Pienvesivoimalanmallinnus ja jakeluverkkovaikutusten tarkastelu

Tässä työssä simuloitiin Valkealassa sijaitsevaa Tirvan pienvesivoimalaitosta ja sen vaikutusta sähkönjakeluverkkoon. Pienvesivoimalaitos mallinnettiin PSCAD-ympäristöön verkko- ja voimalaitostietojen perusteella. Sähköverkko kuvattiin malliin koko 110 kV:n siirtävän verkon ja Tirvan pienjänniteverkon väliltä. Mallin avulla tehtiin sarja hajautettua sähköntuotantoa koskevia tarkasteluita. Tarkasteluissa huomattiin voimalaitoksen verkkoonliitynnän aiheuttavan standardien ylärajoilla olevan transienttisen muutoksen voimalaitoksen jännitteisiin. Työssä tehtiin yksityiskohtaisempi jännitehäviöiden mittaus voimalaitoksen pullonkaulana toimivalle pienitehoiselle jakelumuuntajalle. Tuotannon lisäämisen yhteydessä näkyvän yllättävän jännitteen laskun syyt paikannettiin muuntajalla tapahtuviin loistehon siirrosta johtuviin ylimääräisiin jännitehäviöihin. Voimalaitoksella ei ole merkittävää vaikutusta vikatilanteiden virtoihin.

Prosessijohtamisen soveltaminen energialaitoksen kunnossapidossa

Diplomityössä tarkastellaan prosessijohtamista energialaitoksen kunnossapidossa. Tarkastelun kohteena on Helsingin Energian voimalaitosten kunnossapito. Asioita tarkastellaan kunnossapitoliiketoiminnon näkökulmasta. Työ kertoo tapahtuneista muutoksista, nykyisestä toimintatavasta ja tulevaisuuden kehitystarpeista. Työn lähtökohtana ovat energia-alalla tapahtuneet toimintaympäristön muutokset ja yrityksen organisaation muutos. Yrityksen organisaatio on muutettu funktionaalisesta organisaatiosta liiketoimintopohjaiseksi, joka toi mukanaan sisäisen kaupankäynnin. Kunnossapidon toimittamiseen asiakkaalle sovelletaan prosessijohtamista. Prosessin kehittyminen on hidasta ja vaatii määrätietoista työtä edistyäkseen. Prosessit on kuvattava ja otettava käyttöön, jonka jälkeen voidaan tunnistaa kehityskohteita. Kunnossapitoprosessi ylittää liiketoimintojen välisen rajan, jonka toimivuus on ratkaisevaa prosessin suorituskyvylle. Prosessijohtamisen edistämiseksi on tunnistettu tärkeimmiksi kehityskohteiksi kunnossapitostrategian kehittäminen, rajapinnan selkiyttäminen ja prosessin mittaaminen.

Jyväskylän kaukolämpöverkon kehittäminen

Kaukolämmitys on yleisin Suomessa käytetty lämmitysmuoto ja sen osuus koko lämmitysmarkkinoista on noin 50 %. Kaukolämmön varsinainen tuotanto ja jakelu alkoivat Suomessa vuonna 1957 ja Jyväskylässä vuonna 1960. Jyväskylässä kaukolämmön piiriin kuuluivuoden 2006 loppuun mennessä noin 3200 asiakasta. Suurin tuntiteho laitoksilta oli noin 375 MW. Vuonna 2020 suurimman tuntitehon on ennustettu olevan noin 480 MW, mikä tarkoittaa asiakasmäärän ja verkon pituuden merkittävää kasvua. Jyväskylän kaukolämpöverkon nykytilanne on hyvä. Verkostolaskennan tulosten perusteella lämpö saadaan siirtymään nykyisillä laitoksilla ja verkon laitteilla jokaiselle asiakkaalle niin normaalitilanteessa kuin päälaitoksen häiriötilanteessa. Häiriötilanteessa paikallisia ongelmia voi esiintyä, mutta niihin voidaan vaikuttaa parantavasti esimerkiksi verkon staattisen paineen nostolla. Jyväskylän kaukolämpöverkon tulevaisuuden näkymät ovat erinomaiset. Laskennan perusteella verkkoa voidaan laajentaa kaikille laskennassa mukana olleille alueille ilman suurempia ongelmia. Uuden tuotantokapasiteetin, verkonlaajentumisen ja asiakasmäärän kasvun aiheuttamat kehitystarpeet saatiin selvitetyksi ja tulokset olivat aikaisempien tutkimusten suuntaisia. Tulevaisuutta ajatellen verkkoon joudutaan tekemään muutamia muutoksia suunniteltujen uusien yhteyksien lisäksi. Uuteen linjaan, joka yhdistää Palokan verkon toisen yhteyden kautta Jyväskylän pääverkkoon, rakennetaan mahdollisesti pumppaamo. Lisäkuristusventtiilejä tarvitaan viiteen eri paikkaan turvaamaan riittävän suuret kaukolämpöveden paluupaineet. Osa venttiileistä olisi suositeltavaa asentaa jo nykytilanteessa, sillä niiden hankinta parantaisi verkon nykytilaa.

Sähkön omatuotannon kannattavuustarkastelu

Tässä diplomityössä tutkitaan sähkön omatuotannon kannattavuutta M-realin Simpeleen tehtaiden voimalaitoksella. Erityisesti työssä arvioidaan lauhdesähköntuotannon kannattavuutta polttoaine- ja päästökustannuksista muodostuvien marginaalikustannusten osalta. Koska voimalaitoksen rakennusaste on varsin alhainen,sähköntuotannon kannattavuutta on tarkasteltu arvioimalla sähkön ja lämmön yhteistuotannon kustannuksia ja jakamalla syntyneet kustannukset suhdemenetelmän avulla eri tuotteille. Diplomityössä etsitään kustannustehokkain seospolttosuhde annettujen reunaehtojen puitteissa muodostamalla polttoaineista aiheutuvista kustannuksista laskentamalli, jota optimoidaan Microsoft Excelin Solver-toiminnolla. Lauhdesähköntuotannon marginaalikustannuksia verrataan Nord Poolin SPOT-tuntihintaan. Lauhdesähköntuotanto voimalaitoksella on kannattavaa, mikäli SPOT-tuntihinnan vuorokautinen keskiarvo ylittää lauhdesähköntuotannon marginaalikustannukset.

Putkilämmönsiirtimien mitoitustyökalujen kehittäminen

Diplomityön tarkoituksena on kehittää tietokoneohjelma putkilämmönsiirtimen vaippapuolen painehäviön laskemiseksi. Ohjelmalla voidaan varmistaa lämmönsiirtimen mitoitusvaiheessa, että vaippapuolen painehäviö ei ylitä sallittuja rajoja. Ohjelmatäydentää olemassa olevia mitoitusohjelmia. Tässä diplomityössä käsitellään ainoastaan höyryvoimalaitosprosesseissa käytettäviä putkilämmönsiirtimiä. Työn kirjallisessa osassa on selvitetty periaate höyryvoimalaitosprosessista ja siinä käytettävistä putkilämmönsiirtimistä sekä esitetty putkilämmönsiirtimien rakenne, yleinen suunnittelu ja lämpö- ja virtaustekninen mitoitus. Painehäviön laskennassa käytetyt ja lämpö- ja virtausteknistä mitoitusta käsittelevässä kappaleessa esitetyt yhtälöt perustuvat Bell-Delawaren menetelmään. Painehäviönlaskentaohjelma on toteutettu hyväksikäyttäen Microsoft Excel taulukkolaskentaa ja Visual Basic -ohjelmointikieltä. Painehäviön laskenta perustuu segmenttivälilevyillä varustetun putkilämmönsiirtimen vaippapuolen yksifaasivirtaukseen. Lämmönsiirtimen lauhdutinosan painehäviö oletetaan merkityksettömäksi, joten kokonaispainehäviö muodostuu höyryn- ja lauhteenjäähdyttimessä. Kehitetty ohjelma on suunniteltu erityisesti lauhteenjäähdyttimessä muodostuvan painehäviön laskentaan. Ohjelmalla laskettuja painehäviön arvoja on verrattu todellisesta lämmönsiirtimestä mitattuihin arvoihin. Lasketut arvotvastaavat hyvin mittaamalla saatuja, eikä tuloksissa ilmene mitään systemaattista virhettä. Ohjelma on valmis käytettäväksi putkilämmönsiirtimien mitoitustyökaluna. Diplomityön pohjalta on tehty ehdotukset ohjelman edelleen kehittämiseksi.

Voimalaitoksen höyryjärjestelmän paineensäädön hallinta

Diplomityön tavoitteena oli selvittää tapoja hallita voimalaitoksen höyryjärjestelmän paineensäätöä. Työ on tehty Neste Oilin Porvoon jalostamon energialaitoksen höyryjärjestelmästä. Energialaitos käsittää kaksi höyrykattilaa ja kaasuturbiinivoimalaitoksen, sekä öljynjalostamolla sijaitsevat höyrykattilan ja kaasuturbiinivoimalaitoksen. Höyryverkon häiriötilanteet aiheuttavat paineenlaskua höyryverkossa, jos jonkun höyryntuottajan tuotanto keskeytyy, tai paineennousua höyryverkossa, jos joku höyrynkuluttajista ei kuluta enää höyryä. Nykyisessä tilanteessa vakavin paineen laskua aiheuttava häiriötilanne olisi energialaitoksen höyrykattilan tuotannon keskeytyminen. Vakavin paineennousua aiheuttava häiriötilanne olisi suurimman kuluttajan,eli energialaitoksen vastapaineturbiinin, irtaantuminen höyryverkosta. Paineen hallinta voidaan toteuttaa oikeanlaisilla automaation ratkaisuilla, joita on mahdollista kehittää käyttökokemukseen perustuen järjestelmäpäivitysten yhteydessä. Häiriötilanteita voidaan yrittää ennakoida kunnossapidon keinoin niin, että vikaantuminen havaitaan ennen kuin vakava häiriö tapahtuu. Erityisesti kunnossapitostrategian kehittäminen auttaisi kohdistamaan kunnossapitotoimenpiteet oleellisimpiin kohteisiin kustannustehokkaasti. Lisäksi käyttöhenkilökunnan oikeanlaisella toiminnalla häiriön sattuessa voidaan häiriöiden aiheuttamia seuraamuksia tuotantoon ja turvallisuuteen lieventää. Käyttöhenkilökunnan toimintaa voidaan parantaa koulutuksella.

Energiatehokkaiden tuotteiden myynti voimalaitoksiin

Tämän diplomityö käsittelee energiasäästömahdollisuuksia taajuusmuuttajien ja korkean hyötysuhteen moottoreiden avulla Suomen voimalaitoksissa. Energiatehokkuuden parantaminen voimalaitosten tuotantoprosessissa tarjoaa suuria myyntimahdollisuuksia ja on siten mielenkiintoinen tutkimuksen kohde. Työn tavoitteena on analysoida voimalaitostoimialaa Suomessa ja selvittäävoimalaitosten energiansäästöpotentiaalia suurimpien sähköä kuluttavien laitteiden osalta. Työn perusteella saadaan muodostettua kuva taajuusmuuttaja ja korkean hyötysuhteen moottorien markkinoista voimalaitoksiin. Työnalkuosassa keskitytään voimalaitostoimialan ja energiamarkkinoiden analyysiin. Analyysissä käydään läpi yleisimpien voimalaitosten toimintaperiaatteet ja energiatehokkaiden tuotteiden markkinakehitys sekä teollisuuden investointeihin liittyviä tekijöitä. Työn loppuosa käsittelee voimalaitosten suurimpien pumppujen ja puhaltimien energiansäästömahdollisuutta taajuusmuuttajien avulla. Työn tuloksena on muodostettu analyysi eri voimalaitostyyppien laittokannasta ja arvio energiasäästöstä sekä myyntipotentiaalista, jos laitteet muutetaan taajuusmuuttajakäytöiksi.

Energiankäytön tehostamispotentiaalit UPM-Pelloksen vaneritehtailla

UPM-Pelloksen vaneritehtaat muodostavat Euroopan suurimman vanerintuotantoyksiköntuotantokapasiteetilla mitattuna. Pelloksen vaneritehtailla on kolme eri tehdasta yhdellä tehdasalueella. Vaneritehtaiden viilunkuivaus on hyvin merkittävä primäärienergian kuluttaja. Tehtaiden prosessienergian saannista huolehtii Järvi-Suomen Voiman voimalaitos. Viilunkuivaajien poistokaasuista jalauhteista saadaan talteen merkittävästi sekundäärienergiaa. Sekundäärienergia kulutetaan pääosin hautomoaltaalla tukkien haudontaan. Tukkien haudonta pyritäänhoitamaan lähes kokonaan sekundäärienergialla. Primäärihöyryä tarvitaan altaalle kuitenkin huoltoseisakkien aikana. Tässä diplomityössä tutustutaan vanerin valmistuksen prosessiin Pelloksen vaneritehtailla. Työssä kartoitetaan tehtaiden prosessien, hautomoaltaan ja voimalaitoksen välisiä energiavirtauksia. Työn tarkoituksena on saada selville mahdollisia hyödyntämättömiä potentiaaleja tehtaiden energiankäytössä. Työssä pohditaan myös mahdollisia eri tapoja energiankäytön tehostukselle. Voimalaitoksen höyrykuorma on kuivauskoneiden kulutuksesta riippuen ajoittain voimakkaasti vaihtelevaa. Höyrykuorman vaihtelu aiheuttaa ongelmia voimalaitoksen tuotannolle. Työssä pohditaan höyrykuorman tasausmahdollisuutta muun muassa höyryakun avulla.

100MW:n biokattilan polttoaineiden hankinta ja taselaskenta

Diplomityö tehtiin Anjalankoskella sijaitsevalle Vattenfallin tytäryhtiölle, Vamy Oy:lle. Vamy toimittaa Myllykoski Paper Oy:lle prosessilämpöä ja sähköä. Vuotuinen energiantuotanto on noin 700- 900 GWh prosessilämpöä ja 150- 190 GWh sähköä paperin tuotantomäärästä riippuen. Diplomityön tavoitteena oli parantaa voimalaitoksen kiinteän polttoaineen näytteenottojärjestelmää ja sitä kautta parantaa biokattilan hyötysudetta. Voimalaitoksen biokattila on leijupetikattila, jossa poltetaan tehtaalta tulevaa kuorta ja lietettä sekä tehtaan ulkopuolisia puuperäisiä biopolttoaineita ja turvetta. Työn aikana tehtyjen selvitysten perusteella voimalaitokselle hankittiin polttoainetietojärjestelmä. Lisäksi näytteenotto- ja näytteiden käsittelyohjeet päivitettiin energiaturpeen laatuohjeen 2006 ja kiinteiden biopolttoaineiden CEN teknisten spesifikaatioiden mukaiseksi.

Maakaasun kuumailmapolton teoria ja koelaitteiston suunnittelu

Tässä diplomityössä on tarkasteltu maakaasun kuumailmapolton teoriaa ja suunniteltu koelaitteisto. Työn alkuosassa on käsitelty maakaasun ominaisuuksia kuumailmapolton polttoaineena. Lisäksi on vertailtu kuumailmapolttoa perinteiseen polttoon. Teoreettinen tarkastelu on painottunut kuumailmapolton toiminnallisiin vaatimuksiin, joiden perusteella koelaitteisto on suunniteltu. Uuden koelaitteiston lähtökohtana on ollut Lappeenrannan teknillisen yliopiston voimalaitostekniikan laboratorion polttolaitteisto, johon on suunniteltu ja rakennettu kuumailmapolton edellyttämät muutokset. Koelaitteistolla tehtäviä maakaasun kuumailmapolttokokeita varten on laadittu koesuunnitelma, mutta koepolttoja ei tämän diplomityön puitteissa ole tehty. Laitteiston toiminta-arvoja on tarkasteltu esimerkkilaskulla, jossa käsitellään tyypillistä maakaasun kuumailmapolton koetilannetta.

Laatupoikkeamienkäsittelyn tehostaminen Olkiluoto 3 -projektissa

Diplomityössä tutustaan Olkiluoto 3-laitoksen suunnittelu- ja rakennusvaiheen aikaisiin laatupoikkeamiin ja niiden käsittelyyn. Työn tavoitteena on paikantaa poikkeamakäsittelyn pahimmat ongelmakohdat, ja kehittää menetelmiä ongelmien ratkaisemiseksi. Diplomityön tutkimusmenetelmänä käytettiin toimintatutkimusta. Tutkimus toteutettiin kevään 2007 aikana havainnoimalla Olkiluoto 3-projektin laadunhallinnan toimintaa ja analysoimalla projektissa syntyneitä poikkeamia. Työn toteuttamisessa tutustuttiin kansallisin ja kansainvälisiin laadunhallinnan standardeihin sekä erityisesti ydinvoima-alaa koskeviin laadunhallinnan ohjeistuksiin. Diplomityön tuloksena kehitettiin menetelmä OL 3-projektin toiminnallisten poikkeamien luokittelemiseksi. Jatkossa luokittelumenetelmää voidaan hyödyntää aiempaa tarkemman poikkeamatiedon analysoinnissa, sisäisessä päätöksenteossa sekä OL 3-projektin tiedotuksessa.

Esiselvitys puupolttoaineen jalostamisesta torrefiointitekniikalla

Fossiilisten polttoaineiden käytöstä aiheutuvia kasvihuonekaasupäästöjä pyritään vähentämään EU:ssa mm. päästökaupan avulla. Uusiutumattomien polttoaineiden tilalle kehitetään biopolttoaineita, joita voidaan hyödyntää olemassa olevien voimalaitosten polttolaitteistoilla. Biopolttoaineiden etuna on, ettäniiden ei katsota lisäävän hiilidioksidipäästöjä, koska biomassa sitoo itseensä kasvaessaan poltossa vapautuvan määrän hiiltä. Eräs kiinnostavimmista jalostetuista biopolttoaineista on torrefioitu puu, joka vastaa useimmilta ominaisuuksiltaan kivihiiltä ja jota voidaan käyttää hiilivoimalaitoksissa ilman laitteistomuutoksia. Torrefiointi on puun eräänlaista paistamista hapettomissa olosuhteissa 250-270ºC:ssa, jolloin siitä saadaanpoistettua vesi ja osa haihtuvista aineista. Puun väri muuttuu suklaanruskeaksi, se kevenee, ei savuta poltettaessa, hylkii vettä, jauhautuu hyvin sekä sillä on pienet hiukkaspäästöt. Käsitellyn puun ominaisuudet muuttuvat säilyvyydeltään ja käyttöominaisuuksiltaan merkittävästi raaka-aineeseen verrattuna. Torrefioinnilla saavutetaan puulle polttoainekäytön kannalta myös paremmat ja kestävämmät ominaisuudet kuin hiiltämällä. Torrefiointiprosessia on tutkittu jonkin verran ja torrefioidun biomassan polttoa voimalaitosmittakaavassa on kokeiltu pienessä mittakaavassa. Torrefioitu materiaali on alhaisen tiheytensä vuoksi hankalaa ja kallista kuljettaa,joten sen tiheyttä tulee nostaa kuljetuksia varten tiivistämällä esim.pelletöimällä. Torrefionti yhdistettynä pelletöintiin on parhaimmillaan kilpailukykyinen vaihtoehto, kun kivihiiltä korvaavaa biomassaa jalostetaan kaukana käyttöpaikasta ja kuljetetaan irtotavarana aluskuljetuksina. Torrefioitua puuta on tiettävästi poltettu vain hollantilaisessa voimalaitoksessa. Tässä esiselvityksessä kootun tiedon perusteella torrefioidun puupolttoaineen tuottamiseen Suomen olosuhteissa arvioidaan olevan teknis-taloudellisia mahdollisuuksia. Kuitenkin torrefiointiprosessin soveltaminen suomen olosuhteisiin ja kotimaisiin raakaaineisiin vaatii panostusta jatkotutkimukseen ennen varsinaiseen toteutusvaiheeseen siirtymistä.

Dynamic Model of a Small Once-Through Boiler

In this study, a model for the unsteady dynamic behaviour of a once-through counter flow boiler that uses an organic working fluid is presented. The boiler is a compact waste-heat boiler without a furnace and it has a preheater, a vaporiser and a superheater. The relative lengths of the boiler parts vary with the operating conditions since they are all parts of a single tube. The present research is a part of a study on the unsteady dynamics of an organic Rankine cycle power plant and it will be a part of a dynamic process model. The boiler model is presented using a selected example case that uses toluene as the process fluid and flue gas from natural gas combustion as the heat source. The dynamic behaviour of the boiler means transition from the steady initial state towards another steady state that corresponds to the changed process conditions. The solution method chosen was to find such a pressure of the process fluid that the mass of the process fluid in the boiler equals the mass calculated using the mass flows into and out of the boiler during a time step, using the finite difference method. A special method of fast calculation of the thermal properties has been used, because most of the calculation time is spent in calculating the fluid properties. The boiler was divided into elements. The values of the thermodynamic properties and mass flows were calculated in the nodes that connect the elements. Dynamic behaviour was limited to the process fluid and tube wall, and the heat source was regarded as to be steady. The elements that connect the preheater to thevaporiser and the vaporiser to the superheater were treated in a special way that takes into account a flexible change from one part to the other. The model consists of the calculation of the steady state initial distribution of the variables in the nodes, and the calculation of these nodal values in a dynamic state. The initial state of the boiler was received from a steady process model that isnot a part of the boiler model. The known boundary values that may vary during the dynamic calculation were the inlet temperature and mass flow rates of both the heat source and the process fluid. A brief examination of the oscillation around a steady state, the so-called Ledinegg instability, was done. This examination showed that the pressure drop in the boiler is a third degree polynomial of the mass flow rate, and the stability criterion is a second degree polynomial of the enthalpy change in the preheater. The numerical examination showed that oscillations did not exist in the example case. The dynamic boiler model was analysed for linear and step changes of the entering fluid temperatures and flow rates.The problem for verifying the correctness of the achieved results was that there was no possibility o compare them with measurements. This is why the only way was to determine whether the obtained results were intuitively reasonable and the results changed logically when the boundary conditions were changed. The numerical stability was checked in a test run in which there was no change in input values. The differences compared with the initial values were so small that the effects of numerical oscillations were negligible. The heat source side tests showed that the model gives results that are logical in the directions of the changes, and the order of magnitude of the timescale of changes is also as expected. The results of the tests on the process fluid side showed that the model gives reasonable results both on the temperature changes that cause small alterations in the process state and on mass flow rate changes causing very great alterations. The test runs showed that the dynamic model has no problems in calculating cases in which temperature of the entering heat source suddenly goes below that of the tube wall or the process fluid.

Logging residues from regeneration fellings for biofuel production - a GIS-based availability and supply cost analysis

Finland has large forest fuel resources. However, the use of forest fuels for energy production has been low, except for small-scale use in heating. According to national action plans and programs related to wood energy promotion, the utilization of such resources will be multiplied over the next few years. The most significant part of this growth will be based on the utilization of forest fuels, produced from logging residues of regeneration fellings, in industrial and municipal power and heating plants. Availability of logging residues was analyzed by means of resource and demand approaches in order to identify the most suitable regions with focus on increasing the forest fuel usage. The analysis included availability and supply cost comparisons between power plant sites and resource allocation in a least cost manner, and between a predefined power plant structure under demand and supply constraints. Spatial analysis of worksite factors and regional geographies were carried out using the GIS-model environment via geoprocessing and cartographic modeling tools. According to the results of analyses, the cost competitiveness of forest fuel supply should be improved in order to achieve the designed objectives in the near future. Availability and supply costs of forest fuels varied spatially and were very sensitive to worksite factors and transport distances. According to the site-specific analysis the supply potential between differentlocations can be multifold. However, due to technical and economical reasons ofthe fuel supply and dense power plant infrastructure, the supply potential is limited at plant level. Therefore, the potential and supply cost calculations aredepending on site-specific matters, where regional characteristics of resourcesand infrastructure should be taken into consideration, for example by using a GIS-modeling approach constructed in this study.