Water chemistry management for future large experimental facilities

The thesis focuses on the water chemistry of the experimental test facilities and their reference VVER reactors. The main objective of the thesis is to provide recommendations for water chemistry management for laboratory facilities (VEERA, PACTEL) simulating the VVERs and for the large future facilities of the Lappeenranta University of Technology. In the beginning, the concept of nuclear power generation and the applicability of the nuclear power usage is discussed. Next, different water chemistry and water purification systems in primary and secondary circuits currently used at the power plant have been outlined. Also the construction geometry and design of test facilities PACTEL and VEERA, as well as the operation principles of their main equipment has been described. Finally, the appropriate water chemistry and water treatment system have been proposed for the existing and future experimental facilities of LUT.

Lauhdepumput Suomen ydinvoimaloissa

Tässä kandidaatintyössä keskitytään esittelemään Olkiluodossa ja Loviisassa sijaitsevien ydinvoimaloiden lauhdejärjestelmät ja niissä käytettyjen lauhdepumppujen rakenne ja toiminta-arvot. Lauhdepumppujen tehtävänä on pumpata lauhduttimessa, höyrystä lauhtunut vesi eteenpäin. Työssä käsitellään ensimmäiseksi lauhdejärjestelmiin ja pumppuihin liittyvää taustatietoa ja mitoitusarvojen laskentakaavat. Tämän jälkeen kerrotaan pumpuissa tapahtuvasta kavitaatio-ilmiöstä. Kavitaation jälkeen esitellään laitostyyppien lauhdejärjestelmät, jonka jälkeen käydään läpi laitoksissa käytettävät lauhdepumput ja niiden toiminta-arvot. Viimeisimpänä käsitellään pumppujen säätämiseen käytettyjä tapoja ja menetelmiä. Tämä kandidaatintyö on tyypiltään kirjallisuustyö.

Torrefioidun biohiilipelletin kirjallisuustutkimus ja koeajot pilottilaitoksessa

Tämä raportti käsittelee ”Torrefioidun biohiilipelletin laatu ja varastoitavuus” hankkeen tuloksia. Hankkeen tavoitteena oli tutkia torrefioidun biohiilipelletin prosessiteknologiaa, markkinoita ja tuotantokustannuksia kirjallisuustutkimusosiossa. Hankkeen päätutkimus keskittyi koeajoihin pilottilaitoksella, jossa valmistettiin biohiilipellettiä erilaisista puuraaka-aineista. Pilottilaitos oli perustettu Torrec Oy:n toimesta Etelä-Savon Energian Pursialan voimalaitoksen yhteyteen Mikkelissä ja sen tuotanto oli käynnistynyt kesällä 2014. Kaikki koe-erät valmistettiin vain käyttämällä sidonta-aineena lauhdevettä, jota oli tiivistynyt säiliön pohjalle torrefiointiprosessin aikana. Näin ollen erillistä lisäsidonta-aineita ei tarvittu, jolloin voidaan säästää tuotantokustannuksissa jatkossakin. Euroopan Unioni on asettanut 20 % tavoitteen uusiutuvien energioiden käytölle vuoteen 2020, josta biomassalla voidaan kattaa kaksi kolmannesta. Tutkimushankkeen tavoitteena oli metsään perustuvan bioenergiatuotannon lisääminen ja tuontienergian korvaaminen kotimaisella polttoaineella. Hankkeen tarkoituksena oli tutkimusanalyysien kautta kehittää uutta kilpailukykyistä teknologiavaihtoehtoa puupolttoaineiden hyödyntämiseksi. Torrefiointiteknologiaa ollaan kaupallistamassa ympäri Eurooppaa parasta aikaa ja uusia biohiilen tuotantolaitoksia on kehitteillä ja rakenteilla. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että biohiilipelletillä on mahdollisuudet suurimittakaavaiseen energiantuotantoon laadun suhteen, kunhan sen käyttäminen tulee edullisemmaksi laitoksissa. Toisaalta, tämä kehitys vaatii tukimekanismeja valtion puolelta, jotta pelletit lähtisivät todella liikkeelle markkinoilla.

Mikro-ORC-energianmuuntimen suorituskyvyn todentaminen ja kaupallistaminen

Tässä työssä esitellään yleisesti ORC-prosessi, sen toimintaperiaate ja käyttökohteet. Työn tavoitteena oli todentaa diesel-moottorin savukaasujen lämpöenergian sähköenergiaksi muuntavan mikro-ORC-energianmuuntimen suorituskyky. Suorituskyky pyrittiin toteamaan laskemalla laboratoriomittauksista saadusta datasta koelaitoksen sähköntuotannon hyötysuhde ja vertaamalla sitä mallinnuksessa laskettuun hyötysuhteeseen. Esitys käytännöstä suorituskyvyn todentamiseen kuuluu työn sisältöön. Koelaitoksen suorituskykyä ei pystytty toteamaan turbogeneraattoriin liittyvien ongelmien vuoksi. Tarkasteltavaksi tähän työhön jäi koelaitoksen suorituskykyyn olennaisesti liittyvien laitoskomponenttien toiminta niille tyypillisten mittausdatasta laskettujen tunnuslukujen kautta. Koelaitoksella käytettyjen lämmönsiirrinten todettiin olevan kykeneviä siirtämään tarpeeksi lämpöenergiaa 130 kW jarruteholla toimivan diesel-moottorin savukaasujen lämmöstä sähköenergian tuotantoon. Laitoksen kaupallistamista tarkasteltiin asiakkaan ja valmistajan näkökulmasta. Tarkasteluun sisältyi katsaus kaupalliseen versioon kuuluvista ominaisuuksista, alihankinnasta ja säädöksistä, jotka laitoksen on täytettävä markkinoille päästäkseen.

Analysis of PWR-PACTEL Small Break LOCA experiment using TRACE

Currently, the power generation is one of the most significant life aspects for the whole man-kind. Barely one can imagine our life without electricity and thermal energy. Thus, different technologies for producing those types of energy need to be used. Each of those technologies will always have their own advantages and disadvantages. Nevertheless, every technology must satisfy such requirements as efficiency, ecology safety and reliability. In the matter of the power generation with nuclear energy utilization these requirements needs to be highly main-tained, especially since accidents on nuclear power plants may cause very long term deadly consequences. In order to prevent possible disasters related to the accident on a nuclear power plant strong and powerful algorithms were invented in last decades. Such algorithms are able to manage calculations of different physical processes and phenomena of real facilities. How-ever, the results acquired by the computing must be verified with experimental data.

Käsien ekvivalenttiannosten määritys ja osakehoannosten dosimetria Loviisan voimalaitoksella

Loviisan voimalaitoksen valvonta-alueen työt luokitellaan viranomaisohjeistuksen ja lainsäädännön mukaiseksi säteilytyöksi. Toiminnan harjoittajalla on velvollisuus seurata säteilytyötä tekevien työntekijöiden säteilyaltistusta ja Loviisan voimalaitoksella seurataan kaikkien valvonta-alueen työntekijöiden efektiivistä säteilyannosta. Tämän lisäksi viranomaisohjeistus velvoittaa seuraamaan erikseen kehon osien ekvivalenttiannosta, jos säteilyaltistus on epätasaista. Loviisan voimalaitoksella on käsien säteilyaltistuksen kannalta kriittisiksi määritellyissä työryhmissä mitattu työntekijöiden käsien ekvivalenttiannosta lisäannosmittareilla. Tässä kandidaatintyössä tehdään katsaus Loviisan voimalaitoksella suoritetusta käsien ekvivalenttiannoksen tarkkailusta vuosilta 2007 - 2015 ja osakehoannosten dosimetriakäytännöistä. Tulosten perusteella annetaan suositukset sille, millaisissa työtehtävissä ja millä työryhmillä tulisi jatkossa määrittää kehon osien ja erityisesti käsien ekvivalenttiannosta erikseen. Johtopäätöksenä annetaan suositukset myös tarkkailujakson pituudesta ja esitetään tulosten parempaan kattavuuteen tähtääviä operatiivisia suosituksia.

Höyryvoimalaitoksen lisäveden valmistus

Kandidaatintyössä tutustuttiin raakaveden sisältämiin epäpuhtauksiin ja niiden aiheuttamiin ongelmiin höyryvoimalaitoksen vesi-höyrypiirissä. Vedenkäsittelyn teoriassa perehdyttiin esikäsittely-, pehmennys-, ioninvaihto- ja käänteisosmoosimenetelmiin, joista suurinta huomiota sai ioninvaihtomenetelmä. Kandidaatintyötä tehdessä oli tekijällä mahdollisuus perehtyä myös käytännön vedenkäsittelylaitoksen toimintaperiaatteeseen. Perehdytty vedenkäsittelylaitos pitää sisällään esikäsittelylaitoksen ja ioninvaihdolla toteutetun suolanpoiston.

Sähkökemiallisten mittausmenetelmien hyödyntäminen optimaalisessa kunnossapidossa

Sähkökemiallisia korroosionopeuden mittausmenetelmiä, yhdistettynä rakennema-teriaalien ohenemaseurantaan, on edelleen harvoin hyödynnetty toimilaitteiden ja rakenteiden elinkaarihallintaan liittyvässä kunnossapidossa. Tässä diplomityössä selvitetään sähkökemiallisten korroosiomittausten käyttöä optimaalisen kunnossapidon apuvälineenä. Työssä selvitetään erityisesti sähkö-kemiallisten mittausjärjestelmien soveltuvuutta voimalaitosten tulistinalueen kor-roosion sekä kylmäpään happo- ja vesikastepisteen mittaamiseen ja kriittisen kas-tepistelämpötilan määrittämiseen. Lisäksi selvitetään mittausten soveltuvuut-ta voimalaitosten polttoainehallinnan optimointiin sekä teknis-taloudellisuuteen perustuvaan prosessin säätämiseen. / Electrochemical corrosion rate measuring methods have been used years in indus-trial maintenance research. Still electrochemical corrosion rate measurement methods are rarely used in the industrial maintenance work related to the life cycle of equipment and structures. This work will study the suitability and use of electrochemical corrosion meas-urements in the optimum maintenance. The work will specifically address the suitability of electrochemical measuring systems for power plants super heater and the cold end corrosion monitoring. Study focus on acid and water dew point monitoring and the determination of the critical dew point temperature. In addi-tion, study the suitability of measurements of power plant fuel management as well as techno-economics based on the process of adjustment.

Höyryturbiinin ulosvirtauskanaviston kokeellinen tutkimus pienoismallilla

Diplomityössä tutkittiin höyryturbiinin ulosvirtauskanavistojen kokeellisia tutkimusmenetelmiä ja suoritettiin käytännön mittauksia Fortum Oyj:n Loviisan ydinvoimalaitoksen höyryturbiinien huuvan pienoismallilla. Kirjallisuusselvityksen perusteella todettiin, että pienoismallitutkimuksella on ollut keskeinen asema ulosvirtauskanavistojen suunnittelussa. Kokeellisten menetelmien perusongelmana on höyryturbiinin ulosvirtausolosuhteiden jäljitteleminen. Käytetyt mittausmenetelmät perustuvat pääosin tavanomaisiin paine- ja nopeusmittauksiin. Lisäainepartikkeleihin ja laser-valaisuun perustuva PIV (particle image velocimetry) todettiin lupaavaksi menetelmäksi ulosvirtauskanavistojen tutkimuksen saralla. Työn käytännön osuudessa tehtiin mittauksia mittasuhteessa 1:8 rakennetulle höyryturbiinin huuvan pienoismallille. Mittauksilla tutkittiin virtausta mallin sisääntulo- ja ulostulotasoissa. Lisäksi mitattiin staattisen paineen jakauma huuvan sisällä. Kokonaispainetta mittaava kiel-putki todettiin käytännölliseksi työkaluksi huuvan virtauskentän tutkimuksessa. Tuloksista käy hyvin ilmi huuvan ulostuloon syntyvien pyörteiden muodostuminen ja ulostulon epätasainen nopeusjakauma. Staattinen paine huuvan sisällä havaittiin epätasaisesti jakautuneeksi. Ulostulotason ja staattisen paineen mittauksilla saadut tulokset sopivat hyvin yhteen kirjallisuudesta löytyvien tutkimustulosten kanssa ja tukevat Loviisan ulosvirtauskanavistosta aiemmin tehtyjä CFD-simulointeja.

Voimalaitosten kattilaputkien sisäpuolisten kerrostumien paksuuden mittaaminen ultraäänimenetelmällä

Höyryvoimalaitoksen käyttöönotossa muodostuu kattilaputkien sisäpinnoille niitä korroosiolta suojaava ohut metallioksidikerros. Tämän kerroksen päälle kasvaa kattilan käytön aikana haitallista kerrostumaa paikallisen korroosion tai kattilavedessä olevien epäpuhtauksien kerääntymisen tai kiteytymisen seurauksena. Kerrostuma haittaa lämmönsiirtoa tulipesästä putkiseinämän läpi kattilaveteen. Putkien lämpötilan nousu suunniteltua korkeammaksi kasvattaa putkivaurioiden ja sisäpuolisen korroosion riskiä. Tästä johtuen paksuksi kasvaneet kerrostumat pyritään poistamaan happokäsittelyllä eli peittauksella ennen vaurioiden syntyä. Perinteisesti kerrostumapaksuus on määritetty kattilasta irrotetuista näyteputkista mikroskoopilla. Työn tavoitteena oli tutkia uudenlaisen ultraäänimittauksen teoriaa ja selvittää sen toimivuus höyrystinputkien kerrostumapaksuusmittauksissa. Lisäksi tavoitteena oli tutkia voimalaitoksen höyrystimen sisäpuolisten kerrostumien muodostumista ja niiden vaikutuksia sekä kattilan peittaustarpeen arviointia. Höyrystimen kerrostumien kasvunopeuteen vaikuttavat eniten voimalaitostyyppi, käytetty vesikemia ja kattilaveteen kulkeutuvien epäpuhtauksien määrä. Kasvunopeus vaihtelee laitosten välillä suuresti ja eroaa myös tulipesän eri kohdissa. Kattilaveden epäpuhtauspitoisuus ja kerrostumapaksuus vaikuttavat molemmat korroosiovaurioiden todennäköisyyteen. Peittauspaksuuden ohjearvoissa tulisi huomioida kattilan käyttöpaine, kattilatyyppi ja riski kattilaveden laadun heikkenemiselle. Putkinäytteistä ja laitoksilla suoritettujen mittauksien perusteella uusi ultraäänitekniikka tuottaa luotettavia tuloksia tavanomaisten kerrostumien mittauksessa. Vain yhdellä laitoksella esiintyi irtonaisen sakan kaltaista kerrostumaa, jota mittaus ei kyennyt havaitsemaan. Mittaustulokset kerrostumista tulipesän eri osissa antavat hyvän perustan peittaustarpeen arviointiin.

Development of laboratory exercises for basic nuclear thermal hydraulics measurements

The thesis focuses on light water reactors (pressurized water reactors, boiling water reactors) and measurement techniques for basic thermal hydraulics parameters that are used in a nuclear power plant. The goal of this work is a development of laboratory exercises for basic nuclear thermal hydraulics measurements.

Prerequisites for commercialization of tube granulator for fly ash

A large amount of fly ash is produced in power plants and a big fraction of it ends up as waste to landfills. Disposal of fly ash to landfills is expensive for power plants due to for example waste taxation. However fly ash can utilized in different applications. Possibility of utilizing fly ash can be increased by granulation which also removes the dustiness problems of ash. This Thesis deals with the prerequisites for commercialization of a new granulation technique, tube granulation. Tube granulation technique utilizes water, calcium oxide in fly ash plus carbon dioxide and heat from flue gas. This Thesis determines the necessary auxiliary equipment for tube granulation, approaches for process dimensioning and implementation of the granulation process into a continuous power plant process. In addition, the economic benefits of tube granulation are examined from the user’s perspective. A continuous tube granulation process requires the following auxiliary systems to function: ash system, water feed system and flue gas system. Implementation of tube granulation system into a power plant process depends on the specific power plant but a general principle is that fly ash should be obtained to the granulator as fresh as possible and flue gas should be taken from the pressure side of a flue gas fan. Dimensioning of the process can be examined for example in terms of degree of filling and residence time in the granulator or in terms of granule drying. Determining the optimal dimensioning parameters requires pilot tests with the granulator.

Aurinkovoimalaitoksen mitoittaminen suunnitteilla olevaan kerrostaloon

Aurinkopaneelien ja inverttereiden hinnat ovat laskeneet viime vuosina, joten au-rinkosähköstä on tullut kannattava sähköntuotantomuoto kiinteistöille. Tässä kandidaatintyössä kerrotaan, kuinka arvioida suunnitteilla olevan rakennuksen peruskuormaa aurinkopaneeleiden asennuksen näkökulmasta. Voimalaitoksen sijoituskohde sijaitsee Järvenpäässä. Kohteessa on 69 huoneistoa 8 kerroksessa ja yhteiset tilat 9. kerroksessa. Voimalaitoksen kannattavuutta tutkitaan simuloimalla tuotantoja ja arvioimalla kulutusta. Tuotantoja simuloidaan HOMER-ohjelmistolla. Rakennuksen kulutusta arvioidaan suunnittelijoilta saatujen tietojen perusteella, ja vanhempien samankaltaisten kohteiden kulutusten perusteella, jotka saadaan Nuuka-portaalista. Saaduista tuloksista huomataan, että nykyisillä sähkönhinnoilla aurinkopaneelit ovat kannattava investointi, vaikka sähköä tuotettaisiin hieman ylimääräistä, joten paneelit voidaan mitoittaa hieman kulutusta suuremmaksi. Takaisinmaksuaika on noin 20 vuotta. Tulokset ovat linjassa vanhempien tutkimusten kanssa. Tuloksista huomataan, myös että paneeleita jakamalla eri ilmansuuntiin saadaan tuotannon huipputeho pienemmäksi ja samalla tuotanto jakautumaan laajemmalle ajanjaksolle. Paneelien hintojen laskettua on kannattavaa asentaa paneeleja epäedullisempiin suuntiin, täten saadaan tuotantoa ajoitettua mahdollisesti paremmin kulutus-ta vastaavaksi. Mitoituksen voi tarkistaa rakennuksen valmistuttua, sillä raken-nuksesta tullaan mittaamaan paneeleiden tuottama sähkö ja kohteen kiinteistösähkönkulutus.

Voimalaitoksen energiaraportoinnin kehittäminen

Diplomityössä tarkasteltiin Metsä Board Simpeleen voimalaitoksen energiaraportointi kokonaisuutta. Tarkastelun kohteena olivat lämpö-, sähkö- ja polttoaine-energiat. Tarkastelun pääpaino oli energian määritykseen tarvittavissa mittapisteissä sekä niistä muodostuvissa raporteissa. Työn tavoitteena oli saada luotettavat energiaraportit, jotka ovat jaoteltu selkeästi ja johdonmukaisesti. Tavoitteena oli myös vähentää kuukausiraportoinnin muodostamiseen tarvittavaa henkilötyöaikaa. Teoriaosuudessa käsitellään yleisesti voimalaitosprosessin toimintaa sekä siinä käytettäviä polttoaineita. Energiataseen muodostamisen perusteita tarkasteltiin voimalaitosprosessin kannalta. Energian määrityksiin käytettävät prosessimittaukset käytiin läpi. Raportointivelvollisuudet selvitettiin, niin tilastokeskuksien, kuin viranomaistenkin suuntaan. Työosuudessa perehdyttiin käytössä oleviin raportointikäytäntöihin sekä raporttipohjiin. Energialaskentayhtälöt ja parametrit tarkastettiin tarvittavilta osin. Työnaikana havaittiin nopeasti, että raportointi muodostetaan pitkälti Microsoft Excel-taulukkolaskentaohjelmiston avulla. Olemassa olevia automatisoituja raportteja ei hyödynnetty ollenkaan, koska niitä pidettiin epäluotettavina. Työn tuloksena automatisoidut kuukausiraportit tarkastettiin, virheet korjattiin ja ne otettiin käyttöön. Automaattisiin raportteihin tehtiin päivitysehdotukset uusista raporttipohjista. Viralliseen kuukausiraportointiin rakennettiin myös kokonaan uudet raportointipohjat, jotka hyödyntävät automaattisesti muodostuvia raportteja. Uudet raporttipohjat nopeuttivat raportointityötä merkittävästi. Polttoaine-energian hallintajärjestelmä todettiin vanhanaikaiseksi ja sen uusimista suositellaan. Uusinnalla raportointityö helpottuisi ja sen avulla siitä saataisiin kattavampi.

Pk-yrityksen aurinkovoimalainvestointiin vaikuttavat tekijät

Tutkielman tavoitteena on selvittää pienten ja keskisuurten yritysten aurinkovoimalainvestointiin liittyviä tekijöitä sekä erityispiirteitä. Tutkielmassa pk-yritykset on rajattu alueellisesti Etelä-Suomeen ja tekijöitä tarkastellaan investoinnin sekä päätöksenteon näkökulmasta. Keskeisenä asiana tutkielmassa on aurinkosähkömarkkinoiden nykytila sekä mahdollisuudet. Osatavoitteena on tutkia aurinkosähkön hyödyntämistä ja käyttöönottoa Suomessa sekä luoda aurinkosähkön mahdollisuuksista selkeämpi kokonaiskuva. Tutkielman tutkimusmenetelmänä käytetään laadullista tutkimusta. Tutkielma koostuu teoreettisesta katsauksesta sekä empiirisestä osuudesta. Teoreettinen osuus tarkastelee investointeja ja rahoitusvaihtoehtoja. Empiirinen osuus pitää sisällään kolmen kohdeyrityksen haastattelut. Haastattelut toteutettiin marraskuussa 2015 aurinkosähkömarkkinoilla toimiville ratkaisuntarjoajille. Haastatteluiden avulla kartoitettiin alalla toteutettujen aurinkovoimalainvestointien taustatekijöitä ja erityispiirteitä. Tutkimustuloksina havaittiin selkeitä aurinkovoimalainvestointiin vaikuttavia tekijöitä sekä muutamia erityispiirteitä. Taloudellista kannattavuutta voidaan pitää investointien lähtökohtana. Tähän vaikuttaa uusiutuvan energian investointeihin saatavilla oleva energiatuki, jolla on merkittävä vaikutus pk-yrityksen päätöksentekoon. Lisäksi ekologinen sähkön tuotanto sekä omavaraisuus nousivat haastatteluissa esiin. Johtopäätöksinä voidaan todeta aurinkosähkön sisältävän useita tekijöitä ja erityispiirteitä, joita investoijien sekä ratkaisuntarjoajien tulee ottaa huomioon. Aurinkosähkömarkkinoiden suurta potentiaalia voidaan hyödyntää tehokkaammin kehittämällä alan tiedonjakoa esille nousseiden tekijöiden ja erityispiirteiden osalta.