Ash Particle Erosion on Steam Boiler Convective Section

In this study, equations for the calculation of erosion wear caused by ash particles on convective heat exchanger tubes of steam boilers are presented. Anew, three-dimensional test arrangement was used in the testing of the erosion wear of convective heat exchanger tubes of steam boilers. When using the sleeve-method, three different tube materials and three tube constructions could be tested. New results were obtained from the analyses. The main mechanisms of erosionwear phenomena and erosion wear as a function of collision conditions and material properties have been studied. Properties of fossil fuels have also been presented. When burning solid fuels, such as pulverized coal and peat in steam boilers, most of the ash is entrained by the flue gas in the furnace. In bubbling andcirculating fluidized bed boilers, particle concentration in the flue gas is high because of bed material entrained in the flue gas. Hard particles, such as sharp edged quartz crystals, cause erosion wear when colliding on convective heat exchanger tubes and on the rear wall of the steam boiler. The most important ways to reduce erosion wear in steam boilers is to keep the velocity of the flue gas moderate and prevent channelling of the ash flow in a certain part of the cross section of the flue gas channel, especially near the back wall. One can do this by constructing the boiler with the following components. Screen plates can beused to make the velocity and ash flow distributions more even at the cross-section of the channel. Shield plates and plate type constructions in superheaters can also be used. Erosion testing was conducted with three types of tube constructions: a one tube row, an inline tube bank with six tube rows, and a staggered tube bank with six tube rows. Three flow velocities and two particle concentrations were used in the tests, which were carried out at room temperature. Three particle materials were used: quartz, coal ash and peat ash particles. Mass loss, diameter loss and wall thickness loss measurements of the test sleeves were taken. Erosion wear as a function of flow conditions, tube material and tube construction was analyzed by single-variable linear regression analysis. In developing the erosion wear calculation equations, multi-variable linear regression analysis was used. In the staggered tube bank, erosion wear had a maximum value in a tube row 2 and a local maximum in row 5. In rows 3, 4 and 6, the erosion rate was low. On the other hand, in the in-line tube bank the minimum erosion rate occurred in tube row 2 and in further rows the erosion had an increasing value, so that in a six row tube bank, the maximum value occurred in row 6.

Modelling of the PWR PACTEL vertical steam generator with the TRACE code

The behavior of the nuclear power plants must be known in all operational situations. Thermal hydraulics computer applications are used to simulate the behavior of the plants. The computer applications must be validated before they can be used reliably. The simulation results are compared against the experimental results. In this thesis a model of the PWR PACTEL steam generator was prepared with the TRAC/RELAP Advanced Computational Engine computer application. The simulation results can be compared against the results of the Advanced Process Simulator analysis software in future. Development of the model of the PWR PACTEL vertical steam generator is introduced in this thesis. Loss of feedwater transient simulation examples were carried out with the model.

Modeling of water/steam circulation in Circulating Fluidized Bed boiler

A distinctive design feature of steam boiler with natural circulation is the presence of the steam drum which plays a role of the separator of vapor from the flow of water-and-steam mixture coming into steam drum from the furnace tubes. Steam drum with unheated downcomer tubes, deducing from it, and riser (screen/furnace tubes) inside the furnace is a closed circulation loop in which movement of water (downcomer tubes) and water-and-steam mixture (riser tubes) is organized. The movement of the working fluid is appears due to occurrence of the natural pressure, determined by the difference in hydrostatic pressure and the mass of water and water-and-steam mixtures in downcomer and riser tubes and called the driving pressure of the natural circulation:

Modeling of water/steam circulation in Circulating Fluidized Bed boiler

A distinctive design feature of steam boiler with natural circulation is the presence of the steam drum which plays a role of the separator of vapor from the flow of water-and-steam mixture coming into steam drum from the furnace tubes. Steam drum with unheated downcomer tubes, deducing from it, and riser (screen/furnace tubes) inside the furnace is a closed circulation loop in which movement of water (downcomer tubes) and water-and-steam mixture (riser tubes) is organized. The movement of the working fluid is appears due to occurrence of the natural pressure, determined by the difference in hydrostatic pressure and the mass of water and water-and-steam mixtures in downcomer and riser tubes and called the driving pressure of the natural circulation: S drive = H steam (ρ down + ρ mix) g where: ρ down - density of water in downcomer tubes; ρ mix - density of water in riser tubes; H steam - height of steam content section; g - acceleration of gravity. In steam boilers with natural circulation the circulation rate is usually between 10 and 30. Thus, consumption of water in the circulation circuit “circulation rate times” more than steam output of the boiler. There are two aspects of the design of natural water circulation loops. One is to ensure a sufficient mass flux of circulating water to avoid burnout of evaporator tubes. The other is to avoid tube wall temperature fluctuation and tube vibration due to oscillation of circulation velocity. The design criteria are therefore reduced, in principle, to those of critical heat flux, critical flow rate for burnout, and flow instability. In practical design, however, the circulation velocity and the void fraction at the evaporator tube outlet are used as the design criteria (Seikan I., et. al., 1999). This study has been made with assumption that the heat flux in the furnace of the boiler even all the time. The target of the study was to define the circulation rate of the boiler, thus average heat flux do not change it. I would like to acknowledge professionals from “Foster Wheeler” company for good and comfortable cooperation.

Integration of Torrefaction with Steam Power Plant

Torrefaction is one of the pretreatment technologies to enhance the fuel characteristics of biomass. The efficient and continuous operation of a torrefaction reactor, in the commercial scale, demands a secure biomass supply, in addition to adequate source of heat. Biorefinery plants or biomass-fuelled steam power plants have the potential to integrate with the torrefaction reactor to exchange heat and mass, using available infrastructure and energy sources. The technical feasibility of this integration is examined in this study. A new model for the torrefaction process is introduced and verified by the available experimental data. The torrefaction model is then integrated in different steam power plants to simulate possible mass and energy exchange between the reactor and the plants. The performance of the integrated plant is investigated for different configurations and the results are compared.

Comparison of energy balances of steam explosion and torrefaction technologies

The present study introduce two pretreatment technologies which are torrefaction and steam explosion, and compare energy balance for both technologies to investigate and compare the use of these technologies to improve pelletization. In this research, torrefaction and steam explosion pretreatments were accomplished on the mixed small diameter wood (70%) with moisture content of 40 %, and logging residues (30%) with moisture content of 45 % at temperature 230 ̊C, and treatment duration 10 min. Competing methods were evaluated, and the results showed higher volumetric energy for steam explosion pellet than torrefied pellet.

Droplet Deposition in the Last Stage of Steam Turbine

During the expansion of steam in turbine, the steam crosses the saturation line and hence subsequent turbine stages run under wet condition. The stages under wet condition run with low efficiency as compared to stages running with supersaturated steam and the life of the last stage cascade is reduced due to erosion. After the steam crosses the saturation line it does not condense immediately but instead it becomes supersaturated which is a meta-stable state and reversion of equilibrium results in the formation of large number of small droplets in the range of 0.05 - 1 μm. Although these droplets are small enough to follow the stream lines of vapor however some of the fog droplets are deposited on the blade surface. After deposition they coagulate into films and rivulets which are then drawn towards the trailing edge of the blade due to viscous drag of the steam. These large droplets in the range of radius 100 μm are accelerated by steam until they impact on the next blade row causing erosion. The two phenomenon responsible for deposition are inertial impaction and turbulent-diffusion. This work shall discuss the deposition mechanism in steam turbine in detail and numerically model and validate with practical data.

Computational modelling of non-equilibrium condensing steam flows in low-pressure steam turbines

The steam turbines play a significant role in global power generation. Especially, research on low pressure (LP) steam turbine stages is of special importance for steam turbine man- ufactures, vendors, power plant owners and the scientific community due to their lower efficiency than the high pressure steam turbine stages. Because of condensation, the last stages of LP turbine experience irreversible thermodynamic losses, aerodynamic losses and erosion in turbine blades. Additionally, an LP steam turbine requires maintenance due to moisture generation, and therefore, it is also affecting on the turbine reliability. Therefore, the design of energy efficient LP steam turbines requires a comprehensive analysis of condensation phenomena and corresponding losses occurring in the steam tur- bine either by experiments or with numerical simulations. The aim of the present work is to apply computational fluid dynamics (CFD) to enhance the existing knowledge and understanding of condensing steam flows and loss mechanisms that occur due to the irre- versible heat and mass transfer during the condensation process in an LP steam turbine. Throughout this work, two commercial CFD codes were used to model non-equilibrium condensing steam flows. The Eulerian-Eulerian approach was utilised in which the mix- ture of vapour and liquid phases was solved by Reynolds-averaged Navier-Stokes equa- tions. The nucleation process was modelled with the classical nucleation theory, and two different droplet growth models were used to predict the droplet growth rate. The flow turbulence was solved by employing the standard k-ε and the shear stress transport k-ω turbulence models. Further, both models were modified and implemented in the CFD codes. The thermodynamic properties of vapour and liquid phases were evaluated with real gas models. In this thesis, various topics, namely the influence of real gas properties, turbulence mod- elling, unsteadiness and the blade trailing edge shape on wet-steam flows, are studied with different convergent-divergent nozzles, turbine stator cascade and 3D turbine stator-rotor stage. The simulated results of this study were evaluated and discussed together with the available experimental data in the literature. The grid independence study revealed that an adequate grid size is required to capture correct trends of condensation phenomena in LP turbine flows. The study shows that accurate real gas properties are important for the precise modelling of non-equilibrium condensing steam flows. The turbulence modelling revealed that the flow expansion and subsequently the rate of formation of liquid droplet nuclei and its growth process were affected by the turbulence modelling. The losses were rather sensitive to turbulence modelling as well. Based on the presented results, it could be observed that the correct computational prediction of wet-steam flows in the LP turbine requires the turbulence to be modelled accurately. The trailing edge shape of the LP turbine blades influenced the liquid droplet formulation, distribution and sizes, and loss generation. The study shows that the semicircular trailing edge shape predicted the smallest droplet sizes. The square trailing edge shape estimated greater losses. The analysis of steady and unsteady calculations of wet-steam flow exhibited that in unsteady simulations, the interaction of wakes in the rotor blade row affected the flow field. The flow unsteadiness influenced the nucleation and droplet growth processes due to the fluctuation in the Wilson point.

Vaneri- ja kertopuutehtaiden kuivatuskoneiden lämmöntalteenottojen järjestelmäselvitys

Vanerin tai kertopuun valmistusprosessissaviilun kuivaukseen käytetään suurin osa koko valmistusprosessin primäärienergiasta. Viilunkuivauskoneessa viilun sisältämä vesi siirretään tyypillisesti prosessihöyryllä lämmitettyyn viilunkuivaajan kiertoilmaan höyrystämällä ja poistetaanviilunkuivaajasta poistoilman mukana. Viilunkuivaajan poistoilma on lämmintä jaerittäin suuren kosteuspitoisuutensa takia sisältää runsaasti energiaa. Tyypillisellä viilunkuivaajalla poistoilmaan sitoutunut lämpöteho vaihtelee prosessiolosuhteista riippuen välillä 2,7-5,7 MW. Diplomityössä tutkittiin viilunkuivaajan poistoilman sisältämän lämmön talteenottoa laitteistolla, johon kuuluu lämmöntalteenottopesuri, jossa poistoilmalla lämmitetään tuotantolaitoksen tukkipuun hautomon kiertovettä sekä ilma-ilma-lämmönsiirrin, jolla lämmitetään pesurista poistuvan ilman jäännöslämmöllä ulkoilmaa tehdassalin tuloilmakäyttöön. Työn tavoitteena oli kehittää lämmöntalteenottojärjestelmän suunnittelua, mitoitusta ja ajotapoja. Työssä analysoitiin teoreettisesti pesuria ja ilmalämmönsiirrintä, kehitettiin lämmöntalteenottopesurin simulointimenetelmä ja mitattiin toiminnassa olevia talteenottolaitteistoja. Tutkimuksessa todettiin lämmöntalteenottohyötysuhteen vaihtelevan lämmityskaudella välillä 50-70 %. Lämmöntalteenottolaitteiston pesurin veteen saatava teho riippuu ensisijaisesti viilunkuivaajan poistoilman lämpösisällöstä, joka on enimmäkseen kosteusriippuvainen ja ilmanvaihtoilmaan saatava teho ulkolämpö-tilan määräämästä tehontarpeesta. Pesurin vesijärjestelmän vaikutusmekanismit pesurin suorituskykyyn tunnistettiin ja niiden pohjalta annetaan suositukset mitoitukseen ja ajotapaan. Lämmöntalteenottolaitteiston lämpötehon tasapainottamiseen pesurin ja ilma-ilma-lämmönsiirtimen välillä mitoituksen avulla esitellään työkalut.

Öljynjalostamon tyhjöyksikön esilämmitysuunin optimointi

Työn tarkoituksena oli vertailla kahta kaupallista prosessiuunisimulointiohjelmaa sekä selvittää onko toinen ohjelma soveltuva Neste Jacobs Oy:n käyttöön. Tavoitteena oli selvittää ohjelmien ominaisuuksien eroja ja rajoitteita sekä tuloksien yhdenmukaisuutta. Kirjallisuusosassa perehdyttiin prosessiuunien toimintaperiaatteisiin, yleisiin mitoitusperiaatteisiin ja säteilylämmönsiirron perusteisiin. Kirjallisuusosassa käsiteltiin myös prosessiuunien polttimien toimintaa ja NOx-päästöjä vähentäviä polttotekniikoita. Molemmilla laskentaohjelmilla laadittiin kuumaöljy- ja tyhjöuuni, joiden tuloksia vertailtiin tärkeimpien prosessiarvojen perusteella ja toisen ohjelman osalta myös laitevalmistajan ilmoittamiin arvoihin. Tällä ohjelmalla tutkittiin tyhjöuunin höyrynruiskutuksen ja koksaantumisen vaikutuksia prosessiin sekä säteilyosan leveyden muutoksen vaikutusta säteilylämmönsiirtoon. Ohjelmien ominaisuuksien keskeisimmät erot liittyivät kaksifaasivirtauksen laskentaan, prosessiaineen massavirran rajoituksiin, ilman esilämmittimen käyttöön ja laskentamallien paineen kontrollointiin. Tulokset erosivat savukaasun ja tuubien lämpötilojen ja painehäviön laskennassa. Tuloksien ja ominaisuuksien perusteella toisen ohjelman ei todettu olevan täysin soveltuva Neste Jacobs Oy:n käyttöön.

Höyrykattiloiden säilöntä

Tässä työssäon tarkasteltu yleisesti höyrykattiloiden säilöntää. Erilaisten säilöntämenetelmien perustietojen lisäksi työssä on pyritty selvittämään eri kattilatyypeille ominaiset säilöntätavat. Märkäsäilönnän jälkeistä käyttöönottoa on pohdittu selvittämällä laskennallisesti, onko tarpeen vaihtaa kattilaan vahvasti kemikaloidun säilöntäliuoksen tilalle puhtaampaa syöttövettä. Esimerkkinä on käytetty Voikkaan paperitehtaan höyryvoimalaitoksen kattila K13:ta. Työtä tehdessä on käytetty apuna aihetta käsittelevää kirjallisuutta, jota on saatu höyrykattiloita säilöviltä voimalaitoksilta, kemikaalitoimittajilta sekä asiantuntijoiden tekemistä luentomonisteista. Lieriökattiloiden höyrypuoli säilötään lähes poikkeuksetta märkänä, sillä se on vaikea tyhjentää täysin kosteudesta. Läpivirtauskattilalaitoksella käytetään usein sekä kuiva- että märkäsäilöntää. Savukaasupuolen korroosio ehkäistään useinmiten pitämällä kattila niin lämpimänä, että kastepistealituksia ei tapahdu.

Voimalaitoksen ylläpitosuunnitelma

Tässä diplomityössä on tehtyylläpitosuunnitelma Oulun Energian Toppila 1 - voimalaitokselle, jota on tavoitteena käyttää vuoteen 2015. Työssä on tarkasteltu aluksi voimalaitoksen tulevaisuuden käytön näkymiä ja tärkeimpien järjestelmien käyttökuntoa. Kattilalaitoksenkriittisille komponenteille on suoritettu ylläpito- ja epäkäytettävyyskustannusten vertailu sekä pyritty selvittämään komponenteille paras ylläpitomalli. Turbiinille on analysoitu erilaisia revisio- ja tarkastusmahdollisuuksia, ja vertailtu niistä muodostuvia kustannuksia. Tulosten perusteella voidaan sanoa, että tehostetut ylläpitotoimenpiteet ovat jatkossa kriittisille komponenteille taloudellisin ylläpitomalli, koska riittävällä määrällä tarkastuksia jakorjauksia voidaan hallita ongelmallisimpien komponenttien vaurioitumiskäyttäytymistä. Jos voimalaitosta käytetään vuoteen 2015, saattavat uusia investointeja olla eko I, eko II ja tertiääritulistin. Tämän työn perusteella investointeja eikannata tehdä, mutta komponenttien kuntoa sen sijaan on syytä arvioida vuosittain. Turbiinin kriittiset komponentit vaikuttaisivat olevan suhteellisen hyvässä kunnossa. Suurimmat vaurioitumismahdollisuudet liittyvät juoksusiipien väsymisvaurioihin.

Primääri-sekundäärivuodon tunnistaminen aktiivisuusmittauksin Loviisan voimalaitoksella

Diplomityössä tutkittiin Loviisan voimalaitoksen primääri- ja sekundääripiirin aktiivisuusmittausten kykyä tunnistaa pienet primääri-sekundäärivuodot. Tarkasteltavat primääri-sekundäärivuotojen suuruudet valittiin laitoksen hätätilanne- ja häiriönselvitysohjeiden mukaisesti. Vuodon vaikutuksia arvioitiin erilaisilla primäärijäähdytteen ominaisaktiivisuuksilla. Ominaisaktiivisuudet primääripiirissä määritettiin nuklidikohtaisesti erilaisille polttoainevuototapauksille. Työssä huomioitiin myös transienteissa mahdollisesti esiintyvä primääripiirin aktiivisuustasoa nostava spiking-ilmiö. Vuodon tarkempaa tunnistamista varten työssä laskettiin tarkasteltaville mittareille kalibrointikertoimet. Primääri-sekundäärivuoto mallinnettiin APROS-simulointiohjelmalla laitoksen eri käyttötiloissa ja kahdella eri vuotokoolla. Varsinainen aktiivisuuslaskenta suoritettiin SEKUN-ohjelmalla. Työssä tätä aktiivisuus- ja päästölaskentaohjelmaa muokattiin ohjelmoimalla siihen tarkasteltavat aktiivisuusmittaukset sekä primääripiirin puhdistus ja ulospuhallus. Laskelmien tuloksena saatiin arviot kunkin tarkasteltavana olleen aktiivisuusmittauksen soveltuvuudesta primääri-sekundäärivuodon tunnistamiseen erilaisissa polttoainevuototapauksissa ja reaktorin eri tehotasoilla. Häiriönselvitysohje I3:n käyttöönottoa edellyttävät vuotokoot määritettiin aktiivisuusmittausten havaitseman perusteella. Erityisesti kuumavalmiustilassa tapauksissa, joissa reaktorisydämessä oletetaan olevan tiiveytensä menettäneitä polttoainesauvoja, spikingin vaikutus jäähdytteiden aktiivisuuspitoisuuksiin ja mittaustuloksiin oli merkittävä. Niiltä osin, kuin tulokset käsittelevät ohjeissa vuodon tunnistamiseen käytettyjä aktiivisuusrajoja, tulokset osoittivat aktiivisuusrajat oikeiksi. Kuumavalmiudessa aktiivisuusmittausten mittausalueet saattavat joissakin tapauksissa rajoittaa primääri-sekundäärivuodon tunnistamista.

Korkeapainehöyryputkiston kannakoinnin muutostyön tuotteistaminen

Teollisuusyritysten kunnossapitostrategioiden muuttuessa enemmän ennakoivan kunnossapidon suuntaan, avaase teollisuuspalveluille uusia mahdollisuuksia. Nykyisin yksi menestyvän yrityksen lähtökohdista on kehittää tuotettaan asiakaslähtöisesti. Yrityksen täytyy luoda toimintatapoja, joilla tietoa asiakkaiden tarpeista pystytään keräämään. Työssä käsitellään asiakastarvekartoituksen vaiheet korkeapainehöyryputkiston muutosyön kehittämistä varten. asiakastarvekartoitukseen valitaan menetelmät niin tiedon hankintaa kuin analysointia varten. Asiakastarvekartoituksessa ei huomioida ainoastaan asiakasta, vaan siinä huomioidaan myös yrityksen itsensä sekä muiden osapuolten, kuten viranomaisten, vaikutus tuotteeseen. Asiakastarvekartoituksen avulla saadaan muutostyölle asetettua konkreettisia tavoitteita, sekä kehitettyä ratkaisuja, joiden avulla asiakasta pystytään palvelemaan entistä paremmin.

Optimisation of data analysis method for a fluidized bed combustion test rig

Nowadays the used fuel variety in power boilers is widening and new boiler constructions and running models have to be developed. This research and development is done in small pilot plants where more faster analyse about the boiler mass and heat balance is needed to be able to find and do the right decisions already during the test run. The barrier on determining boiler balance during test runs is the long process of chemical analyses of collected input and outputmatter samples. The present work is concentrating on finding a way to determinethe boiler balance without chemical analyses and optimise the test rig to get the best possible accuracy for heat and mass balance of the boiler. The purpose of this work was to create an automatic boiler balance calculation method for 4 MW CFB/BFB pilot boiler of Kvaerner Pulping Oy located in Messukylä in Tampere. The calculation was created in the data management computer of pilot plants automation system. The calculation is made in Microsoft Excel environment, which gives a good base and functions for handling large databases and calculations without any delicate programming. The automation system in pilot plant was reconstructed und updated by Metso Automation Oy during year 2001 and the new system MetsoDNA has good data management properties, which is necessary for big calculations as boiler balance calculation. Two possible methods for calculating boiler balance during test run were found. Either the fuel flow is determined, which is usedto calculate the boiler's mass balance, or the unburned carbon loss is estimated and the mass balance of the boiler is calculated on the basis of boiler's heat balance. Both of the methods have their own weaknesses, so they were constructed parallel in the calculation and the decision of the used method was left to user. User also needs to define the used fuels and some solid mass flowsthat aren't measured automatically by the automation system. With sensitivity analysis was found that the most essential values for accurate boiler balance determination are flue gas oxygen content, the boiler's measured heat output and lower heating value of the fuel. The theoretical part of this work concentrates in the error management of these measurements and analyses and on measurement accuracy and boiler balance calculation in theory. The empirical part of this work concentrates on the creation of the balance calculation for the boiler in issue and on describing the work environment.