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.

Composição química da precipitação úmida da região metropolitana de Porto Alegre, Brasil, 2005- 2007

This work aims to quantify the wet precipitation the Metropolitan Area of Porto Alegre (MAPA), in southern Brazil, through the analysis of major ions (by ion chromatography) and metallic elements (ICP/AES). By principal components analysis and cluster analysis was possible to identify the influence of natural and anthropic sources in wet precipitation. The results indicated of the higher contribution to the ions NH4+, SO4(2-) and Ca2+. Thus it was possible to identify the contribution of anthropogenic sources in wet precipitation in the study area, such as power plants, oil refineries, steel and vehicle emissions.

Täystehokonvertterin tehohäviöt ja hyötysuhde

Diplomityössä perehdytään tuuliturbineissa käytettyjen täystehokonvertterien tehohäviöihin ja hyötysuhteeseen. Täystehokonvertterissa generaattorin tuottama sähköteho tasasuunnataan hyvällä hyötysuhteella aktiivisella geenraattorisillalla konvertterin välipiiriin ja edelleen vaihtosuunnataan aktiivisella verkkovaihtosuuntaajasillalla siirtoverkkoon. Työn tarkoituksena on antaa yleiskuva tehohäviöiden jakautumisesta ja yksinkertaistaa niiden laskentaa. Häviömekanismit ja häviöiden määräytyminen esitellään pääkomponenttitasolla. Tehohäviöiden osalta keskitytään erityisesti muuntajateräksestä valmistettujen sinisuotimien ja du/dt-suotimien rautahäviöihin. Ongelmana rautahäviöiden määrittämisessä on korkeilla taajuuksilla tapahtuvat häviöt, joiden laskentaan ei ole yleensä saatavilla tarvittavia materiaaliparametrejä. Tehohäviöiden laskentaa varten toteutettu laskentasovellus on esitelty periaatteellisina vuokaavioina ja sovelluksella saatavia tuloksia on esitetty ja vertailtu mitattuihin tuloksiin.

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.

Vesiteiden pato- ja sulkurakenteiden korjaustarpeen määrittäminen Suomen merkittävimmissä vesivoimalaitoksissa

Tämän diplomityön tavoitteena oli kartoittaa suomalaisten vesivoimalaitosten vesiteiden pato – ja sulkurakenteiden tulevia korjaustarpeita seuraavien viiden vuoden aikana. Tutkimuskohteiksi rajattiin yli 1 MW:n ja ennen vuotta 1975 valmistuneet sekä vielä peruskorjaamattomat kohteet. Näillä rajauksilla muodostui 73 vesivoimalaitoksen joukko. Näissä vesivoimalaitoksissa oli yhteensä 133 koneistoa ja 394 erilaista sulkurakennetta. Tutkimusaineisto hankittiin haastattelemalla 30 henkilöä yhteensä 24:stä eri yhtiöstä. Haastateltavat olivat pääasiassa laitosten käyttö- tai kunnossapitopäälliköitä, mutta myös omistajayhtiöiden ylintä johtoa. Strukturoidun haastattelulomakkeen avulla toteutettuna haastattelu oli siten lähes puhdas kyselytutkimus, jonka vastausprosentiksi muodostui 100 %. Haastattelu mahdollisti epäselvien yksityiskohtien selvittämisen ja siten tutkimuksen luotettavuus muodostui suuremmaksi kuin pelkällä kyselylomake - mittauksella. Tulokset osoittivat, että tulevia korjaustarpeita havaittiin noin kolmasosassa tutkimuskohteista. Tyypillisimmät korjaustarpeet ovat vesiteiden betonirakenteisiin tulleissa vaurioissa sekä sulkurakenteiden teknisen ikääntymisen myötä tulevissa tiiviysongelmissa sekä toiminnallisissa vioissa.

DFMA-ohjeistuksen laatiminen tuulivoimateollisuuden mekaniikkasuunnittelijoille

Osien hyvä valmistettavuus on aina asettanut haasteita suunnittelulle. Yritysten verkostoituminen lisää haasteellisuutta, kun tuotteiden suunnittelu tehdään erillään kokoonpanosta ja osavalmistus tapahtuu alihankintana. Tällöin on ensiarvoisen tärkeää, että suunnittelulla on tarvittavat perustiedot eri valmistusmenetelmistä, jotta suunniteltujen osien valmistus ja kokoonpano luonnistuu ongelmitta. Työn alun kirjallisuusosiossa käsitellään suunnittelun teoriaa, joka toimii perustana hyvälle osasuunnittelulle. Teorian lisäksi työssä käsitellään eri työmenetelmiä koskevat rajoitukset ja mahdollisuudet. Oikein suunniteltu osa on työstömenetelmien kannalta hyvin valmistettavissa, työ voidaan tehdä taloudellisilla työmenetelmillä ja kokoonpanossa osat sopivat yhteen ilman sovitustyötä. Käytännön osuudessa on käsitelty The Switch Drive Systems Oy:n tuotteiden valmistettavuuden kehityskohteita, joilla tuotteiden valmistettavuutta voidaan parantaa. Kehityskohteiden perusteella on laadittu valmistusmenetelmäkohtainen suunnittelun ohjeistus, jonka avulla kehitetään The Switchin suunnittelua vastaamaan paremmin laitetoimittajien tarpeisiin. Näiden ohjeistuksien avulla voidaan kehittää suunnittelutyötä siten, että osien valmistettavuus sekä laatu paranevat ja kokoonpano nopeutuu.

Osaamisen hallinta suurissa muutosprojekteissa

Ydinvoimatoiminta on muuta teollisuustoimintaa huomattavasti säädellympi alue, missä organisaatioiden riittävä osaaminen on ydinturvallisuuden kannalta tärkeää. Tästä syystä osaamisen riittävyyden takaamiseksi panostetaan tinkimättömästi. Etenkin prosessi- ja turvajärjestelmiin tehtävät muutos- modernisointityöt luovat haasteita organisaatioiden nykyosaamiselle, koska muutosten hallinta edellyttää organisaatioilta jatkuvaa oppimista ja osaamisen kehittämistä. Fortum Power & Heat Oy:n omistamalla ydinvoimalaitoksella käynnistettiin vuoden 2005 alussa laaja automaatiouusintaan tähtäävä projekti. Järjestelmien kokonaistoimittajaksi oli valittu ranskalais-saksalainen Areva NP GmbH – Siemens AG – konsortio. Konsortion kokonaistoimitukseen kuuluu automaatiojärjestelmien uusimisen lisäksi myösydinvoimalaitoksen henkilöstön kouluttaminen. Loviisa ydinvoimalaitoksen käyttöluvan haltijana Fortum Power & Heat Oy on kokonaisvastuullinen ydinvoimalaitoksen toiminnasta. Täten myös henkilöstön riittävä osaaminen ja pätevyys ovat Fortumin vastuulla. Toimittajan järjestämien koulutustilaisuuksien avulla hankittu uusi osaaminen on havaittu riittämättömäksi. Tämän on koettu johtuvan osittain teoriaan painottuvasta koulutusmateriaalista ja myös siitä, että käytännön tarjoamiin koulutustilaisuuksiin kuten esimerkiksi osallistuminen suunnittelutyöhön ei ole hakeuduttu. Lisäksi koulutus kaipaa kokonaisuudessaan kehittämistä. Tästä johtuen ydinvoimalaitosten muutostöihin liittyvän henkilöstön osaamisen ja pätevyyden selvittämiseksi käynnistettiin tämä tutkimus. Tutkimuksessa on tunnistettu useita sellaisia kehityskohteita, joita tehostamalla on mahdollista kehittää automaatioylläpitoryhmän osaamista. Lisäksi on esitetty menettelytapoja ja käytäntöjä, joilla ylläpidon koulutusta on mahdollista tehostaa. Tutkimuksen tuotokset toimivat suuntaviivoina organisaation kehittämisen toteutukselle.

Parallel-Operating Three-Phase Voltage Source Inverters – Circulating CurrentModeling, Analysis and Mitigation

The maximum realizable power throughput of power electronic converters may be limited or constrained by technical or economical considerations. One solution to this problemis to connect several power converter units in parallel. The parallel connection can be used to increase the current carrying capacity of the overall system beyond the ratings of individual power converter units. Thus, it is possible to use several lower-power converter units, produced in large quantities, as building blocks to construct high-power converters in a modular manner. High-power converters realized by using parallel connection are needed for example in multimegawatt wind power generation systems. Parallel connection of power converter units is also required in emerging applications such as photovoltaic and fuel cell power conversion. The parallel operation of power converter units is not, however, problem free. This is because parallel-operating units are subject to overcurrent stresses, which are caused by unequal load current sharing or currents that flow between the units. Commonly, the term ’circulatingcurrent’ is used to describe both the unequal load current sharing and the currents flowing between the units. Circulating currents, again, are caused by component tolerances and asynchronous operation of the parallel units. Parallel-operating units are also subject to stresses caused by unequal thermal stress distribution. Both of these problemscan, nevertheless, be handled with a proper circulating current control. To design an effective circulating current control system, we need information about circulating current dynamics. The dynamics of the circulating currents can be investigated by developing appropriate mathematical models. In this dissertation, circulating current models aredeveloped for two different types of parallel two-level three-phase inverter configurations. Themodels, which are developed for an arbitrary number of parallel units, provide a framework for analyzing circulating current generation mechanisms and developing circulating current control systems. In addition to developing circulating current models, modulation of parallel inverters is considered. It is illustrated that depending on the parallel inverter configuration and the modulation method applied, common-mode circulating currents may be excited as a consequence of the differential-mode circulating current control. To prevent the common-mode circulating currents that are caused by the modulation, a dual modulator method is introduced. The dual modulator basically consists of two independently operating modulators, the outputs of which eventually constitute the switching commands of the inverter. The two independently operating modulators are referred to as primary and secondary modulators. In its intended usage, the same voltage vector is fed to the primary modulators of each parallel unit, and the inputs of the secondary modulators are obtained from the circulating current controllers. To ensure that voltage commands obtained from the circulating current controllers are realizable, it must be guaranteed that the inverter is not driven into saturation by the primary modulator. The inverter saturation can be prevented by limiting the inputs of the primary and secondary modulators. Because of this, also a limitation algorithm is proposed. The operation of both the proposed dual modulator and the limitation algorithm is verified experimentally.

Irtokappaleiden hallinnan nykytila ja kehittäminen Loviisan voimalaitoksella

Ydinvoimateollisuudessa irtokappaleella tarkoitetaan prosessiin kuulumatonta materiaalia, joka ei luonnostaan kuulu prosessiin ja jolla prosessiin jäädessään voi olla haitallinen vaikutus sen toimintaan, komponentteihin tai kemiaan. Irtokappaleet voivat aiheuttaa monenlaisia haittoja ydinvoimalaitoksen turvalliselle ja taloudelliselle käytölle. Vaikka ydinvoimalaitoksen käytössä turvallisuus on aina etusijalla, negatiiviset vaikutukset turvallisuuteen heijastuvat usein myös talouteen. Diplomityössä arvioitiin erilaisia irtokappaleiden aiheuttamia riskejä ydinvoimalan toiminnalle käyttötapahtumia analysoimalla. Erilaisiin tapahtumiin, niiden aiheuttajiin ja vaikutusmekanismeihin tutustumisen jälkeen tutkittiin Loviisan voimalaitoksen käyttämiä toimintatapoja irtokappaleiden hallitsemiseksi. Irtokappaleiden hallintaan pyritään sekä hallinnollisilla että käytännön menetelmillä. Hallinnollisia menetelmiä ovat esimerkiksi ohjeistojärjestelmä ja johtaminen, käytännön menettelytapoja esimerkiksi työtavat ja koulutus. Irtokappaleiden hallinnan menetelmiin tutustuttiin sekä tehoajolla että vuosihuollon aikana. Nykytilan arvioinnin perusteella esitettiin toimenpide-ehdotuksia irtokappaleiden hallinnan kehittämiseksi. Toimenpide-ehdotukset muodostettiin sekä korjaamaan havaittuja haavoittuvuuksia että kehittämään toimintaa kansainvälisesti hyviksi tunnistettujen käytäntöjen mukaisiksi.

Automaatiolaitteiden elinkaaren hallinta ydinvoimalaitoksessa

Diplomityön tavoitteena on selvittää automaatiolaitteiden elinkaaren hallintaa ottaen huomioon ydinvoimalaitoksessa toimimisen erityispiirteet. Elinkaaren hallinnan tavoitteena on laitoksen korkean turvallisuuden ja käyttökertoimen varmistaminen. Työssä käydään läpi elinkaaren vaiheita käyttäen esimerkkinä turbiinilaitoksen automaation modernisointiprojektia. Diplomityö alkaa katsauksella ydinenergia-alan viranomaisiin, säännöksiin sekä menetelmiin, joilla ydinturvallisuus varmistetaan. Työssä otetaan selvää, millaisissa tehtävissä automaatiolaitteet ja –järjestelmät ydinvoimalaitoksissa toimivat ja millä perusteilla ne kelpoistetaan käyttötarkoitukseensa. Työssä pyritään lisäksi kartoittamaan ydinvoimala-alan tarpeita erilaisilleautomaatiotekniikkaan liittyville palveluille. Esiin nousivat etenkin haasteet ohjelmistoversioiden hallinnassa.

Model based study of a calcium oxide looping process for post-combustion carbon dioxide capture

Calcium oxide looping is a carbon dioxide sequestration technique that utilizes the partially reversible reaction between limestone and carbon dioxide in two interconnected fluidised beds, carbonator and calciner. Flue gases from a combustor are fed into the carbonator where calcium oxide reacts with carbon dioxide within the gases at a temperature of 650 ºC. Calcium oxide is transformed into calcium carbonate which is circulated into the regenerative calciner, where calcium carbonate is returned into calcium oxide and a stream of pure carbon dioxide at a higher temperature of 950 ºC. Calcium oxide looping has proved to have a low impact on the overall process efficiency and would be easily retrofitted into existing power plants. This master’s thesis is done in participation to an EU funded project CaOling as a part of the Lappeenranta University of Technology deliverable, reactor modelling and scale-up tools. Thesis concentrates in creating the first model frame and finding the physically relevant phenomena governing the process.

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.

Stress testing and risk evaluation of new capacity payment algorithm proposed by Market Council

In the Russian Wholesale Market, electricity and capacity are traded separately. Capacity is a special good, the sale of which obliges suppliers to keep their generating equipment ready to produce the quantity of electricity indicated by the System Operator. The purpose of the formation of capacity trading was the maintenance of reliable and uninterrupted delivery of electricity in the wholesale market. The price of capacity reflects constant investments in construction, modernization and maintenance of power plants. So, the capacity sale creates favorable conditions to attract investments in the energy sector because it guarantees the investor that his investments will be returned.

Improving the calculation of rate of stratification in APROS

APROS (Advanced Process Simulation Environment) is a computer simulation program developed to simulate thermal hydraulic processes in nuclear and conventional power plants. Earlier research at VTT Technological Research Centre of Finland had found the current version of APROS to produce inaccurate simulation results for a certain case of loop seal clearing. The objective of this Master’s thesis is to find and implement an alternative method for calculating the rate of stratification in APROS, which was found to be the reason for the inaccuracies. Brief literature study was performed and a promising candidate for the new method was found. The new method was implemented into APROS and tested against experiments and simulations from two test facilities and the current version of APROS. Simulation results with the new version were partially conflicting; in some cases the new method was more accurate than the current version, in some the current method was better. Overall, the new method can be assessed as an improvement.