Life cycle management of TVO nuclear power plant

Tämä diplomityö tutkii eri elinkaarihallinnan menetelmiä ja vertaa niitä TVO:n menetelmiin. Lisäksi TVO:n prosessin ongelmakohdat tunnistetaan ja niihin esitetään ratkaisuja. Vertailukohteina toimii ydinvoimateollisuuden lisäksi vesivoima, fossiiliset voimalaitokset sekä paperiteollisuus. Sähkön hinnan jatkaessa laskuaan on elinkaariajattelusta tullut ajankohtaista myös ydinvoimayhtiöille. Ydinvoimalaitoksien pitkän suunnitellun käyttöiän ansiosta laitoksen elinkaaren aikana voi tapahtua useita asioita, jotka vaikuttavat laitoksen investointitarpeisiin. Turvallisen sähköntuotannon varmistamiseksi eri laitososia on joko muokattava tai uusittava. Elinkaariajatteluun kuuluu tehokas laitoksen kunnon valvonta, laitoksen ikääntymiseen vaikuttavien ilmiöiden tunnistaminen, sekä ikääntymistä hillitsevien toimenpiteiden pitkän tähtäimen suunnittelu. Hyvällä ennakkosuunnittelulla pyritään varmistamaan se, että laitoksella voidaan tuottaa sähköä koko sen jäljellä olevan käyttöiän aikana. Kun tarpeiden tunnistus ja suunnittelu tehdään hyvissä ajoin mahdollistetaan myös investointien optimointi. Paras hyöty pyritään saamaan ajoittamalla oikeat investoinnit oikeaan aikaan.

Development of remote monitoring process tools for biomass fired bubbling fluidized bed boilers

Remote monitoring of a power boiler allows the supplying company to make sure that equipment is used as supposed to and gives a good chance for process optimization. This improves co-operation between the supplier and the customer and creates an aura of trust that helps securing future contracts. Remote monitoring is already in use with recovery boilers but the goal is to expand especially to biomass-fired BFB-boilers. To make remote monitoring possible, data has to be measured reliably on site and the link between the power plant and supplying company’s server has to work reliably. Data can be gathered either with the supplier’s sensors or with measurements originally installed in the power plant if the plant in question is not originally built by the supplying company. Main goal in remote monitoring is process optimization and avoiding unnecessary accidents. This can be achieved for instance by following the efficiency curves and fouling in different parts of the process and comparing them to past values. The final amount of calculations depends on the amount of data gathered. Sudden changes in efficiency or fouling require further notice and in such a case it’s important that dialogue toward the power plant in question also works.

Biopolttoaineiden on-line -laadunmittauksen hyödyt energiantuotannossa

Biopolttoaineet ovat tärkeä energianlähde suomalaisessa energiantuotannossa. Biopoltto- aineille on kuitenkin ominaista laadun vaihtelevuus. Yksi tärkeimmistä laatutekijöistä on kosteus, joka vaikuttaa myös polttoaineen energiasisältöön. Laatutekijät puolestaan vai- kuttavat polttoainekäsittelyyn, polttoprosessiin ja koko laitoksen hyötysuhteeseen. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia voisiko biopolttoaineiden online-laadunmittaus tuoda lisäarvoa energiantuotantolaitokselle. Esimerkkinä käytettiin yhtä online-laadunmittaus- sovellusta, InrayFuel-röntgenmittausjärjestelmää. Sillä voidaan seurata biopolttoaineiden kosteutta ja polttoaineen sisältämiä vierasaineita. Työssä on laadittu kustannusanalyysi, jolla pyritään selvittämään, onko nykyisen kertaluontoisen mittausmenetelmän korvaami- nen jatkuvatoimisella kannattavaa. Esimerkkilaitoksena on Etelä-Savon Energian Pur- sialan voimalaitos, jossa röntgenmittausjärjestelmään on testattu. Saatujen tulosten mukaan investoiminen esimerkkimittausjärjestelmään maksaisi itsensä takaisin alle vuodessa. Kun laitoksella pystytään seuraamaan polttoaineen laatua jatkuva- toimisesti, laadunhallinta paranee ja sitä kautta voidaan saavuttaa kustannussäästöjä. Polt- toaineesta johtuvat häiriötilanteet vähenevät, polttoaine on mahdollista optimoida edulli- semmaksi polton kannalta ja poltto-olosuhteita voidaan säätää paremmin, jolloin päästöt vähenevät ja hyötysuhde kasvaa. Työssä käytetty laskenta analysoi kuitenkin hyvin ylei- sellä tasolla, sillä käytössä ei ollut laitoksen omaa taselaskentajärjestelmää. Laskenta siis sisältää paljon oletuksia. Tämän ja rohkaisevien tulosten vuoksi tutkimusta jatkuvatoimi- sen laadunmittauksen hyödyistä kannattaa tehdä enemmän.

Höyryturbiinin kanavistojen numeerinen virtauslaskenta

Diplomityössä tutkittiin Fortumin Loviisan ydinvoimalaitoksen ulosvirtauskanaviston ja suurnopeuskosteudenerottimen toimintaa, sekä selvitettiin taustalla olevaa teoriaa ja aiemmin tehtyjä tutkimuksia. Tavoitteena oli ymmärtää ja esittää laitteiden toimintaa, sekä tutkia voiko ulosvirtauskanaviston suorituskykyä parantaa geometrian muutoksilla. Työssä luotiin tutkittaville kohteille geometriat ja laskentahilat, joiden avulla simuloitiin niiden toimintaa eri käyttötilanteissa numeerisen virtauslaskennan avulla. Laskennan reunaehdot saatiin olemassa olevasta prosessimallista ja aiemmista turbiiniselvityksistä. Ulosvirtauskanaviston suorituskyky laskettiin kolmella eri lauhdutinpaineella neljällä eri geometrialla. Geometrian muutokset vaikuttivat selkeästi ulosvirtauskanaviston suorituskykyyn ja sitä saatiin parannettua. Kaksi kolmesta muutoksesta, lisäkanavat ja oikaistu vesilippa, pa-ransivat suorituskykyä. Lokinsiipien poistaminen heikensi ulosvirtauskanaviston toi-mintaa. Suurnopeuskosteudenerottimen mallintaminen jäi lähtötietojen ja ajan puutteen takia hieman tavoitteesta. Sekä ulosvirtauskanaviston että suurnopeuskosteudenerotti-men jatkotutkimusta ja mahdollisia toimenpiteitä varten saatiin arvokasta uutta tietoa.

Urbaania energiaa. Suvilahden, Hanasaaren A- ja Vuosaaren voimalaitokset osana helsinkiläistä kaupunkiympäristöä

Tutkimus koostuu kolmen Helsingissä sijaitsevan, kolmena eri aikakautena, 1910-, 1950- ja 1990-luvuilla, rakennetun voimalaitoksen arkkitehtuurista ja rakennustyypistä sekä niiden eroista ja erityisyyksistä samoin kuin näiden voimalaitosten roolista ja vaikutuksesta Helsingin kaupunkisuunnitteluun ja -rakentamiseen, kaupunkikuvaan sekä ympäristöestetiikkaan. Tutkimus on rajattu koskemaan erityyppisten voimalaitosten osalta yksinomaan kolmea helsinkiläistä kaupungissa sijaitsevaa voimalaitosta, Suvilahtea, Hanasaari-A:ta ja Vuosaaren A- ja B-laitoksia. Tutkimuksen tarkoituksena on ensinnäkin selvittää sekä periaatteessa että edellä mainittujen kolmen esimerkkikohteen kautta seikkoja, jotka ovat vaikuttaneet kunkin voimalaitoksen arkkitehtuuriin ja rakennustyyppiin kunakin aikakautena. Kaupunkivoimalan olennaiset elementit ovat korkea savupiippu, mittava polttoainevarasto sekä massiiviset rakennusmassat, jotka vaativat runsasta maankäyttöä. Toiseksi tutkimuksessa paneudutaan kaupunkisuunnitteluun laitoksen sijoittumisen osalta sekä ajallisesti että paikallisesti. Kolmanneksi selvitetään kaupunkikuvallisia ja ympäristöesteettisiä seikkoja, sekä niiden vaikutusten kehitystä voimalaitoksen toteutuksen ja nykyhetken kesken. Tutkimuksessa haetaan vastausta kysymykseen, miten Helsingissä sijaitseva voimalaitos arkkitehtuuriltaan, rakennustyypiltään ja sijoitukseltaan on soveltunut ja jatkossa soveltuu kaupunkisuunnittelun kannalta kaupunkikuvallisesti sekä ympäristöesteettisesti kyseiseen kaupunkiympäristöön. Tutkimus selvittää myös sitä ilmeistä ristiriitaa, joka syntyy kaupungin kehittyessä ja laajentuessa, jolloin voimalaitos infrastruktuurinsa ja useimmiten suunnattoman kokonsa vuoksi edustaa pysyvyyttä rakentuvan alueen sisällä. Tässä yhteydessä tutkimuksessa pohditaan esimerkkikohteiden avulla voimalaitoksen säilyttämistä puoltavia rakennustaiteellisia arvoja, mahdollista korvattavuutta, ja siinä yhteydessä haetaan vastauksia jäljelle jäävälle laitosrakennukselle kaupunkisuunnittelun kannalta asetettavista uusiokäytön vaatimuksista ja mahdollisuuksista. Tutkimuksen metodologia on sekä kvantitatiivisesti että kvalitatiivisesti historiallinen, esimerkkikohteita käsiteltäessä tarvittavassa määrin myös mikrohistoriallinen.

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.

Puupolttoaineen varastonhallinta- ja hankintamalli

Työssä luodaan energiapuun varastonhallintamalli ja hankintamalli energiantuotantolaitoksen näkökulmasta sekä kuvataan kustannustehokkaita ja toimitusvarmoja vaihtoehtoja puupolttoaineen varastoinnille ja haketukselle. Varastonhallintamallissa keskitytään varastotason hallintamenetelmiin toimintaympäristössään. Hankintamalli määrittää oman varaston ja suoran laitostoimituksen suhteen sekä auttaa pohtimaan strategisen hankinnan merkitystä hankinnan toteuttamiseen ja hankintakanavien valintaan. Työ antaa vastauksia koko hankintatoiminnan toteutukseen ja hallitsemiseen. Varastonhallintamallin skenaariotarkastelussa selvisi, että yrityksen oma varasto vaatii 18 – 37 % varmuusvaraston suhteessa käyttövarastoon. Hankintamallin mukaan oman varaston kannattavimman puupolttoainejakeen hankintaetäisyys voisi olla keskimäärin korkeintaan 96 km. Tarpeen, saatavuuden, jakeiden kustannustasojen ja toimintaympäristön mahdollisuuksien ollessa selvillä, on mahdollista tehdä päätöksiä hankintakanavista ja varmuusvarastoista kustannustehokkuuden perusteella. Yrityksen polttoainemäärien ohjauksen toteutukseen vaaditaan kehittämistoimia. Oman toimintaympäristön vakiointi ja toimintamallien dokumentointi on tärkeää tiedonjaon, toimitussopimusten mitoittamisen ja toiminnan kehittämisen kannalta. Toiminnan pullonkaulojen vähentäminen ja puupolttoaineen ohjaaminen kustannustehokkaimpien haketusketjujen kautta mahdollisimman tehokkaasti synnyttävät kustannussäästöjä toimitusketjussa.

Power to Gas - sähköenergiasta luonnonkaasua, liiketoimintamahdollisuudet Suomessa

Uusiutuvan sähköntuotannon osuuden kasvaessa kasvaa tarve tasata sähköntuotannon ja kulutuksen vaihteluita varastoimalla sähköä. Power to Gas (PtG) - sähköenergiasta luonnonkaasua tarjoaa yhden mahdollisuuden varastoida sähköä. Sähköä käytetään veden elektrolyysiin, jossa syntynyt vety käytetään metanoinissa yhdessä hiilidioksidin kanssa muodostamaan korvaavaa luonnonkaasua. Näin syntynyttä korvaava luonnonkaasua sähköstä kutsutaan e-SNG-kaasuksi. Tässä työssä tutkitaan PtG-laitoksen investointi, käyttö- ja kunnossapitokuluja. Työssä luodaan laskentamalli, jolla lasketaan PtG-laitoksen neljälle käyttötapaukselle kannattavuuslaskelma. Käyttötapauksille lasketaan myös herkkyystarkasteluja. Kannattavuuslaskelmien perusteella päätellään PtG-laitoksen liiketoimintamahdollisuudet Suomessa. Työssä laskettujen kannattavuuslaskelmien perusteella PtG-laitoksen perustapausten liiketoimintamahdollisuudet ovat huonot. Laskettujen herkkyystarkastelujen perusteella havaittiin, että investointikulut, laitoksen ajoaika ja lisätulot hapesta ja lämmöstä ovat kannattavuuden kannalta kriittisimmät menestystekijät.

Chemistry of potassium halides and their role in corrosion in biomass and waste firing

Compared to the use of traditional fossil fuels (coal, oil, natural gas), combustion of biomass and waste fuels has several environmental and economic advantages for heat and power generation. However, biomass and waste fuels might contain halogens (Cl, Br, F), alkali metals (Na, K) and heavy metals (Zn, Pb), which may cause harmful emissions and corrosion problems. Hightemperature corrosion occurs typically on furnace waterwalls and superheaters. The corrosion of the boiler tube materials limits the increase of thermal efficiency of steam boilers and leads to costly shutdowns and repairs. In recent years, some concerns have been raised about halogen (Cl, Br, and F)-related hightemperature corrosion in biomass- and waste-fired boilers. Chlorine-related high-temperature corrosion has been studied extensively. The presence of alkali chlorides in the deposits is believed to play a major role in the corrosion observed in biomass and waste fired boilers. However, there is much less information found in literature on the corrosion effect of bromine and fluorine. According to the literature, bromine is only assumed to play a role similar to chlorine; the role of fluorine is even less understood. In this work, a series of bubbling fluidized bed (BFB) bench-scale tests were carried out to characterize the formation and sulfation behaviors of KCl and KBr in BFB combustion conditions. Furthermore, a series of laboratory tests were carried out to investigate the hightemperature corrosion behaviors of three different superheater steels (10CrMo9-10, AISI 347 and Sanicro 28) exposed to potassium halides in ambient air and wet air (containing 30% H2O). The influence of H2O and O2 on the high-temperature corrosion of steels both with and without a salt (KCl) in three gas atmospheres (2% H2O-30% O2-N2, 2% H2O-2% O2-N2 and 30% H2O-2% O2-N2) was also studied. From the bench-scale BFB combustion tests, it was found that HBr has a clearly higher affinity for the available K forming KBr than HCl forming KCl. The tests also indicated that KCl has a higher tendency for sulfation than KBr. From the laboratory corrosion tests in ambient air (also called “dry air” in Paper III and Paper IV), it was found that at relatively low temperatures (≤ 550 °C) the corrosivity of KBr and KF are similar to KCl. At 600 °C, KF showed much stronger corrosivity than KBr and KCl, especially for 10CrMo9-10 and AISI 347. When exposed to KBr or KF, 10CrMo9-10 was durable at least up to 450 °C, while AISI 347 and Sanicro 28 were durable at least up to 550 °C. From the laboratory corrosion tests in wet air (30% H2O), no obvious effect of water vapor was detected at 450 °C. At 550 °C, the influence of water vapor became significant in some cases, but the trend was not consistent. At 550 °C, after exposure with KBr, 10CrMo9-10 suffered from extreme corrosion; after exposure with KF and KCl, the corrosion was less severe, but still high. At 550 °C, local deep pitting corrosion occurred on AISI 347 and Sanicro 28 after exposure with KF. Some formation of K2CrO4 was observed in the oxide layer. At 550 °C, AISI 347 and Sanicro 28 suffered from low corrosion (oxide layer thickness of < 10 μm) after exposure with KBr and KCl. No formation of K2CrO4 was observed. Internal oxidation occurred in the cases of AISI 347 with KBr and KCl. From the laboratory corrosion tests in three different gas atmospheres (2% H2O-30% O2-N2, 2% H2O-2% O2-N2 and 30% H2O-2% O2-N2), it was found that in tests with no salt, no corrosion occurred on AISI 347 and Sanicro 28 up to 600 °C in both the “O2-rich” (2% H2O-30% O2-N2) and “H2O-rich” (30% H2O-2% O2-N2) gas atmospheres; only 10CrMo9-10 showed increased corrosion with increasing temperature. For 10CrMo9-10 in the “O2-rich” atmosphere, the presence of KCl significantly increased the corrosion compared to the “no salt” cases. For 10CrMo9-10 in the “H2O-rich” atmosphere, the presence or absence of KCl did not show any big influence on corrosion. The formation of K2CrO4 was observed only in the case with the “O2-rich” atmosphere. Considering both the results from the BFB tests and the laboratory corrosion tests, if fuels containing Br were to be combusted, the corrosion damage of superheaters would be expected to be higher than if the fuels contain only Cl. Information generated from these studies can be used to help the boiler manufacturers in selecting materials for the most demanding combustion systems.