Inhimillisten virheiden tarkastelu ydinvoimalaitosten käyttökokemusten hyödyntämisessä

Tässä työssä on kuvattu ydinvoimalaitosten käyttökokemusten tutkimusta keskittyen erityisesti inhimillisten toimintojen tarkasteluun. Työssä on kerrottu kansainvälisistä vaatimuksista ja järjestöistä sekä yleisesti käyttökokemusten tutkimuksessa käytössä olevista menetelmistä keskittyen perussyyanalyysimenetelmiin. Suomen osalta työssä on käsitelty lainsäädännön asettamia velvoitteita ja muita vaatimuksia, jotka ydinvoima-alalla koostuvat lähinnä Säteilyturvakeskuksen YVL-ohjeista. Viranomaisena toimivan Säteilyturvakeskuksen, alan tutkimusta suorittavan Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen ja Teollisuuden Voima Oy:n käyttökokemusten tutkimiseen liittyvät organisaatiot ja menettelytavat on esitelty. Fortum Power and Heat Oy:n omistaman ja käyttämän Loviisan ydinvoimalaitoksen käyttökokemusten hyödyntäminen on käsitelty tarkemmin. Loviisan voimalaitoksen organisaatio ja käyttökokemusten sekä inhimillisten virheiden käsittelymenetelmiä on esitelty ja analysoitu. Työn alkuvaiheessa Loviisan voimalaitoksella inhimillisistä virheistä kerätystä tiedosta koottu tietokanta järjesteltiin kuntoon. Järjestelyn jälkeen tietoa analysoitiin ja analysoinnin tulokset on esitetty tässä työssä. Sekä järjestelyn että analysoinnin aikana havaitut kehityskohteet kirjattiin muistiin. Pienet toimenpiteet suoritettiin heti ja suuremmat kirjattiin tämän työn toimenpide-ehdotuksiin. Kehittämiskeinoja on ehdotettu virheiden luokittelumenetelmään ja käyttökokemusten käsittelymenetelmiin.

Utilisation of Short Term Electricity Derivatives in Industrial Energy Management

Työn päätavoite on selvittää kuinka erityisesti sähkön markkinahinnan ennustamiseen ja johdannaismarkkinoiden tietämykseen perustuva lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten hyödyntäminen tapahtuu teollisessa energianhallinnassa. Tätä aihetta lähestytään luomalla prosessi lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten hyödyntämiselle. Prosessi esitellään ja selvitetään aina lähtökohdista todelliseen kaupankäyntiin asti erillisen esimerkkitehtaan avulla.Lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten hyödyntäminen teollisessa energianhallinnassa perustuu pääosin tulevaisuuden odotuksiin sähkön markkinahinnan kehittymisestä sekä tehtaiden operatiiviseen tilanteeseen. Operatiiviseen tilanteeseen perustuva lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten kaupankäynti on pääasiassa pitkän tähtäimen suojausten sopeuttamista lyhyelle tähtäimelle sopivaksi.Hinnan ennustamisella on suuri rooli lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten hyödyntämisprosessissa. Työssä esitelty hinnan ennustamismalli on sopiva päivä- ja viikkotason Nord Poolin Elspot -systeemihinnan ennustamiseen. Elspot -systeemihinnan ennustamismalli on suunniteltu käytännönläheiseksi ja sen perustana ovat todelliset fysikaaliset ja mitattavat suureet. Futuurimarkkinatietämys on tarpeen lyhyen tähtäimen johdannaisia käytettäessä. Työssä tutkitaan yleisiä markkinoiden odotuksia ja futuurimarkkinoiden tietoisuuden kehittymistä koskien tulevaa vallitsevaa tilannetta. Työssä luodaan myös työkalu, mikä auttaa kaupan laatijaa muodostamaan suuntaa-antavat todennäköisyydet eri hintanäkemyksille ja paikallistamaan mahdolliset markkinoiden epätodennäköiset hintaodotukset.Kokemukset Elspot -systeemihinnan ennustamismallin soveltamisesta ovat lupaavia. Lisäksi havainnot futuurimarkkinoiden käyttäytymisestä Nord Poolissa ja muodostettu työkalu suuntaa-antavien todennäköisyyksien selvittämiseksi auttavat kaupan laatijaa päätöksenteossa. Lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten hyödyntäminen teollisessa energianhallinnassa on periaatteessa mahdollista esitellyn prosessin avulla, vaikka täydellinen käyttöönotto vaatisi vielä joitakin järjestelyjä. Keskittymällä tilanteisiin jotka työssä kuvatulla prosessilla ovat hoidettavissa, työssä määritellyllä menettelyllä on mahdollisuudet saavuttaa epäedullisen hintakehityksen riskin väheneminen ja parempi taloudellinen tulos teollisen energianhallinnan sähkökaupankäynnissä.

Työpisteiden tiedonkäyttö ja hyödyntäminen osana palveluyhtiön johtamisjärjestelmää

Tutkimuksen tavoitteena oli etsiä kohdeorganisaation taustalla olevia tekijöitä, jotka joko edesauttavat tai estävät nykyisen johtamisjärjestelmän soveltamista, tiedon käyttöä ja hyödyntämistä organisaation työpisteissä. Kohdeorganisaatio on Varenso Oy, Tekniset tuotantopalvelut. Teoriaosiossa käsitellään tietojohtamiseen liittyvää käsitteistöä sekä tiedon luomiseen, johtamiseen ja hyödyntämiseen liittyviä tekijöitä. Johtamista lähestytään myös perustehtävän, strategian ja muutosvalmiuden, valta- ja organisaatiorakenteiden sekä informaatio- ohjauksen näkökulmasta. Lopuksi käsitellään suorituskykyä, tavoitteiden asettamista, mittaamista funktionaalisissa- ja prosessijohdetuissa organisaatioissa. Empiirisessä osiossa tehtiin kyselytutkimus. Tulokset analysoitiin monimuuttujamenetelmiä soveltaen ja löydettiin faktorit, joiden avulla on mahdollista vaikuttaa kohdeorganisaation toimintaan. Kyselytutkimuksen avulla tulkittiin organisaation tämän hetkistä suorituskykyä ja asemaa suhteessa tavoitteisiin. Tuloksena syntyi myös toimenpideehdotuksia.

Influence of Equipment Operation and Performance Deterioration on Power Plant Economy.

Pysyäkseen kilpailukykyisenä vapautuneilla sähkömarkkinoilla on voimalaitoksen energiantuotantokustannusten oltava mahdollisimman matalia, tinkimättä kuitenkaan korkeasta käytettävyydestä. Polttoaineen energiasisällön mahdollisimman hyvä hyödyntäminen on ratkaisevan tärkeää voimalaitoksen kannattavuudelle. Polttoainekustannusten osuus on konvektiivisilla laitoksilla yleensä yli puolet koko elinjakson kustannuksista. Kun vielä päästörajat tiukkenevat koko ajan, korostuu polttoaineen korkea hyötykäyttö entisestään. Korkea energiantuotannon luotettavuus ja käytettävyys ovat myös elintärkeitä pyrittäessä kustannusten minimointiin. Tässä työssä on käyty läpi voimalaitoksen kustannuksiin vaikuttavia käsitteitä, kuten hyötysuhdetta, käytettävyyttä, polttoaineen hintoja, ylös- ja alasajoja ja tärkeimpiä häviöitä. Ajostrategiassa ja poikkeamien hallinnassa pyritään hyvään hyötysuhteeseen ja alhaisiin päästöihin joka käyttötilanteessa. Lisäksi on tarkasteltu tiettyjen suureiden, eli höyryn lämpötilan ja paineen, savukaasun hapen pitoisuuden, savukaasun loppulämpötilan, sekä lauhduttimen paineen poikkeamien vaikutusta ohjearvostaan energiantuotantokustannuksiin. Happi / hiilimonoksidi optimoinnissa on otettu huomioon myös pohjatuhkan palamattomat.

Puunpolton mahdollisuudet Suomenojan voimalaitoksella

Puuenergian käyttö on viime vuosina lisääntynyt kaukolämmön tuotannossa sekä yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotannossa. Puun kilpailukykyä polttoaineena ovat lisänneet polttotekniikan ja korjuutekniikoiden kehittyminen. Puun energiakäyttöä on edistänyt myös valtiovalta tukien ja veroratkaisuiden avulla, koska fossiilisten polttoaineiden korvaaminen puupolttoaineilla tukee Suomen ilmastopoliittisia tavoitteita. Tämän työn tavoitteena oli selvittää puupolttoaineiden käytön mahdollisuudet Espoon Sähkön Suomenojan voimalaitoksella. Nykyiset Suomenojan pääpolttoaineet ovat kivihiili ja maakaasu. Suomenojalle toimitetut puupolttoaineet koostuisivat sahoilta saatavista sivutuotteista, metsätähdehakkeesta ja kierrätyspuusta. Puupolttoaineiden taloudellinen saatavuus vaihtelee alueittain huomattavasti. Espoo ei tässä suhteessa ole sijainniltaan edullinen. Saatujen polttoainetarjousten perusteella puunpolton kustannukset nousevat kivihiilen kustannuksia korkeammiksi kuljetusetäisyyksistä johtuen, kun puunpoltto on yli 300 GWh/a. Tämä vastaisi 10 prosenttia Espoon Sähkön vuoden 2000 kokonaispolttoainekäytöstä ja 8 prosenttia arvioidusta polttoaineiden käytöstä vuodelle 2010. Puuta voidaan polttaa leijukerrostekniikkaan perustuvissa kattiloissa, arinakattiloissa, pölypolttona tai kaasuttamalla ja johtamalla tuotekaasu poltettavaksi. Puun ravinneaineista kloori voi aiheuttaa kuumakorroosiota höyrykattiloiden tulistimissa. Tätä pyritään estämään seospoltolla rikkipitoisten polttoaineiden, kuten turpeen tai kivihiilen kanssa. Seospoltto muiden polttoaineiden kanssa parantaa myös puun palamistulosta. Puupolttoaineiden kosteus voi olla jopa 60 prosenttia. Tässä työssä tutkittiin puun energiakäytölle pääasiassa kuutta eri ratkaisua. Ne olivat: kaasuttimen rakentaminen ja tuotekaasun poltto nykyisessä hiilipölykattilassa, hiilipölykattilan muuttaminen leijukerrospolttoon, uuden vastapainevoimalaitoksen rakentaminen, Suomenojalla olevan hiilivesikattilan muuttaminen puupolttoaineille, kivihiilen ja puun yhteispoltto hiilipölykattilassa puu/hiilipölypolttimilla sekä leijukerroskattilan rakentaminen ja sen yhdistäminen olemassa olevaan höyryturbiiniin. Taloudellisesti kannattaviksi ratkaisuiksi osoittautui kaksi viimeksi mainittua. Jos voimalaitostonttia halutaan säästää myöhempää maakaasuvoimalaitoshanketta varten, nousee puun ja kivihiilen yhteispoltto puu/hiilipölypolttimilla oleellisesti paremmaksi vaih-toehdoksi. Tämän vaihtoehdon korollinen takaisinmaksuaika on 7-11 vuotta, riippuen puunpolton laajuudesta. Kannattavuudelle on hyvin tärkeää puulla tuotetun sähkön tuki. Yhteispolton ansiosta hiilipölykattilan rikkidioksidi- ja hiilidioksidipäästöt sekä mahdollisesti myös typenoksidipäästöt vähenisivät. Puunpoltto lisää savukaasuvirtaa, nostaa savukaasun loppulämpötilaa ja mahdollisesti laskee hyötysuhdetta. Laitoksen rekkaliikenne lisääntyy. Kaikki esitetyt ratkaisuvaihtoehdot vähentäisivät hiilidioksidipäästöjä. Puunpolttoratkaisuilla ei kuitenkaan pystytä vähentämään Espoon Sähkön energiantuotannon hiilidioksidipäästöjä alle vuoden 1990 tason, mutta hiilidioksidin ominaispäästöissä edellä mainitun tason alle päästäisiin.

The Optimisation of the Draft Tube of a Hydro Power Plant at Off-Design Conditions

Several possible methods of increasing the efficiency and power of hydro power plants by improving the flow passages are investigated in this stydy. The theoretical background of diffuser design and its application to the optimisation of hydraulic turbine draft tubes is presented in the first part of this study. Several draft tube modernisation projects that have been carried out recently are discussed. Also, a method of increasing the efficiency of the draft tube by injecting a high velocity jet into the boundary layer is presented. Methods of increasing the head of a hydro power plant by using an ejector or a jet pump are discussed in the second part of this work. The theoretical principles of various ejector and jet pump types are presented and four different methods of calculating them are examined in more detail. A self-made computer code is used to calculate the gain in the head for two example power plants. Suitable ejector installations for the example plants are also discussed. The efficiency of the ejector power was found to be in the range 6 - 15 % for conventional head increasers, and 30 % for the jet pump at its optimum operating point. In practice, it is impossible to install an optimised jet pump with a 30 % efficiency into the draft tube as this would considerabely reduce the efficiency of the draft tube at normal operating conditions. This demonstrates, however, the potential for improvement which lies in conventional head increaser technology. This study is based on previous publications and on published test results. No actual laboratory measurements were made for this study. Certain aspects of modelling the flow in the draft tube using computational fluid dynamics are discussed in the final part of this work. The draft tube inlet velocity field is a vital boundary condition for such a calculation. Several previously measured velocity fields that have successfully been utilised in such flow calculations are presented herein.

Supplier Energy Audits in Thermal Power Plants

This master’s thesis handles an operating model for an electric equipment supplier conducted sale oriented energy audit for pumping, fan and other motor applications at power plants. The study goes through the largest factors affecting internal electricity use at a power plant, finds an energy audit –like approach for the basis of information gathering and presents the information needed for conducting the analysis. The model is tested in practice at a kraft recovery boiler of a chemical pulping mill. Targets chosen represent some of the largest electric motor applications in the boiler itself and in its fuel handling. The energy saving potential of the chosen targets is calculated by simulating the energy consumption of the alternatives for controlling the targets, and thereafter combining the information with the volume flow duration curve. Results of the research are somewhat divaricated, as all the information needed is not available in the automation system. Some of the targets could be simulated and their energy saving potential calculated quite easily. At some of the targets chosen the monitoring was not sufficient enough for this and additional measurements would have been needed to base the calculations on. In traditional energy audits, energy efficiency of pump and fan applications is not necessarily examined. This means that there are good possibilities for developing the now presented targeted energy audit procedure basis further.

IEA Bioenergy Task 40 “Sustainable International Bioenergy Trade: Securing supply and demand” Country report of Finland 2008

This study considered the current situation of biofuels markets in Finland. The fact that industry consumes more than half of the total primary energy, widely applied combined heat and power production and a high share of solid biomass fuels in the total energy consumption are specific to the Finnish energy system. Wood is the most important source of bioenergy in Finland, representing 21% of the total energy consumption in 2006. Almost 80% of the wood-based energy is recovered from industrial by-products and residues. Finland has commitment itself to maintaining its greenhouse gas emissions at the 1990 level, at the highest, during the period 2008–2012. The energy and climate policy carried out in recent years has been based on the National Energy and Climate introduced in 2005. The Finnish energy policy aims to achieve the target, and a variety of measures are taken to promote the use of renewable energy sources and especially wood fuels. In 2007, the government started to prepare a new long-term (up to the year 2050) climate and energy strategy that will meet EU’s new targets for the reduction of green house gas emissions and the promotion of renewable energy sources. The new strategy will be introduced during 2008. The international biofuels trade has a substantial importance for the utilisation of bioenergy in Finland. In 2006, the total international trading of solid and liquid biofuels was approximately 64 PJ of which import was 61 PJ. Most of the import is indirect and takes place within the forest industry’s raw wood imports. In 2006, as much as 24% of wood energy was based on foreignorigin wood. Wood pellets and tall oil form the majority of export streams of biofuels. The indirect import of wood fuels increased almost 10% in 2004–2006, while the direct trade of solid and liquid biofuels has been almost constant.

Power line communication in motor cables of variable-speed electric drives − analysis and

Data transmission between an electric motor and a frequency converter is required in variablespeed electric drives because of sensors installed at the motor. Sensor information can be used for various useful applications to improve the system reliability and its properties. Traditionally, the communication medium is implemented by an additional cabling. However, the costs of the traditional method may be an obstacle to the wider application of data transmission between a motor and a frequency converter. In any case, a power cable is always installed between a motor and a frequency converter for power supply, and hence it may be applied as a communication medium for sensor level data. This thesis considers power line communication (PLC) in inverter-fed motor power cables. The motor cable is studied as a communication channel in the frequency band of 100 kHz−30 MHz. The communication channel and noise characteristics are described. All the individual components included in a variable-speed electric drive are presented in detail. A channel model is developed, and it is verified by measurements. A theoretical channel information capacity analysis is carried out to estimate the opportunities of a communication medium. Suitable communication and forward error correction (FEC) methods are suggested. A general method to implement a broadband and Ethernet-based communication medium between a motor and a frequency converter is proposed. A coupling interface is also developed that allows to install the communication device safely to a three-phase inverter-fed motor power cable. Practical tests are carried out, and the results are analyzed. Possible applications for the proposed method are presented. A speed feedback motor control application is verified in detail by simulations and laboratory tests because of restrictions for the delay in the feedback loop caused by PLC. Other possible applications are discussed at a more general level.

Assessment of Environmental Impacts of Power Generation

Through indisputable evidence of climate change and its link to the greenhouse gas emissions comes the necessity for change in energy production infrastructure during the coming decades. Through political conventions and restrictions energy industry is pushed toward using bigger share of renewable energy sources as energy supply. In addition to climate change, sustainable energy supply is another major issue for future development plans, but neither of these should come with unbearable price. All the power production types have environmental effects as well as strengths and weaknesses. Although each change comes with a price, right track in minimising the environmental impacts and energy supply security can be found by combining all possible low-carbon technologies and by improving energy efficiency in all sectors, for creating a new power production infrastructure of tolerable energy price and of minor environmental effects. GEMIS-Global Emission Model for Integrated Systems is a life-cycle analysis program which was used in this thesis to make indicative energy models for Finland’s future energy supply. Results indicate that the energy supply must comprise both high capacity nuclear power as well as large variation of renewable energy sources for minimization of all environmental effects and keeping energy price reasonable.

Optimization of short term power trading between Russia, Finland and Baltic countries

Russian and Baltic electricity markets are in the process of reformation and development on the way for competitive and transparent market. Nordic market also undergoes some changes on the way to market integration. Old structure and practices have been expired whereas new laws and rules come into force. The master thesis describes structure and functioning of wholesale electricity markets, cross-border connections between different countries. Additionally methods of cross-border trading using different methods of capacity allocation are disclosed. The main goal of present thesis is to study current situation at different electricity markets and observe changes coming into force as well as the capacity and electricity balances forecast in order to optimize short term power trading between countries and estimate the possible profit for the company.

Power Consumption in Carbon Capture and Storage Systems (CCS) and Possibilities to Reduce Power Consumption with Variable Speed Drives

The aim of this master´s thesis is to study which processes increase the auxiliary power consumption in carbon capture and storage processes and if it is possible to reduce the auxiliary power consumption with variable speed drives. Also the cost of carbon capture and storage is studied. Data about auxiliary power consumption in carbon capture is gathered from various studies and estimates made by various research centres. Based on these studies a view is presented how the power auxiliary power consumption is divided between different processes in carbon capture processes. In a literary study, the operation of three basic carbon capture systems is described. Also different methods to transport carbon dioxide and carbon dioxide storage options are described in this section. At the end of the thesis processes that consume most of the auxiliary power are defined and possibilities to reduce the auxiliary power consumption are evaluated. Cost of carbon capture, transport and storage are also evaluated at this point and in the case that the carbon capture and storage systems are fully deployed. According to the results, it can be estimated what are the processes are where variable speed drives can be used and what kind of cost and power consumption reduction could be achieved. Results also show how large a project carbon capture and storage is if it is fully deployed.

Grounding in a wind power application

The subject of this master’s thesis is to research grounding in a particular wind power application. The aim is to define how the grounding from different points effects to the function of the whole system. The investigated subjects are generator voltage spikes, ground currents and system fault situations. The first part of this thesis represents power electronics, which is commonly used in wind power systems. The second part concentrates more to the grounding, electrical safety demands and potential fault situations. The object of the simulations is to investigate voltage spikes and fault situations. Measurements will be made with small-scale setup and in the last part simulation and measurement results are compared to each other and to a full-scale system.