D0-valkaisuvaiheen klooridioksidiannossäädön optimointi
Leinonen, Sami (2025)
2025
Automaatiotekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Automation Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2025-08-26
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202508268487
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202508268487
Tiivistelmä
Tämän diplomityön tavoitteena oli optimoida sellutehtaan D0-valkaisuvaiheen klooridioksidiannossäätö. Työssä tarkasteltiin, kuinka ClO₂-annostelun säätöä voidaan parantaa päivittämällä nykyinen kappakerroinsäädön matemaattinen malli vastaamaan nykyisiä prosessiolosuhteita sekä ottamalla käyttöön suhteellisen vaaleuden mittaus osaksi säätöstrategiaa.
Tutkimus toteutettiin empiirisenä prosessianalyysina, jossa hyödynnettiin sekä historiallisiin tuotantotietoihin perustuvaa data-analyysiä, että työn aikana kerättyä uutta prosessidataa. Tutkimuksessa käytettiin askelvastekokeita, mallinnusta ja jatkuvaa mittausdataa valkaisulinjan eri vaiheista. Aineistona toimi erityisesti D0-vaiheen ClO₂:n annosteluun, tulokappaan ja vaaleuden vaihteluun liittyvä prosessidata. Mittalaitteiden kalibrointia tarkennettiin työn alussa ja valitulla seurantajaksolla mittaustulokset olivat tarkkoja: mittapoikkeamat laboratoriotuloksiin nähden oli saatu keskiarvotasolla lähelle nollaa. Tämä paransi tehtävän analyysin luotettavuutta.
Lähtötilanteessa ClO₂:n annostelua ohjaava aktiivi-Cl₂-annos perustui kiinteään kappakertoimeen, joka määräytyi asetetun välikappatavoitteen mukaan. Perusannoksen laskenta muodostui vakioannoksesta sekä erillisestä kappakompensointiosuudesta. Tämä ratkaisu oli kohtuullisen toimiva vakio-olosuhteissa, mutta sen sopeutumiskyky heikkeni merkittävästi prosessin muuttuessa, esimerkiksi tulokapan vaihtelun vuoksi. Tämän vuoksi työssä kehitettiin uusi säädön rakenne, jossa kappakerroin lasketaan tulokapan funktiona kolmannen asteen polynomilla. Koko aktiivi-Cl₂-perusannos voidaan tällöin muodostaa yksinkertaisesti tulokapan perusteella ilman erillistä kappakompensointia.
Uuden säätöstrategian yhteydessä otettiin käyttöön suhteellisen vaaleuden mittaus (Cormec), jonka tuloksista laskettiin jatkuva-aikainen tulokappa-arvo osaksi annoskorjausta. Tämä mahdollistaa annoksen säätämisen massan muuttuvien ominaisuuksien mukaisesti lähes reaaliajassa. Verrattuna aikaisempaan ratkaisuun, jossa perusannoksen säätö tapahtui Fiberline-analysaattorin mittauksen perusteella, uusi ratkaisu paransi merkittävästi säätötarkkuutta. Suhteellisen vaaleuden mittaus havaitsee poikkeamat ennen Fiberline analysaattorin mittaustulosta ja siksi aktiivi-Cl₂-annosta pystytään korjaamaan viiveettömämmin.
Tuloksista havaittiin, että ClO₂-annossäädön säätötarkkuus parani eli asetusarvon ja toteutuneen arvon välinen keskiarvotettu hajonta pieneni 62 %, tämän seurauksena välikapan hajonta pieneni 78 % ja loppuvaaleuden hallinta parani vaaleusvaihtelun pienentyessä 60 %. Aktiivi Cl₂:n kokonaiskulutus D0-vaiheessa väheni 1,99 kg/ADt, mikä vastaa 6,6 % säästöä ilman, että lopputuotteen laatu heikkeni. Lisäksi virtaussäädön vaihtelu väheni huomattavasti ja toteutunut aktiivi-Cl₂-annos alkoi seurata annosasetuksia tarkemmin.
Uuden kappakerroinmallin selitysaste (R²) oli 0,85, mikä osoittaa, että uusi kappakerroinmalli selittää merkittävän osan aktiiviklooriannoksen vaihtelusta tulokapan perusteella. Tämä voidaan pitää hyvänä tuloksena, kun otetaan huomioon mittausdatalle saavutettu tarkkuus. Tuloksia tukee myös se, että aikaisemmin käytössä ollut lineaarinen kappakerroinmalli osoittautui paikoitellen varsin lähelle uuden mallin tuloksia, erityisesti 14,5 ja 17 tulokapan arvoilla. Tämä lisää uuden mallin uskottavuutta ja antaa viitteitä sen oikeansuuntaisuudesta.
Tulosten yleistettävyys muihin tuotantoympäristöihin edellyttäisi vastaavanlaista prosessiolosuhteita, mittaustekniikkaa ja säätöstrategiaa. Malli on kehitetty kyseisen tehtaan olosuhteisiin, mutta ratkaisu on periaatteellisesti siirrettävissä muihinkin vastaaviin prosesseihin, mikäli mittalaitteiden tarkkuus ja kalibrointi ovat kunnossa.
Tutkimus toteutettiin empiirisenä prosessianalyysina, jossa hyödynnettiin sekä historiallisiin tuotantotietoihin perustuvaa data-analyysiä, että työn aikana kerättyä uutta prosessidataa. Tutkimuksessa käytettiin askelvastekokeita, mallinnusta ja jatkuvaa mittausdataa valkaisulinjan eri vaiheista. Aineistona toimi erityisesti D0-vaiheen ClO₂:n annosteluun, tulokappaan ja vaaleuden vaihteluun liittyvä prosessidata. Mittalaitteiden kalibrointia tarkennettiin työn alussa ja valitulla seurantajaksolla mittaustulokset olivat tarkkoja: mittapoikkeamat laboratoriotuloksiin nähden oli saatu keskiarvotasolla lähelle nollaa. Tämä paransi tehtävän analyysin luotettavuutta.
Lähtötilanteessa ClO₂:n annostelua ohjaava aktiivi-Cl₂-annos perustui kiinteään kappakertoimeen, joka määräytyi asetetun välikappatavoitteen mukaan. Perusannoksen laskenta muodostui vakioannoksesta sekä erillisestä kappakompensointiosuudesta. Tämä ratkaisu oli kohtuullisen toimiva vakio-olosuhteissa, mutta sen sopeutumiskyky heikkeni merkittävästi prosessin muuttuessa, esimerkiksi tulokapan vaihtelun vuoksi. Tämän vuoksi työssä kehitettiin uusi säädön rakenne, jossa kappakerroin lasketaan tulokapan funktiona kolmannen asteen polynomilla. Koko aktiivi-Cl₂-perusannos voidaan tällöin muodostaa yksinkertaisesti tulokapan perusteella ilman erillistä kappakompensointia.
Uuden säätöstrategian yhteydessä otettiin käyttöön suhteellisen vaaleuden mittaus (Cormec), jonka tuloksista laskettiin jatkuva-aikainen tulokappa-arvo osaksi annoskorjausta. Tämä mahdollistaa annoksen säätämisen massan muuttuvien ominaisuuksien mukaisesti lähes reaaliajassa. Verrattuna aikaisempaan ratkaisuun, jossa perusannoksen säätö tapahtui Fiberline-analysaattorin mittauksen perusteella, uusi ratkaisu paransi merkittävästi säätötarkkuutta. Suhteellisen vaaleuden mittaus havaitsee poikkeamat ennen Fiberline analysaattorin mittaustulosta ja siksi aktiivi-Cl₂-annosta pystytään korjaamaan viiveettömämmin.
Tuloksista havaittiin, että ClO₂-annossäädön säätötarkkuus parani eli asetusarvon ja toteutuneen arvon välinen keskiarvotettu hajonta pieneni 62 %, tämän seurauksena välikapan hajonta pieneni 78 % ja loppuvaaleuden hallinta parani vaaleusvaihtelun pienentyessä 60 %. Aktiivi Cl₂:n kokonaiskulutus D0-vaiheessa väheni 1,99 kg/ADt, mikä vastaa 6,6 % säästöä ilman, että lopputuotteen laatu heikkeni. Lisäksi virtaussäädön vaihtelu väheni huomattavasti ja toteutunut aktiivi-Cl₂-annos alkoi seurata annosasetuksia tarkemmin.
Uuden kappakerroinmallin selitysaste (R²) oli 0,85, mikä osoittaa, että uusi kappakerroinmalli selittää merkittävän osan aktiiviklooriannoksen vaihtelusta tulokapan perusteella. Tämä voidaan pitää hyvänä tuloksena, kun otetaan huomioon mittausdatalle saavutettu tarkkuus. Tuloksia tukee myös se, että aikaisemmin käytössä ollut lineaarinen kappakerroinmalli osoittautui paikoitellen varsin lähelle uuden mallin tuloksia, erityisesti 14,5 ja 17 tulokapan arvoilla. Tämä lisää uuden mallin uskottavuutta ja antaa viitteitä sen oikeansuuntaisuudesta.
Tulosten yleistettävyys muihin tuotantoympäristöihin edellyttäisi vastaavanlaista prosessiolosuhteita, mittaustekniikkaa ja säätöstrategiaa. Malli on kehitetty kyseisen tehtaan olosuhteisiin, mutta ratkaisu on periaatteellisesti siirrettävissä muihinkin vastaaviin prosesseihin, mikäli mittalaitteiden tarkkuus ja kalibrointi ovat kunnossa.