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.

Tasasähkönjakeluverkon vaihtosuuntaaja galvaanisella erotuksella

Suomessa sähkönjakeluverkko koostuu pääasiassa 20 kV ja 400 V jännitetasoista. Tällöin sähkö viedään lähelle kuluttajia suuremmalla jännitetasolla ja muunnetaan alhaisemmaksi lähellä asiakkaita. Haittapuolena on se, että haja-asutusalueilla jakelumuuntajien määrä kasvaa suureksi, koska ne täytyy sijoittaa lähelle kuluttajaa. Vaihtoehtona on toteuttaa osa sähkönjakelusta tasajännitteellä, jolloin tehollinen jännite olisi suurempi. Tällöin sähköä voitaisiin siirtää pidempiä matkoja ilman, että asiakaskohtaisia tai muutaman asiakkaan kattavia 20 kV siirtolinjoja tarvitsisi käyttää. Tämä taasen edellyttää asiakaskohtaisien vaihtosuuntaajien käyttöä. Tässä työssä esiteltävällä 1 kVA vaihtosuuntaajalla muodostetaan tasasähköjakeluverkosta saatavasta 750 V tasasähköstä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) verkkojännitettä. Laite on suunniteltu toteuttamaan galvaaninen erotus mahdollisimman hyvän hyötysuhteen puitteissa. Vaihtosuuntaaja on toteutettu käyttämällä resonanssikonvertteria, joka vaihtosuuntaa jakelujännitteen korkeataajuiseksi vaihtojännitteeksi. Tämän jälkeen toteutetaan galvaaninen erotus käyttäen suurtaajuusmuuntajaa. Tätä seuraa syklokonvertteri, joka pulssintiheysmodulaatiota soveltaen muodostaa lähtöjännitteen. Tämä suodatetaan lopuksi LC- alipäästösuotimella säröltään standardin mukaiseksi. Laite on jaettu työssä kolmeen osaan, joista jokaisen toiminta on selitetty ja simuloitu itsenäisesti. Lopussa koko järjestelmä on simuloitu yhtenä kokonaisuutena. Hyötysuhteeksi arvioitiin karkeasti 94 % ja lopullisista tuloksista voidaan päätellä, että laitteen toteuttaminen prototyypiksi voisi olla kannattavaa.

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.

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.

Tuulivoiman verkkomääräykset Euroopassa ja Yhdysvalloissa sekä niiden kehittyminen tulevaisuudessa älykkäiden sähköverkkojen kannalta

Tuulivoimatekniikan nopea kehitys on lisännyt tuulivoimakapasiteetin määrää sähköverkoissa. Eri maiden siirtoverkko-operaattorit ovatkin julkaisseet tuulivoimaloille omat verkkomääräyksensä. Työssä tutkitaan tuulivoimaloiden tekniikkaa, eri maiden verkko-operaattoreiden asettamia verkkomääräyksiä tuulivoimalle sekä arvioidaan näiden kehitystä tulevaisuudessa. Tutkittaviksi alueiksi on valittu maita, joiden siirtoverkot ovat rakenteeltaan erilaisia ja joissa tuulivoimaloille asetetut vaatimukset sekä asennetun tuulivoimakapasiteetin määrät vaihtelevat. Verkkomääräyksiä käsitellessä on keskitytty vain tärkeimpiin teknisiin vaatimuksiin. Eri verkkomääräykset eroavat toisistaan rakenteeltaan sekä vaatimuksiltaan ja ne ovat tiukentuneet tuulivoiman osuuden kasvaessa kokonaisenergiantuotannosta. Tämä on vaikeuttanut sähköverkoissa toimivien osapuolien operointia. Verkkomääräyksien harmonisoinnille ja kehittämiselle onkin tarvetta verkon kaikkien osapuolien toimintaedellytyksien parantamiseksi. Tuulivoimaloiden sisältämän tehoelektroniikan ja älykkäiden sähköverkkojen kehityksen myötä voidaan tuulivoimalla saavuttaa myös monia etuja esimerkiksi muihin tuotantotapoihin verrattuna.

Introduktionen av kärnkraften i Finland

Finlands industri har av tradition varit starkt energikrävande. Träförädlingsindustrin, som fick sin egentliga start i medlet på 1800-talet, använde stora mängder energi liksom metallförädlingsföretagen i ett senare skede. Krigstiden med sin energiransonering visade handgripligen för allmänheten liksom för specialisterna att en tillräcklig tillgång till energi är ett livsvillkor för vår industri och därmed för vårt land. Efterkrigstiden kännetecknades av en allt snabbare utbyggnad av den på vatten- och ångkraft baserade elkraftskapaciteten, en utbyggnad som den inhemska verkstadsindustrin i stor utsträckning deltog i. Men redan på 1950-talet var vattenkraften till stor del utbyggd, varför den privata såväl som den statliga sektorns intresse allt mera inriktade sig på den speciellt i USA favoriserade atomenergin. Efter fördjupade studier i kärnfysik och kärnteknik vid the International School of Nuclear Science and Engineering i USA deltog författaren av dessa rader intensivt (först som Ahlströmanställd och senare som VD för Finnatom) i den utvecklingsverksamhet inom det kärntekniska området som inte bara elproducenterna utan även verkstadsindustrin i vårt land genomförde. Det var därför naturligt för mig att som objekt för min doktorsavhandling välja introduktionen av kärnkraften i Finland med speciell fokus på den inhemska verkstadsindustrins roll. Jag ställde följande forskningsfrågor: a. När och hur skedde introduktionen av kärnkraften i Finland? b. Vilka var orsakerna till och resultatet av denna introduktion? c. Vilken var den inhemska verkstadsindustrins roll? Ett grundligt studium av litteraturen inklusive mötesprotokoll och tidningsreferat samt personligen genomförda intervjuer med ett trettiotal av de verkliga aktörerna i den långa och komplicerade introduktionsprocessen ledde till en teori, vars riktighet jag anser mig ha kunnat bevisa. Den inhemska verkstadsindustrins roll var synnerligen central. Dess representanter lyckades, bl.a. refererande till erfarenheterna från utbyggnaden av vatten- och ångkraften liksom till byggandet av den underkritiska milan YXP samt forskningsreaktorn TRIGA, övertyga beslutsfattarna om att den besatt nödig kompetens för att kompensera den kompetensbrist som kunde iakttas inom vissa områden hos den sovjetiska kärnkraftverksleverantören. De inhemska leveranserna påverkade även driftsresultatet, speciellt i fallet Lovisa, i positiv riktning. Introduktionsprocessen, som omfattade tiden från slutet av 1950-talet till början på 1980-talet, beskrevs, noterande bl.a. J. W. Creswells anvisningar, i detalj i avhandlingen. Introduktionen fick som resultat konkurrenskraftig elkraft, impuls till start av nya företag, exempelvis Nokia Elektronik, liksom en klar höjning av den tekniska nivån hos vår industri, inkluderande kärnteknisk tillverkning i stor skala. Katastrofen i Tjernobyl i slutet av april 1986 innebar emellertid att utvecklingen tog en paus på ett par decennier. Erfarenheterna från introduktionsfasen kan förhoppningsvis utnyttjas till fullo nu, när utbyggnaden av kärnkraften återupptagits i vårt land.

Biopolttoaineiden saatavuus ja hankintalogistiikka Kaakkois-Suomessa

"Biopolttoaineiden saatavuus ja hankintalogistiikka Kaakkois-Suomessa" -hankkeen tavoitteena oli tuottaa ajantasaista ja paikkaan sidottua tietoa energiatuotantoon soveltuvan biomassan saatavuudesta ja biomassapotentiaalin tehokkaan käytön mahdollistavasta logistiikkajärjestelmästä Kaakkois-Suomen alueella. Tarkastelussa mukana olleet polttoaineet eli metsä- ja peltobiomassat sekä turve ovat ns. paikallisia polttoaineita, joiden hankinta tapahtuu maaseudulta, ensisijaisesti mahdollisimman läheltä kutakin käyttöpaikkaa. Hankkeessa tutkittiin mahdollisuuksia lisätä paikallista polttoaineenhankintaa, kuljetusmääriä ja -kalustoa järkevästi 2010-luvulla toteutettavan energiapolitiikan myötä kasvavan polttoainetarpeen puitteissa. Rautatie- ja vesitiekuljetusten hyödyntämistä logistiikassa tutkittiin kahden tapaustutkimuksen avulla. Tutkittavia asioita olivat myös tuotantoketjujen lisääntyvä työvoimatarve sekä maantieteellisesti laajenevan raaka-ainehankinnan kasvihuonekaasupäästöistä aiheutuvat ympäristövaikutukset. Tärkeimpinä tuloksina saatiin tietoa siitä, kuinka laajalle alueelle biopolttoaineiden hankinta eri asiantilojen vallitessa Kaakkois-Suomen alueella ulottuu, ja millaisia hankintalogistiikkaan liittyviä ratkaisuja voidaan ottaa käyttöön alueellisen polttoainepulan muodostuessa. Logistiikan kannalta Kaakkois-Suomen etuja ovat monipuoliset kuljetusverkostot, mutta toisaalta varsinkin hyvät yhteydet ulkomaille rajoittavat paikallisesti investointiaktiivisuutta bioenergian tuotanto- ja käsittelykaluston osalta. Lisäksi maaseudun yrittäjien keskuudessa epävarmuutta aiheuttavat heilahtelevat raakapuumarkkinat ja muuttuva energiatukipolitiikka.

Diffusion of Smart Meters in Central East Europe

The present study deals with innovation diffusion as the central component of innovation process and takes smart meters as a concrete example from the electric power industry. Smart meters are seen as key enablers of the industry-wide shift towards smart grids and are recognized by the European Union as means of reaching its environmental and energy goals. However, the spread of smart meters through the market, especially in Central East Europe (CEE), is not corresponding to the expectations and identified benefits. The current work synthesizes available data for the under-researched geographical region of CEE and clarifies the process of smart meter diffusion and drivers behind it. In addition to innovation theories the methods applied are rate of adoption and thematic analysis. The results prove the large gap between optimal and actual diffusion as well as the lagging position of CEE in comparison to the EU’s market leaders. The smart metering market is driven from bottom-up and the majority of CEE countries have already carried out or started the initial activities. Therefore, in coming years more intensive smart meters deployment will be seen.

Galvaanisen erotuksen toteuttaminen tasavirtasähkönjakelun asiakaspäätelaitteessa

Suomessa sähkönjakeluverkon pääasialliset jännitetasot ovat 20 kV ja 400 V. 20 kV jännitetasolla sähkö viedään lähelle kuluttajia ja muunnetaan pienemmäksi lähellä asiakkaita. Haittapuolena on se, että 20 kV avojohtosähkönsiirtoverkko on hyvin vika-altis ja usein yhden haaran vikaantuessa monta muutakin jää ilman sähköä. Lisäksi hintavien ja suurien jakelumuuntajien määrä on suuri. Vaihtoehtona on toteuttaa osa sähkönjakelusta tasajännitteellä, jolloin tehollinen pienjännite olisi 400 V:a suurempi. Tällöin sähköä voitaisiin siirtää pidempiä matkoja ilman, että asiakaskohtaisia tai muutaman asiakkaan kattavia 20 kV siirtolinjoja tarvitsisi käyttää. Tämä edellyttää vaihtosuuntauksen toteuttamista kuluttajan päässä. Tässä työssä esiteltävällä 1 kVA:n tehoisella vaihtosuuntaajalla muodostetaan tasasähköjakeluverkosta saatavasta 750 V tasasähköstä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) verkkojännitettä. Laite on suunniteltu toteuttamaan galvaaninen erotus mahdollisimman hyvällä hyötysuhteella. Suurtaajuusmuuntajan mitoitus mahdollisimman hyvälle hyötysuhteelle on haastava tehtävä, koska vaatimuksia sille asettavat sekä syöttävä resonanssikonvertteri että syötettävä syklokonvertteri. Mitoituksessa on pyrittävä löytämään mahdollisimman hyvä hyötysuhde kustannusten ja toteutettavuuden suhteen.

Lämmön ja säteilyn yhteisvaikutukset sähkökaapeleiden ikääntymisessä

Tässä työssä käydään lyhyesti läpi sähkökaapeleiden haurastumisilmiöt säteilyn ja lämmön osalta, näiden yhteisvaikutus kaapelimateriaaleihin sekä yleisimpien ydinvoimalaitoksilla käytettävien kaapeleiden ominaisuuksia. Työssä esitellään myös kaapeleiden kelpoistukseen käytettäviä menetelmiä sekä maailmalla tehtyjä tutkimuksia.