8.20. Viiraveden sakeuden ja retention säätösysteemi

2. September 2011

Kirjoittajat: Esko Kukkamäki, Timo Rantala, ja Jukka Nokelainen
Companies:  Kajaani Elektroniikka, Metsäliitto, Metso, TKK, TTK, Valmet, Veitsiluoto, Yhtyneet Paperitehtaat
People: Erkki Saharinen, Esko Kukkamäki, Heikki Koivo, Helena Kortelainen, Jouni Tornberg, Jukka Nokelainen, Kalle Luomi, Mikko Vuori, Pasi Tarhonen, Petri Vakkilainen, Seppo Elijoki, Taisto Huhtelin, Timo Laitinen, Timo Rantala

8.20. Viiraveden sakeuden ja retention säätösysteemi

Jo pitkään paperimiesten tiedossa ollut prosessiyhteys paperikoneen viiraveden sakeuden vuorovaikutteisuudesta viiraosan toimintaan ja sitä kautta viiraretentioon aineellistettiin ensimmäisen kerran säätöalgoritmiksi Kemin Veitsiluodon tehtaalla hienopaperikone 2:lla 1988. Ratkaisun säätöpiirissä viiraveden sakeuden asetusarvoa verrataan on-line mitattuun sakeuteen ja ohjataan, tyypillisesti lyhyeen kiertoon annosteltavaa, retentiokemikaalin virtausta. Mahdollisimman tasainen viiraveden sakeus tasaa ensisijaisesti lyhyen kierron sakeuksia tasoittaen niin kone- kuin poikkisuuntaista vaihtelua koneella kuin useisiin viiravedestä peräisin olevia kiertoja. Tuloksena on usein paperintuotannontehokkuuden paraneminen sekä monen laatusuureen tasoittuminen antaen mahdollisuuden prosessin optimointeihin.

Retention säädön mahdollisuuksia tutkittiin systemaattisesti PAMIRE-projektissa, 1988 -1990. Ensimmäisessä vaiheessa projektissa muodostettiin kuva aiheesta perustuen kirjallisiin julkaisuihin, sekä kerättiin ja analysoitiin tietoa tuotankoneilta. Kerätyn tiedon avulla  mallinnettiin ja simuloitiin prosessia osoittaen paperinvalmistuksen märkäosan toimintaan sisältyviä monia vuorovaikutuksia ja niihin vaikuttamismahdollisuuksia.  Muodostettiin ns.  kokonaissäätöjärjestelmä, jossa retentiota hallittaisiin säätämällä erikseen perälaatikon ja viiraveden sakeuksia niin että märän pään sakeussäädöt olisivat alisäätiminä kuivan pään säädöille.  Seuraavaksi projektissa testattiin käytännössä erilaisia tapoja toteuttaa osia kokonaissäätöjärjestelmästä ja säätää retentiota TKK:n WET-koeprosessissa. Tehokkaimmaksi tavaksi hallita retentiota osoittautui viiraveden kokonaissakeuden säätö. Se oli myös toteutukseltaan yksinkertaisin säätösysteemi kaikista testatuista. Ja jälleen kerran yksinkertainen ratkaisu osoittautui erittäin toimivaksi.     

Ratkaisun ensimmäisen käyttöönoton jälkeen sitä alettiin kehittää voimakkaasti 1990-luvun alusta alkaen kohdekoneina Kankaan PK 2 ja PK 4 sekä Äänekosken paperi ja kartonkikoneet. Tulokset olivat erinomaisia. Tosin kuten niin usein, ko. säädön suorituskyvylle nähtiin myös merkittävää parannuspotentiaalia. Systemaattista tutkimusta jatkettiinkin ensimmäisen PAPPIS- projektin, 1992 -1994, puitteissa. Nyt mukaan otettiin lajinvaihdot, konemassan ja perälaatikon tuhkan säädöt,  mutta ennenkaikkea prosessin monimuuttujaluonne. PAPPIS-projekteissa innovaation perusteet tuotteistettiin käytännön olosuhteissa Jämsänkosken tehtaiden PK5 ja PK6 koneilla lopulta kehittäen sekä PID- että monimuuttujasäätöihin perustuvat säätötuotteet.  Jämsänkosken PK6:lla otettiin käyttöön ensimmäinen erittäin kehittynyt malliprediktiivinen monimuuttujasäätö, joka kytki yhteen märän ja kuivan pään säädöt. Säätö huomioi prosessin voimakkaat ristikkäisvaikutukset ja laski optimaaliset ohjausliikkeet, joilla kuivan pään suureet pidetään mahdollisimman tasaisina joka tilanteessa. Tuloksena kuivan pään laatusuureiden vaihtelu pieneni edelleen merkittävästi.     

Yksinkertaisesta viiraveden sakeuden säädöstä on tullut paperiteollisuudessa laajalti käytetty ratkaisu soveltuen tehokkaasti niin eri paperi- kuin kartonkilajeille. Toteutuksia on useita satoja kaikilla maailman paperintuotantoalueilla ja sitä toimittavat nykyisin eritasoisina sovelluksina kaikki paperinvalmistusautomaatioratkaisujen tuottajat.

Huomattavaa on, että em. kehitystyön ohessa, tai paremminkin juuri sitä varten tutkittiin useita märkäosan mittaustekniikoita. Osa tutkituista tekniikoista tuotteistettiin niin, että niillä Metso Automation (ent. Kajaani Elektroniikka Oy) on luonut merkittävää maailman laajuista liiketoimintaa. Esimerkiksi ensimmäisenä jo 1990-luvun vaihteessa tuotteistettua kokonais- ja tuhkaretention on-line mittaavaa tuotetta on nykyisin toimitettu reilusti yli 1200 kappaletta (kolme sukupolvea) luoden useiden kymmenien miljoonien  liikevaihdon.

Innovaation keskeisinä henkilöinä mainittakoon alullepanevana ideoijana Kemissä Seppo Elijoki, ratkaisun keskeiset tutkijat professori Heikki Koivon johdolla TTKK:lla Timo Rantala ja Pasi Tarhonen, TKK:lla Erkki Saharinen ja Timo Laitinen, sekä kohdetehtailla aktiivisina asiantuntijoina ja käytäntöön jalkauttajina Petri Vakkilainen (Kankaan tehtaat), Mikko Vuori, Kalle Luomi ja Esko Kukkamäki (Jämsänkosken tehtaat).  Säätösysteemille keskeisen viiraveden ja perälaatikkomassan on-line sakeusmittalaitteen alullepanijoita ja kehittäjiä Valmet Automationilla olivat mm. Olavi Sundström, Taisto Huhtelin, Jouni Tornberg, Jyrki Huttunen, Keijo Lehmikangas, Helena Kortelainen ja Jukka Nokelainen.