pystyttiin laskemaan mittauspisteissä
vaikuttavat rasitukset ja siten myös kuormat hyvin helposti. Kuormien mittauksiin kus-
sakin mittauspisteessä käytettiin seuraavaa kaavaa
2
81.9
)(_)(_ 120
10)(
)(
s
mmmpaksuusuumanmmkorkeusuuman mV
mVmuutos
kgKuorma
•
•
•
=
(6.2)
Itseisarvon ottaminen nollapistemittauksen muutoksesta tehdään siitä syystä, että riip-
puen siitä kumpi anturiparin anturi (positiivinen vai negatiivinen) on hallitsevampi,
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
41
saattaa mittausnäyte olla joko negatiivinen tai positiivinen. Normaalissa Horbox- kyt-
kennässä ulos tuleva signaali on aina positiivinen, koska itseisarvon ottaminen tapahtuu
jo itse Horboxissa. Tässä mittauksessa niin ei käy, joten itseisarvon ottaminen pitää
huomioida tulosten käsittelyn yhteydessä, kuten kaavasta 6.2 näkyy. Kaavassa tarvitta-
vat tarkat uumien mitat löytyvät kappaleesta 5.2.
Kaavassa 6.2 nollapistemittauksen muutoksen jako 120 millivoltilla tulee Microcell-
anturille määritellystä millivolttiriippuvuudesta jonka mukaan
120 mV ≈ 10 N/mm2 (6.3)
Tämä riippuvuussuhde pätee vain siinä tapauksessa, että asennustapana on käytetty
kappaleessa 5.1.1 mainittua antureiden ristikkäisasennusta.
6.3 Kuormien määrät
Laskemalla yhteen kaikkien neljän mittauspisteiden rasitukset saatiin selville kutakuin-
kin se kuinka paljon kattilassa on muuttuvia kuormia kullakin mittaushetkellä. Suurim-
millaan, kattilan ollessa pysäytettynä, muuttuvien kuormien yhteismäärä oli mittaukses-
sa hieman vajaat 240 tonnia. Normaalissa kattilanajotilanteessa muuttuvien kuormien
kokonaismäärä vaihteli 35 tonnista 50 tonniin (liite 7).
Suurimmillaan yhdessä mittauspisteessä (B1) vaikuttavat muuttuvat kuormat olivat mit-
tauksien mukaan noin 140 tonnia. Tällöin kattila oli pysäytettynä ja hiekat tulipesässä.
Normaalissa ajossa muuttuvat kuormat aiheuttivat mittauksien mukaan suurimmillaan
noin 30 tonnin rasituksen yhdessä mittauspisteessä. (Liite 6).
Mittauksien perusteella huomattiin myös jo ennakkoon laskettu kuormien jakauma eri
mittauspisteiden kesken. Ennakoitujen laskelmien mukaan kattilan etuseinän yläpuolella
olevan palkin mittauspisteisiin (A1 ja A2) kohdistui huomattavasti vähemmän rasitusta
muuttuvista kuormista kuin kattilan takaseinän ja syklonin yläpuolella olevan palkin
mittauspisteisiin (B1 ja B2) (liite 2). Käyrästöissä ja kaavioissa mittauspisteet A1 ja A2
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
42
ovat merkitty mittauksina yksi ja kaksi ja mittauspisteet B1 ja B2 mittauksina kolme ja
neljä (liite 6).
Painojen epätasainen jakautuminen selittynee ainakin osittain sillä, että hiekka yms.
petimateriaali kiertää tulipesästä sykloniin ja takaisin tulipesään jolloin muuttuvien
kuormien painopiste on vääjäämättä kattilan takaseinän palkin puolella. Osa hiekasta
sijaitsee myös niin sanotussa intrexpesässä joka sijaitsee kattilan takaseinän puolella
tulipesän vieressä (liite 8). Tämä osaltaan vahvistaa painopisteen sijoittumista takasei-
nän puolelle.
6.4 Tulosten tulkinta ja vertailu vertailudataan
Mittauksista saatu data muuttuvista kuormista eri mittauspisteissä kertoi pelkkien paino-
jen lisäksi myös sen kuinka kuorma oli jakautunut kattilassa. Joissakin mittauksissa
kuormien määrä näytti kasvavan mitattavan palkin toisessa päässä kun samaan aikaan
toisessa kuorman määrä laski (liite 6, ajankohta 27.5–5.6.2003). Tällainen vaihtelu tar-
koitti sitä, että muuttuvat kuormat olivat sijoittuneet kattilassa vuoroin toiselle puolelle
kattilaa ja vuoroin toiselle. Toinen seikka minkä mittaukset näyttivät eri mittauspisteissä
olevista kuormista oli se, että normaalissa ajossa (ajankohta 19–30.6.2003) kuormien
määrät saman palkin mittauspisteissä näyttivät nousevan tai laskevan tasaisesti kum-
massakin pisteessä. Tämä onkin loogista, koska oletuksien mukaan kuormien pitäisikin
jakautua tasan saman palkin päiden kesken.
Ennen kuin mittauksista lasketuista painoista voitiin tehdä varsinaisia lopullisia yhteen-
vetoja kuormista, oli niitä verrattava useisiin prosessista saatuihin referenssi- eli vertai-
ludatoihin. Mittauksista saatujen tuloksien vertailu tehtiin sen takia, että nähtiin käyttäy-
tyvätkö ne odotetulla tavalla vertailudatan arvoihin verrattuna.
Jos mittaukset ja vertailudata eivät korreloisi oikein tai yleensäkään millään tavalla kes-
kenään, tarkoittaisi se etteivät mittaukset välttämättä kertoisi oikein muuttuvien kuor-
mien määrää prosessissa. Toisaalta, jos korrelointia mittauksien ja vertailudatan välillä
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
43
löytyisi, tarkoittaisi se, että mittaukset ja tapa jolla mittaukset toteutettiin olivat ainakin
osittain oikein tehtyjä.
Alustavasti vertailudataksi prosessista valittiin päähöyryvirtaus eli kattilakuorma, peti-
paineet, Intrexin paineet ja ilmavirrat. Nämä kaikki ovat kattilan sisällä tapahtuvia pro-
sesseja ja ne vaikuttavat teoriassa, ainakin osittain, kuormien sijoittumiseen kattilassa.
Tarkemmassa analyysissä Foster Wheeler Energia Oy:n prosessi-insinöörien kanssa
tulimme siihen tulokseen, että parhaiten riippuvuus muuttuvien kuormien ja referenssi-
datan välillä näkyisi päähöyryvirtauksen mittauksista. Intrexin paineet kertoisivat vain
tiettyyn pisteeseen saakka kuormien määrästä joten se jätettiin huomioimatta tulosten
tulkinnassa. Myös ilmavirrat ja petipaineet jäivät vertailun ulkopuolelle.
Tarkempaan jatkokäsittelyyn otettiin siis päähöyryvirtaus, jonka pitäisi ennakkoon aja-
tellen korreloida parhaiten muuttuvien kuormien kanssa, ainakin normaalissa kattilan
ajotilanteessa. Oletuksen mukaan silloin kun päähöyryvirtaus on suuri, pitäisi muuttu-
vien kuormien määrä olla suhteellisen pieni. Silloin kun päähöyryvirtaus on taas pie-
nimmillään, pitäisi muuttuvien kuormien määrä olla taasen suurimmillaan.
Päähöyryvirtauksen ja mittauksesta saatujen kuormien määriä vertaillessa huomattiin
heti, että ennakkoon tehty oletus riippuvuudesta pitää paikkansa (liite 9). Käyrästöstä
näkee selvästi sen, että kun päähöyryvirtaus on nollassa, on muuttuvien kuormien määrä
korkealla (ajankohta 5–12.6.2003). Myös päähöyryvirran ollessa suhteellisen suuri, to-
teutuu ennakkoon tehty oletus, koska muuttuvat kuormat ovat mittauksen mukaan pie-
niä (ajankohta 19.6–1.7.2003).
Vertailudatan käyttäytyminen ennakoidulla tavalla kuormien suhteen tarkoitti sitä, että
mittaustapa ja mittauksen toteutus onnistui tavoitteessaan, eli kertomaan muuttuvien
kuormien määrän ja sijoittumisen kattilassa. Tosin tarkkuudesta ei voi tehdä kuin kar-
keita arvioita. Tämä siksi, koska mitoituksissa ja laskuissa ei välttämättä ole huomioitu
kaikkia seikkoja jotka voivat vaikuttaa anturien antamiin mittauksiin. Mittauksien tark-
kuuteen voivat vaikuttaa muun muassa ennakkoon tuntemattomat kuormat, palkkeihin
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
44
vaikuttavat muut kuin painojen aiheuttamat rasitukset sekä anturien asennukseen ja
toimintaan liittyvät seikat. Kaikesta huolimatta mittaustulokset kertovat ainakin sen, että
muuttuvien kuormien mittaus tarvittavalla tarkkuudella onnistuu valitulla mittaustaval-
la, jos jatkokehitystä asian tiimoilta tehdään.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
45
7. Jatkokehitys
Jotta edellisissä kappaleissa mainittu mittausjärjestelmä voitaisiin ottaa laajamittaisesti
käyttöön, on sitä kehitettävä edelleen. Yksi tärkeimmistä jatkokehityksen kohteista on
oikeiden mittauspisteiden tarkempi ja parempi määrittäminen. Jotta siihen tavoitteeseen
päästäisiin, pitää kustakin kattilasta ja niitä kannattelevista rakenteista tehdä tarkka rasi-
tusmalli, jotta nähtäisiin kaikki rakenteissa vaikuttavat voimat ja siten myös rasitukset.
Tarkkojen rasituksien määritteleminen rakenteissa helpottaisi huomattavasti antureiden
paikkojen valintaa.
Myös rasituksien muutoksien lineaarisuus muuttuvien painojen suhteen mahdollisissa
mittauspisteissä olisi hyvä selvittää. Tarkempaa analyysiä vaatisivat myös mahdolliset
vääntöjen, lämpötilan, yms. aiheuttamat muutokset rakenteissa ja ennen kaikkea kuinka
ne vaikuttavat mahdollisissa mittauspisteissä. Näiden seikkojen selvittämisellä mittauk-
sesta voitaisiin tehdä vieläkin tarkempi ja luotettavampi, kuin se nykyisellään on.
Yksi jatkokehityksen kannalta tärkeä asia on selvittää myös se, kuinka mittaus käyttäy-
tyy, kun niin sanottu ”kakku” tulee sykloniin. Tällöinhän hiekka ei kierrä enää syklonis-
ta takaisin tulipesään, vaan se kasaantuu sykloniin. Kun hiekkaa on kasaantunut tar-
peeksi sykloniin, joudutaan se poistamaan sieltä. Tämähän tarkoittaa sitä, että voimalai-
tos on ajettava alas, joka on taas kallista ja aikaa vievää puuhaa.
Tärkeitä selvitettäviä seikkoja kakun muodostumisen ennustamiseksi ovat muun muassa
se, että mitä mittaukset kertovat ennen kakun muodostumista, reagoivatko mittaukset
tarpeeksi nopeasti kakun muodostumiseen ja kuinka kakkutilanne eroaa mittauksien
kannalta ”lähes” normaalista tilanteesta. Jos mittaukset eivät reagoi tarpeeksi nopeasti
kakun muodostumiseen, niin kuinka reagointinopeutta voitaisiin kasvattaa? Tai jos rea-
gointinopeuteen ei voida vaikuttaa, löytyykö mittauksista mitään ilmiöitä jotka kertoisi-
vat tarpeeksi ajoissa mahdollisen kakun muodostumisesta? Edellä mainittujen seikkojen
selvittäminen on prosessin kannalta erittäin tärkeätä, koska mittauksien perusteella pi-
täisi pystyä ennustamaan mahdollisen kakun syntyminen ennalta ja näin ollen mahdolli-
sesti myös estää jo edellä mainittu kattilan alasajo.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
46
7.1 Kytkentä automaatiojärjestelmään
Jatkokehityksen yksi päätavoitteista olisi saada mittausjärjestelmä osaksi voimalaitok-
sen automaatiojärjestelmää. Ennen kuin tämä on mahdollista, täytyy mittauksien olla
tarpeeksi luotettavia ja tarkkoja jotta niistä olisi hyötyä ja niiden perusteella voitaisiin
tehdä tarvittavia säätö- yms. toimenpiteitä.
Ensimmäinen vaihe automaatiojärjestelmään liityttäessä olisi graafisen käyttöliittymän
suunnittelu ja toteuttaminen sekä sen integroiminen yhdeksi osaksi laitoksen käyttöliit-
tymää. Käyttöliittymän tulisi olla rakenteeltaan pääasiassa sellainen, että siinä näkyisi-
vät kuormien sijoittuminen kattilassa, eli kunkin mittauspisteen kuormat, kokonais-
kuormat ja tärkeimmät vertailudatan parametrit sekä muut tarvittavat tiedot.
Pelkkien mittaustuloksien graafisen ja numeerisen tiedon esittämisen lisäksi pitää auto-
maatiojärjestelmään liityttäessä määritellä ja valita myös mahdolliset hälytykset, säädöt
ja toiminnot hälytyksen sattuessa. Prosessin kannalta tärkeä määriteltävä seikka on se,
että jos ja kun hälytys tulee, niin mitä kattilassa vaikuttavia sisäisiä prosesseja säätämäl-
lä saadaan prosessi takaisin hallintaan.
Laitoksen automaatiojärjestelmään liitettynä voitaisiin mittausjärjestelmän mittauksia
verrata myös suoraan kappaleessa 6.4 esitettyihin vertailudatan, eli päähöyryvirtauksen,
parametreihin ja ennakoida niiden perusteella mahdollisen kakun muodostuminen riittä-
vän ajoissa. Kakkutilanteen ennakointiin voitaisiin käyttää olettamusta, että kun päähöy-
ryvirtaus kasvaa tai on jo suuri ja kuomien määrä kasvaa, niin on hyvin todennäköistä,
että on syntymässä kakkutilanne. Olettamuksen mukaan silloin, kun päähöyryvirtaus on
suuri, pitäisi muuttuvien painojen määrä olla normaalissa ajossa pieni ja päinvastoin.
Säätöjen ja graafisten esityksien lisäksi oli hyvä, että kaikki mittausjärjestelmän mit-
taukset ja tapahtuneet hälytykset ajankohtineen sekä mahdollisine selityksineen tallen-
tuisivat laitoksen tietojärjestelmään. Tämä olisi tärkeää sen vuoksi, että tällöin nähtäi-
siin pitemmällä aikavälillä se milloin kattilassa on ollut hiekan ym. ”leijuvanmateriaa-
lin” kiertoon liittyviä ongelmia, kuten esimerkiksi hiekan tai tuhkan tarttumista muu-
rauksiin yms. Näiden mittauksien perusteella voitaisiin päätellä se, että milloin olisi aika
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
47
vapaaehtoisesti katsastaa ja mahdollisesti myös puhdistaa, eli nuohota, syklonista yli-
määräinen hiekka ja muu materiaali pois. Tämä taas omalta osaltaan ehkäisisi kakun
syntyä. Pitemmän aikavälin seuranta kertoisi myös kierrossa olevan hiekan määrästä ja
kulutuksesta kohtuullisen tarkasti, jolloin myös hiekan määrää kattilassa voitaisiin sää-
dellä tarkasti.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
48
8. Yhteenveto
Insinöörityön tuloksen syntyi Foster Wheeler Energia Oy:lle toimiva muuttuvien kuor-
mien mittausjärjestelmä. Mittausjärjestelmä toteutettiin venymäliuskamittauksena, jossa
mitattiin kattilaa kannattelevien primääripalkkien päissä tapahtuvia leikkausjännityksien
muutoksia tilanteesta, jossa kattilassa ei ollut muuttuvia kuormia.
Mittausjärjestelmä koostui yhteensä kahdeksasta Microcell-anturista jotka muodostivat
neljä eri mittauspistettä kahdessa primääripalkissa. Nämä kahdeksan anturia liitettiin
vielä datankeräyslaitteeseen ja kannettavaan tietokoneeseen johon myös mittaukset (4
kpl.) tallentuivat. Mittauksia sopivin menetelmin muokkaamalla saatiin selville kussa-
kin mittauspisteessä olevat kuormat kullakin mittaushetkellä.
Mittausjärjestelmä onnistui tavoitteessaan, eli muuttuvien painojen määrittämisessä,
vähintäänkin tyydyttävästi. Mittauksien vertaaminen vertailudatoihin osoitti kiistatto-
masti sen, että järjestelmä on toimiva ja käyttökelpoinen muuttuvien kuormien lasken-
taan.
Mittausjärjestelmän ongelmaksi tosin nousi sen mahdollinen epätarkkuus ja luotetta-
vuuden vaikea arviointi. Epätarkkuuden aiheuttajana on se tosi seikka, että ei tiedetä
varmuudella vaikuttaako valittuihin mittauspisteisiin muita rasituksia kuin muuttuvien
kuormien aiheuttamat rasitukset. Näiden mittauksissa mahdollisesti näkyvien ylimää-
räisten rasituksien selvittäminen ja eliminointi onkin yksi tärkeimmistä ja vaativimmista
jatkokehityksen kohteista.
Tulevaisuudessa päätavoitteena olisi se, että insinöörityössä toteutettu mittausjärjestel-
mä liitettäisiin osaksi voimalaitoksen automaatiojärjestelmää. Jotta automaatiojärjestel-
mään liittyminen tulisi mahdolliseksi on ensin ratkaistava se kuinka mittauksesta saa-
daan riittävän luotettava. Liian epätarkka mittaus voi tuottaa jopa enemmän haittaa kuin
hyötyä. Tarkka mittaus voisi taas mahdollisesti parantaa laitoksen toimintaa huomatta-
vastikin.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
49
Automaatiojärjestelmään liitettynä voitaisiin mittauksien perusteella ennakoida tai jopa
ennalta estää mahdollisen kakun syntyminen sykloniin. Myös muuttuvien kuormien
määrää ja sijoittumista kattilassa voitaisiin seurata niin graafisen kuin numeerisen tie-
don avulla hyvinkin tarkasti ja yksityiskohtaisesti.
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
50
9. Lähteet
- 2640/2645 NetDaq Networked Data Acquisition Unit Users Manual; Fluke 1996
- Annual Preview 2002; Foster Wheeler Energia Oy 2003a.
- Anturit koneautomaatiossa; Metalliteollisuuden keskusliitto; Metalliteollisuuden
Kustannus Oy 1986
- Energia ja ympäristö; M. Hellgren, L. Heikkinen, L. Suomalainen; Opetushallitus
1997.
- Energiatekniikka; J. Perttula; Werner Söderström Osakeyhtiö 2000.
- Foster Wheeler: Parempi teknologia. Puhtaampi ympäristö; Foster Wheeler Energia
Oy 2003a.
- Foster Wheeler: CFB Market Shares; Foster Wheeler Energia Oy 2003b
- Foster Wheeler Fluid Bed Experience; Foster Wheeler Energia Oy 2003c
- Höyrykattilatekniikka; M. Huhtinen, A. Kettunen, P. Nurminen, H. Pakkanen; Oy
Edita AB 1994.
- Koneautomaatio – Anturit; J Fonselius, E. Laitinen, K Pekkola, A. Sampo, T. Väli-
maa; Valtion painatuskeskus 1988
- Lujuusoppi – peruskurssi; J. Saarineva; Tampereen Pikakopio Oy 1993
- Lujuusopin perusteet; E. Pennala; Otapaino 1982
- Microcell- kennon asennusohje; Kistler Morse 2003a
- Prosessisuureiden anturit; O. Luotsinen; Osmo Luotsinen ja Insinööritieto Oy 1982
- Successful BFB operating experience; Foster Wheeler Energia Oy 2003d
- STX- punnituselektroniikka; Kistler Morse 2003b
- Sähkönmittaustekniikka; P. Halko, H. Launonen, R. Malinen, T. Välimaa; Oy Edita
Ab 1998
- Teollisuuden instrumentointi; M. Sivonen; Painatuskeskus Oy 1995
- Vuosikatsaus 2001; Foster Wheeler Energia Oy 2002
PSAMK Tekniikka, Varkaus
Harri Haukka
Voimakattilan muuttuvien kuormien seurantajärjestelmän kehittäminen
51
10. Liitteet
1. Horbox- kytkentälaatikko
2. Antureiden asennuspaikat
3. Asennuskuva
4. Fluke NetDaq Logger -ohjelman mittausasetukset
5. Mittauksien ”raakadata”
6. Painot mittauspisteissä
7. Painot yhteensä
8. Kattilalaitoksen kuva
9. Päähöyryvirtaus ja kokonaispainot
10. Elementtimenetelmän malli mittauskohdista