Optimering af Bitumenemulsionsanlæg - campus.aams.dkcampus.aams.dk/pluginfile.php/3581/mod_data/content/4076... · praktik hos BEC tiltrådt Peter hos ENH Engineering. Bachelorprojektet

Optimering af Bitumenemulsionsanlæg

Casper Bendix Sørensen og Peter Valsted Jørgensen Bachelorprojekt 2014

Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532

Titelblad Titel på projekt:

Optimering af Bitumenemulsionsanlæg

Gruppe:

Casper Bendix Sørensen

Peter Valsted Jørgensen

Ved Aarhus Maskinmesterskole

Vejleder:

Niels Ole Birkelund

Projektområde:

Automation

Projekttype:

Bachelorprojekt

Afleveringsdato:

15/12-2014

Antal normalsider af 2400 tegn:

30,92 normalsider

Forsideillustration

(Enh Engineering a/s)

Underskrift:

__________________________________________________ __________________________________________________

Casper Bendix Sørensen Peter Valsted Jørgensen


Abstract

The purpose of the following project is to the display the students’ abilities to work

development-oriented with the planning and completion of a project. Further to this, the

students have to display the ability to identify and assess specific problems relevant for the

marine engineer profession, by drawing connections between experience, practical skills

and theoretical knowledge acquired throughout the education at Aarhus School of Marine

and Technical Engineering.

The premise of this project is optimisation of the stability for a 40 feet bitumen-emulsion

plant constructed by ENH Engineering in Svenstrup. The bitumen emulsion plant is located

in Gotha Germany, and has the ability to produce all known types of bitumen emulsion.

ENH Engineering’s customers have expressed the desire for an optimisation of the closed-

loop control regarding the dosage of process water to a heat exchanger unit in the bitumen

emulsion plant, as this currently does not work as intended, and therefore has to be tuned

manually. In addition, the customers have also expressed the desire for an optimisation of

closed-loop control for the bitumen emulsion plants burner unit.

As the bitumen emulsion plant is located in Gotha Germany, and the plant was shut down

for the winter at the initiation of this project – this project contains an analysis of existing

empirical data logged as trend-curves for the bitumen emulsion plant. This was done to

determine the cause of instability in the closed-loop control systems dealt with in this

project. Further, this project contains a practical guide, as well as suggestions for

measurement points needed in order to acquire additional data, so the static- and dynamic

characteristics for the processes can be recorded, with the intent to identify the causes of

performance problems. Moreover, this project also contains a guide on how to tune the

controller based on the data acquired by dynamic characteristic. In addition, this project

also contains suggestions on different controller actions, with the intent to increase

stability of the processes.

Finally based on this project ENH Engineering should have the necessary data needed, and

therefore a good foundation, to optimise the closed-loop control systems dealt with within

this project.


Indholdsfortegnelse 1 Forord ................................................................................................................................................................ 6

1.1 Projektets formål ............................................................................................................................... 6

1.2 Læsevejledning ................................................................................................................................... 7

1.3 Indledning ............................................................................................................................................ 8

2 Virksomhedsbeskrivelse ............................................................................................................................ 9

2.1 Bitumen og bitumenemulsion ...................................................................................................... 9

2.1.1 Bitumen ............................................................................................................................................ 9

2.1.2 Bitumenemulsion ....................................................................................................................... 10

2.2 Anlægsbeskrivelse .......................................................................................................................... 10

3 Problemstilling ............................................................................................................................................. 12

3.1 Problemformulering ...................................................................................................................... 13

3.2 Afgrænsning ...................................................................................................................................... 13

3.3 Arbejdsmetode ................................................................................................................................. 14

4 Beskrivelse af processerne ...................................................................................................................... 15

4.1 Brænderkredsens virkemåde ..................................................................................................... 15

4.2 Brænderens virkemåde ................................................................................................................ 17

4.2.1 Analyse af brænderens regulering ....................................................................................... 18

4.2.2 Brænderreguleringens stabilitet .......................................................................................... 19

4.3 Bitumenemulsionskredsens virkemåde ................................................................................. 20

4.4 Belastningerne i processen ......................................................................................................... 21

5 Analyse af ustabilitet ud fra aktuelle målinger ................................................................................ 22

5.1 Analyse af proces 17V1 ikke i manuel ..................................................................................... 24

5.2 Stabilitet i processen ...................................................................................................................... 29

5.2.1 Procesforstærkningen .............................................................................................................. 29

5.3 Analyse af dødtider og tidskonstanter i processen ............................................................ 30

5.3.1 Temperaturtransmitter 1B2 og 3B2 ................................................................................... 31

5.3.2 Tidskonstant temperaturtransmitter 1B2 og 3B2 ......................................................... 32

5.3.3 Varmeveksler 1 og 2 .................................................................................................................. 33

5.3.4 Trevejsreguleringsventil 3V4 og 17V1 ............................................................................... 34

5.3.5 Tidskonstant trevejsreguleringsventil ............................................................................... 35

5.4 Analyse af dødtider samt tidskonstanters påvirkning af processerne ....................... 35

5.4.1 Dødtidernes påvirkning af processerne ............................................................................ 35

5.4.2 Tidskonstanternes påvirkning af processerne ............................................................... 36

6 Procesanalyse og optimering ................................................................................................................. 37

6.1 Statisk karakterstik......................................................................................................................... 37

6.1.1 Optagelse af den statisk karakteristik ................................................................................ 40

6.2 Dynamisk karakterstik .................................................................................................................. 43

6.2.1 Undersøgelse af dødbånd ........................................................................................................ 45

6.2.2 Optagelse af dynamisk karakterstik .................................................................................... 46

6.3 Ziegler-Nichols åbensløjfe metode ........................................................................................... 48

6.3.1 Indstilling af regulatorens parametre ................................................................................ 48

6.4 Afprøvning efter eventuel ændringer...................................................................................... 50

6.4.1 SAT tjekliste .................................................................................................................................. 51

7 Forslag til reguleringsmetoder .............................................................................................................. 52

7.1 Dosis-pause regulering ................................................................................................................. 52

7.1.1 Teoretisk gennemgang af dosis-pause reguleringens virkemåde ........................... 52


7.1.2 Tilsigtet virkemåde for processen ....................................................................................... 53

7.2 Feedforward-regulering ............................................................................................................... 55

7.2.1 Teoretisk gennemgang af feedforward-reguleringens virkemåde ......................... 55

7.2.2 Tilsigtet virkemåde for processen ....................................................................................... 55

8 Konklusion ..................................................................................................................................................... 57

8.1 Perspektivering ................................................................................................................................ 58

8.2 Efterskrift ........................................................................................................................................... 59

9 Bibliografi ....................................................................................................................................................... 60

9.1 Illustrations liste .............................................................................................................................. 62

10 Bilag .................................................................................................................................................................. 64

10.1 PI-DIAGRAM - BITUMEN .............................................................................................................. 64

10.2 PI-DIAGRAM - EMULSION PLANT ............................................................................................. 65

10.3 PI-DIAGRAM - CHEMICAL DOSAGEUNIT ............................................................................... 66

10.4 PI-DIAGRAM - EMULSION TANKS 5-1-2 ................................................................................ 67

10.5 PI-DIAGRAM - EMULSION TANKS 3-4 ..................................................................................... 68

10.6 PI-DIAGRAM - EMULSION DISCHARGE SYSTEM ................................................................ 69

10.7 PI-DIAGRAM - SIMPLIFIED EMULSION PLANT ................................................................... 70

10.8 TREND-KURVE OVER TEMPERATUR ...................................................................................... 71

10.9 TREND-KURVE OVER FLOW ....................................................................................................... 72

10.10 ALFA LAVAL (VARMEVEKSLER 525 kW) ......................................................................... 73

10.11 ALLOY 316 (RUSTFRISTÅL) ................................................................................................... 74

10.12 VARMEVEKSLER BEREGNING ............................................................................................... 76


6

1 Forord Det følgende projekt er udarbejdet som sidste led i maskinmesteruddannelsen. I denne

forbindelse har Peter Valsted Jørgensen været i bachelorpraktik hos ENH Engineering A/S,

og Casper Bendix Sørensen har været i bachelorpraktik hos BEC ApS – og har efter endt

praktik hos BEC tiltrådt Peter hos ENH Engineering. Bachelorprojektet tager udgangspunkt

i en problemstilling fundet hos ENH Engineering. Projektets udgangspunkt er i emnet

automation, hvilket begge studerende finder interessant, grundet de tidligere har taget en

erhvervsuddannelse som styrings- og reguleringstekniker.

Vi har undervejs i projektet fået hjælp til diverse problemstillinger, og vil derfor gerne

takke følgende personer:

Erik Nordal Haugaard – Direktør ENH Engineering

Jakob Henriksen – Maskinmester ENH Engineering

Jane Eliasen – Sekreter ENH Engineering

Niels Ole Birkelund - Vejleder og lektor AAMS

Tommy Christensen - Adjunkt AAMS

Ole Albeck - Weishaupt A/S

Kim O Hansen - Alfa Laval

1.1 Projektets formål

”Den studerende skal lære at arbejde udviklingsorienteret med planlægning og gennemførelse

af et projekt.

Den studerende skal ved at drage sammenhænge mellem erfaring, praktiske færdigheder og

teoretisk viden kunne identificere og analysere problemstillinger, der er centrale i forhold til

professionen som maskinmester.

Den studerende skal tilegne sig en særlig indsigt i et emne, område eller problem og skal

gennem projektarbejdet lære systematisk problemformulering og problembehandling samt

indsamling og analyse af datamateriale, herunder relevante resultater fra forskning og

udvikling”

(Aarhus Maskinmesterskole, 2014)


7

1.2 Læsevejledning

Dette projekt er tiltænkt at skulle læses i et sammenhæng, for at blive bekendt med

problemstillingen samt analyserne i projektet. Endvidere kan det være en fordel, hvis

læseren har bilag 10.2 til rådighed som reference under læsningen af dette projekt.

Projektet er tiltænkt personer med faglig viden tilsvarende en maskinmester. Kilder der er

benyttet i projektet, er indsat efter Harvard metoden i de afsnit de er benyttet. En

bibliografi omhandlende alle de i projektet benyttede kilder, findes i afsnit 9.

Der er findes ingen nomenklaturliste i projektet, da symbolerne beskrives i de afsnit hvori

de er benyttet.

Projektet er inddelt i ti afsnit:

1. Afsnit et omhandler forord, læsevejledning samt indledning for projektet.

2. Afsnit to omhandler en præsentation af virksomheden, en kort beskrive af hvad

bitumen og bitumenemulsion er, samt en kort anlægsbeskrivelse.

3. Afsnit tre omhandler problemstilling, problemformulering samt afgrænsning og

metode.

4. Afsnit fire omhandler en dybdegående beskrivelse og analyse af

bitumenemulsionsanlæggets: Brænderkreds, brænderen,

bitumenemulsionskredsen samt deres belastninger.

5. Afsnit fem omhandler en analyse af ustabiliteten i processerne ud fra eksisterende

empiriske data for anlægget.

6. Afsnit seks omhandler en analyse for at identificerer kilden til ustabiliteten i

processerne, samt en beskrivelse til indstillinger af regulatorparametre. Derudover

er der en vejledning til at kontrollere automationssystemet i

bitumenemulsionsanlægget.

7. Afsnit syv omhandler kort forslag til alternative reguleringsmetoder med henblik på

effektivisering af bitumenemulsionsanlægget.

8. Afsnit otte omhandler projektets afslutning, herunder konklusion, efterskrift, samt

perspektivering.

9. Afsnit ni indeholder projektets bibliografi, samt illustrationsliste.

10. Afsnit ti er en sammenfatning af projektet bilag.


8

1.3 Indledning

Dette projekt indeholder en analyse, af stabiliteten for processen for et fyrre fods

bitumenemulsionsanlæg, med henblik på optimering af anlæggets reguleringer for at højne

kundetilfredsheden.

Der vil, ud fra de empiriske data der på nuværende tidspunkt er til rådighed for anlægget,

blive udarbejdet en vurdering af anlæggets stabilitet. Derudover vil der blive udarbejdet en

handleplan til opsamling af nødvendige målinger for bitumenemulsionsanlægget, med

henblik på optimering af processen. Endvidere vil projektet indeholde en vejledning til

hvordan målingerne optages i praksis for bitumenemulsionsanlægget, samt en beskrivelse

til indstillinger af regulatorparametre. I projektet vil der også findes en kort vejledning til

eftersyn og afprøvning af bitumenemulsionsanlægget i henhold til DS/EN 62381.

Ydermere vil projektet kort omhandle, forslag til alternative reguleringsmetoder for

bitumenemulsionsanlægget.

Problemstillingen vil blive uddybet yderligere i afsnit 3.


9

2 Virksomhedsbeskrivelse ENH Engineering A/S blev grundlagt på Fyn i 1989 af den nuværende ejer Erik Nordal

Haugaard, samt to andre under navnet Vejtek. Det primære forretningsområde var

dengang, og er stadig, fremstilling og rådgivning af bitumen teknologi til vedligeholdelse af

vejsystemet. I 1991 købte nuværende ejer Erik Nordal Haugaard, de to andre ud af firmaet

og navnet blev ændret fra Vejtek til ENH Engineering A/S. EHN Engineering flyttede i 1998

til nuværende adresse på Jellingevej 15 i Svenstrup. Firmaet består i dag, ud over Erik, af

20 medarbejdere, der arbejder ud fra firmaprofilen (Enh.dk, u.d.) at:

”ENH Engineering er et firma med krav om kvalitet, know-how og erfaring, som

klart er angivet med en bæredygtig vækst i kunder og klienter”.

ENH Engineerings kundekreds, består både af store multinationale olieselskaber og

statsejede virksomheder, samt store og små private virksomheder i hele verden. ENH

Engineering har produceret og solgt anlæg til selskaber i mere end fyrre lande.

(Enhchina.com, 2011), (Enh.dk, u.d.)

2.1 Bitumen og bitumenemulsion

Dette afsnit omhandler en generel beskrivelse af hvad bitumen og bitumenemulsion er,

samt hvad det benyttes til.

2.1.1 Bitumen

Bitumen er et sort eller mørkebrun termoplastisk materiale, der

hovedsageligt bliver brugt som bindemiddel i vejbelægninger og til

fremstilling af asfalt. Som ordet termoplastisk antyder har bitumen

ved lave temperaturer en høj viskositet, med næsten ingen elastiske

egenskaber. Ved opvarmning bliver bitumens viskositet gradvis

lavere og bliver derved mere elastisk, hvilket gør det lettere at

arbejde med. Bitumen kan fremkomme på to forskellige metoder,

enten naturligt eller kunstigt fremstillet.

(Salomon, 2006), (Dybdal, 2004)

Figur 1 - Bitumen; (All-Biz Ltd , 2014)


10

2.1.2 Bitumenemulsion

Bitumenemulsion er en kolloid blanding mellem bitumen og

vand. På grund af de to væskers forskellige

overfladespændinger, kan der ved en simpel blanding ikke

produceres en stabil emulsion. For at gøre emulsionen stabil er

det derfor nødvendigt at tilsætte emulgatorer og stabilisatorer i

blandingen. Indholdet af bitumen i en bitumenemulsion kan

varieres for at tilpasse forskellige krav, dog er indholdet af

bitumen typisk mellem 30- og 70% af den samlede blanding. Bitumenemulsioner er opdelt

i tre kategorier: Anionisk med negativ ladede kugler, kationiske med positivt ladede kugler

og ikke-ionisk med neutrale kugler. Det primære formål med bitumenemulsion, er at opnå

et produkt, der kan anvendes til klæbning mellem asfalt lag, overfaldebehandling, såvel

som at forsegle revner i vejen eller til at forsegle hele vejoverflader uden opvarmning.

(BP, u.d.), (Korsgaard, 2011)

2.2 Anlægsbeskrivelse For at få en forståelse for in-line bitumenemulsionsanlægget, vil der i dette afsnit være en

kort beskrivelse af anlægget. Der henvises til bilag 10.1 - 10.6, for anlæggets PI-diagram.

Et In-line bitumenemulsionsanlæg er et mobilt anlæg, som er bygget ind i en fyrre fods

container. Ud over bitumenemulsionsanlægget, er

der i containeren også indbygget et kontrolrum, til

at styre produktionen. In-line bitumenemulsions-

anlægget har en produktionskapacitet mellem 10

og 20 tons bitumenemulsion pr. time. In-line

systemet giver muligheden for at kunne

producere alle kendte bitumenemulsioner.

Derudover giver In-line systemet en stor

fleksibilitet i produktionsfasen, fordi der ikke er

behov for at blande nogle kemikalier eller vandopløsninger inden produktionsstart. Alt

tilføres løbende under produktionen og tilsætningsstofferne indsprøjtes individuelt i

systemet, og kan derfor styres separat uden at påvirke hinanden.

Figur 3 - In-line bitumenemulsionsanlæg; (Enhchina.com, 2011)

Figur 2 - Bitumenemulsion; (Wasco, 2014)


11

Figur 4 - Principtegning over bitumenemulsionsprocessen; (Eget arkiv, 2014)

Figur 4 viser en forenklet principskitse for bitumenemulsionsanlægget. Ved

produktionsstart, bliver der leveret procesvand fra en ekstern vandtank. Procesvandet

bliver i starten af produktionen opvarmet af varmeveksler 1, indtil det har opnået en

temperatur på 50°C, hvilket er det ønskede sætpunkt. Varmveksler 1 får tilført sin energi

fra brænderkredsen, som er en lukket kreds i systemet. Brænderkredsen vil blive

yderligere gennemgået i afsnit 4.1 i projektet.

Efter varmeveksler 1 kommer procesvandet til trevejsreguleringsventil 17V1, der

bestemmer hvor meget procesvand der skal føres til varmeveksler 2 og hvor meget der

bliver by-passet videre til kemikalieskabet. Denne kreds kaldes bitumenemulsionskredsen

og bliver yderlige gennemgået i afsnit 4.3. Varmeveksler 2 bruges til nedkøling af

bitumenemulsion, samt opvarmning af procesvandet, når produktionen af

bitumenemulsionen er i gang. Under produktionen bliver procesvandet varmet op af både

varmeveksler 1 og varmeveksler 2.

I kemikalieskabet bliver der tilføjet syre, calcium og emulgator til procesvandet. Mængden

der tilføjes af de forskellige væsker, bestemmes ud fra den recept producenten bruger til

bitumenemulsion. Fra kemikalieskabet kommer procesvandet derefter til kolloidmøllen,

hvor det bliver blandet med bitumen. Kolloidmøllen er den centrale del i

bitumenemulsionsanlægget og det er her emulgeringen foregår. Når bitumenemulsionen er

produceret pumpes det fra kolloidmøllen gennem varmeveksler 2. Derefter bliver

bitumenemulsion ført videre til tankene, hvor det er klar til udlastning.

(Enh.dk, u.d.)

Grøn

Rød

Blå

Sort

Bitumen

Bitumenemulsion 1

Bitumenemulsion 2

Procesvand

Orange Varmt vand


12

3 Problemstilling ENH Engineerings kunder har givet udtryk for, at de ønsker en optimering af den

automatiske løsning til dosering af mængden af produktionsvandet til varmeveksler 2, for

bitumenemulsionsstrengen, via trevejsreguleringsventilen 17V1, for et fyrre fods

bitumenemulsionsanlæg. Endvidere har kunderne også givet udtryk for, at de er utilfredse

med reguleringen af temperaturen for brænderkredsen og reguleringen af

bitumenemulsionskredsen. Vi har derfor valgt at undersøge hvad der er årsag til at

bitumenemulsionsanlæggets brænderkreds er ustabil, samt hvad der er skyld i

problematikken for dosering af procesvandet til varmeveksler 2.

Bitumenemulsionsanlægget, som projektet tager udgangspunkt i, er beliggende i Gotha,

Tyskland. Bitumenemulsionsanlægget er blevet lukket ned for vinteren, og det er derfor

ikke muligt at få flere data fra dette.

Bitumenemulsionsanlæggets ustabilitet analyseres og vurderes derfor ud fra de

eksisterende målte data for anlægget. Endvidere vil der blive udarbejdet en handleplan

med henblik på indsamling af flere empiriske data – således, en mere præcis analyse af

bitumenemulsionsanlæggets statiske og dynamiske egenskaber kan fastlægges.

Derudover vil der ligeledes udarbejdes en testplan, således at ENH Engineering kan udføre

de ovennævnte målinger i praksis. Med udgangspunkt i de optagede målinger fra

testplanen, har ENH Engineering således et grundlag for at reviderer reguleringerne, med

henblik på en mere stabil proces.


13

3.1 Problemformulering

Vi har på baggrund af problembelysningen valgt at undersøge hvad der kan være årsag til

at reguleringerne, for henholdsvis brænderkredsen samt bitumenemulsionskredsen, ikke

virker optimalt i bitumenemulsionsanlægget.

Endvidere vil vi udarbejde et testprogram, samt forslag til eventuelle nye målepunkter,

med henblik på at indsamle yderligere data for bitumenemulsionsanlægget. De optagne

data vil kunne danne grundlag for en ny analyse af processen, med henblik på en

optimering af stabiliteten. Derudover vil vi undersøge hvilke eftersyn og afprøvninger der

skal foretages, ved eventuel ændring i bitumenemulsionsanlæggets regulering.

Hvad kan være årsagen til at reguleringen, for henholdsvis brænderkredsen og

bitumenemulsionskredsen i bitumenemulsionsanlægget, ikke fungerer optimalt?

Hvad kan være årsagen til ustabiliteten i de nuværende reguleringer?

Hvordan skal målingerne for processerne udføres i praksis?

3.2 Afgrænsning

Projektet er afgrænset til at omhandle de komponenter, der er relevante for

reguleringsprocessen for henholdsvis brænderkredsen og bitumenemulsionskredsen.

Da bitumenemulsionsanlægget er dimensioneret således, at det kan producere forskellige

typer bitumenemulsioner, i volumen 10-20 tons/t, har vi derfor valgt ikke at kigge på

dimensionen af anlæggets komponenter, herunder: Rørdimensioner, varmevekslere og

pumper. Endvidere er projektet afgrænset til ikke at omhandle de økonomiske aspekter

vedrørende en analyse af anlægget, herunder: Lønninger, indkøb af måleudstyr, tab af

fortjeneste ved produktionsstop m.m.


14

3.3 Arbejdsmetode

Dette projekt er udarbejdet på bagrund af kvantitative data udleveret af ENH Engineering

A/S, for et fyrre fods bitumenemulsionsanlæg, beliggende i Gotha, Tyskland.

Bitumenemulsionsanlægget i Tyskland blev lukket ned for vinteren ved initiering af

projektskrivningen, og det har derfor ikke været muligt at få flere data fra dette.

Dette betyder at projektet vil blive udarbejdet på baggrund af empirisk viden, som de

studerende har tilegnet sig på Aarhus Maskinmesterskole, gennem tidligere uddannelser

samt erhvervserfaring. Antagelserne i dette projekt vil blive fortaget på baggrund af

kildevalideret informationer.

Processenerne for bitumenemulsionsanlægget, og dettes hovedkomponenter er blevet

analyseret for at opnå en bedre anlægsforståelse, samt for at definere punkterne nævnt i

problemformuleringen.

Endvidere har der gennem processkrivningsforløbet været løbende dialog og sparring med

ENH Engineerings maskinmester Jakob Henriksen.


15

4 Beskrivelse af processerne Dette afsnit omhandler en beskrivelse af processerne for brænderkredsen og

bitumenemulsionskredsen i bitumenemulsionsanlæggets, som de fungerer i skrivende

stund. Dette gøres for at opnå en bedre forståelse af processerne.

Fordi processerne er forholdsvis komplicerede, vil beskrivelsen, samt analysen af disse

blive opdelt i afsnit og forklares individuelt. Se bilag 10.1 til 10.6 for PI-diagrammer af det

samlede bitumenemulsionsanlæg. Derudover vil der i dette afsnit også være en beskrivelse,

samt en analyse, af brænderen i brænderkredsen.

4.1 Brænderkredsens virkemåde

Figur 5 – Principskitse brænderkreds på bitumenemulsions anlæg; (Eget arkiv, 2014)

Brænderkredsen for bitumenemulsionsanlægget består af følgende; Weishaupt WL20/2-C

udf. Z brænder, Veissmann Vitorond varmtvandskedel 200-230kW, Samson 3260K

trevejsreguleringsventil, Baumer PT100 føler med temperaturtransmitter, samt et

rørsystem der fører vandet gennem en Alfa laval M6-FG pladevarmeveksler 275kW.

Formålet med brænderen, er at opvarme vandet i kredsen til 85°C, som er illustreret med

den orange streng på Figur 5. Når vandet i brænderkredsen har opnået 85°C benyttes det

til at opvarme procesvandet, illustreret med den sorte streng på Figur 5, gennem

varmeveksler 1. Procesvandet har et sætpunkt på 50°C. Brænderen, der er benyttet i

bitumenemulsionsanlægget er en oliebrænder, da ENH Engineering leverer anlæg til

mange forskellige lande, og olie er en let tilgængelig ressource i de fleste lande. Brænderen

Sort Procesvand

Orange Varmt vand


16

er leveret med sin egen uafhængige reguleringssløjfe, hvorpå det er muligt at indstille den

temperatur man ønsker for vandet i brænderkredsen.

Ved opstart af bitumenemulsionsanlægget, skal der når vandet i brænderkredsen har

opnået den ønskede temperatur, startes en cirkulationspumpe ved tryk på

operatørpanelet. Derefter pumpes der procesvand fra vandtanken gennem varmeveksler 1.

Vandet i brænderkredsen afgiver varme til procesvandet, som kræver en temperatur på

minimum 50°C. Grunden til at procesvand skal opvarmes til minimum 50°C er for at sikre

at emulgatoren opløses tilstrækkeligt, når denne bliver tilsat i kemikalieskabet.

Trevejsreguleringsventil 3V4 bestemmer mængden af varmt vand fra brænderkredsen, der

tilføres varmeveksler 1. Trevejsreguleringsventil 3V4 bliver reguleret af en PI-regulator, og

øger eller mindsker mængden af det varme vand, afhængigt af procesvariablen modtaget

fra temperaturtransmitter 3B2. Hvis procesvandet har opnået sit sætpunkt på 50°C, vil

reguleringsventil 3V4 begynde at lukke af, således at der ikke tilføres yderligere varmt

vand til varmeveksler 1. Vandet i brænderkredsen cirkuleres nu uden om varmeveksler 1.

Figur 6 - Blokdiagram PI-regulator for brænderkreds; (Eget arkiv, 2014)


17

4.2 Brænderens virkemåde

Brænderen i kredsen er, som tidligere nævnt, af typen WL 20/2-C udf. Z.

W - Type serie L - Olie

20 - Brænder serie /2 - Antal dyser i brænder

C - Index udf. Z - To-trins termostat

Brænderen er en olieforstøvningsbrænder, hvori der er indbygget en mekanisk to-trin

termostat. Som standard styres alle Weishaupt W-brændere normalt af en digital

brænderstyring, hvor alle brænderfunktionerne styres og overvåges af mikroprocessorer.

ENH Engineering har dog erfaret, at operatørerne af bitumenemulsionsanlæggene ikke kan

håndtere denne digitale brænderstyring, og de muligheder denne giver, og operatørerne

sætter derfor brænderen i manuel, hvorpå den leverer en konstant given effekt. Dette er

ikke hensigtsmæssigt, og i følge Ole Albeck fra Weishaupt A/S, leveres

bitumenemulsionsanlæggene derfor med en speciel forsimplet udgave af WL 20/2-C udf. Z

brænderen, hvor den digitale brænderstyring er undladt, og styres derfor af den mekaniske

to-trin termostat.

(Weishaupt, u.d., s. 6)

Figur 7 viser den skematiske opbygning af brænderen, hvor punkt 1 og 2, er to normalt

lukket magnetventiler, der bestemmer gennemløbet af olien. Punkt 3 er oliepumpen, der

forsyner dyseaggregatet med olie. Punkt 4 er dyseaggregatet med de to dyser. Det totale

oliegennemløb leveres fra de to dyser, og de fordeler også belastningen mellem sig. Ved

dellast aktiveres dyse 1, og ved fuldlast er både dyse 1 og dyse 2 aktiveret.

Figur 7 - Skematisk funktion WL20 / 2-C, vers. Z; (Weishaupt, 2001)


18

4.2.1 Analyse af brænderens regulering To-trins termostaten styrer reguleringen af temperaturen, og denne agerer som både

måler og regulator bygget sammen i én komponent. Der er derfor tale om en

termostatregulering.

Termostaten indstilles af Ole Albeck fra Weishaupt A/S og den er ifølge ham, indstillet på

følgende parametre:

SP - 85°C

Trin 1 - ydelse 80 kW - ved vandtemperatur > 78°C

Trin 2 - ydelse 100 kW - ved vandtemperatur < 78°C

NZ - Neutral zone - ved vandtemperatur 82.5 – 87.5°C

Figur 8 - Brænderregulering simpel form (Eget arkiv, 2014)

Reguleringen har til formål, at opvarme vandet i brænderen til en vandtemperatur på 85°C.

På Figur 8 ses regulatorens karakteristik. Ved lille afvigelse fra sætpunktet vil regulatoren

give signal til at brænderen skal kører dellast. Ved dellast aktiveres magnetventil V1, og

brænderen leverer 80 kW fra dyse D1. Hvis den målte afvigelse er for stor, vil brænderen få

signal om at skulle kører fuldlast. Ved fuldlast er magnetventil V1 forsat aktiveret, og

magnetventil V2 aktiveres ligeledes. Det betyder at dyse D1, og dyse D2 er aktiverede – og

brænderen leverer nu 180 kW. Det fremgår ligeledes af Figur 8, at der er indstillet en

neutralzone på 5°C, som ligger omkring sætpunktet. Hvis procesvariablen er inden for

neutralzonen vil dyserne ikke være aktive. Ydermere kan processen ved brænderen

antages til at være en førsteordensproces.


19

4.2.2 Brænderreguleringens stabilitet

Der er på nuværende tidspunkt ingen data til rådighed målinger for det opvarmede vand i

brænderkredsen. Dette betyder at analysen af termostatreguleringen er udarbejdet på

antagelser.

Hvis termostatreguleringen ikke er aktiveret, dvs. at brænderen leverer energi til vandet

uden at den bliver afbrudt, fremgår det af Figur 9 at vandets temperatur over en given tid,

vil stige til fast værdi ymax efter en førsteordens trinresponskurve. Da sætpunktet for

termostatreguleringen er indstillet til 85°C, må dette antages til at være under ymax,

grundet brænderens kapacitet på 180kW.

Figur 9 - Teoretisk tidsforløb for termostatreguleringen; (Heilmann, 2009, s. 52)

Når termostatreguleringen er aktiveret og sætpunktet er indstillet, på en værdi lavere en

ymax, vil temperaturen derved komme til at svinge omkring sætpunktet, med en given

frekvens og amplitude, som set på Figur 9. Svingningerne og deres størrelse afhænger af

den indstillede værdi for termostatens neutralzonen NZ, samt belastningens størrelse.

Ideelt skal brænderens kapacitet indstilles således, at svingningerne for reguleringen

forløber som vist på Figur 9, eftersom dette vil betyde, at der er et godt forhold mellem

belastningen og den tilførte effekt.

(Heilmann, 2009, s. 52)


20

4.3 Bitumenemulsionskredsens virkemåde

Figur 10 - Principskitse bitumenemulsionskreds; (Eget arkiv, 2014)

Bitumenemulsionskredsen består af følgende; Samson 3260K trevejsreguleringsventil,

Baumer PT100 føler med temperaturtransmitter, samt et rørsystem der fører vandet

gennem Alfa lavel M6-FG pladevarmeveksler 525kW.

Formålet med denne kreds, er at nedkøle bitumenemulsionen til sætpunktet 60°C. Ud over

nedkøling af bitumenemulsionen, hjælper varmeveksler 2 også med at opvarme

procesvandet til 50°C. Det er tænkt således at trevejsreguleringsventil 17V1 skal begynde

at åbne op når produktionen af bitumenemulsionen er begyndt. Samtidig vil

brænderkredsen begynde at lukke af for tilførslen af varmt vand til varmeveksler 1, således

at opvarmningen af procesvandet bliver flyttet til varmeveksler 2. Hvis procesvandet

kommer under sit sætpunkt, vil der igen blive åbnet for tilførslen af varmt vand til

varmeveksler 1, og procesvandet får igen tilført energi herfra. Trevejsreguleringsventil

17V1 bliver reguleret af en PI-regulator, der øger eller mindsker mængden af procesvandet der

sendes til varmeveksler 2. Dette afhænger af procesvariablen trevejsreguleringsventil 17V1

modtager fra temperaturtransmitter 1B2. Reguleringen af 17V1 fungerer ikke efter hensigten,

og er blevet lavet om til en åbensløjfe regulering, hvor man indstiller styreelementet

manuelt på operatørpanelet. Problemstillingen vedrørende manuel indstilling af

trevejsreguleringsventil 17V1, bliver bekrevet yderligere i afsnit 5.1.

Grøn

Rød

Blå

Sort

Bitumen

Bitumenemulsion 1

Bitumenemulsion 2

Procesvand


21

Figur 11 - Blokdiagram over bitumenemulsionsreguleringen; (Eget arkiv, 2014)

4.4 Belastningerne i processen

Belastningerne i processen afhænger af produktionen af bitumenemulsion, og hvilke

recepter kunderne bruger til blandingsforholdene mellem bitumen, procesvand og

tilsætningsstoffer. Dette projekt tager udgangspunkt i et bitumenemulsionsanlæg, der kan

producere mellem 10 og 20 tons bitumenemulsion i timen. Eftersom der ikke har været

adgang til recepterne, er procesvandbelastningen over varmveksler 1 blevet antaget til at

være 35% af den producerede bitumenemulsion, af maskinmester Jakob Henriksen.

Procesvandet leveres fra en ekstern vandtank og antages til at have en stabil temperatur

under hele produktionen.

Belastningen på varmeveksler 2 kommer fra bitumenemulsionen og kan derfor variere i et

flow fra 10 til 20 ton i timen. Bitumenemulsions temperaturen afhænger af procesvandets-

og bitumens temperature. I processen har bitumen en temperatur på ca. 140°C og

procesvandet har en temperatur på ca. 50°C. Disse bliver sammenblandet i kolloidmøllen,

hvilket medfører at bitumenemulsionen har en temperatur på 85°C ± 5°C når den kommer

ind i varmeveksler 2. Temperaturne er aflæst på trend-kurven fra bilag 10.8, som er

loggede data over en produktion.

(Enh Engineering a/s)


22

5 Analyse af ustabilitet ud fra aktuelle målinger Dette afsnit omhandler en analyse af, hvorfor de nuværende reguleringer er ustabile.

Stabilitet i en reguleringssløjfe defineres i ”Praktisk regulering og instrumentering” af

Thomas Heilmann (Heilmann, 2009, s. 77) således:

”Enhver svingning, der opstår i sløjfen, skal dø ud af sig selv. Hvis svingingen

forsætter udæmpet eller endog med voksenende amplitude kalder vi systemet

ustabilt. ”

Figur 12 - Principskitse bitumenemulsionsanlæg; (Eget arkiv, 2014)

Figur 12 viser en principskitse over bitumenemulsionsanlægget, hvorpå de forskellige

temperaturtransmittere er indtegnet. Farverne på Figur 12 stemmer overens med de

loggende temperaturer på figur 13. Figur 13 er en trend-kurve der er logget for en

produktion af bitumenemulsion på bitumenemulsionsanlægget i Gotha, Tyskland.

Grøn

Rød

Blå

Sort

Bitumen

Bitumenemulsion 1

Bitumenemulsion 2

Procesvand

Orange Varmt vand


23

Figur 13 - Trend-kurve over Temperaturer; (Eget arkiv, 2014)

I begyndelsen af produktionen ses det på trend-kurven at bitumenemulsion 1 og 2 har den

samme temperatur. Dette skyldes at trevejsreguleringsventilen 17V1 er lukket. Der bliver

derfor ikke tilført procesvand til varmeveksler 2 på bitumenemulsionsstrengen.

På Figur 13 ses det, at temperaturen for procesvandet er på grænsen til ustabilitet.

Procesvandet modtager energi fra henholdsvis varmeveksler 1 og 2.

Bitumenemulsionstemperaturen afhænger af procesvandets- og bitumens temperatur,

eftersom disse sammenblandes i kolloidmøllen.

Fordi trevejsreguleringsventilen 17V1 er indstillet manuelt, betyder det, at der løber et

konstant flow gennem varmeveksler 2. Kommer temperaturen for procesvandet under

sætpunktet, vil trevejsreguleringsventil 3V4 åbne for tilførsel af opvarmet vand gennem

varmeveksler 1, som beskrevet i afsnit 4.1. Dette får temperaturen for procesvandet til at

stige kraftigt, hvilket medfører at temperaturen skyder over sætpunktet. Når temperaturen

rammer sætpunktet vil trevejsreguleringsventil 3V4 lukke af for tilførslen af opvarmet

vand fra brænderen til varmeveksler 1. Dette medfører at temperaturen for procesvandet

igen vil falde.

Grøn-kurve

Rød-kurve

Blå-kurve

Sort-kurve

Bitumen-temperatur

Bitumenemulsion 1-temperatur


Procesvand-temperatur


24

Svingningerne fra procesvandet ses ligeledes på kurven for bitumenemulsionstemperatur

1, dog dæmpet. Dette skyldes, sammenblandingen af procesvand og bitumen i kollidmøllen,

og svingningerne i procesvandets temperatur bliver derfor overført til

bitumenemulsionstemperatur 1.

5.1 Analyse af proces 17V1 ikke i manuel

I skrivende stund er trevejsreguleringsventil 17V1 indstillet manulet, grundet problemer

med reguleringen for denne. Dette afsnit omhandler en analyse af virkemåden for

bitumenemulsionsanlægget, når trevejsreguleringsventil 17V1 ikke er indstillet manuelt.

Der antages i det følgende senarie, at temperaturen for bitumenemulsionen ved 1B2 stiger.

Endvidere vil der løbende blive referret til Figur 15 og Figur 16 for at øge forståelsen.

Kurverne er ikke målfaste, og benyttes derfor kun til analysen, samt for at øge forståelsen

for processen. På Figur 15 og Figur 16 overlapper trevejsreguleringsventilerne 3V4 og

17V1 åbning og lukning ikke hinanden, som de ville gøre i praksis. Dette undlades for at

fremhæve problematikken med hensyn til reguleringen af processerne.

Figur 14 - Principtegning over bitumenemulsionsanlægget; (Eget arkiv, 2014)

Der antages en stigning i temperatur for bitumenemulsionen ved

temperaturtransmitter 1B2. Det medfører at trevejsreguleringsventil 17V1 vil åbne

for tilførslen af procesvand til varmeveksler 2, for at køle emulsionen. Se Figur 15.

Grøn

Rød

Blå

Sort

Bitumen

Bitumenemulsion 1

Bitumenemulsion 2

Procesvand

Orange Varmt vand


25

Ventil 17V1 åbner og mængden af procesvand gennem varmeveksler 2 øges.

Procesvandet modtager energi fra bitumenemulsionen gennem varmeveksleren,

hvilket medfører en stigning i procesvandets temperatur ved

temperaturtransmitter 3B2. Se Figur 16.

Procesvandets øgede temperatur ved 3B2 medfører, at ventil 3V4 vil begynde at

lukke af for tilførslen af varmt vand gennem varmeveksler 1. Se Figur 16.

Eftersom der lukkes af for tilførslen af varmt vand til varmeveksler 1, vil

procesvandet få en lavere temperatur. Temperaturen ved 1B2 vil derfor falde, og

ventil 17V1 vil begynde at lukke af og mindske tilførslen af procesvand til

varmeveksler 2. Se Figur 15.

Lukningen af ventil 17V1 medfører at en større mængde procesvand vil blive by-

passet uden om varmeveksler 2, og vil blive ført til kemikalieskabet, og senere

kolloidmøllen. Dette vil resulterer i et fald af temperaturen ved 3B2, som derfor

betyder at ventil 3V4 vil begynde at åbne op – og der bliver igen tilført varmt vand

til varmeveksler 1. Se Figur 16.

Ved åbningen af ventil 3V4, vil temperaturen efterhånden stige igen ved

temperaturtransmitter 1B2 og alle ovenstående punkter vil gentage sig selv.

Figur 15 - Princip kurve for 1B2; (Eget arkiv, 2014)

Figur 16 - Princip kurve for 3B2; (Eget arkiv, 2014)


26

Det fremgår af ovenstående, at ønsket om at køle bitumenemulsionen, og ønsket om at

opvarme procesvandet, på nuværende tidspunkt modarbejder hinanden. Grunden til at de

to reguleringer modarbejder hinanden er, at temperaturen måles på to forskellige strenge i

bitumenemulsionsanlægget, og der opstår derfor konflikt mellem reguleringerne. Dette

resulterer i at begge reguleringer bliver præget af ustabilitet.

I henhold til maskinmester Jakob Henriksen fra ENH Engineering, skal temperaturen for

bitumenemulsionen, blå kurve, køles til en temperatur under 100°C. Grunden til at

bitumenemulsionen på nuværende tidspunkt har et sætpunkt på 60°C, er for at sikre at

temperaturen er mindre end 100°C og af der er et punkt at regulere efter.

Figur 17 - Trend-kurve over Temperaturer; (Eget arkiv, 2014)

Trend-kurven viser temperaturene for processerne logget, hvor trevejsreguleringsventil

17V1 er indstillet i manuel, men kurverne kan stadig benyttes til forklaringssammenhæng.

Det fremgår af trend-kurven at bitumen, har en temperatur på omkring 140°C. Bitumen, og

procesvandet med en temperatur på omkring 50°C, bliver blandet sammen i kolloidmøllen.

Sammenblandingen bliver til bitumenemulsion 1. Det ses på Figur 17 at bitumenemulsion

1 har en temperatur på omkring 90°C, og dette bliver nu ført gennem varmeveksler 2, hvor

Grøn-kurve

Rød-kurve

Blå-kurve

Sort-kurve

Bitumen-temperatur



Procesvand-temperatur


27

det bliver kølet yderligere af procesvandet. På afgangssiden af varmeveksler 2 er

bitumenemulsion 2, som har en temperatur omkring 57°C.

Formålet med kølingen ved varmeveksler 2, er at sikre bitumenemulsion 2 er under 100°C

– men, som det fremgår af kurven, har bitumenemulsion 1 allerede en temperatur under

100°C før det køles yderligere gennem varmeveksler 2.

På baggrund af ovenstående, anbefales det at flytte styringen af trevejsreguleringsventil

17V1 fra temperaturtransmitter 1B2, til 3B2, se Figur 18.

Figur 18 - Flytning af styring 17V1 til 3B2; (Eget arkiv, 2014)

Ved at flytte styringen af trevejsreguleringsventil 17V1, til 3B2 fjernes problematikken

med hensyn til måling på forskellige strenge i systemet, og trevejsreguleringsventil 3V4 og

17V1 vil ikke længere modarbejde hinanden. Grunden til at vi flytter styringen af

trevejsreguleringsventil 17V1 til temperaturtransmitter 3B2, er med henblik på at kunne

udarbejde den statiske, samt dynamiske karakterstik med fokus på procesvandet. Den

statiske og dynamiske karakterstik optages for at danne grundlag for en alternativ og mere

stabil løsning til reguleringen.

Flytningen af styringen af trevejsreguleringsventil 17V1 fra temperaturtransmitter 1B2 til

3B2, vil ikke bevirke at bitumenemulsionstemperatur 2 vil overskride 100°C. Dette

argumenteres med, at efter bitumen med en temperatur på omkring 140°C

sammenblandes med procesvandet med en temperatur på omkring 50°C i kolloidmøllen,

fås der bitumenemulsion 1 med en temperatur på omkring 90°C. Denne temperatur vil blot

Grøn

Rød

Blå

Sort

Bitumen

Bitumenemulsion 1

Bitumenemulsion 2

Procesvand

Orange Varmt vand


28

blive kølet yderligere gennem varmeveksler 2. Ydermere kan der, hvis det findes

nødvendigt, kobles eksternt køling til processen, se Figur 19.

Figur 19 - Tilsluttet ekstern køling; (Eget arkiv, 2014)

Når den eksterne køling er tilkoblet processen, er trevejsreguleringsventil 17V1’s tilgang til

varmeveksler 2 frakoblet. Varmeveksler 2 fødes nu fra den eksterne køling. I sådan et

scenarie vil procesvandet blive opvarmet af brænderkredsen igennem hele produktionen.

I resten af projektet vil styringen af trevejsreguleringsventil 17V1, derfor fjernes fra

temperaturtransmitter 1B2, og der vil i resten af projektet sættes fokus på procesvandet.

Grøn

Rød

Blå

Sort

Bitumen

Bitumenemulsion 1

Bitumenemulsion 2

Procesvand

Orange Varmt vand


29

5.2 Stabilitet i processen

Generelt er der tre variabler der har indflydelse på en regulerings ydeevne og stabilitet;

Procesforstærkningen, dødtid samt tidskonstanter. Alle variablerne vil blive beskrevet og

vurderet i afsnit 5.2 til 5.4.1.

Ved hjælp af den dynamiske karakteristik kan procesforstærkningen, dødtiden, samt den

samlede tidskonstant findes. Eftersom bitumenemulsionsanlægget befinder sig i Tyskland,

og blev lukket ned for vinteren – er det ikke muligt at optage den dynamiske karakteristik.

Der vil derfor i følgende afsnit komme en empirisk analyse af procesforstærkningen,

dødtiderne og tidskonstanterne for komponenterne i bitumenemulsionsanlægget

vedrørende reguleringerne for brænderkredsen og bitumenemulsionskredsen, da disse

normalt findes ved den dynamiske karakteristik

(McMillan, 1994, s. 21), (Altmann, 2005, s. 85)

5.2.1 Procesforstærkningen

Procesforstærkningen kan benyttes til at undersøge om systemets karakterstik er lineært

eller ulinært. Fordi varmevekslerne i bitumenemulsionsanlægget er termiske processer,

antages karakterstikken for disse at være ulinære med krum opadgående karakterstik.

Procesforstærkning er forholdet mellem ændringen af procesvariablen over ændringen i

regulatorens output.

Procesforstærkning bliver beskrevet yderlige i afsnit 6.1 og 6.2.

(McMillan, 1994, s. 23-29), (Altmann, 2005, s. 85-86)

K proces =DPV%

DCV%

Figur 20 - Termisk karakteristik; (Heilmann, 2009, s. 18)


30

5.3 Analyse af dødtider og tidskonstanter i processen

Dette afsnit omhandler en analyse af dødtiderne, samt tidskonstanterne i processen for

opvarmningen af procesvandet ved varmeveksler 1 og 2, samt en empirisk vurdering af

deres størrelse, uden brug af åbensløjfe metoden. For at få et overblik over dødtiderne,

samt tidskonstanterne i reguleringssløjferne se Figur 21.

Dødtid er en ren tidsforsinkelse, og har dimensionen sekunder. Det bør altid bestræbes at

nedbringe dødtiden i en reguleringssløjfe for at opnå den mest optimale reguleringssløjfe.

Endvidere skal dødtiden vurderes i forhold til sløjfens øvrige tidskonstanter, eftersom

dødtid først skaber store problemer for reguleringen, når denne er den dominerende af

henholdsvis dødtid og tidskonstanter.

Tidskonstanter forekommer ved hver komponent. Tidskonstanten [τ] beskriver for et

førsteordenssystem, hvor hurtigt systemet reagerer. Afsluttende vis vil de i afsnittet

behandlede emner, blive opsummeret og deres indvirkning som en helhed for processerne

blive vurderet.

(McMillan, 1994, s. 29-32), (Heilmann, 2009, s. 28-29)

Figur 21 - Blokdiagram over dødtider, samt tidskonstanter; (Eget arkiv, 2014)


31

5.3.1 Temperaturtransmitter 1B2 og 3B2

Temperaturtransmitterne i bitumenemulsionsanlægget er PT100 følere. Der vil i dette

afsnit blive analyseret på temperaturtransmitter 1B2, samt 3B2, som måler temperaturen

for henholdsvis bitumenemulsionens og procesvandet.

5.3.1.1 Transport dødtid

Der er i processen transport dødtid, ved målingen af temperaturen af henholdsvis;

Procesvandet og bitumenemulsion. Dette skyldes at der går et stykke tid fra at de

førnævnte væsker er blevet bearbejdet, og til at de er transporteret til målestederne.

Transport dødtiden har følgende sammenhæng mellem afstand og hastighed.

Eftersom transport dødtiden er afhængig af flowet gennem rørsystemet, betyder det at der

ved lavere flow er en større transport dødtid, end ved større flow.

Figur 22 - Temperaturtransmitter 1B2, 3B2; (Eget arkiv, 2014)

Tt =afstand

hastighed

m

m/ s= s

é

ëêù

ûú

Grøn

Rød

Blå

Sort

Bitumen

Bitumenemulsion 1

Bitumenemulsion 2

Procesvand

Orange Varmt vand


32

5.3.2 Tidskonstant temperaturtransmitter 1B2 og 3B2

Ideelt skal temperaturtransmitterens målte temperatur TFøler altid være lig med væskens

temperatur TVæske. Dette er ikke tilfældet, idet der grundet tidskonstanten vil være en

tidsforsinkelse.

Tidskonstanten i temperaturtransmitterne er afhængig af den termiske modstand R, samt

den termiske kapacitet C.

Den termiske modstands størrelse er afhængig af varmeovergangen mellem, det indre af

temperaturtransmitterens føler og væsken den måler på. Temperaturtransmitter 1B2 og

3B2 monteret i følerlommer, som øger den termiske modstands størrelse. I følerlommerne

er der termisk-plast, hvilket øger den termiske ledeevne – og giver derved et bidrag til

reduktion af tidskonstanten se Figur 23.

Den termiske kapacitet er afhængig af mængden af væsken der skal ændre temperatur,

samt væskens masse- og varmefylde.

Figur 23 - Reaktionstid temperaturtransmitter 1B2; (Baumer, u.d.)

Ved et førsteordenssystem, defineres tidskonstanten som den tid der går fra at en ændring

laves, til at den har opnået 63,2% af sin endelig værdi. Temperaturtransmitter 1B2 og 3B2

har som vidst på Figur 23 en tidskonstant på ca. 50 sek. i systemet.


33

5.3.3 Varmeveksler 1 og 2

Følgende afsnit omhandler dødtider og tidskonstanter for varmeveksler 1 og 2. Grundet

manglende data for flowet for vandet internt i brænderkredsen, vil der derfor ikke komme

en beregning af tidskonstanten for varmeveksler 1. Tidskonstanten for varmeveksler 1, er

dog taget i betragtning i den endelig analyse i afsnit 5.4. Varmevekslerne i anlægget er

pladevarmevekslere fra Alfa Laval af typen M6-FG på henholdsvis 275 og 525 kW.

Varmeoverførslen af procesvandet kan beskrives af følgende ligning:

Ovenstående ligning viser, at den samlede optagne energi af procesvandet [Q], er afhængig

af varmegennemgangstallet [U], arealet [A], samt den logaritmiske

middeltemperaturdifferens [LMTD].

(Lipták B. G., 1995)

5.3.3.1 Varmeveksler 1 og 2 dødtid

Dødtiden i varmevekslerne er transport dødtid, da det er tiden det tager den ”friske”

varmeoverførelsesvæske at blive transporteret gennem varmevekslerne.

For en procesindustri varmeveksler er dødtiden mellem 1 og 30 sekunder.

(Lipták B. G., 1995, s. 95-96)

5.3.3.2 Varmeveksler 2 tidskonstant

Tidskonstanten for varmeveksler 2, kan antages til at være en førsteordens forsinkelse,

forårsaget af temperaturændringen på pladerne i varmeveksleren, se Figur 24.

Tidskonstanten bestemmes af massen og den specifikke varmekapacitet af pladematerialet,

massestrømmen og den specifikke varmekapacitet af de to strømme.

Figur 24 - Bloksymbol 1. ordens system; (Eget arkiv, 2014)

Q=U ×A×LMTD


34

En tilnærmet tidskonstant kan beregnes ud fra følgende formel:

𝜏𝑙𝑎𝑣 = 𝑘 ∗𝑚𝑝𝑙𝑎𝑑𝑒𝑟∗𝑐𝑝𝑝𝑙𝑎𝑑𝑒𝑟

�̇�𝑒𝑚𝑢,𝑙𝑎𝑣∗𝑐𝑝𝑒𝑚𝑢∗�̇�𝑣𝑎𝑛𝑑,𝑙𝑎𝑣∗𝑐𝑝𝑣𝑎𝑛𝑑 = 200 ∗

47,94𝑘𝑔∗0,5𝑘𝐽

𝑘𝑔∗𝐾

2,78𝑘𝑔

𝑠∗4,19

𝑘𝐽

𝑘𝑔∗𝐾∗0,97

𝑘𝑔

𝑠∗4,19

𝑘𝐽

𝑘𝑔∗𝐾

= 𝟏𝟎𝟏, 𝟐𝟔𝒔𝒆𝒌

(Se bilag 10.12, for værdier og beregning)

Den tilnærmede tidskonstant i varmeveksleren er 101,26 sekunder. Tidskonstanten er

regnet ud fra et flow på 10𝑡

ℎ, som er det mindste processen producerer ved. Mindre flow

giver en større tidskonstant, og der er derfor blevet regnet med et ”worst case” scenarie.

(Lipták B. G., 1995, s. 95-96)

5.3.4 Trevejsreguleringsventil 3V4 og 17V1

Styreelementerne for reguleringen ved henholdsvis varmeveksler 1 og 2, er to Samson

trevejsreguleringsventiler med elektropneumatisk positioner. Den elektropneumatiske

positioner fungerer ved at et inputsignal på 4-20mA sendes til den indbyggede

elektropneumatiske konverter i ventilen. Signalet konverteres her til ventilens

forstærkning, som herefter ledes til en pneumatiske styredel. Den pneumatiske styredel

giver et styretryksignal, som producerer en kraft, der påvirker en membran. Ved en

ændring i styretrykket på membranen, overføres der en reaktion til positioneren, som

frigiver et tryk. Det vil sige at ved enhver ændring i styretrykket eller ventilens

kegleposition, vil ændre trykket til forstærkeren, hvilket medfører at styretrykket frigives.

Trevejsreguleringsventilen vil nu ændre position alt efter det givne indgangssignal.

5.3.4.1 Dødtid trevejsreguleringsventil

Dødtiden for trevejsreguleringsventilerne er den tid det tager regulatoren, ved en afvigelse

fra sætpunkt, at sende et output signal der er af en tilstrækkelig størrelse for at få ventilen

til at ændre position. Dødtiden er derfor den tid, det tager den elektropneumatiske

positioner at ændre trykket for at ændre position. Ved en lille positionsændring vil

dødtiden være større, end ved en stor positionsændring, eftersom der tilføres et lille flow

og trykket bygges langsomt op for at foretage ændringen.

(Samson, u.d., s. 3)


35

5.3.5 Tidskonstant trevejsreguleringsventil

Tidskonstanten i trevejsreguleringsventilerne afhænger af hvor hurtigt den

elektropneumatiske aktuators luft reservoir fyldes. Tidskonstanten kan antages til at være

en førsteordensproces. Dette argumenteres med, at når trevejsreguleringsventilens indre

tryk, påvirkes ved en ændring af ventilens ydre tryk, ændres det indre tryk sig til det ydres

tryks værdi efter en førsteordensproces.

5.4 Analyse af dødtider samt tidskonstanters påvirkning af processerne

Følgende afsnit vil komme med en vurdering af dødtidernes, samt tidskonstanternes

påvirkning af processerne i anlægget.

5.4.1 Dødtidernes påvirkning af processerne

Dødtiden er en tidsforsinkelse mellem ændring i regulatorens output, og den målte

procesvariabel, der kan medføre dårlige reguleringsegenskaber for sløjfen. Grundet

tidsforsinkelsen fra dødtiden, er der i teorien en periode hvor der ikke er nogen

tilbageføring af procesvariablen. Det betyder, at eftersom vi i processerne har PI-

reguleringer, kan der i teorien opstå et senarie, hvor regulatoren vil blive ved med at

integrerer på afvigelsen, grundet den manglende tilbagemelding.

Vi har i processen for bitumenemulsionskredsen vurderet tidskonstanterne, til at være

større end dødtiderne da tidskonstanterne er vurderet til at være henholdsvis: 50 og

101,26 sekunder (eksklusiv tidskonstant for trevejsreguleringsventil 17V1).

Bitumenemulsionsanlægget er et kompakt anlæg, hvilket betyder at rørføringerne ikke er

så lange, hvilket medfører en mindre transport dødtid.

Det antages ligeledes på dette grundlag at tidskonstanterne i processen for

brænderkredsen også er større end dødtiden. Som tidligere beskrevet er dødtiden først

rigtig kritisk for reguleringssløjfen, når denne har en dimension der overgår

tidskonstanterne.

u =1

Ti

× edt0

t

ò


36

Figur 26 - Flere tidskonstanter i serie; (Eget arkiv, 2014)

5.4.2 Tidskonstanternes påvirkning af processerne

I afsnit 6.3.2 har vi undersøgt tidskonstanterne for temperaturtransmitterne,

varmevekslerne, samt trevejsreguleringsventilerne for brænder- og

bitumenemulsionskredsen. Det fremgår heraf at disse kan tilnærmes til

førsteordensprocesser, hvilket betyder at der i reguleringerne er flere

førsteordensprocesser i serie.

På Figur 26 er der illustreret, hvordan flere tidskonstanter påvirker et systems

responskurve. Det fremgår at ved flere tidskonstanter vil responskurven ændre

karakterstik til en S-formet kurve. Det betyder at ved flere tidskonstanter, mindskes

processens forstærkning – idet denne bliver længere tid om at nå den endelige output-

værdi. Endvidere, vil der grundet tidskonstanter i serie, blive skabt en tilsyneladende

dødtid. Den tilsyneladende dødtid er ikke en reel dødtid, men den bevirker på samme måde

som dødtiden, i en forsinkelse af den viste måling på outputtet, se Figur 25. Afsluttende vis

ses det at når tidskonstanterne kombineres i serie for hele processen, vil de repræsenterer

en højere ordens proces. For at kende dæmpningen på denne højere ordens proces er det

nødvendigt at foretage en trinsvar undersøgelse.

(McMillan, 1994, s. 30), (Altmann, 2005, s. 10), (Lipták B. G., 1995, s. 9-12), (Smuts, 2011)

Figur 25 - Tilsyneladende dødtid og dødtid; (Smuts, s. 38)


37

6 Procesanalyse og optimering Dette afsnit omhandler en beskrivelse, samt en metode til at finde den statiske og

dynamiske karakteristik, for henholdsvis brænderkredsen og bitumenemulsionskredsen.

Derudover vil der være en beskrivelse af dødbånds påvirkning af processerne, samt

hvordan en undersøgelse udføres for at identificere dødbånd i processerne kan foretages.

6.1 Statisk karakterstik

Vi har i processerne ved brænderkredsen og bitumenemulsionskredsen, to systemer med

udligning. I processen med udligning, vil dette betyde at ved en ændring i indgangssignalet,

vil trevejsreguleringsventilen åbne. Dette giver en ændring af flowet til varmeveksleren,

som medfører en ændring i temperaturen, som vil udligne sig over tid. Da begge systemer

er med udligning, er det muligt at optage en statisk karakterstik, for dem begge for hele

processen. Den statiske karakterstik er den stationære sammenhæng mellem ind- og

udgangssignal.

Ved at kende den statiske karakteristik, kan man finde processens forstærkning inden for

arbejdsområdet. Metoden til at finde den statiske karakteristik bliver gennemgået i afsnit

6.1.1.1.

Figur 27 - System med udligning; (Eget arkiv, 2014)


38

Varmevekslere antages at have en op ad krum

karakterstik, mens

trevejsreguleringsventilerne antages at have

en modsat nedad krumt karakterstik. Derfor

kan det antages at den statiske karakterstik

for brænderkredsen og

bitumenemulsionskredsen er tilnærmet

lineærer, se Figur 28. Dette vil sige at

forstærkningen er tilnærmet lige stor i hele

arbejdsområdet for begge processer, hvilket

gør processerne lettere at regulere på. Hvis

det i praksis viser sig, at dette ikke er tilfældet,

kan der laves en statisk karakterstik for hver enkelt komponent i processerne for at

identificere kilden til ulinearitet. For at få en statisk karakteristik over de enkelte

komponenter, skal der indsættes ekstra måleudstyr i processerne, som vist på Figur 29.

Måleudstyret, som indsættes skal være kalibreret udstyr, ellers vil dette have sin egen

karakteristik, der vil blande sig i den samlede karakteristik.

Figur 29 - Principskitse over anlægget med nye målepunkter; (Eget arkiv, 2014)

Grøn

Rød

Blå

Sort

Bitumen

Bitumenemulsion 1

Bitumenemulsion 2

Procesvand

Orange Varmt vand

Figur 28 - Ideel statisk karakteristik over processen; (Eget arkiv, 2014)


39

Figur 29 viser en principskitse, hvor de ekstra målepunkter er indtegnet. Fremgangsmåden

for at lave de statiske karakteristikker for de enkelte komponenterne, er den samme

fremgangsmåde som for den samlede proces, der bliver gennemgået i afsnit 6.1.1.1 For at

optage den statiske karakteristik over trevejsreguleringsventilen 3V4, er der indsat et

flowmeter FT1 lige efter ventilen. Karakteristikken optages ved at ændre på styresignalet

for trevejsreguleringsventil 3V4, og procesvariablen måles på det indsatte flowmeter FT1.

Den statiske karakteristik kan for varmeveksler 1 optages ved, at trevejsregulerings-

ventilen 3V4 åbnes 100% for gennemløb til varmeveksleren. Der ændres på styresignalet

for cirkulationspumpen i brænderen, og procesvariablen måles på den indsatte

temperaturtransmitter TT1 lige efter varmeveksleren. I bitumenemulsionskredsen optages

den statiske karakteristik for trevejsreguleringsventilen 17V1 ved at ændre på styresignet

for ventilen 17V1. Procesvariablen bliver målt på det indsatte flowmeter FT2, lige efter

trevejsreguleringsventilen 17V1. Den statiske karakteristik for varmeveksler 2 optages

ved, at trevejsreguleringsventilen 17V1 åbnes 100% for gennemløb til varmeveksleren.

Der ændres på styresignalet for vandpumpe P3. Procesvariablen bliver her målt på den

indsatte temperaturtransmitter TT2, lige efter varmeveksleren.

Figur 30 og Figur 31 viser den antaget statiske karakteristik for trevejsregulerings-

ventilerne og varmevekslerne.

Figur 30 - Statisk karakteristik varmevekslere; (Eget arkiv, 2014)

Figur 31 - Statisk karakteristik ventiler; (Eget arkiv, 2014)


40

6.1.1 Optagelse af den statisk karakteristik

Dette afsnit beskriver, hvorledes den statiske karakterstik for processen optages i praksis.

Den statiske karakterstik optages for processen ved varmeveksler 1 og 2.

6.1.1.1 Statisk karakteristik ved brænderkredsen

Figur 32 - Principskitse brænderkreds; (Eget arkiv, 2014)

Den statiske karakteristik for varmeveksler 1, findes ved at ændre styresignalet til

trevejsreguleringsventil 3V4 og måle på procesvariablen ved temperaturtransmitter 3B2.

For at få en brugbar karakteristik, er det vigtigt at processen er i normal belastning.

Regulatoren opstilles til åben sløjfe ved at sætte den manuel.

Figur 33 - Blokdiagram over åbnesløjfe; (Eget arkiv, 2014)

Den statisk kurve optegnes over indgangssignalet u og udgangssignalet PV

Sort Procesvand

Orange Varmt vand


41

Indgangssignalet u ændres som vist på

Figur 34, og når PV er faldet til ro, noteres dette punkt. (For det mest præcise punkt,

bruges gennemsnitsværdien over den loggede PV på operatørpanelet.)

Proceduren forsættes fra 0 - 100% af styresignal u.

Styresignal, u [mA] 4 6 8 10 12 14 16 18 20

PV [°C] Figur 34 - Tabel til opsamlede data; (Eget arkiv, 2014)

Når dataene for processen er optaget kan den statiske kurve fremstilles. For at fremstille

kurven på Figur 35, skal begge akser omregnes til procent.

Figur 35 - koordinatsystem til at indsætte opsamlede data; (Eget arkiv, 2014)


42

6.1.1.2 Statisk karakteristik ved bitumenemulsionskredsen

Figur 36 - Principskitse over anlægget; (Eget arkiv, 2014)

Ved processen for varmeveksler 2, findes den statiske karakteristik efter samme

fremgangsmåde som gennemgået i afsnit 6.1.1.1 for varmeveksler 1. Dog skal

trevejsreguleringsventil 3V4 være lukket af, således at der ikke tilføres varmt vand til

varmeveksler 1.

Den statiske karakterstik optages for varmeveksler 2, ved at ændre styresignalet til

trevejsreguleringsventil 17V1 fra 0 til 100% og procesvariablen måles ved

temperaturtransmitter 3B2, som vist på Figur 36.

Grøn

Rød

Blå

Sort

Bitumen

Bitumenemulsion 1

Bitumenemulsion 2

Procesvand

Orange Varmt vand


43

6.2 Dynamisk karakterstik

Den dynamiske karakterstik er en analyse der klarlægger, hvordan systemet opfører sig,

når der sker ændringer i regulatorens output. Den dynamiske karakterstik optages ved at

sætte regulatoren i manuel.

Da en regulator skal indstilles i overensstemmelse med det dynamiske svar, fra den proces

den regulerer, kan den dynamiske karakterstik derfor anvendes til at finde værdierne, der

er nødvendige for at komme med en begrundet vurdering til indstillingen af

regulatorparametrene. Dette gøres ved at lave en trinændring, hvorpå regulatorens output

og procesvariabel måles, og plottes som trend-kurver.

Ved hjælp af den dynamiske karakteristik kan følgende parametre findes:

Procestypen

Procesforstærkningen [gp]

Dødtid [td]

Tidsforsinkelse eller tidskonstant [τ]

Procestypen

Efter trend-kurven for regulatorens output og procesvariablen er plottet, kan procestypen

aflæses til at være en selv-regulerende proces, integrerende proces eller en runaway

proces. Som tidligere nævnt, vil processen for henholdsvis varmeveksler 1 og 2 være selv-

regulerende processer, også kaldet en proces med udligning.

Figur 37 - Procestyper; (Smuts, 2011, s. 28)

Procesforstærkningen

Procesforstærkningen beskriver, hvor meget procesvariablen ændre sig, ved en given

ændring af regulatorens output. Procesforstærkningen findes på trend-kurven ved at dele

den totale ændring af procesvariablen i procent, med ændringen af regulatorens output i

procent.


44

Dødtiden Dødtiden kan måles på trend-kurven, som tiden til, hvor ændringen i regulatorens output

og procesvariablen bliver mærkbar. For at tilnærme slutpunktet af dødtiden, skal punktet

på procesvariablen findes, hvor kurven begynder at falde, i stedet for at stige. Når dette

punkt er fundet, tegnes der er en tangent der skærer dette punkt, og den originale værdi af

procesvariablen før trinændringen, se Figur 38. Dødtiden kan nu måles som begyndelsen

af regulatorens outputændring til skæringspunktet mellem tangenten og procesvariablen.

Figur 38 - Måling af dødtid vha. dynamisk karakteristik; (Smuts, 2011, s. 39)

Tidskonstant Tidskonstanten måles som den tid det tager procesvariablen at nå 63,2% af dennes

endelige værdi, efter endt dødtid. For at beregne tidskonstanten, måles først den totale

ændring af procesvariablen, fra trinændringen til procesvariablen er faldet til ro.

Derefter beregnes værdien for procesvariablen ved 63,2% af dennes endelige værdi.

Værdien hvorpå procesvariablen har opnået 63,2% af sin slutværdi indtegnes på trend-

kurven, som vist på Figur 40. Tiden mellem endt dødtid og punktet for PV63,2% kan nu

aflæses som tidskonstanten.

Figur 39 - Måling af tidskonstant dynamisk karakterstik; (Smuts, 2011, s. 42)

DPV = PVNy - PVOriginal

PV63,2% = PVOriginal + (0,632 ×PVNy)


45

6.2.1 Undersøgelse af dødbånd

En reguleringsventil med dødbånd erigerer som om at der er slør mellem regulatorens

output, og selve ventilen. Dødbånd reducerer effektiviteten hvormed regulatoren udligner

en afvigelse. Hvis der er dødbånd, skal regulatorens output signal først igennem dette, før

at en reel ændring af ventilstillingen forekommer. Dødbånd kan derfor medfører

forsinkelser.

Før den dynamiske karakterstik udføres, bør der laves en test for at undersøge om der er

dødbånd i trevejsreguleringsventil 3V4 og 17V1.

For at undersøge om der er dødbånd, sættes regulatoren i åbensløjfe, og en trend-kurve

logges over procesvariablen samt regulatorens output. Der laves en trinsvarsændring i

regulatorens output på 3%. Hvis procesvariablen ikke reagerer på trinsvarændringen, øges

denne indtil en ændring i procesvariablen ses. Herefter foretages der igen en

trinsvarændring på 3% (eller summen af størrelsen fra forrige trinsvarsændring -

nødvendig for at få en reaktion af procesvariablen), i samme retning som den første

ændring, se Figur 40. Afsluttende vis laves der en trinændring af samme størrelse som de

forrige ændringer, men i modsat retning. Hvis procesvariablen forløber som illustreret på

Figur 40, er der dødbånd.

Hvis der ved hjælp af ovenstående test findes ud af at der er dødbånd, skal

reguleringsventilen repareres inden at reguleringen kan fungere optimalt. Hvis der efter

ovenstående test viser sig at være dødbånd, kan den dynamiske karakterstik dog stadig

foretages. Inden karakterstik optages, skal der blot sørges for at man manuelt har fået

reguleringsventilen ud af dødbåndet ved hjælp af små ændringer i regulatorens output,

indtil en reaktion i procesvariablen ses. En reparation er ventilen er dog stadig påkrævet.

(Smuts, 2011, s. 187-193)

Figur 40 - Undersøgelse af dødbånd; (Smuts, 2011, s. 188)


46

6.2.2 Optagelse af dynamisk karakterstik

Dette afsnit beskriver, hvorledes den dynamiske karakterstik for processen optages i

praksis. Den dynamiske karakterstik optages for processen ved varmeveksler 1 og 2.

6.2.2.1 Dynamisk karakteristik brænderkreds

Figur 41 - Trinsvar og procesvariabel varmeveksler 1; (Eget arkiv, 2014)

Den dynamiske karakterstik skal optages for processen ved normalbelastning.

Der logges en trend-kurve for regulatorens outputsignal, samt procesvariablen over tid, se

Figur 41. Trend-displayet skal være i reel tid, således at processens respons løbende kan

følges. Operatørpanelet for bitumenemulsionsanlægget kan benyttes til at logge, og se

trend-kurven.

Regulatoren sættes i manuel - således det er muligt at udfører en trinændring af

regulatorens output, uden at regulatoren automatisk prøver at udligne afvigelsen.

Figur 42 - Blokdiagram åben sløjfe; (Eget arkiv, 2014)

Den dynamiske karakterstik optages ved processens arbejdsområde, som for

bitumenemulsionsanlægget er mellem 10 - 20 tons/t.

Når processen er i arbejdsområdet, og det ses på trend-kurven for processen, at

procesvariablen er stabil, kan der udføres en trinændring.

Sort Procesvand

Orange Varmt vand


47

Der foretages en ændring i regulatorens output på 5%.

o Kontroller at ændringen i outputtet forårsager en ændring i procesvariablen.

Hvis ikke en ændring af procesvariablen ses, øges ændringen i outputtet

indtil en ændring kan ses.

Vent til procesvariablen igen er blevet stabil.

Den dynamiske karakterstik er nu optaget.

Gentag processen for optagelsen af den dynamiske karakterstik således, at der kan

beregnes en gennemsnitsværdi for henholdsvis: Procesforstærkningen [gp],

dødtiden [td], samt tidskonstanten [τ]

6.2.2.2 Dynamisk karakteristik ved bitumenemulsionskreds

Figur 43 - Trinsvar og procesvariabel varmeveksler 2; (Eget arkiv, 2014)

Den dynamiske karakterstik optages for

bitumenemulsionskredsen, efter samme fremgangsmåde som for brænderkredsen. Dog

skal trevejsreguleringsventil 3V4 være lukket af, således at der ikke tilføres varmt vand til

varmeveksler 1, når den dynamiske karakterstik for varmeveksler 2 optages. Hvis ikke

trevejsreguleringsventil 3V4 er lukket, er der mulighed for at procesvariablen ikke kan

falde til ro, idet der kan blive tilført varme til procesvandet fra brænderkredsen.

Grøn

Rød

Blå

Sort

Bitumen

Bitumenemulsion 1

Bitumenemulsion 2

Procesvand

Orange Varmt vand


48

6.3 Ziegler-Nichols åbensløjfe metode

Dette afsnit omhandler en beskrivelse af Ziegler-Nichols åbensløjfe metode for selv-

regulerende systemer. For at indstille regulatorparametrene benyttes

gennemsnitsværdierne beregnet for procesforstærkningen, dødtiden samt tidskonstanten

fundet ved hjælp af den dynamiske karakterstik, se afsnit 6.2.2.

Vi foreslår at benytte Ziegler-Nichols åbensløjfe metoden til indstilling af regulatorernes

parametre da denne metode egner sig godt til processer domineret af tidsforsinkelse i

henhold til dødtid. Grunden til at metoden egner sig godt til processer domineret af

tidsforsinkelser er at regulatorens integraletid sættes proportional til processens dødtid,

hvilket betyder at ved længere dødtider, jo langsommere vil integraletiden være. Ved en

proces domineret af dødtid, vil integralet reaktionsevne derfor blive for langsom – og

regulatorens evne til at udligne en afvigelse mindskes.

6.3.1 Indstilling af regulatorens parametre

Eftersom der i processen for varmeveksler 1 og varmeveksler 2 benyttes PI-regulering til

at regulerer henholdsvis trevejsreguleringsventil 3V4 og 17V1, vil nedenstående omhandle

indstillinger af parametrene for en PI-regulator.

Åbensløjfe metoden benytter en stabilitetsmargin [SM] med værdien 1 – 4.

Stabilitetsmarginen beskriver sløjfens stabilitet i henhold til et kvart-amplitude svar. Ved

et kvart-amplitude svar er der et stort oversving af sætpunktet, med efterfølgende

svingninger før procesvariablen stabiliseres, se Figur 45. Ved at øge stabilitetsmarginen

gives mindre og langsommere ændringer i regulatorens output. Ved at øge SM betyder det

også at regulatoren bliver langsommere til at reagerer på forstyrrelser i processen, se Figur

44.

Der skal vælges en passende stabilitetsmargin for processerne.

Figur 45 - Stabilitetsmargin virkning svingninger; (Smuts, 2011, s. 133)

Figur 44 - Stabilitetsmargin forstyrrelse i processen; (Smuts, 2011, s. 133)


49

SM1) Stabilitetsmargin 1 svarer til et kvart-amplitude svar og sløjfen er derfor ikke

særlig stabil, og der kan forventes oversving, svingninger og lav robusthed for

sløjfen.

SM2) Ved stabilitetsmargin 2 er sløjfen omkring to gange så stabil som ved SM1. Dette er

normalt tilstrækkelig til at dæmpe svingninger og øge robustheden for sløjfen,

uden det går for meget ud over hastigheden.

SM4) Stabilitetsmargin 4 giver normalt en robustsløjfe med en langsom hastighed.

Vi vil for processen ved varmeveksler 1 og 2 anbefale en stabilitetsmargin på 2, eftersom

der antages, at der på denne måde ikke opstår for store oversving af sætpunktet, uden der

ofres for meget af regulatorens hastighed, med hensyn til udligning af forstyrrelser.

Gennemsnitsværdierne fundet ved hjælp af den dynamiske karakterstik for henholdsvis

procesforstærkningen, dødtiden samt tidskonstanten, indsættes i nedenstående formler,

for at få en tilnærmet indstilling af regulatorens forstærkning og integraletid.

Forstærkning KP

Integraletiden Ti

Ved at benytte åbensløjfe metoden er der opnået et godt grundlag for regulatorernes

parametre. De fundne parametre skal efterindstilles, således at de bliver tilpasset til

reguleringen ved varmeveksler 1 og 2.

Efter parametrene er efterindstillet anbefales det, at når anlægget er i lukket sløjfe, at lave

nogle sætpunktsændringer for at kontrollere om processerne reagerer efter tilsigtet

virkemåde.

KP =0,9

SM ×gp

×t

td

æ

èçö

ø÷

Ti = 3,33×td


50

6.4 Afprøvning efter eventuel ændringer

Efter eventuelle ændringer af bitumenemulsionsanlæggets reguleringer, anbefales der at

der udføres en Site Acceptance Test (SAT) i henhold til DS/EN 62381:2012 –

Automationssystemer i procesindustrien.

Dette gøres for at sikre at bitumenemulsionsanlægget stadig er i overensstemmelse med

Arbejdsmiljøloven LBK nr. 1072 07/09/2010 samt BEK nr. 1109 15/12/1992

bekendtgørelse om anvendelse af tekniske hjælpemidler. BEK 1109 §6 beskriver at et

teknisk hjælpemiddel kun må anvendes hvis det er i overensstemmelse med

specifikationerne i den tekniske dokumentation.

SAT testen udføreres for at kontrollerer at det automatiske system er i overensstemmelse

med udbudsspecifikationerne.

DS/EN 62381 indeholder en vejledende procedurer for Factory Acceptance Test (FAT) og

SAT. De enkelte procedurer er vejledende, og skal derfor tilpasses til det enkelte anlæg.

Endvidere indeholder DS/EN 62381 skemaer samt tjeklister, som med fordel kan benyttes

når FAT og SAT udføres.

FAT udføres hos fabrikanten efter endt konstruktion af anlægget, hvor anlæggets tilsigtede

virkemåde afprøves inden anlægget leveres til kunden.

Der vil derfor efter en eventuel ændring i reguleringen kun skulle foretages SAT, for at

sikre at bitumenemulsionsanlægget er i overensstemmelse med kravspecifikationerne og

den tekniske dokumentation. Se afsnit 6.4.1 for eksempel af tjekskema til SAT fra DS/EN

62381 Anneks B.

(Dansk Standard, 2012)


51

6.4.1 SAT tjekliste

Beskrivelse Test resultat Bemærkninger

1 Kontroller anlæggets dokumentation

stemmer overens □ godkendt □ mislykket □ ikke anvendelig

2 Kontroller hardware □ godkendt □ mislykket □ ikke anvendelig

Kontroller software

3 (korrekt software version) □ godkendt □ mislykket □ ikke anvendelig

4 Mekanisk inspektion

Kontroller jordforbindelsen □ godkendt □ mislykket □ ikke anvendelig

Kontroller Strømforsyningen er

korrekt tilsluttet □ godkendt □ mislykket □ ikke anvendelig

Kontroller Netværksforbindelsen fungere □ godkendt □ mislykket □ ikke anvendelig

5 Opstart/diagnostisk kontrol

Tænd strømmen for relevante hardware

komponenter □ godkendt □ mislykket □ ikke anvendelig

Start alle relevante hardware komponenter

og udfør en diagnostisk kontrol □ godkendt □ mislykket □ ikke anvendelig

6 Download software □ godkendt □ mislykket □ ikke anvendelig

7 SAT certifikat er gennemført □ godkendt □ mislykket □ ikke anvendelig

Underskrift: __________________________________ dato: ___________________-________________


52

Figur 46 - Blokdiagram dosis-pause regulering; (Heilmann, 2009, s. 63)

7 Forslag til reguleringsmetoder Dette afsnit omhandler forskellige reguleringsmetoder, der kunne være mulige at arbejde

videre med, med henblik på at optimere reguleringerne i bitumenemulsionsanlægget.

7.1 Dosis-pause regulering

Ud fra analysen i afsnit 5.1 ses det, at de to reguleringer i processen ikke kan køre i

automatisk drift, da de to reguleringer modarbejder hinanden. Ligeledes ses det i afsnit

5.4.1 at vi har langsomme processer med stor dødtid. For at eliminere de to

problemstillinger, kunne det være muligt at anvende dosis-pause regulering på

brænderkredsen.

7.1.1 Teoretisk gennemgang af dosis-pause reguleringens virkemåde

Dosis-pause reguleringen er en on-off reguleringsform, der blandt andet egner sig til

dosering af væske med det formål at opnå og fastholde en balance som f.eks. temperatur.

Endvidere er dosis-pause reguleringen god til at modvirke dødtider i processer. Da dosis-

pause er en on-off reguleringen benyttes der ikke reguleringsventiler, men i stedet

magnetventiler. Reguleringen består af to timere, henholdsvis en dosis- og pause samt en

AND logikblok programmeret i PLC’en. Når den ene timers indstillede tid udløber, vil den

anden timer aktiveres. Timerene starter derfor gensidigt hinanden, og skiftes til at køre.

Det fremgår af Figur 46, at procesvariablen vurderes i grænsekontakten. Der indstilles en

værdi mellem 4-20mA som fungerer som regulatorens sætpunkt. Grænsekontakten vil lave

et skift i udgangssignalet b, fra 0-1 afhængigt af procesvariablens værdi. Når b = 1 vil der

være behov for dosering. Grundet logikblokken AND, vil udgangsrelæet kun være aktivt,

hvis både a og b = 1, hvilket betyder at der er behov for dosering samt dosetiden er i gang.

(Heilmann, 2009, s. 62-65)

Figur 47 - Sætpunkt for dosis-pause; (Heilmann, 2009, s. 63)


53

7.1.2 Tilsigtet virkemåde for processen

I det følgende forslag vil trevejsreguleringsventil 3V4 udskiftes med en magnetventil, som

styres af temperaturtransmitter 3B2, efter en dosis-pause regulering. Sætpunktet for

procesvandet vil forsat være 50°C. Trevejsreguleringsventil 17V1 vil være en PI-regulering,

som ligeledes styres af temperaturtransmitter 3B2. Parametrene for PI-reguleringen kan

indstilles efter afsnit 6.3.1. Formålet med reguleringen er også at holde procesvandets

temperatur på 50°C.

Under opstart af bitumenemulsionsanlægget, vil brænderkredsen alene stå for

opvarmningen af procesvandet, gennem varmeveksler 1. Senere i processen skal

opvarmningen af procesvandet, ske vha. PI-reguleringen gennem varmeveksler 2.

Brænderkredsen benyttes nu til at tilføre ekstra varme til procesvandet, hvis procesvandet

ikke opvarmes tilstrækkeligt gennem varmeveksler 2.

Figur 48 – Principskitse dosis-pause regulering; (Eget arkiv, 2014)

Grøn

Rød

Blå

Sort

Bitumen

Bitumenemulsion 1

Bitumenemulsion 2

Procesvand

Orange Varmt vand


54

Sætpunktet for dosis-pause reguleringen indstilles som tidligere nævnt på 50°C. Hvis

temperaturen ved temperaturtransmitter 3B2, er under 50°C og timeren for dosering er

aktiv, vil magnetventil 3V4 aktiveres, og der tilføres varmt vand til varmeveksler 1.

Af Figur 50 fremgår regulerings dosis og pause tider. Endvidere fremgår det af Figur 50, at

hvis der ikke er behov for dosering, vil reguleringen springe doseringerne over, indtil

temperaturen igen er under sætpunktet. Størrelsen af doserne indstilles således at cirka

halvdelen af doserne, kan opveje det normale behov for tilførsel af varmt vand til

varmeveksler 1.

Hvis dosis tiden er indstillet for højt eller for lavt, kan der opstå et off-set fra sætpunktet.

For at hjælpe med at indstille tiden for doseringerne kan der i PLC programmet indsættes

to tællere, en der tæller hvor mange doser der bliver udført, samt en der tæller hvor mange

der bliver sprunget over. Hvis der bliver tilført mange flere doser end der bliver sprunget

over, antages det at dosistiden skal sættes op.

Figur 49 - Dosis-pause tider; (Eget arkiv, 2014)


55

7.2 Feedforward-regulering Ud fra analysen i afsnit 5.4.1 ses det, at vi har en langsom proces præget af dødtid. For at

minimerer dødtidens indflydelse på reguleringssløjfen, kunne det være muligt at anvende

feedforward-regulering i processen.

7.2.1 Teoretisk gennemgang af feedforward-reguleringens virkemåde

Feedforward-regulering giver muligheden for at begrænse virkningen af forstyrrelser, eller

belastningsændringer i en reguleringssløjfe. I en reguleringssløjfe uden feedforward, vil en

forstyrrelse i processen først blive konstateret, efter den har haft sin skadelige virkning på

processen, og er blevet rapporteret tilbage af et feedbacksignal til regulatoren.

Ved at kombinere en normal reguleringssløjfe med

feedback signal og en feedforward-regulering, er det

muligt at kompensere for forstyrrelser allerede inden de

er blevet konstateret ved måling. Dette gøres ved at

feedforward signalet ”FF”, måler på processens

belastning eller forstyrrelse og derefter giver en

passende forstærkning i form af et udgangssignal UF til

regulatoren. Feedforward signalet kan tages fra

forskellige steder, afhængig af hvilke belastninger eller forstyrrelser, der ønskes at

reguleringen skal reagerer hurtigt over for. Resultatet vil være, at reguleringssløjfen griber

hurtigere ind og fjerner afvigelserne hurtigere end en reguleringssløjfe uden feedforward.

7.2.2 Tilsigtet virkemåde for processen

Figur 51, viser det nye PI-diagram for feedforward-reguleringen. Brænderkredsen vil i

dette forslag få sit tilbagesignal fra temperaturtransmitter TT1 i stedet for 3B2. TT1 vil

blive monteret på strengen for procesvandet lige efter varmeveksleren, som vist på Figur

51. Dette er gjort for at eliminere noget af dødtidens påvirkning i reguleringen, og vil give

en hurtigere regulering. Det vil stadig være en PI-regulering der styrer

trevejsreguleringsventilen 3V4. Ligeledes vil det stadig være brænderkredsens opgave at

opvarme procesvandet til det ønskede sætpunkt på 50°C under opstart af produktionen.

Når bitumenemulsionen begynder at producere, skal brænderkredsen lukke af, og

opvarmningen af procesvandet skal derefter primært forgå gennem varmeveksler 2.

Figur 50 - Principskitse, feedforward; (Heilmann, 2009, s. 285)


56

For at bitumenemulsionskredsen kan nå at reagere på, at procesvandet ikke har den rigtige

temperatur, vil der blive brugt en feedforward-regulering til at styre

trevejsreguleringsventil 17V1. Trevejsreguleringsventil 17V1 vil få sit feedforward signal

fra temperaturtransmitter TT1 og sit feedback signal fra temperaturtransmitter 3B2.

Temperatur transmitter 1B2, vil blive brugt til at overvåge udgangstemperaturen på

bitumenemulsionen.

Figur 51 - Principskitse over Feedforward-regulering; (Eget arkiv, 2014)

Grøn

Rød

Blå

Sort

Bitumen

Bitumenemulsion 1

Bitumenemulsion 2

Procesvand

Orange Varmt vand


57

8 Konklusion Der kan på baggrund af afsnit 4.2 konkluderes at det ikke er muligt at opnå en regulering

uden svingninger i brænderkredsen med den eksisterende brænder. Dette skyldes at

denne er en termostatregulering, og derfor vil der altid forekomme svingninger omkring

dennes sætpunkt, med en given amplitude afhængig af den indstillede neutralzone.

Endvidere kan der konkluderes, at ved indstillingen af bitumenemulsionsanlægget, som det

er på nuværende tidspunkt med trevejsreguleringsventil 17V1 i manuel vil reguleringen

være på grænsen til ustabilitet. Dette skyldes at når temperaturen på procesvandet falder

under 50°C, vil trevejsreguleringsventil 3V4 åbne, hvormed der bliver tilført energi til

varmeveksler 1, der medfører et overshoot af procesvandets sætpunkt og

trevejsreguleringsventil 3V4 lukkes. Dette gentages hver gang procesvandets temperatur

kommer under sætpunktet. Endvidere kan der ud fra afsnit 5.1 konkluderes, at hvis

trevejsreguleringsventil 17V1 sættes i auto, med den nuværende opsætning, vil dette ikke

lade sig gøre, eftersom der reguleres efter to forskellige strenge. Dette bevirker derfor at

reguleringerne for henholdsvis brænderkredsen og procesvandet i

bitumenemulsionsanlægget modvirker hinanden, og fungerer derfor ikke optimalt.

På baggrund af antagelserne i afsnit 5.3 og 5.4.1 har vi identificeret kilderne til dødtider og

tidskonstanter, og det antages at tidskonstanterne er dominerende i forhold til dødtiden i

processerne, hvilket betyder, at dødtiden ikke er kritisk for processerne.

Derudover kan der konkluderes, at hvis målingerne beskrevet i afsnit 6 udføres, vil alle

nødvendige data være tilgængelige for at arbejde videre med problemstillingen, med

henblik på optimering af bitumenemulsionsanlægget. Ved at udfører den statiske

karakterstik for processerne, er det ligeledes muligt at finde eventuelle kilder til

ulinearitet.


58

8.1 Perspektivering

Under udarbejdelse af dette projekt er der nogle områder der har vakt interesse, som i

mere eller mindre omfang, ikke er blevet behandlet i projektet. Det følgende afsnit vil

derfor kort belyse disse emner.

Med henblik på at få en mere stabil proces for opvarmningen af vandet i brænderkredsen,

foreslår vi at der benyttes en anden type brænder. Der kunne med fordel benyttes en

trinløs brænder, for at undgå svingninger omkring sætpunktet, som en termostatregulering

giver.

Eftersom der i bitumenemulsionsanlægget er tale om en proces der arbejder med transport

af væsker, vil det være hensigtsmæssigt at placere måleudstyret umildbart efter

bearbejdningsprocesserne. Dette gøres med henblik på at reducerer transporten af væsken

til målepunktet.

Ligeledes vil vi sætte større fokus på reguleringen for opvarmningen af procesvandet,

således at det sikres at det har den nødvendige temperaturen for at emulgerer med

tilsætningsstofferne. Reguleringen for køling af bitumenemulsionen, finder vi ikke så

væsentlig da der er mulighed for at koble ekstern køling på denne kreds, hvis dette findes

nødvendigt.

For at finde den optimale reguleringsmetode til opvarmning af procesvandet, ville det være

nødvendigt at afprøve nogle forskellige reguleringsmetoder. Dette kunne eventuelt gøres

ved hjælp af simulering i f.eks. mathlab, såfremt at det er muligt at definerer alle relevante

parametre for processen. På den måde vil man kunne afprøve forskellige

reguleringsmetoder, uden at det ville få konsekvenser for bitumenemulsionsproduktionen.

Simuleringen af processen kunne eventuelt udføres af et eksternt firma, med de rette

kompetencer, således at simuleringen ville være så præcis som mulig.

Bitumenemulsionsanlægget kan producerer alle kendte typer bitumenemulsion, hvilket

betyder at komponenterne er overdimensioneret. Vi har erfaret at de fleste ENH kunder

kun producerer kationisk bitumenemulsion. Det kunne derfor være en fordel ved

dimensionering af anlægget, at lave kravspecifikationen til anlægget i samarbejde med

kunderne, og tilpasse komponenterne samt reguleringsprocesserne til det givne anlæg.

Dette ville formentlig kunne give en besparelse i indkøb af komponenter, samt et mere

stabilt anlæg. Derudover vil det være en fordel, at ved konstruktion af et nyt

bitumenemulsionsanlæg at sikre sig alle relevante målepunkter for analyser af processerne


59

er tilgængelige. Der kan på denne måde, altid fortages analyser med henblik på optimering

af bitumenemulsionsanlæggets reguleringer.

8.2 Efterskrift

Under udarbejdelsen af dette projekt, har vi opnået en større forståelse for hvilke

parametre der påvirker en regulering. Endvidere har vi under arbejdet opdaget, at hvad

der ved første øjekast virker som en simpel proces, kan blive meget kompliceret, grundet

de mange faktorer der påvirker processen. Herunder at definerer procestypen, dødtider og

tidskonstanters, samt hvilken reguleringsmetode der vil være hensigtsmæssig for

processen.

Vi har ligeledes fået større indsigt i hvordan en reguleringsproces skal analyseres for at

finde dennes statiske og dynamiske egenskaber, og hvad disse data kan benyttes i praksis.

Det ville have givet os endnu større indsigt i anlægget, hvis det havde været muligt at

foretage reelle målinger på anlægget i Gotha, Tyskland.

Ved at arbejde to sammen, har det givet os mulighed for at sparre med hinanden og trække

på hinandens viden og kompetencer. Vi syntes at det har været en stor fordel at have to

synspunkter på problemstillingen, da man som enemand ofte kan se sig blind på en

problemstilling.

En af udfordringerne i projektet har været at afgrænse emnet, samt at holde den røde tråd

gennem hele projektet. Vi har derfor haft løbende sparring med vores vejleder Niels Ole

Birkelund, for at hjælpe med at holde den røde tråd.

Projektet har været udfordrende, da det er en kompliceret proces, som skal formildes på en

simpel og overskuelig måde, således læseren også kan opnå en forståelse for anlægget. På

trods af mange udfordringer gennem hele projektet, har projektet dog været spændende og

lærerigt.


60

9 Bibliografi All-Biz Ltd . (14. November 2014). http://www.in.all.biz/. Hentet fra international

centre of E-commerce: http://www.in.all.biz/img/in/catalog/11603.jpeg Altmann, W. (2005). Process Control for Engineers and Technicians (1. Udgave udg.).

Pondicherry: IDC Technologies. Baumer. (u.d.). Baumer. Hentet 11. 11 2014 fra www.baumer.com:

http://www.baumer.com/fileadmin/user_upload/international/Services/Download/Datenblaetter/PI/B1_Electronic_Temperature/Baumer_TCR6_DS_EN_1408.pdf

BP. (u.d.). BP. Hentet 11. November 2014 fra www.bp.com: http://www.bp.com/content/dam/bp-country/en_au/products-services/bp-bitumen/all-pages/Bitumen-emulsions.pdf

Casper Bendix Sørensen, P. V. (29. Oktober 2014). Eget arkiv. Aarhus. Dansk Standard. (2012). DS/EN 62381 : Automationssystemer i processindustrien.

Dansk Standard. Dybdal, M. (13. Oktober 2004). Emu. Hentet 11. November 2014 fra www.emu.dk:

http://materialeplatform.emu.dk/materialer/public_downloadfile.do?mat=140366&id=22563566

Enh Engineering a/s. (u.d.). Svenstrup , Nordjylland, Danmark. Enh.dk. (u.d.). Hentet fra Enh: http://enh.dk/Emulsion%20plant%2010-

12%20th%2040%20ft..pdf Enhchina.com. (23. November 2011). Hentet fra Enhchina:

http://www.enhchina.com/en/product/2011051628.html Enhchina.com. (23. November 2011). Hentet fra enhchina:

http://www.enhchina.com/en/product/asphalt/ Enhchina.com. (23. November 2011). Hentet fra Enhchina:

http://www.enhchina.com/en/product/2011112354.html Heilmann, T. (2009). Praktisk regulering og instrumentering (6. Udgave, 1. Oplag

udg.). Assens: Heilmanns Forlag. Horn, L. (2000). Reguleringsteknik (1. udgave udg.). København: Teknisk Forlag. ISA. (u.d.). ISA. Hentet 13. November 2014 fra www.isa.org:

https://www.google.dk/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=4&cad=rja&uact=8&ved=0CDgQFjAD&url=https%3A%2F%2Fwww.isa.org%2Fpdfs%2Fcontrol-valve-primer-4th-edition-chapter1%2F&ei=GmdkVNrWFovfywODkIHABw&usg=AFQjCNG1KZQgg95mJDSy-IVBcFeqAH1CfQ&sig2=iZndF_9c53CABAsoESEZ7Q&bvm=bv.79189006,d.bGQ

Korsgaard, M. (April 2011). Dansk vejtidsskrift. Hentet 13. November 2014 fra www.asp.vejtid.dk: http://asp.vejtid.dk/Artikler/2011/04%5C6004.pdf

Lipták, B. G. (1995). Instrument Engineers' Handbook - Process Control. Radnor: Chilton Book Company.

Lipták, B. G. (1995). Instrument Engineers' Handbook - Process Control (4. Udgave udg., Årg. 2). Radnor: Chilton Book Company.

McMillan, G. K. (1994). Tuning and Control Loop Performance (3. Udgave udg.). The Instrument Society of America.

Salomon, D. R. (08 2006). onlinepubs. Hentet 11. 11 2014 fra www.onlinepubs.trb.org: http://onlinepubs.trb.org/onlinepubs/circulars/ec102.pdf


61

Samson. (u.d.). Samson-reg. Hentet 13. November 2014 fra www.samson-reg.dk: http://www.samson.de/pdf_in/t83850da.pdf

Smuts, J. F. (2011). Process Control for Practitioners. OptiControls Inc. Hentet 24. 11 2014

Wasco. (14. November 2014). http://www.wasco.co.id/eng/. Hentet fra Wasco: http://wasco.co.id/wp-content/uploads/2012/02/Bitumen-Emulsion1.jpg

Weishaupt. (2001). Installation and operating instructions. Weishaupt oil burners. Weishaupt. (2013). Weishaupt produkt . Digital Oliefyringsteknik, 12. Weishaupt. (u.d.). Weishaupt. Hentet 14. November 2014 fra www.weishaupt.dk:

http://www.weishaupt.dk/@@download-file?uid=76a2de4cb7254c14b090ec754241dd18

Aage B. Eriksen, S. G. (2007). Termodynamik - Teoretisk grundlag, praktisk anvendelse . København: Nyt Teknisk Forlag.

Aarhus Maskinmesterskole. (02. 02 2014). campus.aams.dk. Hentet 21. 10 2014 fra Kvalitetssystem: https://doc-00-2o-docs.googleusercontent.com/docs/securesc/tmha6c9ka0omvtegldiahfgprrtj46d8/34f49a1v3d0i03v1j2atnhm5ifvujmn4/1413878400000/03645976655556813222/07711986907628330214/0B-gGZybDmSdKN0JtRlplU0JVWHc?e=download&h=16653014193614665626&nonce=ps9amlhcf2a08&user=07711986907628330214&hash=9b2mvsqut3arqebqo06j3dt73pa2s27b, https://drive.google.com/a/


62

9.1 Illustrations liste

Figur 1 - Bitumen; (All-Biz Ltd , 2014) ......................................................................................................... 9

Figur 2 - Bitumenemulsion; (Wasco, 2014) ............................................................................................. 10

Figur 3 - In-line bitumenemulsionsanlæg; (Enhchina.com, 2011) ................................................. 10

Figur 4 - Principtegning over bitumenemulsionsprocessen; (Eget arkiv, 2014) ...................... 11

Figur 5 – Principskitse brænderkreds på bitumenemulsions anlæg; (Eget arkiv, 2014) ...... 15

Figur 6 - Blokdiagram PI-regulator for brænderkreds; (Eget arkiv, 2014) ................................. 16

Figur 7 - Skematisk funktion WL20 / 2-C, vers. Z; (Weishaupt, 2001) ......................................... 17

Figur 8 - Brænderregulering simpel form (Eget arkiv, 2014)........................................................... 18

Figur 9 - Teoretisk tidsforløb for termostatreguleringen; (Heilmann, 2009, s. 52) ................. 19

Figur 10 - Principskitse bitumenemulsionskreds; (Eget arkiv, 2014) .......................................... 20

Figur 11 - Blokdiagram over bitumenemulsionsreguleringen; (Eget arkiv, 2014) .................. 21

Figur 12 - Principskitse bitumenemulsionsanlæg; (Eget arkiv, 2014) .......................................... 22

Figur 13 - Trend-kurve over Temperaturer; (Eget arkiv, 2014) ..................................................... 23

Figur 14 - Principtegning over bitumenemulsionsanlægget; (Eget arkiv, 2014) ...................... 24

Figur 15 - Princip kurve for 1B2; (Eget arkiv, 2014) ............................................................................ 25

Figur 16 - Princip kurve for 3B2; (Eget arkiv, 2014) ............................................................................ 25

Figur 17 - Trend-kurve over Temperaturer; (Eget arkiv, 2014) ..................................................... 26

Figur 18 - Flytning af styring 17V1 til 3B2; (Eget arkiv, 2014) ........................................................ 27

Figur 19 - Tilsluttet ekstern køling; (Eget arkiv, 2014) ....................................................................... 28

Figur 20 - Termisk karakteristik; (Heilmann, 2009, s. 18)................................................................. 29

Figur 21 - Blokdiagram over dødtider, samt tidskonstanter; (Eget arkiv, 2014) ..................... 30

Figur 22 - Temperaturtransmitter 1B2, 3B2; (Eget arkiv, 2014) .................................................... 31

Figur 23 - Reaktionstid temperaturtransmitter 1B2; (Baumer, u.d.) ............................................ 32

Figur 24 - Bloksymbol 1. ordens system; (Eget arkiv, 2014) ............................................................ 33

Figur 25 - Tilsyneladende dødtid og dødtid; (Smuts, s. 38) ............................................................... 36

Figur 26 - Flere tidskonstanter i serie; (Eget arkiv, 2014) ................................................................. 36

Figur 27 - System med udligning; (Eget arkiv, 2014) .......................................................................... 37

Figur 28 - Ideel statisk karakteristik over processen; (Eget arkiv, 2014) ................................... 38

Figur 29 - Principskitse over anlægget med nye målepunkter; (Eget arkiv, 2014) ................. 38

Figur 30 - Statisk karakteristik varmevekslere; (Eget arkiv, 2014) ............................................... 39

Figur 31 - Statisk karakteristik ventiler; (Eget arkiv, 2014) ............................................................. 39

Figur 32 - Principskitse brænderkreds; (Eget arkiv, 2014) ............................................................... 40

Figur 33 - Blokdiagram over åbnesløjfe; (Eget arkiv, 2014) ............................................................. 40

Figur 34 - Tabel til opsamlede data; (Eget arkiv, 2014) ...................................................................... 41

Figur 35 - koordinatsystem til at indsætte opsamlede data; (Eget arkiv, 2014) ....................... 41

Figur 36 - Principskitse over anlægget; (Eget arkiv, 2014) ............................................................... 42

Figur 37 - Procestyper; (Smuts, 2011, s. 28) ........................................................................................... 43

Figur 38 - Måling af dødtid vha. dynamisk karakteristik; (Smuts, 2011, s. 39) ......................... 44

Figur 39 - Måling af tidskonstant dynamisk karakterstik; (Smuts, 2011, s. 42) ........................ 44

Figur 40 - Undersøgelse af dødbånd; (Smuts, 2011, s. 188) ................................................................ 45

Figur 41 - Trinsvar og procesvariabel varmeveksler 1; (Eget arkiv, 2014) ................................ 46

Figur 42 - Blokdiagram åben sløjfe; (Eget arkiv, 2014) ...................................................................... 46

Figur 43 - Trinsvar og procesvariabel varmeveksler 2; (Eget arkiv, 2014) ................................ 47

Figur 44 - Stabilitetsmargin forstyrrelse i processen; (Smuts, 2011, s. 133) ............................. 48

Figur 45 - Stabilitetsmargin virkning svingninger; (Smuts, 2011, s. 133) ................................... 48

Figur 46 - Blokdiagram dosis-pause regulering; (Heilmann, 2009, s. 63) ................................... 52


63

Figur 47 - Sætpunkt for dosis-pause; (Heilmann, 2009, s. 63) ....................................................... 52

Figur 48 – Principskitse dosis-pause regulering; (Eget arkiv, 2014) ............................................. 53 Figur 49 - Dosis-pause tider; (Eget arkiv, 2014) ...................................................................................... 54

Figur 50 - Principskitse, feedforward; (Heilmann, 2009, s. 285) .................................................... 55

Figur 51 - Principskitse over Feedforward-regulering; (Eget arkiv, 2014) ................................ 56


64

10 Bilag

10.1 PI-DIAGRAM - BITUMEN


65

10.2 PI-DIAGRAM - EMULSION PLANT


66

10.3 PI-DIAGRAM - CHEMICAL DOSAGEUNIT


67

10.4 PI-DIAGRAM - EMULSION TANKS 5-1-2


68

10.5 PI-DIAGRAM - EMULSION TANKS 3-4


69

10.6 PI-DIAGRAM - EMULSION DISCHARGE SYSTEM


70

10.7 PI-DIAGRAM - SIMPLIFIED EMULSION PLANT


71

10.8 TREND-KURVE OVER TEMPERATUR


72

10.9 TREND-KURVE OVER FLOW


73

10.10 ALFA LAVAL (VARMEVEKSLER 525 kW)


74

10.11 ALLOY 316 (RUSTFRISTÅL)


75


76

10.12 VARMEVEKSLER BEREGNING Data varmveksler:

Plade materiale: Alloy 316 (Bilag 10.10)

Plade tykkelse: 0,5 mm (0,0005m) [t] (Bilag 10.10)

Varme areal: 12m2 [A] (Bilag 10.10)

Specifikke varmekapacitet 0,50𝑘𝐽

𝑘𝑔∗𝐾 [Cpalloy 316] (Bilag 10.11)

Densitetalloy 316 7,99𝑔

𝑐𝑚3 (7990𝑘𝑔

𝑚3) [ρ] (Bilag 10.11)

Data Emulsion:

Flowlav 10𝑡

ℎ (2,78

𝑘𝑔

𝑠) [�̇�] (Enh Engineering a/s)

Flowhøj 20𝑡

ℎ (5,55

𝑘𝑔

𝑠) [�̇�] (Enh Engineering a/s)


𝑘𝑔∗𝐾 [cpemu] (Enh Engineering a/s)

Data vand (vandet i emulsionen består af 35%):

Flowlav 2,78𝑘𝑔

𝑠∗ 0,35 = 0,97

𝑘𝑔

𝑠 [�̇�] (Enh Engineering a/s)

Flowhøj 5,55𝑘𝑔

𝑠∗ 0,35 = 1,94

𝑘𝑔

𝑠 [�̇�] (Enh Engineering a/s)


𝑘𝑔∗𝐾 [cpvand] (Aage B. Eriksen, 2007, s. 20)

Massen på pladerne i varmeveksleren:

𝑉 = 𝐴 ∗ 𝑡 = 12𝑚2 ∗ 0,0005𝑚 = 0,0006𝑚3

𝑚 = 𝑉 ∗ 𝜌 = 0,0006𝑚3 ∗ 7990𝑘𝑔

𝑚3 [mplader] = 47,94𝑘𝑔

Tidskonstanten Tau [τ] udregnede for begge høj og lav flow:

𝜏𝑙𝑎𝑣 = 𝑘 ∗𝑚𝑝𝑙𝑎𝑑𝑒𝑟∗𝑐𝑝alloy 316

�̇�𝑒𝑚𝑢,𝑙𝑎𝑣∗𝑐𝑝𝑒𝑚𝑢∗�̇�𝑣𝑎𝑛𝑑,𝑙𝑎𝑣∗𝑐𝑝𝑣𝑎𝑛𝑑 = 200 ∗

47,94𝑘𝑔∗0,5𝑘𝐽

𝑘𝑔∗𝐾

2,78𝑘𝑔

𝑠∗4,19

𝑘𝐽

𝑘𝑔∗𝐾∗0,97

𝑘𝑔

𝑠∗4,19

𝑘𝐽

𝑘𝑔∗𝐾

= 𝟏𝟎𝟏, 𝟐𝟔𝒔𝒆𝒌

𝜏ℎø𝑗 = 𝑘 ∗𝑚𝑝𝑙𝑎𝑑𝑒𝑟∗𝑐𝑝alloy 316

�̇�𝑒𝑚𝑢,ℎø𝑗∗𝑐𝑝𝑒𝑚𝑢∗�̇�𝑣𝑎𝑛𝑑,ℎø𝑗∗𝑐𝑝𝑣𝑎𝑛𝑑 = 200 ∗

47,94𝑘𝑔∗0,5𝑘𝐽

𝑘𝑔∗𝐾

5,55𝑘𝑔

𝑠∗4,19

𝑘𝐽

𝑘𝑔∗𝐾∗1,94

𝑘𝑔

𝑠∗4,19

𝑘𝐽

𝑘𝑔∗𝐾

= 𝟐𝟓, 𝟑𝟔𝒔𝒆𝒌

Konstant for si enheder = 200 [K] (Lipták B. G., 1995, s. 95)

Documents

Optimering af Bitumenemulsionsanlæg - campus.aams.dkcampus.aams.dk/pluginfile.php/3581/mod_data/content/4076... · praktik hos BEC tiltrådt Peter hos ENH Engineering. Bachelorprojektet