Laitosmittaukset turbiinilaitoksen suorituskyvyn seurantaan ydinvoimalaitoksen vuosihuoltojen yhteydessä

Työssä kehitettiin höyryvoimalaitosprosessin tilan seurantaan laitosmittausrutiini, jolla tarkastellaan erityisesti turbiinilaitoksen suorituskykyä ennen ja jälkeen vuosihuoltojen. Laitosmittaukset on kehitetty Teollisuuden Voima Oyj:n Olkiluodon ydinvoimalaitosyksikköjen OL1 ja OL2 tarpeisiin. Mittauksilla saadaan tietoa vuosihuollon kokonaisvaikutuksista prosessiin eli muuttuiko mikään vuosihuollon aikana ja mitkä syyt johtivat muutokseen. Lisäksi säännöllisillä mittauksilla tavoitellaan pitkän aikavälin referenssitietoa prosessin tilasta. Esimerkkimittaukset tehtiin kevään 2008 vuosihuolloissa, R108 ja R208. Työssä on esitetty mittausten suorittaminen, tulosten laskenta ja tarkastelu sekä raportointi. Luotu mittausrutiini pohjautuu höyryturbiinien ja lämmönsiirtimien vastaanottokokeita käsitteleviin standardeihin sekä laitosten viimeisimpiin prosessimuutosten yhteydessä toteutettuihin suorituskykymittauksiin. Laitosmittauksista tehtiin vastaanottokokeita kevyemmät ja yksinkertaisemmat mittaustapahtumat, joilla saadaan kuitenkin riittävän luotettavaa tietoa. Tunnuslukuja, joita ei käytettävissä olevien mittatietojen avulla saatu suoraan selville tai laskettua massa- ja energiataseilla, määritettiin stationaarisen tilan mallinnusohjelmalla TEMPO:lla. Esimerkkimittaukset sujuivat hyvin ja saadut tulokset antoivat kaivattua lisätietoa vuosihuollon vaikutuksesta prosessiin. Generaattorin bruttoteho aleni OL1:llä ja pysyi ennallaan OL2:lla. OL1:n tehon aleneminen selittyi syöttöveden virtausmäärän vähenemisellä, johon vaikutti virtausmittalaitteen lähettimen vaihto. OL2:lla ei havaittu turbiiniprosessissa muutoksia, mutta lauhduttimien suorituskyky parani. Lauhduttimien suorituskyvyn paraneminen ilmeni asteisuuksien pienentymisenä, johon vaikuttivat puhdistaminen ja ilmavuotojen väheneminen.

Passiiviset turvallisuusjärjestelmät kolmannen sukupolven painevesireaktorilaitoksissa

Kandidaatintutkielmassa esitellään kolmannen sukupolven painevesireaktorilaitosten passiivisia turvallisuusjärjestelmiä.

Nanosuodatuksen käyttö voimalaitoksen lisäveden valmistuksessa

Työssä selvitettiin nanosuodatuksen soveltuvuutta ja kannattavuutta voimalaitoksen lisäveden valmistuksessa. Kirjallisuusselvityksen ja nanosuodatuskokeiden tavoitteena oli arvioida nanosuodatukseen perustuvien lisäveden valmistusprosessien toiminnallista ja taloudellista kilpailukykyä perinteisiin prosesseihin verrattuna. Voimalaitoksen lisävedellä tarkoitetaan vesi-höyrykiertoon syötettävää vettä, joka korvaa kierrossa menetetyn veden. Nykyisin se valmistetaan vesijohto- tai pintavedestä käänteisosmoosiin ja ioninvaihtoon perustuvilla menetelmillä. Nanosuodatus on käänteisosmoosin tapaan kalvotekniikkaan perustuva erotusprosessi. Kaikki kalvot poistivat orgaanisen aineksen tehokkaasti (>90 %). Suolaretentioissa oli suuria eroja kalvojen välillä, vaikka kalvotoimittajien ilmoittamat retentiot olivat samaa tasoa. NF90-kalvo tuotti puhtainta permeaattia. Kahden kalvon (NF90 ja ESNA1-LF2) kohdalla havaittiin vuon alenemista, kun vuo oli kokeiden alussa noin 30 ja 40 L/m2/h. Likaantumisen merkkejä ei havaittu minkään kalvon kohdalla, kun vuoarvo oli maltillinen (n. 20 L/m2/h). Raakaveden vaikutus NF90-permeaatin laatuun oli vähäinen. Muilla kalvoilla raakaveden vaikutus permeaatin laatuun oli merkittävä. Investointi- ja käyttökustannusten perusteella nanosuodatukseen perustuvat lisäveden valmistusprosessit ovat kilpailukykyisiä nykyisiin lisäveden valmistusprosesseihin verrattuna. Pintavettä raakavetenä käyttävät nanosuodatusprosessit maksavat itsensä takaisin 3–5 vuodessa vesijohtovettä raakavetenä käyttävään käänteisosmoosiprosessiin verrattuna.

Evaluation of energy efficiency and best available techniques in pumping processes

The potential for enhancing the energy efficiency of industrial pumping processes is estimated to be in some cases up to 50 %. One way to define further this potential is to implement techniques in accordance to definition of best available techniques in pumping applications. These techniques are divided into three main categories: Design, control method & maintenance and distribution system. In the theory part of this thesis first the definition of best available techniques (BAT) and its applicability on pumping processes is issued. Next, the theory around pumping with different pump types is handled, the main stress being in centrifugal pumps. Other components needed in a pumping process are dealt by presenting different control methods, use of an electric motor, variable speed drive and the distribution system. Last part of the theory is about industrial pumping processes from water distribution, sewage water and power plant applications, some of which are used further on in the empirical part as example cases. For the empirical part of this study four case studies on typical pumping processes from older Master’s these were selected. Firstly the original results were analyzed by studying the distribution of energy consumption between different system components and using the definition of BAT in pumping, possible ways to improve energy efficiency were evaluated. The goal in this study was that by the achieved results it would be possible to identify the characteristic energy consumption of these and similar pumping processes. Through this data it would then be easier to focus energy efficiency actions where they might be the most applicable, both technically and economically.

Kemikaalien hallintajärjestelmä Loviisan voimalaitoksella

Tämän työn tarkoituksena on kuvata Loviisan ydinvoimalaitoksen kemikaalien hallintaprosessi kemikaalitarpeen tunnistamisesta kemikaalijätteiden käsittelyyn. Nykyiseen kemikaalien hallintajärjestelmään perehdyttiin tutustumalla laitoksen ohjeistoon sekä haastattelemalla työntekijöitä. Laitoksen kemikaalien hallintaprosessia verrattiin voimassa oleviin asetuksiin ja viranomaisohjeisiin. Hallintaprosessin selvittämisen yhteydessä esiin tulleet ongelmat kirjattiin. Lisäksi vertailtiin kemikaalien hallintakäytäntöjä Finnair Tekniikan ja Ringhalsin ydinvoimalan kanssa.

Sähkön ja lämmön yhteistuotannon mahdollisuudet vaneritehtaan yhteydessä

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tehdä sähkön ja lämmöntuotannon kannattavuustarkastelu erään esimerkkitehtaan näkökulmasta. Tarkoitus oli selvittää onko vaneritehtaalla edellytyksiä investoida sähköä ja lämpöä tuottavaan yhteistuotantolaitokseen, vai onko edullisempaa tuottaa itse ainoastaan valmistusprosessin kannalta välttämätön lämpöenergia ja ostaa tarvittava sähköenergia ulkoiselta toimijalta. Johdantona on tarkasteltu ensin vanerin valmistusprosessia ja prosessissa syntyviä sivutuotteita. Toisena osiona on pyritty hahmottamaan vanerinvalmistuksessa syntyvien sivutuotteiden määriä ja ominaisuuksia niiden polttoainekäyttöä silmällä pitäen. Lopuksi johdannossa on perehdytty mahdollisiin tekniikoihin, joilla sähkön ja lämmön yhteistuotanto vaneritehtaan yhteydessä olisi mahdollista. Johdannossa käsiteltävät asiat perustuvat teorialähteisiin. Aineisto ja menetelmät osiossa on tarkasteltu esimerkkitehdasta voimalaitoksen sijoituskohteena. Osiossa on perehdytty prosessin sivutuotteiden määrään ja energian kulutukseen. Näiden seikkojen perusteella on tehtaan yhteyteen mitoitettu sähköä ja lämpöä tuottavia yhteistuotantolaitosesimerkkejä. Lopuksi tuloksissa on tarkasteltu yhteistuotantolaitoksien kannattavuutta vaneritehtaan yhteydessä ja tutkittu kannattavuuteen vaikuttavia tekijöitä.

Energiapuun haketuksen ja murskauksen kustannukset

Energiapuun tuotannossa puu on hienonnettava kuljettimille ja kattilaan sopivaan kokoon. Tämä tehdään Suomessa yleensä joko metsätien varressa välivarastolla, keskitetyssä terminaalissa tai voimalaitoksella. Puu hienonnetaan joko terävillä terillä hakettamalla tai tylpemmillä työkaluilla murskaamalla. Hakkeessa on vähemmän käsittelyä haittaavia pitkiä tikkuja ja sen valmistamiseen tarvittava energia on hiukan pienempi kuin murskaimilla. Viimeksi mainitulla on merkitystä lähinnä karsittua puuta haketettaessa. Murskain puolestaan sallii enemmän epäpuhtauksia raaka-aineessa, joten esimerkiksi kantoja käsitellään vain murskaimilla. Tässä tarkastellaan erityisesti pienpuun haketuksen ja murskauksen kustannuksia. Pienpuuta saadaan nuoren metsän kunnostuksista ja ensiharvennuksista. Se voi olla joko karsimatonta kokopuuta tai karsittua rankaa. Kokonaiskustannukset pienpuun haketukselle tai murskaukselle ovat tämän tutkimuksen mukaan välivarastolla noin 3,4 euroa/MWh ja terminaalilla tai voimalaitoksella noin 2 euroa/MWh. Pääomakustannukset ovat pienpuulla tavallisesti 1-1,2 euroa/MWh, keskitetyllä terminaalilla toimittaessa noin kolmanneksen vähemmän, jos pääomalle asetetaan 10% tuottovaatimus. Työvoimakustannukset ovat 30-80 snt/MWh varaston ja laitteen koosta riippuen, käyttöenergia dieselmoottoria käytettäessä noin 50 snt/MWh, sähkömoottorilla noin 30 snt/MWh. Muut kulut, mm. huolto, ovat yhteensä 40-80 snt/MWh. Energiapuun hankinnan kokonaiskustannuksista raaka-aineen hienontamisen osuus on 10-30% puutavaran lajista ja käytetystä työmenetelmästä riippuen. Terminaaleilla ja voimalaitoksilla toimittaessa on usein kiinnitettävä huomiota melun- ja pölyntorjuntaan. Muun muassa näistä syistä saattaa kiinteä, sähkökäyttöinen murska olla sopiva sellaisiin kohteisiin, joissa käsiteltävät määrät ovat suuria ja toiminta pysyvää. Melun ja pölyn kunnollinen torjunta vaatii suuria rakenteita, joita on vaikea yhdistää liikuteltaviin laitteisiin.

Hajautetun tuotannon verkkoonliittäminen - verkkokoodit ja käytännön toimet

Euroopan unionin asettamat uusiutuvan energian lisäämistavoitteet ovat kasvattaneet hajautetun tuotannon määrää Euroopassa. Eri hajautetun tuotannon verkkokoodit asettavat tuotantolaitoksille omat vaatimuksensa, mikä vaikeuttaa eri toimijoita, joten yhtenäiselle verkkokoodille on tarvetta. ENTSO-E onkin luomassa tällä hetkellä Euroopan unionille yhtenäisiä pilottiverkkokoodeja, joiden tarkoitus on myöhemmin kattaa kaikkia tuotantolaitoksia koko Euroopassa. Tämän vuoksi ENTSO-E:n verkkokoodien vaatimuksia on syytä tutkia. Tässä diplomityössä tarkastellaan hajautetun tuotannon nykyisiä ja ENTSO-E:n kehitteillä olevia verkkokoodeja. Työssä tutkitaan myös älykkäiden verkkojen ja verkkokoodien kehitystä. Verkkokoodien vertailuja suoritetaan pohjoismaisesta näkökulmasta, mutta vertailuun on otettu myös muita Euroopan maita. Tarkastelu painottuu siirto- ja jakeluverkkokoodien osalta tuulivoimalle asetettaviin vaatimuksiin. Mikrotuotannon verkkokoodien ja käytännön toimien tarkastelu keskittyy invertterin kautta verkkoonliitettäviin tuotantolaitoksiin, joissa aurinkotuotanto on merkittävin tuotantomuoto.

Vikasietoisuuden tutkiminen todennäköisyysperusteisen riskianalyysin avulla

Tässä työssä on tarkasteltu uusien YVL-ohjeiden vikasietoisuusanalyysin vaatimuksia sekä kehitetty menetelmä, jolla vaatimusten toteutumista voidaan tarkastella todennäköisyysperusteisen riskianalyysin (PRA) avulla. Työssä on käsitelty riskianalyysin tärkeimmät osat, sekä sen tuloksena saatavia tärkeysmittoja ja näiden soveltamiskohteita. Tärkeysmittoja on käytetty myös kehitetyn menetelmän alkuarvoina. Ydinvoimalan turvallisuuden takaamiseksi tärkeimpiä turvallisuustoimintoja suorittavien järjestelmien on pystyttävä toteuttamaan tehtävänsä, vaikka mikä tahansa järjestelmän yksittäinen laite olisi toimintakyvytön ja vaikka mikä tahansa turvallisuustoimintoon vaikuttava laite olisi samanaikaisesti poissa käytöstä korjauksen tai huollon vuoksi. Tämä edellyttää, että vikasietoisuuden takaamiseksi tärkeimpien turvallisuustoimintojen varmistamisessa on käytettävä mahdollisuuksien mukaan moninkertaisuus- ja erilaisuusperiaatteisiin perustuvia järjestelmiä, joiden tulee olla toisistaan riippumattomia. Kehitetyn menetelmän ja uuden vikasietoisuuden lisäarvomitan avulla voidaan tunnistaa järjestelmien väliset riippuvuustekijät ja tarkastella vaadittujen turvallisuustekijöiden toteutumista.

Konventionaalisen jätehuollon kehittäminen Loviisan voimalaitoksella

Tämän diplomityön tarkoituksena oli löytää kehityskohteita Fortumin Loviisan ydinvoimalaitoksen konventionaalisesta, eli tavanomaisesta, jätehuollosta. Tavoitteena oli löytää erityisesti keinoja kaatopaikkajätteen määrän vähentämiseksi sekä lajittelun tehostamiseksi. Myös jätelainsäädännön kokonaisuudistuksen vaikutukset jätehuollon toimintaan olivat työn kannalta keskeisessä roolissa. Työ tehtiin jätehuoltosuunnitelman rakennetta noudattaen. Jätehuoltosuunnitelma koostuu alkukartoituksesta sekä jätehuoltosuunnitelman laatimisesta ja toteutuksesta. Varsinaisina kehitystarpeiden kartoittamismenetelminä käytettiin viranomaisvaatimusten selvittämistä, toiminnan tarkastelua, jätehuoltokyselyä voimalaitoksen työntekijöille, benchmarkingia sekä valittujen hyötykäyttö- ja loppusijoitusmenetelmien kustannusvertailua. Tulokseksi saatiin, että jätteiden lajittelua voitaisiin tehostaa ennen kaikkea lisäämällä työntekijöiden koulutusta. Lajittelun helpottamiseksi ohjeistuksen tulee olla paremmin saatavilla sekä voimalaitoksen omalle henkilöstölle kuin urakoitsijoillekin. Ongelmajätehuollossa eniten ongelmia ilmeni ongelmajätepakkausten merkitsemisessä jätteiden syntypaikoilla. Tähän ratkaisuna ehdotettiin kokeiltavaksi jätteiden syntykohteisiin sijoitettavia jätekortteja, joista pakkaajat voisivat helposti tarkistaa tarvittavat merkinnät. Myös mustan jäteöljyn keräämistä olisi mahdollista parantaa, jotta suurempi osa siitä saataisiin hyödynnettyä materiaalina. Kaatopaikkajätteen määrän vähentämiseksi työssä ehdotettiin sekajätteen viemistä kaatopaikan sijaan poltettavaksi. Muutoksen seurauksena voimalaitoksen jätehuollon kustannukset saattavat lisääntyä, mutta ympäristön kannalta muutos tulisi olemaan positiivinen.

Design Aspects of Megawatt-Range Direct-Driven Permanent MagnetWind Generators

Direct-driven permanent magnet synchronous generator is one of the most promising topologies for megawatt-range wind power applications. The rotational speed of the direct-driven generator is very low compared with the traditional electrical machines. The low rotational speed requires high torque to produce megawatt-range power. The special features of the direct-driven generators caused by the low speed and high torque are discussed in this doctoral thesis. Low speed and high torque set high demands on the torque quality. The cogging torque and the load torque ripple must be as low as possible to prevent mechanical failures. In this doctoral thesis, various methods to improve the torque quality are compared with each other. The rotor surface shaping, magnet skew, magnet shaping, and the asymmetrical placement of magnets and stator slots are studied not only by means of torque quality, but also the effects on the electromagnetic performance and manufacturability of the machine are discussed. The heat transfer of the direct-driven generator must be designed to handle the copper losses of the stator winding carrying high current density and to keep the temperature of the magnets low enough. The cooling system of the direct-driven generator applying the doubly radial air cooling with numerous radial cooling ducts was modeled with a lumped-parameter-based thermal network. The performance of the cooling system was discussed during the steady and transient states. The effect of the number and width of radial cooling ducts was explored. The large number of radial cooling ducts drastically increases the impact of the stack end area effects, because the stator stack consists of numerous substacks. The effects of the radial cooling ducts on the effective axial length of the machine were studied by analyzing the crosssection of the machine in the axial direction. The method to compensate the magnet end area leakage was considered. The effect of the cooling ducts and the stack end area effects on the no-load voltages and inductances of the machine were explored by using numerical analysis tools based on the three-dimensional finite element method. The electrical efficiency of the permanent magnet machine with different control methods was estimated analytically over the whole speed and torque range. The electrical efficiencies achieved with the most common control methods were compared with each other. The stator voltage increase caused by the armature reaction was analyzed. The effect of inductance saturation as a function of load current was implemented to the analytical efficiency calculation.

Kaukolämpöverkon paluuveden hyödyntäminen lämmityksessä

Tässä diplomityössä on määritetty paluuvesilämmityksen mahdollisuudet Savon Voima Oyj:n kaukolämpöpaikkakunnilla. Työssä tarkasteltiin paluuvesilämmityksen tuoman paremman kaukolämpöveden jäähtymän vaikutuksia kaukolämpöverkkoon ja energiantuotantoon sekä laskettiin esimerkkipaikkakunnilla kaukolämmön paluuveden lämpötilan alentumisen tuomat rahalliset hyödyt. Lisäksi tarkasteltiin paluuvesilämmityksen taloudellisuutta esimerkkipaikkakunnilla. Laskennassa saatiin paluuvesilämmityksen tuomaksi jäähtymähyödyksi pumppauskustannuksissa 0,7 – 0,8 €/MWh ja lämpöhäviöissä 1,5 – 2,9 €/MWh. Iisalmessa sähköntuotannon lisääntymisestä saadaan hyötyä 0,7 €/MWh. Suurin hyöty saadaan Pielaveden ja Suonenjoen biolämpökeskusten lämmöntalteenotolla varustetuista savukaasupesureista. Pielavedellä tämä hyöty on 6,4 €/MWh ja Suonenjoella 6,1 €/MWh. Paluuvesilämmityksen kannattavuus asuinkiinteistöissä vaatii lämmöntuotannon yhteydessä olevan savukaasupesurin tuoman rahallisen hyödyn. Esimerkiksi Iisalmessa asiakkaalle myönnettävissä oleva jäähtymähyvitys paluuvesilämmöstä ei riitä kattamaan paluuvesilämmityksen suurempia investointikuluja. Myös pesuripaikkakunnilla kannattavuus vaatii suuren vuosittaisen lämmönkäytön. Tavoiteltaessa 8 vuoden korollista takaisinmaksuaikaa vaatii kannattavuus kohteelta Pielavedellä 250 MWh:n ja Suonejoella 300 MWh:n vuosittaisen lämmönkäytön. Myös asiakkaan sijainnin sopivuus kaukolämpöverkossa paluuvesilämmitykseen täytyy tarkastella tapauskohtaisesti. Paluuvesilämmitys ei tule työn tulosten perusteella tulevaisuudessa yleisesti käyttöön, mutta yksittäisiä asiakkaita siihen voidaan liittää.

Tuulivoimageneraattorin konseptisuunnittelu

Tämä diplomityö käsittelee tuulivoimageneraattorin konseptisuunnittelua. Työssä käydään läpi tuulivoimateollisuuden, -markkinoiden ja -turbiinien historiaa, nykyhetkeä ja tulevaisuuden ennusteita. Tuulivoimaturbiineista esitellään yleisimmät tyypit ja teknologiat, joita vertaillaan keskenään. Lisäksi selvitetään tarkemmin suoravetoisten tuuliturbiinigeneraattoreiden teknologiaa ja teknisiä rakenteita joita myös vertaillaan keskenään. Työn pääasiallisena tarkoituksena on luoda selkeä konseptisuunnitteluprojektin toimintamalli, jota noudattamalla projekti voidaan hoitaa johdonmukaisesti läpi. Lopuksi työssä vielä käydään läpi suoravetoisen kestomagneettigeneraattorin todellinen konseptisuunnitteluprojekti, jossa ei ole ollut käytössä selkeää toimintamallia.

Hybridikomposiittien hyödyntäminen tuulivoimalan rakenteissa

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia hybridikomposiittien soveltuvuutta tuulivoimalan osien tai osakokonaisuuksien rakennemateriaaliksi. Lähtökohtana oli selvittää erityisesti luonnonkuitukomposiitin materiaaliteknisten ominaisuuksien, etenkin lujuusominaisuuksi-en soveltuminen tuulivoiman rakenteisiin. Työn johdanto-osuudessa esitellään tuulivoiman rooli tämän päivän energiantuotannossa, yksittäisen tuulivoimalalaitoksen rakenne, rakenteiden suunnittelussa huomioitavat seikat, voimalan eri osien kuten tornin, lapojen ja nasellin yleisimmät valmistusmenetelmät, sekä muovien ja eri lujitteiden ohella puumuovikomposiitin materiaaliominaisuudet, valmistus-menetelmät ja yleisimmät käyttökohteet. Hybridikomposiittien lujuusominaisuuksia tutkittiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston puutekniikan laboratoriossa suoritetuissa mittauksissa. Saatuja tuloksia verrattiin referens-situlosten ohella myös tällä hetkellä tuulivoimalan rakenteissa yleisesti käytettävien lasi- ja hiilikuidun, sekä teräksen ominaisuuksiin. Mittaustulosten perusteella bambu- ja lasikuitu-lujitteiset puumuovikomposiitit soveltuvat parhaiten tuulivoimalarakenteisiin, mutta niiden valmistaminen ekstruusiomenetelmällä on melko haasteellista.