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.

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.

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.

Validation Studies of Thermal-hydraulic Code for Safety Analysis of Nuclear Power Plants

This thesis gives an overview of the validation process for thermal hydraulic system codes and it presents in more detail the assessment and validation of the French code CATHARE for VVER calculations. Three assessment cases are presented: loop seal clearing, core reflooding and flow in a horizontal steam generator. The experience gained during these assessment and validation calculations has been used to analyze the behavior of the horizontal steam generator and the natural circulation in the geometry of the Loviisa nuclear power plant. The cases presented are not exhaustive, but they give a good overview of the work performed by the personnel of Lappeenranta University of Technology (LUT). Large part of the work has been performed in co-operation with the CATHARE-team in Grenoble, France. The design of a Russian type pressurized water reactor, VVER, differs from that of a Western-type PWR. Most of thermal-hydraulic system codes are validated only for the Western-type PWRs. Thus, the codes should be assessed and validated also for VVER design in order to establish any weaknesses in the models. This information is needed before codes can be used for the safety analysis. Theresults of the assessment and validation calculations presented here show that the CATHARE code can be used also for the thermal-hydraulic safety studies for VVER type plants. However, some areas have been indicated which need to be reassessed after further experimental data become available. These areas are mostly connected to the horizontal stem generators, like condensation and phase separation in primary side tubes. The work presented in this thesis covers a large numberof the phenomena included in the CSNI code validation matrices for small and intermediate leaks and for transients. Also some of the phenomena included in the matrix for large break LOCAs are covered. The matrices for code validation for VVER applications should be used when future experimental programs are planned for code validation.

Effect of Noncondensable Gases on Circulation of Primary Coolant in Nuclear Power Plants in Abnormal Situations

The present study focuses on two effects of the presence of a noncondensable gas on the thermal-hydraulic behavior of thecoolant of the primary circuit of a nuclear reactor in the VVER-440 geometry inabnormal situations. First, steam condensation with the presence of air was studied in the horizontal tubes of the steam generator (SG) of the PACTEL test facility. The French thermal-hydraulic CATHARE code was used to study the heat transfer between the primary and secondary side in conditions derived from preliminary experiments performed by VTT using PACTEL. In natural circulation and single-phase vapor conditions, the injection of a volume of air, equivalent to the totalvolume of the primary side of the SG at the entrance of the hot collector, did not stop the heat transfer from the primary to the secondary side. The calculated results indicate that air is located in the second half-length (from the mid-length of the tubes to the cold collector) in all the tubes of the steam generator The hot collector remained full of steam during the transient. Secondly, the potential release of the nitrogen gas dissolved in the water of the accumulators of the emergency core coolant system of the Loviisa nuclear power plant (NPP) was investigated. The author implemented a model of the dissolution and release ofnitrogen gas in the CATHARE code; the model created by the CATHARE developers. In collaboration with VTT, an analytical experiment was performed with some components of PACTEL to determine, in particular, the value of the release time constant of the nitrogen gas in the depressurization conditions representative of the small and intermediate break transients postulated for the Loviisa NPP. Such transients, with simplified operating procedures, were calculated using the modified CATHARE code for various values of the release time constant used in the dissolution and release model. For the small breaks, nitrogen gas is trapped in thecollectors of the SGs in rather large proportions. There, the levels oscillate until the actuation of the low-pressure injection pumps (LPIS) that refill the primary circuit. In the case of the intermediate breaks, most of the nitrogen gas is expelled at the break and almost no nitrogen gas is trapped in the SGs. In comparison with the cases calculated without taking into account the release of nitrogen gas, the start of the LPIS is delayed by between 1 and 1.75 h. Applicability of the obtained results to the real safety conditions must take into accountthe real operating procedures used in the nuclear power plant.

Lämmöntalteenottokattilan kehittäminen kaasumoottoreille ja teollisuuskaasuturbiineille

Tässä diplomityössä on kehitetty kustannustehokas lämmöntalteenottokattila savukaasun virtaukselle alle 150 kg/s. Kehitettävä kattila on luonnonkiertoinen ja pystyrakenteinen. Valitun kattilatyypin etuja muihin kattilatyyppeihin nähden on tarkasteltu. Erityistä huomiota kattilassa on kiinnitetty vedenkäsittelyn yksinkertaistamiseen. Tämä on saavutettu tulistinratkaisulla, jonka säätötarve on vähäinen. Tuorehöyryn lämpötilan säätöön käytettyjä säätömenetelmiä on tarkasteltu ja eri tulistinratkaisuja käyttämällä saavutettavia tuorehöyrymääriä ja säätötarvetta on tutkittu simulointiohjelmaa hyväksi käyttäen. Tulistinratkaisun lisäksi työssä on tarkasteltu syöttöveden käyttöä ulkoiseen lämmitykseen sekä lämmönsiirrinpakettien tuentaa. Lisäpolton toteutusta sekä syöttövesiventtiilin sijoittamista ja syöttövesipumpun valintaa on myös tarkasteltu. Osana työtä on lisäksi tehty kehitettyä kattilaa varten mitoitusohjelma ja mitoitettu sitä käyttäen esimerkkilaitos.

Development of a PC Tool for Estimating Pressure Drops in Forced-convection Boiler Tubes

Kaksifaasivirtauksen kuvaamiseen käytettävät mallit, ja menetelmät kaksifaasivirtauksen painehäviön määrittämiseksi kehittyvät yhä monimutkaisimmiksi. Höyrystinputkissa tapahtuvien painehäviöiden arvioinnin vaatiman laskennan suorittamiseksi tietokoneohjelman kehittäminen on välttämätöntä. Tässä työssä on kehitetty itsenäinen PC-ohjelma painehäviöiden arvioimiseksi pakotetulle konvektiovirtaukselle pystysuorissa höyrykattilan höyrystinputkissa. Veden ja vesihöyryn aineominaisuuksien laskentaan käytetään IAPWS-IF97 –yhtälökokoelmaa sekä muita tarvittavia IAPWS:n suosittelemia yhtälöitä. Höyrystinputkessa kulloinkin vallitsevan virtausmuodon määrittämiseen käytetään sovelluskelpoisia virtausmuotojen välisiä rajoja kuvaavia yhtälöitä. Ohjelmassa käytetään painehäviön määritykseen kirjallisuudessa julkaistuja yhtälöitä, virtausmuodosta riippuen, alijäähtyneelle virtaukselle, kupla-, tulppa- ja rengasvirtaukselle sekä tulistetun höyryn virtaukselle. Ohjelman laskemia painehäviöarvioita verrattiin kirjallisuudesta valittuihin mittaustuloksiin. Laskettujen painehäviöiden virhe vaihteli välillä –19.5 ja +23.9 %. Virheiden itseisarvojen keskiarvo oli 12.8 %.

Lämmöntalteenottokattilan dynaaminen simulointimalli

Työssä mallinnettiin kombivoimalaitoksen lämmöntalteenottokattila Apros-simulointiohjelmalla. Simulointimalli valmistettiin vastaamaan Helsingin Energian Vuosaari B:n voimalaitoksen lämmöntalteenottokattilaa, joka toimii kahdella painetasolla. Kattila on Foster Wheelerin valmistama. Ennen mallinnuksen aloittamista tutustuttiin laitoksen termodynamiikkaan, jolloin saatiin riittävä teoreettinen tieto koko laitoksen toiminnasta. Kattilan reunaehtoina ovat kaasuturbiiniprosessi ja laitoksen höyrykierto. Kaasuturbiini korvattiin laskentayhtälöillä, jotka antavat alkuarvot mm. savukaasun massavirralle ja lämpötilalle ennen kattilaa kaasuturbiinin tehon funktiona. Kattila liitetään höyrykiertoon tuorehöyry- ja syöttövesilinjasta, jolloin reunaehtoina annetaan lämpötilat ja paineet massavirroille. Valmistettua mallia testattiin ylösajo- ja kuormanmuutostilanteessa. Ylösajotilanteessa saatuja laskentatuloksia verrattiin todellisen laitoksen mittaustuloksiin, jolloin varmistuttiin simulointimallin oikeasta fysikaalisesta toiminnasta. Kuormanmuutostilanteissa kaasuturbiinin tehoa muutettiin ja samalla seurattiin kattilan reagointia muutostilanteessa. Kuormanmuutosmittauksessa varmistettiin vielä, että kattila reagoi kuormanmuutokseen oikealla tavalla, eikä muutos aiheuta kattilan toiminnalle haitallista värähtelyä.

Lisäpoltolla varustetun maakaasukombivoimalaitoksen optimointi.

Voimalaitoksen sisäisellä optimoinnilla pyritään parantamaan prosessia ja lisäämään voimalaitoskonseptin kilpailukykyä energiamarkkinoilla. Tässä työssä optimoitiin lisäpoltolla varustettua, sähköteholtaan noin 125 MW:n maakaasukompivoimalaitosta. Työ on osa Fortum Engineering Oy:n konseptikehitysohjelmaa. Kaasuturbiinin savukaasun sisältämää happea voidaan hyödyntää lämmöntal-teenottokattilan savukaasukanavaan sijoitetussa lisäpoltossa. Lisäpoltolla saadaan nostettua savukaasun lämpötilaa ja lisättyä tuotetun tuorehöyryn määrää. Työssä tutkittiin lisäpolton kannattavuutta ja sen vaikutusta voimalaitoksen mitoitukseen. Lisäpolton lämpötila valitaan teknisten rajoitusten perusteella, jolloin siitä aiheutuvat investointikustannukset eivät nouse merkittäviksi. Optimointimenetelmä pohjautuu Fortum Oyj:ssä kehitetyllä voimalaitossimulaattori Solvolla laskettujen lämpötaseiden ja asiantuntija-arvioihin perustuvien investointikustannuskaavojen käyttöön. Taloudelliset lähtöarvot on valittu Itä-Euroopan markkinatilanteen mukaisiksi. Kannattavuuslaskelmat perustuvat nykyarvomenetelmään, jossa investointikustannuksille ja sähkön ja kaukolämmön myynnistä saaduille tuotoille lasketaan nykyarvo. Teknisten rajoitusten puitteissa suurimman nykyarvon antava tapaus on aina kunkin tutkittavan prosessisuureen optimitapaus. Tutkittavia prosessisuureita voivat olla esimerkiksi tuorehöyryn tila-arvot. Eräs työn tavoitteista oli selvittää lämmöntalteenottokattilan painetasojen optimaalinen lukumäärä. Lisäpoltto todettiin lämmitysvoimalaitoksella kannattavaksi ratkaisuksi kun nyt optimoitua laitosta verrattiin ilman lisäpolttoa mitoitettuun vastaavanlaiseen laitokseen. Kannattavuuslaskelmille tehtiin herkkyystarkastelut, joiden avulla tutkittiin mitoitetun konseptin herkkyyttä taloudellisten lähtöarvojen muutoksille. Herkkyysanalyysin avulla optimoitua voimalaitoskonseptia voidaan hyödyntää suuremmalla taloudellisten lähtöarvojen vaihteluvälillä.

Sahojen energiajärjestelmien kehittäminen

Tyypillisesti sahoilla tarvittava lämpö tuotetaan omalla lämpölaitoksella, jossa hyödynnetään sahalla syntyviä sivutuotteita kuten kuorta ja purua. Lämmöntuotantoon ei yleensä käytetä lainkaan öljyä. Jos lämpölaitoksen teho ei riitä tai lämmöntuotannossa syntyy katkoksia, tyydytään rajoittamaan tuotantoa tai annetaan sahatavaran laadun kärsiä. Diplomityössä etsitään taloudellisesti kannattavia konsepteja, joilla voidaan parantaa lämmöntuotannon varmuutta sahoilla. Työssä tarkastellaan sahoja kolmessa eri kokoluokassa, kattaen yleisimmät sahalaitokset. Koska diplomityöhön ei otettu malliksi mitään tiettyä sahaa, määritettiin em. kolmelle kokoluokalle materiaali- ja energiavirrat yleisten tunnuslukujen perusteella. Lisäksi sahoille määritettiin kuivaustiedot, kun kaikilla sahoilla oletettiin olevan ainoastaan kamarikuivaamoita. Sahojen käyttämä kuori on kosteaa, ja se asettaa käytettävälle polttotekniikalle korkeat vaatimukset. Kuoren lämpöarvoa voidaan parantaa kuivattamalla sitä ennen polttoa erillisessä kuivurissa. Diplomityössä tarkastellaan suoraa ja epäsuoraa kuivatusta, joista molemmat perustuvat kiertoleijutekniikkaan. Suorassa kuivatuksessa hyödynnetään kattilasta saatavia savukaasuja, kun taas epäsuorassa kuivatuksessa lämmönlähteenä käytetään kuuma vettä. Molempien kuivatuskonseptien osalta käydään läpi toimintaperiaate ja kytkentä lämpölaitokseen, sekä lasketaan lämmöntuotannon omakustannushinta. Lisäksi tarkastellaan suoran kuivatuksen asentamista nykyiseen kostean polttoaineen laitokseen. Kuoren kuivatuksen lisäksi arvioidaan kuumavesikattilan käyttöä sahoilla ja sahatavaran kuivauksessa tarvittavan erillisen höyrynkehityksen korvaamista kuumavesiakulla. Lopuksi diplomityössä tarkastellaan pienimuotoista sähköntuotantoa sahojen lämpölaitosten yhteydessä ja sen kannattavuutta. Tarkasteltavia tekniikoita ovat ORC –tekniikka sekä höyrykone.

Höyryn käyttö suodinkakun pesussa ja kuivauksessa

Työssä käsitellään suodinkakkujen kuivapitoisuuksien muuttumista, kun kuivauksessa käytetään paineilman sijasta kylläistä höyryä.

Offdesign operation of kraft recovery boiler

A model to solve heat and mass balances during the offdesign load calculations was created. These equations are complex and nonlinear. The main new ideas used in the created offdesign model of a kraft recovery boiler are the use of heat flows as torn iteration variables instead of the current practice of using the mass flows, vectorizing equation solving, thus speeding up the process, using non dimensional variables for solving the multiple heat transfer surface problem and using a new procedure for calculating pressure losses. Recovery boiler heat and mass balances are reduced to vector form. It is shown that these vectorized equations can be solved virtually without iteration. The iteration speed is enhanced by the use of the derived method of calculating multiple heat transfer surfaces simultaneously. To achieve this quick convergence the heat flows were used as the torn iteration parameters. A new method to handle pressure loss calculations with linearization was presented. This method enabled less time to be spent calculating pressure losses. The derived vector representation of the steam generator was used to calculate offdesign operation parameters for a 3000 tds/d example recovery boiler. The model was used to study recovery boiler part load operation and the effect of the black liquor dry solids increase on recovery boiler dimensioning. Heat flows to surface elements for part load calculations can be closely approximated with a previously defined exponent function. The exponential method can be used for the prediction of fouling in kraft recovery boilers. For similar furnaces the firing of 80 % dry solids liquor produces lower hearth heat release rate than the 65 % dry solids liquor if we fire at constant steam flow. The furnace outlet temperatures show that capacity increase with firing rate increase produces higher loadings than capacity increase with dry solids increase. The economizers, boiler banks and furnaces can be dimensioned smaller if we increase the black liquor dry solids content. The main problem with increased black liquor dry solids content is the decrease in the heat available to superheat. Whenever possible the furnace exit temperature should be increased by decreasing the furnace height. The increase in the furnace exit temperature is usually opposed because of fear of increased corrosion.

Reaktoreiden termisen tehon laskennan epävarmuuksien kartoitus

Diplomityössä selvitettiin Fortum Power and Heat Oy:n Loviisan VVER-440 painevesireaktorilaitosten termisen tehon laskentaan liittyviä epävarmuuksia. Laitoksen turvallisuusteknisissä käyttöehdoissa (TTKE) määrätään reaktorin suurimmaksi sallituksi lämpötehoksi 1500 MW. Tähän perustuen haluttiin selvittää nykyiseen RT1 laskentaan liittyvät epävarmuudet tarkastamalla nykyinen laskenta ja siinä käytetyt termohydrauliset laskentasovitteet. Työn alussa selostetaan lyhyesti Loviisan voimalaitoksen toimintaperiaate, jonka jälkeen esitellään laskentaan osallistuvat prosessimittaukset ja niihin liittyvät epävarmuustekijät. Mittauksille määritettiin epävarmuudet käyttäen hyödyksi komponenttivalmistajien tietoja sekä laitoksen kalibrointitodistuksia ja näiden lisäksi laskettiin standardin mukainen virhe virtauslaipoille. Edellä mainittujen virheiden perusteella voitiin laskea tehon epävarmuudet yksittäiselle höyrystimelle, josta edelleen varianssien summamenetelmällä saatiin reaktorin termiselle teholle 0,78 %:n epävarmuus 95 % luottamustasolla. Laskettua tehon epävarmuutta verrattiin Monte Carlo -menetelmällä suoritettuun tarkistuslaskentaan, jolla termisen tehon epävarmuudeksi saatiin 0,53 %, luottamustason ollessa 95 %. Työssä tarkasteltiin keskiarvotuksen vaikutusta mittausdataan. Näissä tarkasteluissa havaittiin pinnansäädöstä aiheutuva reaktoritehon huojunta, joka oli työn merkittävin havainto.

Painevesilaitosten höyrystinkonstruktioiden vertailu

Tässä kirjallisuustyössä tutustutaan kolmeen kaupallisissa painevesilaitoksissa käytettyyn höyrystinkonstruktioon: U-putkipystyhöyrystimeen, U-putkivaakahöyrystimeen ja läpivirtaushöyrystimeen. Työssä tutustutaan näiden ratkaisujen erityispiirteisiin ja vertaillaan niitä keskenään.

Lämmöntalteenottokattilan lämpötekninen mitoitus

Kandidaatintyön tavoitteena oli laatia mitoitussovellus KPA Unicon Oy:lle, jolla voidaan arvioida lämmöntalteenottokattilasta saatavaa tehoa sekä tarvittavaa lämmönsiirtopinta-alaa. Mitoitussovellus laadittiin yksipaineisen kattilan mitoitusta varten ja sitä on tarkoitus hyödyntää yrityksen tarjousvaiheen projekteissa. Laskentasovelluksen laatimista varten tässä kandidaatintyössä käsitellään kaasuturbiinin jälkeistä lämmöntalteenottokattilaa ja sen mitoittamista. Erityisesti huomiota kiinnitetään yleisiin suunnitteluperiaatteisiin ja lämpötekniseen mitoittamiseen. Työssä esitetään tyypillisiä suunnitteluarvoja, rakenteita sekä laskentamenetelmiä, joiden avulla lämmöntalteenottokattila voidaan mitoittaa.