Zeven verbouwingen doorrekenen voordat er één wordt gebouwd

Stof en rook bij het kiepen van ruwijzer

In de Oxystaalfabriek wordt vloeibaar ruwijzer omgezet in staal. Bij het kiepen van ruwijzer in de converter, bovenop het schroot, ontstaan stof en rookgassen. Die worden afgevangen door de primaire en de secundaire afzuiging.

De capaciteit van de secundaire afzuiging was onvoldoende, en het elektriciteitsverbruik was fors. Tata wilde weten of er bottlenecks in zaten, met welke ingrepen de afzuiging omhoog kon, en vooral: met hoeveel.

Dat is lastiger dan een som op een A4. Er zijn drie converters met samen negen afzuiglocaties, en meer dan tweehonderd verschillende combinaties van klepstanden. De afzuigcapaciteit varieert daardoor sterk, en de bottleneck verspringt met de bedrijfsvoering mee. Een meting op één moment zegt dus weinig over het jaar.

Zeven modificaties in een geverifieerd model

In overleg met Tata zijn zeven kansrijke modificaties benoemd: de regeling van de ventilatoren verbeteren, de waaiers verkleinen (ze waren ontworpen op een onrealistische capaciteit en draaiden daardoor buiten hun efficiënte werkpunt), de aanzuigleiding optimaliseren, frequentiedrives toepassen in plaats van smoren, extra filtercompartimenten plaatsen om de systeemweerstand te verlagen, een warmtebuffer installeren, en zwaardere afzuigmotoren plaatsen.

Om die door te rekenen is een fysisch model van het hele afzuigsysteem gebouwd. De afzuigleiding is gediscretiseerd in veertien segmenten, met per segment de drukval uit buiswrijving en uit kleppen, bochten en vernauwingen, en met een gasdichtheid die meebeweegt met druk en temperatuur. De ventilatoren zijn gemodelleerd op hun fan-curve, zodat het effect van een andere diameter of een ander toerental volgt uit de fan affinity laws. De dralls zitten erin als weerstand in serie met de ventilatoren, gefit op historische data en leveranciersinformatie. Daar bovenop de warmteoverdracht tussen rookgas en leidingwand, want de gastemperatuur bepaalt of de koude-luchtklep opengaat.

Vanwege die tweehonderd klepstandcombinaties is een heel jaar aan procesdata gebruikt, zowel om te modelleren als om te evalueren. Verificatie gebeurde op een deel van de data met wisselende procescondities, met alleen de gemeten drall-hoeken en de gemeten inzuigtemperatuur als ingang. Massaflow en filtertemperatuur kwamen daarbij goed overeen met de werkelijkheid.

De uitkomst van de doorrekening

Met het geverifieerde model kon Tata elke modificatie en elke combinatie doorrekenen voordat er iets werd omgebouwd, inclusief het effect op zowel afzuigcapaciteit als stroomverbruik. Verschillende combinaties bleken de capaciteit te verhogen én tegelijk minder stroom te vragen, doordat de ventilatoren op een efficiënter werkpunt terechtkwamen.

De belangrijkste uitkomst zit niet in een percentage maar in een besluit. Mede op basis van dit rapport heeft Tata besloten niet verder te investeren in de secundaire afzuiging, maar over te gaan op de bouw van de tertiaire afzuiging, die in 2023 in gebruik is genomen. Dat besluit is genomen op doorgerekende scenario’s in plaats van op trial and error, en dat scheelde aanzienlijke kosten.

De waarde van een advies om niet te bouwen

De waarde van een digital twin zit soms in het advies om niets te doen. Zeven modificaties doorrekenen kostte een fractie van één ervan bouwen, en het antwoord was uiteindelijk dat de hele installatie niet de juiste plek was om in te investeren.

Dat is alleen een geloofwaardig antwoord als het model eerst is geverifieerd tegen werkelijke procesdata over een periode die alle bedrijfstoestanden bevat. Een model dat op één bedrijfspunt klopt, geeft over de rest van het jaar een mening.