Prosessihyötysuhteen parantamiskohteiden kartoitus painevesireaktorityyppisessä ydinvoimalaitoksessa

Työn tavoitteena on kartoittaa painevesireaktorityyppisen ydinvoimalaitoksen prosessihyötysuhteen parantamiskohteita. Aluksi kirjallisuudesta etsitään hyötysuhteen parantamiskeinoja ideaalisessa höyryvoimalaitosprosessissa. Näistä valitaan sopivimmat tarkastelun kohteeksi todellisessa voimalaitoksessa: syöttöveden esilämmityksen tehostaminen väliottohöyryvirtausta kasvattamalla ja syöttöveden esilämmittimen lämmönsiirtopintaa lisäämällä. Tarkastelussa pyritään löytämään paras mahdollinen hyötysuhde väliottohöyrylinjojen putkikokoa sekä esilämmittimien putkien lukumäärää muuttamalla. Diskreetin optimoinnin iteraatioaskel määritetään hyötysuhteen osittaisderivaattojen avulla. Tehtäviä muutoksia simuloidaan APROS-simulointiohjelmalla, jossa käytetään Loviisan voimalaitoksesta tehtyä mallia VVER-440. Työssä havaittiin, että pelkkiä väliottohöyrylinjojen putkikokoja – ja massavirtaa – kasvattamalla Loviisan voimalaitoksen hyötysuhdetta voidaan parantaa parhaimmillaan 32,75%:sta 32,85%:iin. Syöttöveden esilämmittimien lämmönsiirtopintaa lisäämällä saadaan suurempi parannus hyötysuhteeseen: 32,75%:sta 32,99%:iin. Näissä tapauksissa muutettiin kaikkia väliottohöyrylinjoja tai syöttöveden esilämmittimien lämpöpintoja. Työssä tarkasteltiin myös joitakin pienempiä muutoskohteita, joista paras hyötysuhteen kasvu saatiin korkeapaine-esilämmittimien lämmönsiirtopintaa kasvattamalla sekä toisen väliottohöyrylinjan (RD12) ja sitä vastaavan syöttöveden esilämmittimen muutosten yhteisvaikutuksena.

USER'S GUIDE FOR ADVANCED PROCESS SIMULATION SOFTWARE APROS 5

Tässä diplomityössä tehtiin käyttäjän opas kehittyneelle prosessisimulointiohjelmistolle APROS 5. Opas on osa VTT Energialle tehtävää APROS 5 käyttäjän koulutuspakettia, joka julkaistaan myöhemmin CD-ROM -muotoisena. Prosessisimulointiohjelmistoa AAPROS 5 voidaan käyttää termohydraulisten prosessien, automaatiopiirien ja sähköjärjestelmien mallinnuksessa. Ohjelma sisältää myös neutroniikkamallin ydinreaktorin käyttäytymisen mallintamiseksi. APROS:in aikaisemmilla UNIX-ympäristössä toimivilla versioilla on toteutettu useita ydinvoimalaitosten turvallisuustutkimukseen liittyviä analyysejä ja sekä ydinvoimalaitosten että konventionaalisten voimalaitosten koulutussimulaattoreita. APROS 5 toimii Windows NT -ympäristössä ja on oleellisesti erilainen käyttää kuin aikaisemmat versiot. Tämän myötä syntyi tarve uudelle käyttäjän oppaalle. Käyttäjän oppaassa esitetään APROS 5:n tärkeimmät toiminnot, mallinnuksen periaatteet ja termohydraulisten ja neutroniikan ratkaisumallit. Lisäksi oppaassa esitetään esimerkki, jossa mallinnetaan yksinkertaistettu VVER-440 -tyyppisen ydinvoimalaitoksen primääripiiri. Yksityiskohtaisempaa tietoa ohjelmistosta on saatavilla APROS 5 -dokumentaatiosta.

TRACE ja sen käyttö painevesilaitosten mallinnuksessa

Tässä kandidaatintyössä on esitelty U.S. NRC:n kehittämä TRAC/RELAP Advanced Computational Engine termohydrauliikkamallinnusohjelmisto sekä sillä luodun yksinkertaistetun painevesilaitoksen mallin pienimuotoinen simulointi.

Sähkön tuotantokustannusvertailu

Työssä vertaillaan eri sähköntuotantovaihtoehtojen taloudellista kannattavuutta. Kannattavuusvertailu suoritetaan pelkkää sähköä tuottaville voimalaitoksille. Sähkön ja lämmön yhteistuotannon lisärakentaminen tulee kattamaan tietyn osuuden lähitulevaisuuden sähkön hankinnan vajeesta, mutta sen lisäksi tarvitaan myös uutta lauhdetuotantokapasiteettia. Tutkittavat voimalaitostyypit ovat: ydinvoimalaitos, maakaasukombilauhdevoimalaitos, kivihiililauhdevoimalaitos, turvelauhdevoimalaitos, puulauhdevoimalaitos ja tuulivoimala. Kannattavuustarkastelu suoritetaan annuiteettimenetelmällä käyttäen 5 % reaalikorkoa ja tammikuun 2008 hintatasoa. Laskelmien perusteella 8000 tunnin huipunkäyttöajalla ydinsähkön tuotantokustannus olisi 35,0 € /MWh, kaasusähkön 59,2 €/MWh ja hiilisähkön 64,4 €/MWh, kun hiilidioksidipäästöoikeuden hintana käytetään 23 €/t. Ilman päästökauppaa kaasusähkön hinta on 51,2 €/MWh ja hiilisähkön 45,7 €/MWh ydinsähkön hinnan pysyessä ennallaan. Herkkyystarkastelun tulosten perusteella ydinvoiman kilpailukyky korostuu muihin tarkasteltuihin tuotantomuotoihin verrattuna. Ydinpolttoaineen suurellakaan hinnan muutoksella ei ole merkittävää vaikutusta ydinsähkön tuotantokustannukseen, kun taas maakaasusähkö on erittäin riippuvainen polttoaineen hinnasta. Myös päästöoikeuden hinnan kasvu lisää merkittävästi ydinvoiman kilpailukykyä kaasu- ja hiilisähköön verrattuna. Ydinvoimainvestoinnin kannattavuutta ja takaisinmaksua tarkastellaan myös yksinään siten, että investoinnilla saavutettavien tuottojen laskennassa käytetään useita eri sähkön markkinahintoja. Investoinnin kannattavuus on erittäin hyvä, kun sähkön markkinahinta on 50 €/MWh tai suurempi.

Todennäköisyyspohjaisen kaapelipaloriskianalyysimenetelmän kehittäminen ydinvoimalaitokselle

Ydinenergian tuottamisessa turvallisuus on tärkeää. Todennäköisyyspohjaisella riskianalyysillä voidaan arvioida turvallisuusvaatimusten täyttymistä eri tilanteissa. Tässä diplomityössä tarkastellaan todennäköisyyspohjaisen riskianalyysin käyttöä ydinvoimalaitoksen kaapelipalojen vaikutusten arvioinnissa. Työn tarkoituksena on omalta osaltaan edistää ydinvoimalaitosten kaapelipaloturvallisuuden parantamista. Työssä esitellään todennäköisyyspohjaisen riskianalyysin ja todennäköisyyspohjaisen paloanalyysin periaatteet sekä nykyiset kaapelipaloanalyysimenetelmät. Olemassa olevien menetelmien pohjalta kehitettiin menetelmä Olkiluoto 1 ja 2 laitosyksiköiden kaapelipaloturvallisuuden arviointiin. Työssä tarkastellaan myös maailmalla sattuneita kaapelipaloja sekä ydinvoimalaitosten palosimulointiin kehitettyä ohjelmistoa. Työssä kehitetty kaapelipaloanalyysi jakautuu kahteen päävaiheeseen: virtapiirien vika-analyysiin ja virtapiirivikojen todennäköisyysanalyysiin. Virtapiirien vika-analyysi käsittää kaapeleiden vikamoodien, virtapiirien vikaantumisluokkien sekä vikaantumisten vaikutuksien määrittämisen. Virtapiirivikojen todennäköisyysanalyysissä määritetään puolestaan vikaantumistodennäköisyydet kaapelipalokokeiden tulosten pohjalta. Kehitettyä analyysimenetelmää sovellettiin esimerkinomaisesti Olkiluoto 1 ja 2 laitosyksiköiden kahdelle eri huonetilalle. Tuloksena saatiin turvallisuudelle tärkeiden järjestelmien virtapiirien vikaantumismallit sekä niiden todennäköisyydet. Tulosten perusteella voidaan todeta, että työssä kehitetty kaapelipaloanalyysimenetelmä toimi hyvin. Tulevaisuudessa menetelmää on tarkoitus hyödyntää Olkiluoto 1 ja 2 -laitosyksiköiden kaapelipaloturvallisuuden arvioinnissa.

Dekontaminointimenetelmien arviointi ja toimintaprosessien tehostaminen Loviisan voimalaitoksella

Tämän diplomityön lähtökohtana oli Loviisan voimalaitoksella 2006 käynnistyneen valvonta-alueen laajennusprojektin (VAJAKO) uudistettavien dekontaminointitilojen tehostaminen. Diplomityössä arvioitiin Loviisan voimalaitoksen dekontaminointikeskuksissa käytössä olevien puhdistusmenetelmien tehokkuutta ja toimivuutta. Tämän lisäksi työssä tutkittiin tarkemmin kahta "uutta" dekontaminointimenetelmää, joista toisen menetelmän toimivuutta kokeiltiin pienimuotoisen kokeen avulla. Dekontaminointimenetelmien arviointi ja toimintaprosessien tehostaminen tehtiin kirjalliseen materiaaliin, käyttäjiltä saatuihin kommentteihin sekä kokeista saatuihin tuloksiin perustuen. Dekontaminointimenetelmien arviointi aloitettiin kirjallisen materiaalin tutustumisella, jonka perusteella valittiin kaksi tarkemmin tutkittavaa menetelmää. Kirjalliseen materiaaliin pohjautuvaa tietoa verrattiin käytännön kokemuksiin vierailemalla mm. Forsmarkin, Oskarshamnin, Olkiluodon ja Ringhalsin ydinvoimalaitoksissa. Työntekijöiltä saatujen tietojen sekä kirjalliseen materiaaliin pohjautuen valittiin toinen tutkituista menetelmistä käytännön kokeeseen. Kokeessa tutkittiin menetelmän toimivuutta mm. dekontaminointituloksen, puhdistusajan ja syntyvän nestemäisen jätteen määrän perusteella. Kokeista saadut tulokset yhdistettiin kirjallisen materiaalin ja käyttäjiltä saatujen kokemusten kanssa yhdeksi kokonaisuudeksi. Työssä tarkasteltiin myös Loviisan voimalaitoksen metalliromujen käsittelyprosessin toimivuutta. Toimivuuden arvioinnissa kiinnitettiin erityistä huomiota syntyperäisen lajittelun parantamiseen, jonka seurauksena puhtaiden metalliromujen dekontaminointitarve vähenee käytännössä.

Comparison of electricity generation costs

The economical competitiveness of various power plant alternatives is compared. The comparison comprises merely electricity producing power plants. Combined heat and power (CHP) producing power will cover part of the future power deficit in Finland, but also condensing power plants for base load production will be needed. The following types of power plants are studied: nuclear power plant, combined cycle gas turbine plant, coal-fired condensing power plant, peat-fired condensing power plant, wood-fired condensing power plant and wind power plant. The calculations are carried out by using the annuity method with a real interest rate of 5 % per annum and with a fixed price level as of January 2008. With the annual peak load utilization time of 8000 hours (corresponding to a load factor of 91,3 %) the production costs would be for nuclear electricity 35,0 €/MWh, for gas based electricity 59,2 €/MWh and for coal based electricity 64,4 €/MWh, when using a price of 23 €/tonCO2 for the carbon dioxide emission trading. Without emission trading the production cost of gas electricity is 51,2 €/MWh and that of coal electricity 45,7 €/MWh and nuclear remains the same (35,0 €/MWh) In order to study the impact of changes in the input data, a sensitivity analysis has been carried out. It reveals that the advantage of the nuclear power is quite clear. E.g. the nuclear electricity is rather insensitive to the changes of nuclear fuel price, whereas for natural gas alternative the rising trend of gas price causes the greatest risk. Furthermore, increase of emission trading price improves the competitiveness of the nuclear alternative. The competitiveness and payback of the nuclear power investment is studied also as such by using various electricity market prices for determining the revenues generated by the investment. The profitability of the investment is excellent, if the market price of electricity is 50 €/MWh or more.

Tapahtumien tutkinnan systematisointi Loviisan voimalaitoksella

Tämä diplomityö käsittelee tapahtumien tutkinnan systematisointia Loviisan voimalaitoksella. Nykyisin Loviisan voimalaitoksella tutkitaan tapahtumia usealla tavalla eikä raporttien tuloksia pystytä täysin hyödyntämään. Diplomityössä käydään läpi erilaisia tapahtumien tutkintamenetelmiä sekä tutustutaan perussyyanalyysimenetelmiin. Matalan tason tapahtumien tutkintaan kehitettiin kysymyslista, jolla saadaan helposti selville tapahtumien ongelma-alueet. Kysymyslista mahdollisti myös tapahtumien laaja-alaisen luokittelun, jonka avulla tunnistetaan eri tapahtumien kautta ilmenneitä yhteisiä ongelma-alueita. Tapahtumien tutkintaan liittyy myös riskien arviointi. Tässä diplomityössä kehitettiin riskimatriisi tapahtuman vakavuuden ja jatkoselvitystarpeen arvioinnin avuksi. Perussyyanalyysimenetelmistä AcciMap-menetelmä osoittautui käyttökelpoiseksi ja sitä suositellaan kokeiltavaksi seuraavan inhimilliseen toimintaan liittyvän perussyyanalyysin yhteydessä.

Ydinvoimalaitoksen elinkaaren ympäristönäkökohdat ja rakentamisvaiheen ympäristöjohtaminen

Ympäristöasiat ovat nousseet merkittävän tarkastelun kohteeksi yhteiskunnan kaikissa toiminnoissa. Yritysten ympäristöjohtamisen välineeksi on kehitetty ympäristöjärjestelmiä, joiden lähtökohtana on toiminnan ympäristönäkökohtien ja -vaikutusten tunnistaminen. Työn tavoitteena on luoda perusta Fennovoiman ympäristöjärjestelmää varten ja löytää keinoja ydinvoimalaitoksen rakennustyömaan ympäristönäkökohtien ja -vaikutusten hallitsemiseksi. Työn teoriaosassa keskitytään tarkastelemaan ISO 14001 -standardin mukaisen ympäristöjärjestelmän toteuttamiseen ja ylläpitoon liittyviä perusasioita, kuten ympäristönäkökohtien ja -vaikutusten tunnistamista, päämääriä ja tavoitteita sekä jatkuvan parantamisen periaatetta. Työn tutkimusosassa tarkastellaan ydinvoimalaitoshankkeen elinkaaren ympäristönäkökohtia ja -vaikutuksia sekä kartoitetaan keinoja rakentamisvaiheen ympäristöjohtamiseksi kahden eri rakentamisvaiheen toteutusmallin tapauksessa. Avainasemassa ovat määritellyt tavoitteet, tiedonkulku ja yhteistyö eri osapuolten välillä

Yhteisvikaparametrien määritys

Tässä kandidaatintyössä selvitetään yhteisvikaparametrien määritysprosessia todennäköisyysperustaista riskianalyysia varten Teollisuuden Voiman Olkiluodossa käytössä olevien Olkiluoto-1 ja Olkiluoto-2 ydinvoimalaitosyksiköiden osalta. Kandidaatintyön tavoitteena on selvittää yhteisvikaparametrien määrittämisen yleiset työvaiheet ja tutkia alkuperäisen selvityksen jälkeen käytettäväksi tulleen ICDE-yhteisvika-aineiston soveltamismahdollisuudet Olkiluodon laitosyksiköihin.

Ydinvoimalaitoksen höyryturbiinin suorituskyvyn laskenta

Diplomityön tavoitteena on selvittää Loviisan ydinvoimalaitoksen höyryturbiinin hyötysuhteen parantamismahdollisuuksia. Työn kuvaan liittyvät oleellisesti höyryturbiinin siipivyöhykkeiden nopeuskolmioiden sekä hyötysuhteiden laskenta. Höyryturbiinien kehityskaarta sekä turbiinin häviökerrointen laskentayhtälöitä on esitetty useasta eri lähteestä ja vuosikymmeniltä. Työssä selvitettiin uusimpia ydinvoimalaitosten kostea höyryturbiinien suunnitteluperusteita lukuisista eri lähteistä. Kaikkien lähteiden mukaan kostean höyryn alueella tapahtuvaa paisuntaa on haasteellista mallintaa. Työssä on esitelty artikkeleissa tulleita eri näkökulmia höyryturbiinien suorituskyvyn parantamiseksi, sekä rakenteellisia että laskennallisia. Työssä esitellään monia turbiinin virtauksen ja suorituskyvyn laskentamenetelmiä. Esimerkiksi Baumannin säännön laskenta on yksinkertainen tapa käsitellä turbiinin suorituskykyä kostean höyryn alueella. Keskeisimpiä tehtyjä havaintoja oli se, että korkeapaineturbiinin ensimmäisestä vaiheesta löytyi mahdollista parannuspotentiaalia Loviisaan ydinvoimalaitoksen tehon lisäämiseksi. Ensimmäisessä vaiheessa on oletettu siipien olevan Laval –tyyppisiä, mutta käytännössä näin ei ole. Korkeapaineturbiinin nykyisen turbosuuttimen toimintaa voitaisiin tehostaa. Lisäksi Loviisan matalapaineturbiinin viimeisen siipivaiheen jälkeen aiheutuu suuret ulosvirtaushäviöt. Osa suurinopeuksisen virtauksen energiasta pystyttäisiin kuitenkin hyödyntämään vielä ulosvirtauskanavassa olevalla diffuusorilla.

Kontaminaatiomittaukset Loviisan voimalaitoksella

Kandidaatintyössä esitellään Loviisan ydinvoimalaitoksella käytössä olevia menetelmiä ja mittalaitteita radioaktiivisen kontaminaation havaitsemiseen ja mittaamiseen.

Kostean höyryn paisunnan erityispiirteet ydinvoimalaitosten turbiineissa

Diplomityössä käsitellään ydinvoimalaitoksen kostean höyryn alueella toimivien höyryturbiinien toiminnan erityispiirteitä. Tarkemmin työssä keskitytään Loviisan ydinvoimalaitoksen turbiiniprosessiin. Tavoitteena on selvittää veden tiivistymistä höyryvirrassa, sen erotusta höyrystä turbiineissa sekä määrittää laitokselle todellinen paisuntakäyrä. Työssä selvitettiin veden tiivistymistä höyryvirtaan kirjallisuuden ja prosessista saatujen tietojen perusteella. Lisäksi työssä tutustuttiin suurien nykyaikaisten kostean höyryn alueella toimivien turbiinien vedenerotukseen ja sen pohjalta arvioitiin Loviisan ydinvoimalaitoksen turbiinin kosteudenerotusta. Näiden tietojen avulla saatiin mallinnettua kostean höyryn paisuntakäyrä Loviisan ydinvoimalaitoksen turbiineille. Työssä perehdyttiin lisäksi ulosvirtauskanavan toimintaan. Diplomityön puitteissa ei perehdytty yksityiskohtaisesti veden tiivistymiseen höyryvirrassa, vaan aihe ansaitsee tarkempaa tutkimusta. Kosteuden erotustehokkuuden arviointi todellisessa prosessissa ilman mittauksista saatavaa tietoa on vaikeata, mutta toimenpiteisiin lisäinformaation saamiseksi Loviisan ydinvoimalaitoksen turbiiniprosessista on ryhdytty. Työssä tehtyjen selvitysten avulla saatiin arvokasta tietoa turbiinikoneikon toiminnasta ja sen tehokkuuden parantamisesta.

Suunnitellun alas- ja ylösajon todennäköisyysperustainen riskianalyysi ydinvoimalaitokselle

Työssä tehtiin ydinvoimalaitoksen suunnitellun alas- ja ylösajon todennäköisyysperus-tainen riskianalyysi. Suunnitellun alasajon analyysi sisälsi Teollisuuden Voima Oyj:n käyttämän vanhan PRA-mallin päivityksen ja laajentamisen. Ylösajon analyysiä varten kehitettiin kokonaan uusi malli. Diplomityöselostuksen alussa on yleinen katsaus luotettavuustekniikan käsitteisiin, pe-rusperiaatteisiin ja työkaluihin. Sitten on esitelty laitostekniikkaa tärkeimpien alas- ja ylösajoihin osallistuvien järjestelmien osalta. Myös normaalit alas- ja ylösajotoimenpi-teet on kuvattu. Yleisen teoriaosuuden jälkeen on keskitytty uusien mallien muodosta-miseen. Työssä käytetyt oletukset ja arviot on esitelty perusteluineen. Uudet tapahtuma- ja vikapuut sekä niiden perusteella lasketut sydänvaurioriskit johtopäätöksineen on käy-ty läpi selostuksen lopussa. Alkutapahtumataajuuksien määrittäminen tehtiin vikapuiden avulla, joissa huomioitiin komponenttivikojen, inhimillisten virheiden ja ulkoisten tekijöiden vaikutus. Aiemmin alkutapahtumat oli määritetty pääasiassa käyttöhistorian perusteella. Uusi määrittelytapa antaa eri vikaantumistapojen välille paremman kuvan niiden keskinäisestä merkitykses-tä sekä paremman päivitettävyyden laitosmuutosten yhteydessä. Mallien avulla voidaan laskea alas- ja ylösajon merkitys kokonaissydänvauriotaajuuteen entistä yksityiskohtaisemmin. Tuloksia voidaan myös hyödyntää laitosten vikatilanteis-sa, kun vertaillaan jatketun käytön ja mahdollisten korjaustöiden vaatiman alas- ja ylösajon riskejä. Uusien mallien antamat tulokset laskivat vain hieman kokonaissydän-vauriotaajuutta, mutta merkittävästi alasajon vaikutusta siihen. Ylösajosta aiheutuva riskinlisä oli noin puolet alasajon riskistä.

Ydinvoimalaitoksen vuosihuoltoajankohdan optimointi

Viimeaikoina ydinvoima on ollut vahvasti esillä mediassa. Keskustelut lisäydinvoimasta, sähköntuotantomuodoista, Olkiluodon kolmannen ydinvoimalaitosyksikön rakennustöistä, sähkön kulutuksen tulevaisuudesta ja nykyisestä taloustilanteesta ovat vaikuttaneet tarpeeseen tutkia sähkön tuotantokustannuksia ydinvoiman osalta. Tutkimuksessa keskitytään erityisesti ydinvoimalaitosyksiköiden vuosihuolto- ja polttoainekustannuksiin, jotka muodostavat suurimman suunnitellun yksittäisen kustannuserän ydinvoiman käyttöön liittyen. Työ tehdään Teollisuuden Voima Oyj:lle, joka pääsääntöisesti toimii Eurajoen Olkiluodossa. Työssä optimoidaan jokaiselle Olkiluodon ydinvoimalaitosyksikölle mahdollisimman edullinen vuosihuoltoajankohta. Optimaalisin ajankohta määrittyy edullisimman sähkön hinnan, ihanteellisimman käyttöjakson pituuden sekä resurssien saatavuuden perusteella. Ydinvoimalaitosyksiköiden vuosihuoltoajankohdat suunnitellaan siten, että vuosihuollot ovat kokonaisuudessaan ja laitosyksikkökohtaisesti optimaaliset. Työn lopputuloksena on esitys Olkiluodon ydinvoimalaitosyksiköiden optimaalisista vuosihuoltoajankohdista. Työn tuloksien myötä Teollisuuden Voima Oyj:llä on mahdollisuus pienentää vuosihuoltokustannuksiaan ja osaltaan vaikuttaa ydinvoimalla tuotetun sähkön kannattavuuteen. Vuosihuoltoajankohdan optimointi palvelee myös Teollisuuden Voima Oyj:n osakkaiden vaatimuksia.