Extending mechanistic thermal-hydraulic modelling and dynamic simulation for new industrial applications

Tutkimustuotos

Tutkijat

  • Jari Lappalainen

Organisaatiot

Kuvaus

Prosessi- ja energiateollisuudella on suuri merkitys kestävässä kehityksessä. Niillä on merkittävä rooli ilmastonmuutoksen hillinnässä. Pyrittäessä energiatehokkuuteen, materiaalien kierrätykseen ja päästöttömiin prosesseihin tulee teollisista järjestelmistä monimutkaisia. Prosessiautomaatiolla on keskeinen rooli siinä, että monimutkaisiakin järjestelmiä voidaan hallita ja käyttää helposti ja turvallisesti. Dynaaminen laitosmittakaavan prosessisimulointi on käytännössä ainoa tapa testata ja varmistaa prosessin ja automaation yhteistoiminta ennen kohdejärjestelmän rakentamista. Käytössä olevissa laitoksissa sen avulla voidaan tutkia järjestelmiä todenmukaisesti aiheuttamatta häiriötä tai riskiä prosessille tai ihmisille.  Tässä tapaustutkimuksena toteutetussa työssä käytetään Apros-ohjelmistoa mallinnus- ja simulointiympäristönä. Mallinnusta ja simulointia laajennetaan perinteisiltä ydin- ja konventionaalisten voimalaitosten sovellusalueilta kartongin valmistukseen, hiilidioksidia talteen ottavaan voimalaitokseen, laivan energiajärjestelmiin, meriveden suolanpoistoon sekä sulasuolaa käyttävään lämpövarastoon. Perusmenetelmänä hyödynnetään mekanistisia malleja ja termohydraulista dynaamista simulointia. Menetelmäkehitystä tehtiin sovelluskohtaisten laitteiden ja fluidien mallintamiseksi. Käytetyn menetelmän ja tehtyjen laajennusten toimivuus demonstroidaan simulointisovelluksissa. Työn tuloksia voidaan hyödyntää sekä tutkimuksessa että kaupallisissa simulointiprojekteissa. Uudet laitemallit ja fluidilaskennan ominaisuudet mahdollistavat uusia sovelluskohteita termisten järjestelmien parissa. Laskennan ja mallien validointitulokset auttavat arvioimaan saman tyyppisten mallien ennustuskykyä. Menetelmän hyödyntäminen sekä esitellyillä että uusilla sovellusalueilla tehostuu esimerkkimallien avulla. Tapauskohtaisista tuloksista voidaan mainita, että simulaattori auttoi ymmärtämään kartonkikoneen lajinvaihtoihin liittyviä monimutkaisia vuorovaikutuksia. Uudelleenvirittämällä lajinvaihtoautomaatio lyhennettiin lajinvaihtoihin kuluvaa aikaa. Laivan energiajärjestelmien simulointi paljasti suunnittelun puutteellisuuksia ja auttoi käyttöönoton ongelmien tutkimisessa. Sulasuolaa käyttävän, lämmönsiirron ja varastoinnin tutkimusta tukevan laitteiston toiminnasta analysoitiin systemaattinen poikkeama.  Tapausten analysoinnin perusteella voidaan todeta, että käytetty mallinnusmenetelmä soveltuu hyvin myös perinteisen sovellusalueensa ulkopuolella ja tuo merkittäviä hyötyjä. Menetelmä tukee simulointimallien monipuolista hyödyntämistä teollisuuslaitoksen elinkaaren aikana: tutkimuksessa, suunnittelussa, testauksessa, käyttäjien koulutuksessa sekä toimivan laitoksen kehittämisessä. Teollisuuden suunnittelun ja laitosten kasvavia haasteita on kyettävä ratkaisemaan eri elinkaaren vaiheissa prosessin ja automaation yhteistoiminta ja dynamiikka huomioiden. Työssä sovellettu ja laajennettu mallinnus- ja simulointimenetelmä tarjoaa tähän hyödyllisen työkalun.

Yksityiskohdat

AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
Valvoja/neuvonantaja
Kustantaja
  • Aalto University
Painoksen ISBN978-952-60-8758-0
Sähköinen ISBN978-952-60-8759-7
TilaJulkaistu - 2019
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

    Tutkimusalat

  • teollisuusprosessi, tietokonemallinnus, prosessien mallinnus, mekanistinen malli, termohydrauliikka, dynaaminen simulointi, prosessiautomaatio, simulointiavusteinen suunnittelu

ID: 38797406