Perussyyanalyysien käyttö ydinvoimalaitosten tapahtumien tutkinnassa

Tämä diplomityö käsittelee perussyyanalyysien käyttöä Loviisan voimalaitoksella tapahtumien tutkinnassa. Diplomityössä käydään läpi erilaisia maailmalla käytössä olevia perussyyanalyysimenetelmiä. Nykyään Loviisan voimalaitoksella ei ole ohjeessa määritelty miten perussyyanalyysit tulee tehdä, joten diplomityön tulosten perusteella on tarkoitus valita Loviisan voimalaitokselle sopiva menetelmä. Diplomityössä tehdään eräs perussyyanalyysi kahdella eri menetelmällä, jotka tuntuivat sopivilta menetelmiltä Loviisan voimalaitoksille. Perussyyanalyysimenetelmät, joita käytetään, ovat Loviisassa käytetty sovellettu HPES-menetelmä ja yhdysvaltalaisten ydinvoimaviranomaisten kehittämä HPIP-menetelmä. Perussyyanalyysien valmistuttua ja tuloksia vertaillessa tultiin siihen lopputulokseen, ettei Loviisan voimalaitoksella ole tarvetta vaihtaa nykyisin käytössä olevaa mutta ohjeistamatonta menetelmää. Loviisan voimalaitokselle tehtävään uuteen perussyyanalyysiohjeeseen liitetään menetelmäkuvaus sovelletusta HPES-menetelmästä. Menetelmäkuvauksessa kuvataan miten HPES-menetelmää käytetään perussyyanalyysien tekoon Loviisan voimalaitoksella.

VVER-640 -reaktorityypin passiiviset turvallisuusominaisuudet

Turvallisuussuunnittelu muodostaa merkittävän osan ydinvoimalaitoksen suunnit-telutyöstä. Uusissa laitoskonsepteissa turvallisuutta on pyritty parantamaan lisää-mällä perinteisten aktiivisten hätäjärjestelmien rinnalle passiivisia eli toiminnal-taan puhtaasti luonnonlakeihin perustuvia hätäjärjestelmiä. Sähköteholtaan 640 MW oleva VVER-640 -laitostyyppi edustaa tässä suhteessa viimeisintä kehi-tysaskelta venäläisten VVER kevytvesireaktorien sarjassa. Suunnittelun lähtökoh-tana on ollut turvallisuuden parantaminen verrattuna aikaisempiin VVER-malleihin. Tähän on pyritty hätäjärjestelmien passiivisella toteutuksella. Passiivis-ten järjestelmien mitoitusperusteena on ollut laitoksen selviäminen itsenäisesti 24 tunnin ajan mahdollisissa onnettomuustilanteissa ilman suojarakennuksen tiiviy-den menetystä. Relap5-ohjelmalla tehtyjen simulointien perusteella laitoksen pas-siiviset järjestelmät näyttäisivät pystyvän huolehtimaan laitoksen turvallisuudesta sekä jäähdytteen- että sähkönmenetysonnettomuuksissa ilman aktiivisten järjes-telmien apua vaaditut 24 tuntia.

Passiivisten turvallisuusjärjestelmien luontaiset virhetoiminnot ydinvoimalaitoksessa

Uusissa ydinvoimalaitostyypeissä aiotaan käyttää aiempaa enemmän passiivisia turvallisuusjärjestelmiä. Näistä järjestelmistä on vielä vähän käyttökokemusta aktiivisiin turvallisuusjärjestelmiin verrattuna. Työssä tarkastellaan passiivisten turvallisuusjärjestelmien toimintaa sekä etsitään niiden mahdollisia luontaisia vikatilanteita. Luontaisten vikatilanteiden seurauksia järjestelmän suorituskykyyn arvioitiin yksinkertaisilla laskuilla ja mallintamalla RELAP5/MOD3.2.2 beta -termohydrauliikkaohjelmalla. Tarkastelu rajattiin kahden erityyppisen ydinvoimalaitoksen passiivisiin turvallisuusjärjestelmiin. Turvallisuusjärjestelmien suuntaa antavat mitat ja käyttötilanteiden parametrit saatiin laitosvalmistajien laitoskuvauksista. Osoittautui, että vikatilanteissa passiivisissa turvallisuusjärjestelmissä geometrialla on merkittävä vaikutus järjestelmän kapasiteettiin. Tarkasteluissa saatiin myös selville, että laitosmittakaavassa painovoimaisen hätälisävesijärjestelmän turvallisuustoiminto voi toteutua vaikka esiintyisi lyhytaikaisia toimintahäiriöitä, kuten lauhtumista hätälisävesisäiliössä. Sen sijaan lämmönsiirtopiirin virtausreittien tukkeutuminen voi olla fysikaalisesti merkittävä toimintaa haittaava tekijä.

Sähkötaseyhtiön liiketoimintasuunnitelman laatiminen

Diplomityössä esitetään toimintamalleja avoimen sähköntoimituksen ja markkinasähkön (spot-sähkö) välitykselle. Työn alkuosassa selvitetään sähkömarkkinoiden kehitystä ja sähkön pörssikaupan rakennetta pohjoismaisella markkina-alueella sekä tarkastellaan tasehallintaan, taseselvitykseen ja tietojen raportointiin liittyviä periaatteita Suomessa, erityisesti tasevastaavan kannalta katsottuna. Työssä kuvataan tiivistetysti yhteisomisteisten voimalaitosten yhteisajojärjestelyä, sähköntuotannon ja -hankinnan optimointia sekä tasehallintaa. Työn lopussa luodaan katsaus muiden Pohjoismaiden sekä Saksan sähkömarkkinoiden toimintaperiaatteisiin, taseselvitykseen, tasehallintaan ja tietojen raportointiin. Katsauksessa pyritään luomaan kuva toimintaperiaatteista, joiden perusteella suomalainen yhtiö voisi tulevaisuudessa laajentaa toimintaansa ulkomaille joko pelkkänä palvelujen tarjoajana tai myös tasevastaavana markkinaosapuolena.

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.

Cardan Gear Mechanism versus Slider-Crank Mechanism in Pumps and Engines

In machine design we always want to save space, save energy and produce as much power as possible. We can often reduce accelerations, inertial loads and energy consumption by changing construction. In this study the old cardan gear mechanism (hypocycloid mechanism) has been compared with the conventional slider-crank mechanism in air pumps and four-stroke engines. Comprehensive Newtonian dynamics has been derived for the both mechanisms. First the slidercrank and the cardan gear machines have been studied as lossless systems. Then the friction losses have been added to the calculations. The calculation results show that the cardan gear machines can be more efficient than the slider-crank machines. The smooth running, low mass inertia, high pressures and small frictional power losses make the cardan gear machines clearly better than the slider-crank machines. The dynamic tooth loads of the original cardan gear construction do not rise very high when the tooth clearances are kept tight. On the other hand the half-size crank length causes high bearing forces in the cardan gear machines. The friction losses of the cardan gear machines are generally quite small. The mechanical efficiencies are much higher in the cardan gear machines than in the slider-crank machines in normal use. Crankshaft torques and power needs are smaller in the cardan gear air pumps than in the equal slider-crank air pumps. The mean crankshaft torque and the mean output power are higher in the cardan gear four-stroke engines than in the slider-crank four-stroke engines in normal use. The cardan gear mechanism is at its best, when we want to build a pump or an engine with a long connecting rod (≈ 5⋅crank length) and a thin piston (≈ 1.5⋅crank length) rotating at high angular velocity and intermittently high angular acceleration. The cardan gear machines can be designed also as slide constructions without gears. Suitable applications of the cardan gear machines are three-cylinder half-radial engines for motorcycles, sixcylinder radial engines for airplanes and six-cylinder double half-radial engines for sport cars. The applied equations of Newtonian dynamics, comparative calculations, calculation results (tables, curves and surface plots) and recommendations presented in this study hold novelty value and are unpublished before. They have been made and written by the author first time in this study.

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.

Energiansiirtoketjun energiatehokkuus

Tämän työn tavoitteena oli tarkastella energiansiirtoketjun kokonaisenergiatehokkuutta, alkaen polttoaineesta ja päättyen sähköenergian loppukäyttäjään. Tarkasteltava energiansiirtoketju alkaa polttoaineen tuotannosta ja siirrosta. Tämän jälkeen tulee sähköenergian tuottaminen, siirtäminen, jakelu ja loppukäyttö. Sähköntuotannon osalta tarkasteltiin myös vesivoimaa ja tuulivoimaa, jolloin energiansiirtoketjusta jää polttoaineen tuotannon ja siirron häviöt pois. Työn pääpaino kohdistui sähköenergian tuotannon, siirron, jakelun ja loppukäytön energiatehokkuuksien tarkastelemiseen. Työssä selvitettiin myös tulevaisuuden näkymiä, miten hyötysuhteita saataisiin parannettua eri osa-alueilla uusilla tekniikoilla ja käyttötottumuksilla. Loppukäyttäjä saa polttoaineen energiasta hyödyksi noin neljänneksen. Suurimmat häviöt syntyvät sähköenergian tuotannossa, lukuun ottamatta vesivoimalaitoksia, joiden hyötysuhde on erittäin korkea.

Voimalaitosalan koulutusaineiston kehittäminen ja tuottaminen

Henkilökunnan korkea ammattitaito on avainasemassa voimalaitosalalla. Kuten monella muullakin teollisuusalalla, henkilöstön osaamisessa on tärkeä sija niin sanotulla hiljaisella tiedolla, jota kartutetaan työssä oppimalla. Tämän diplomityön ensimmäinen päämäärä oli kehittää menetelmä hiljaisen tiedon keräämiseksi voimalaitoksilla. Toinen päämäärä oli jatkaa Pohjolan Voiman vuosituhannen alussa aloittamaa projektia voimalaitosalan koulutusaineiston tuottamisen ja kehittämisen parissa. Diplomityössä kartoitettiin tilannetta voimalaitoksilla haastatteluin, lisäksi paikan päällä ollessa laadittiin listaa materiaalitarpeista, joita voimalaitoksilla on koulutusaineiston suhteen. Päällimmäisenä tavoitteena oli luoda tulevaisuutta varten mahdollisimman selvät suuntaviivat koulutusaineiston jatkokehitystä sekä hiljaisen tiedon keruuta silmälläpitäen.

Perspectives in the use of carbon dioxide

The mitigation of carbon dioxide is one of the scientific and technological challenges of the 2000s. Among the technologies that are under assessment, the recovery of carbon dioxide from power plants or industrial flue gases plays a strategic role. Recovered carbon dioxide can be either disposed in natural fields or used. The availability of large amounts of carbon dioxide may open new routes to its utilisation in biological, chemical and innovative technological processes. In this paper, the potential of carbon dioxide utilisation in the short-, medium-term is reviewed.

Modelling of North-West Russian market behavior considering technical restrictions of transmission grid

Nowadays the Finnish-Russian electric energy interaction is carried out through the back-to-back DC Vyborg substation and several power plants working synchronously with Finnish power system. Constant amount of energy flows in one direction — from Russia to Finland. But the process of electricity market development in Russian energy system makes the new possibilities of electrical cooperation available. The goal of master's thesis is to analyze the current state and possible evolution trends of North-West Russian system in relation with future possible change in power flow between Russia and Finland. The research is done by modelling the market of North-West Russia and examination of technical grid restrictions. The operational market models of North-West region of Russia for the years 2008 and 2015 were created during the research process. The description of prepared market models together with modelling results and their analysis are shown in the work. The description of power flow study process and results are also presented.

Tecnologia de células a combustível

The fuel cell principle was discovered by Sir Grove 150 years ago. However material problems prohibited its commercialization for a long time. A change has been occurring during the last 30 years, so two types of fuel cell technologies can be distinguished: low and high temperature operation cells. Nowadays, only phosphoric acid cells are commercially offered as 200 kWel power plants. Membrane cells are more suitable for automobile electrotraction with a very low (or no) environmental impact. The fuel continues, however, to play a very particular role, since hydrogen is not easy to store and to transport. The more promising target is the utilization of liquid methanol. The Brazilian scenario concerning this kind of technology is discussed.