Koesuunnittelu polttimen tuotekehitysprojektissa : case: 11,1 MW monoblock-poltin

Abstract

Noin 75 % Suomessa nykyisin tuotetusta energiasta syntyy erilaisissa polttoprosesseissa. Samaan aikaan polttaminen on suurin haitallisien päästöjen, kuten rikin ja typen oksidien ja hiukkaspäästöjen lähde. Kansainväliset sopimukset, direktiivit ja kansalliset lait asettavat siksi rajat päästöjen sallitulle määrälle.

Kokeellista tutkimusta käytetään prosessin ymmärtämiseen ja kehittämiseen, joten se on tärkeässä roolissa tuotekehitystoiminnassa. Kokeellisen tutkimuksen avulla voidaan havaita ne vaikutukset, jotka syötemuuttujien tarkoituksellinen muuttaminen aiheuttaa. Koesuunnittelu koostuu tekniikoista joiden avulla voidaan tehdä hyviä kokeita, analysoida data tehokkaasti ja tehdä johtopäätöksiä, jotka on suhteutettu kokeiden alkuperäisiin tavoitteisiin.

Tutkimus tehtiin Oilon Oy:n toimeksiannosta uuden tuotteen lanseerauksen yhteydessä. Tuote oli monoblock-tyyppinen kaasupoltin, jonka maksimiteho oli 11,1 MW. Työn tavoite oli tutkia, soveltuuko koesuunnittelumenetelmien käyttö polttimen tuotekehitykseen. Tärkein vaste kokeissa oli typen oksidien määrä savukaasuissa, ja tavoitepäästöarvoksi polttimelle asetettiin 39 ppm. Ohjelmistot ja asiantuntija-apua saatiin Numerola Oy:ltä. Tehtiin kaksi koesarjaa: ensin tutkittiin kolmea polttimen mekaanisen puolen ominaisuuksia koskevaa muuttujaa kolmella tasolla. Neljäs muuttuja, polttoaineteho, tutkittiin kahdella tasolla, sillä haluttiin tietää, mikä oli tutkittavien kolmen muuttujan vaikutus eri tehoalueilla. Tehtiin koe, johon kuului 20 koepistettä. Kokeiden analyysissä selvisi, että tärkeimmät NOx määrään vaikuttavat tekijät olivat primäärikaasusauvan sisähalkaisija sekä teho. Näillä tärkeimmillä muuttujilla tehtiin toinen koe, jossa koepisteitä oli 8. Lopulta alitettiin asetettu tavoiteraja maksimiteholla raja testikattilassa.

Tutkimuksen perusteella koesuunnittelu on tehokas menetelmä polttimen kehitystyössä, joskin vastaisuudessa on suositeltavaa pitäytyä klassisissa koeasetelmissa. Erityisen hyödyllistä koesuunnittelun soveltaminen on päätöksentekijöille, koska olennainen osa koesuunnittelua on tuottaa merkityksellisiä ja täsmällisiä johtopäätöksiä kokeiden tuloksista. Koesuunnittelu näyttää säästävän rahaa ja jopa aikaa.

About 75 % of power produced in Finland today is from different combustion processes. At the same time combustion is the main source of harmful emissions such as sulfur and nitrogen oxides or particulate matter. International agreements, directives and national law therefore control the amount of emissions combustion equipment is allowed to generate.

Experimental research is used to understand and improve a process, so it is of the essence in product development. It allows the researcher to find out the effects in output variable when an input variable is purposely changed. Design of experiments includes techniques to conduct good quality experiments, analyze the data efficiently and make conclusions that relate to the original objectives of the investigation.

The study was commissioned by Oilon Oy as a part of new product launch. The product was a monoblock type gas burner with fuel power of 11,1 MW. The objective was to investigate whether design of experiments would be a useful method in burner product development. The main response was the amount of NOx in flue gas and target was to reach emission limit 39 ppm. Software as well as some professional help was provided by Numerola. Two series of experiment were conducted. First were three factors concerning the burners mechanical properties studied in three levels. Fourth factor, power, was applied in two levels, for the effect of the three factors in different levels of power was of interest. 20 runs were made. Analysis of the experiments showed that most important factors having effect on the amount of NOx were the diameter of primary fuel pipe and the power. Another experiment with 8 runs was carried out with these factors, and finally the emissions limit for NOx was obtained on maximum power in the test combustion chamber.

On basis of this study design of experiments is efficient in burner development, even though more formal application in future is recommended. Especially bene-ficial experimental designing is for decision makers because essential part of DoE is to generate meaningful and accurate conclusions from experiments. Applying DoE seems to save money and even time.