Voimalaitoskytkennän lämpö-ja virtaustekninen optimointi teollisuusprosessiin

Diplomityössä on selvitetty UPM-Kymmene-konserniin kuuluvan Voikkaan paperitehtaan höyryvoimalaitoksen liityntärajapintaa paperikoneprosessiin. Selvitys tehtiin, koska nykyinen voimalaitos on suunniteltu korvattavaksi uudella lähivuosina. Työn teoriaosassa tarkastellaan mm. eri voimalaitostyyppejä, prosessivoimalaitoksen säätöjärjestelmiä sekä väliottovastapaineturbiinilta saatavan sähkötehon laskemiseksi tarvittavaa teoriaa. Käytännössä suurin työ on tehty nykyisen tuotantoprosessin voimalaitokselle asettamien vaatimusten selvittämisessä. Tämä on toteutettu tarkastelemalla online-mittauspositioita hyödyntäen laitoksen eri historiatietokantoja. Tulevan voimalaitoksen väliottovastapaineturbiinilta saatavaa sähkötehoa on tarkasteltu vuoden 2000 prosessihöyryn massavirtoihin perustuen. Kirjalliseen työhön on sisällytetty kuvaajat prosessin tärkeimmistä tila-arvoista. Yksityiskohtainen rajapinnan tarkastelu kuvaajineen ja lukuarvoineen on toimitettu diplomityöpaikalle tiedostomuodossa.

FCC-yksikön NOx-päästöjen hallinta

Työssä tutkittiin typen oksidien (NOx) päästöjen muodostumista ja NOx-päästöjen poistomenetelmiä leijukatalyyttisessa krakkausyksikössä (FCC). Koeajossa Porvoon öljynjalostamon FCC-yksikössä tutkittiin NOx-päästöjen hallintaa CO-promoottorin (CO:n palamista edistävä lisäaine) annostelun avulla. Kirjallisuusosassa käsiteltiin NOx-päästöjen muodostumista FCC-yksikön regeneraattorissa. Katalyyttisten lisäaineiden vaikutusta NOx-päästöjen muodostumiseen tarkasteltiin laajasti. Katalyyttisten lisäaineiden ohella käsiteltiin muitakin NOx-päästöjen poistomenetelmiä. Koeajojen tarkoituksena oli optimoida FCC-yksikön katalyyttikiertoon annosteltavan CO-promoottorin määrä. CO-promoottorin sisältämä platina lisää NOx-päästöjen muodostumista regeneraattorissa, mutta vähentää jälkipalamista. Jälkipalamisen vuoksi regeneraattorin ylimenolinjan lämpötila nousee. Regeneraattorin ylimenolinjan lämpötila oli CO-promoottorin vähentämistä rajoittava tekijä, NOx-päästöjä pyrittiin vähentämään ilman merkittävää jälkipalamisen kasvua. Tuorekatalyytin platinapitoisuuden pienentäminen vähentää merkittävästi NOx-päästöjä.

SELLUTEHTAAN HÖYRYVERKON YLIJÄÄMÄENERGIAN HALLINNAN PARANTAMINEN

Tässä työssä on selvitetty sellutehtaan höyryverkosta tehtaan ulkopuolelle myytävän ylijäämähöyryn määrän ja paineen nopeaan vaihteluun vaikuttavia tekijöitä. Työssä on tarkasteltu höyryn kehityksen ja kulutuksen vaihtelun vaikutusta ylijäämähöyryyn. Lisäksi on tarkasteltu mahdollisuuksia edellä mainittujen häiriöiden tasaamiseksi. Työssä on selvitetty teoriaa, joka vaikuttaa sellutehtaan höyryn kehitykseen ja kulutukseen. Lisäksi on selvitetty energiataselaskennan ja höyryverkon hallintaa parantavien toimenpiteiden teoriaa. Omana kokonaisuutena on sellutehtaan höyryn kehityksen ja kulutuksen tarkastelu sekä selvitys tehtaan höyryverkon hallinnan nykytilasta. Höyryverkolle on muodostettu energiatase. Työn tuloksia varten on kerätty ja tallennettu mittapistetietoa tiedonkeräysjärjestelmän avulla eri höyryverkon mittapisteistä. Työn tuloksina on mainittu useita höyryverkon hallintaa parantavia toteutuskelpoisia asioita ja toimenpiteitä. Työllä on luotu pohjaa menetelmälle, joka ohjaa energian kehitystä vastaamaan sellun tuotannon tarvitsemaa energiamäärää. Samalla saataisiin paremmin hallittua ylijäämähöyryä ja sen määrän sekä paineen vaihtelu vähentyisi.

Metallien laserporaus

Lasertarkkuusporauksella on tämän hetken teollisuudessa useita sovelluksia, kuten esimerkiksi mustesuihkukirjoittimet, dieselmoottoreiden polttoainesuuttimet, lääketieteen instrumentit, turbiinien lapojen jäähdytysreiät ja stensiilit. Tässä työssä on tutkittu laserporauksen mahdollisuuksia 99,9 % kupariin sekä EN 1.4301 ruostumattomaan teräkseen (vastaava AISI 304). Ainepaksuuksia oli käytettävissä kolmea: 0,1 mm, 0,5 mm ja 1,0 mm. Vertailun vuoksi valittiin tutkimukseen mukaan ainepaksuudeltaan 1,0 mm EN 1.4432 haponkestävää terästä (vastaava AISI 316L). Tutkimuksessa käytettiin kolmea eritehoista 1,064 µm aallonpituuden Nd:YAG – laseria ja yhtä CO2 – laseria. Poratut reiät kuvattiin elektronimikroskoopilla ja jokaisesta reiästä mitattiin halkaisija, ympyrämäisyys ja kartiokkuus. Lisäksi reiän laatua arvioitaessa tarkasteltiin purseen määrää reikien ympärillä. Tutkimus osoitti, että eri materiaaleihin voidaan porata, laserin säteen laadusta ja aallonpituudesta riippuen, hyvin erikokoisia reikiä. Kartiokkuuteen havaittiin voitavan vaikuttaa polttopisteen paikkaa siirtämällä.

Nitrogen Oxides Reduction Possibilities at Pulp Mill and Power Plant

Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää typenoksidien vähennysmahdollisuudet Stora Enson Varkauden tehtaiden sellutehtaalla ja voimalaitoksella. Tutkimuksessa käsiteltiin tehdasalueen suurimpia typenoksidien päästölähteitä: soodakattilaa, meesauunia, kuorikattilaa, öljykattilaa ja muovi-alumiinijakeen kaasutuslaitosta. Tutkimuksessa selvitettiin typenoksidipäästöjen syntymekanismit ja erilaisiin polttotekniikoihin soveltuvat typenoksidien vähennystekniikat. Varkauden tehtaiden typenoksidien vuosipäästö vuonna 2001 oli 836 tonnia. Kansallinen lainsäädäntö, kansainväliset sopimukset sekä paras käytettävissä oleva tekniikka (BAT) huomioiden selvitettiin kuhunkin kohteeseen parhaiten soveltuvat ratkaisut. Tutkimuksen perusteella laadittiin toimenpideohjelma, joka määrittelee suositeltavan toteutusjärjestyksen typenoksidien vähennystoimenpiteille. Toimenpideohjelman tärkeimpinä kriteereinä pidettiin vuonna 2004 tulevan uuden ympäristöluvan arvioituja luparajoja sekä toimenpiteiden kustannustehokkuutta. Toteutusjärjestyksessä ensimmäiseksi valittiin koeajojakson järjestäminen ajon optimoimiseksi kiertopetikattilalla ja toiseksi meesauunin ajon optimointi jatkuvatoimisen NOx-analysaattorin avulla. Seuraaviksi toimenpiteiksi ehdotettiin vertikaali-ilmajärjestelmän käyttöönottoa soodakattilalla sekä SNCR-järjestelmän asennusta kuorikattilalle. Saavutettava NOx-vähennys tulisi olemaan 10 – 45 % ja hinta 30 – 3573 EUR vähennettyä NOx-tonnia kohti. Tutkimuksen osana Ilmatieteen laitoksella teetetyn typenoksidien leviämisselvityksen mukaan Stora Enson tehtaiden NOx-päästöjen vaikutus Varkauden ilmanlaatuun on hyvin pieni. Suurin osa NOx-päästöistä aiheutuu liikenteestä.

Merituulivoiman kannattavuus Kokkolan seudun rannikolla

Tässä diplomityössä selvitetään teollisen mittakaavan merituulipuistojen taloudellisia ja osin myös teknisiä rakentamisedellytyksiä Kokkolan seudun rannikolla. Lisäksi työssä tarkastellaan erilaisten tukitoimien vaikutusta tuulivoiman kannattavuuteen sekä selvitetään lyhyesti merituulivoiman hallinnollisia ja oikeudellisia edellytyksiä. Esimerkkikohteina tarkastellaan viittä Kokkolan edustalle suunniteltua merituulipuistoa, joiden tehot ovat 20 – 100 MW ja yksikkökoot 1,8 – 5 MW. Tuulipuistojen tuuliolot on arvioitu läheisten mittauspisteiden tietojen perusteella ja niiden pohjalta on laskettu puistojen energiantuotto. Tuulivoimaloiden huipunkäyttöajoiksi on saatu noin 2400 – 2500 h/a. Puistojen investointikustannukset ovat noin 6 500 –10 200 mk/kW: itse turbiinin lisäksi suurimpia kustannuseriä ovat perustukset ja sähköverkkoliitäntä. Vuosittaisten käyttö- ja kunnossapitokustannusten suuruudeksi on arvioitu noin 3 % investointikustannuksista. Kannattavuustarkastelut on suoritettu 5 % laskentakorolla ja 25 vuoden pitoajalle. Tuotantokustannukset ovat ilman tukia noin 27 – 38 p/kWh. Kun sähkön hintana on 150 mk/MWh, ei taloudellista kannattavuutta voida saavuttaa edes nykyisin käytössä olevan investointi- ja tuotantotuen avulla. Tuulisähköstä saatava mahdollinen ”vihreän sähkön lisä” tai päästökaupan aloittaminen voisivat mahdollistaa tuulivoiman taloudellisen kannattavuuden myös silloin, kun sähkön hintataso on matala. Kannattavuutta voitaisiin parantaa myös tukijärjestelmällä, joka painottaa nykyistä enemmän tuotantoa.

Kaasunpolton tutkimuslaitteiston mittausten suunnittelu

Tämä diplomityö on Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa aloitetun kaasunpolttotutkimushankkeen ensimmäinen tutkimusjakso. Tutkimushanketta varten on LTY:n voimalaitostekniikan koepolttolaboratoriossa rakennettu kaasunpolton tutkimuslaitteisto, jolla tässä diplomityössä perehdytään kaasuliekin lämpötilan mittausmenetelmiin, lämmönsiirtoon ja syntyviin päästöihin neste- ja maakaasupoltossa. Hankkeen toisessa tutkimusjaksossa laitteistolla tutkitaan regenaratiivista polttoa, ja polttoaineena käytetään neste- ja maakaasun lisäksi muita kaasuja kuten vetyä ja erilaisia seoskaasuja. Kaasunpolttotutkimushankkeen kokonaistavoitteena on pienentää kaasunpoltossa syntyviä NOx-päästöjä ja parantaa palamishyötysuhdetta ja tätä kautta pienentää laitteiston kokoa ja vähentää hiilidioksidipäästöjä.

Kuplivan leijukerroksen poltto- ja lämpötekninen tarkastelu

Työn tavoitteena oli luoda menetelmä leijukerroskattilan petin lämpötilojen ja toiminta-alueen arvioimiseksi annetuilla lähtötiedoilla. Toimintatapana oli tutkia polttoaineen ominaisuuksien ja kattilan geometrian vaikutuksia petin energiataseeseen ja tätä kautta petin lämpötilaan kattilan ajotapa huomioiden. Työn teoriaosassa esitellään aluksi biopolttoaineiden ominaisuuksia ja leijukerroskattilan toimintaa petin toimintaympäristön selvittämiseksi. Teoriaosan lopussa käsitellään perusteellisesti petin hydrodynamiikkaa ja reaktiokinettikkaa sekä petin alueen mekaanista mitoitusta. Lisäksi polttoaineen syöttötapa ja palaminen petissä tuodaan esille. Tutkimusosassa selvitetään petin energiatasemallin määrittämistä teoriaan ja diplomityön aikana eri kattiloilla suoritettuihin mittauksiin perustuen. Mittauksista on erillinen selvitys seitsemännessä kappaleessa. Lopuksi kuvaillaan petin energiatasetta mallintavan menetelmän toimintaa sekä siihen syötettäviä lähtötietoja. Tuloksena on saatu suppealla alueella toimiva laajennettavissa oleva petin energiataseen malli. Menetelmän testaamiseen käytetään mittaustietoa kahdelta kattilalta, joita ei olla käytetty petin energiatasemallin virityksessä.

Polttoaineen reaktiivisuuden määrittäminen kiertoleijupoltossa

Kehitettäessä leijupolttotekniikkaa entistä ympäristöystävällisemmäksi ja tehokkaammaksi tarvitaan lisää tietoa polttoaineen käyttäytymisestä tulipesässä. Polttoaineen palamisprofiili ja reaktiivisuus vaikuttavat oleellisesti esimerkiksi voimalaitoskattilan lämmönsiirtopintojen sijoitteluun ja suunnitteluun sekä ohjausjärjestelmän toteutukseen. Varsinkin monipolttoainekattiloilla ohjausjärjestelmän toimivuus joutuu koetukselle esimerkiksi kuormanmuutostilanteissa ja äkillisissä polttoaineen syöttöhäiriöissä. Tässä työssä on aluksi tutustuttu kiertoleijupolton ilmiöihin ja niiden matemaattiseen mallintamiseen. Lisäksi esitetään katsaus eri prosessiolosuhteiden vaikutuksesta palamiseen kiertoleijuolosuhteissa. Työn tutkimusosassa kehitettiin menetelmä polttoaineen reaktiivisuuden määrittämiseksi kiertoleijupoltossa. Kehitetty menetelmä koostuu koesarjasta ja matemaattisesta simulointimallista. Koetoiminta suoritettiin VTT Energian laboratoriokokoluokan kiertoleijukoelaitteella. Koesarja polttoaineen reaktiivisuuden määrittämiseksi sisältää eri kaasukomponenttien profiilimittauksia ja dynaamisia muutoskokeita. Menetelmän avulla voidaan tutkia eri polttoaineiden reaktiivisuuksia sekä polttoaineen reaktiivisuuden ja tietyn prosessiolosuhteen välistä riippuvuutta. Suorittamalla koeajomatriisin mukaiset kokeet tietyissä prosessiolosuhteissa voidaan polttoaineen reaktiivisuus selvittää koetulosten ja simulointimallin perusteella.

Lämmöntalteenottokattilan kehittäminen kaasumoottoreille ja teollisuuskaasuturbiineille

Tässä diplomityössä on kehitetty kustannustehokas lämmöntalteenottokattila savukaasun virtaukselle alle 150 kg/s. Kehitettävä kattila on luonnonkiertoinen ja pystyrakenteinen. Valitun kattilatyypin etuja muihin kattilatyyppeihin nähden on tarkasteltu. Erityistä huomiota kattilassa on kiinnitetty vedenkäsittelyn yksinkertaistamiseen. Tämä on saavutettu tulistinratkaisulla, jonka säätötarve on vähäinen. Tuorehöyryn lämpötilan säätöön käytettyjä säätömenetelmiä on tarkasteltu ja eri tulistinratkaisuja käyttämällä saavutettavia tuorehöyrymääriä ja säätötarvetta on tutkittu simulointiohjelmaa hyväksi käyttäen. Tulistinratkaisun lisäksi työssä on tarkasteltu syöttöveden käyttöä ulkoiseen lämmitykseen sekä lämmönsiirrinpakettien tuentaa. Lisäpolton toteutusta sekä syöttövesiventtiilin sijoittamista ja syöttövesipumpun valintaa on myös tarkasteltu. Osana työtä on lisäksi tehty kehitettyä kattilaa varten mitoitusohjelma ja mitoitettu sitä käyttäen esimerkkilaitos.

Ydinvoimalaitoksen turbiinilaitoksen toiminnan ja kunnonvalvonnan nykytilan kuvaus ja kehittämismahdollisuuksien kartoitus sekä toteutus ja kannattavuusarviointi

Työssä selvitettiin Olkiluodon ydinvoimalaitoksen prosessiseurannassa nykyisin käytössä olevia järjestelmiä sekä tutkittiin prosessisimulointiohjelman käyttömahdollisuuksia osana prosessiseurantaa. Ensisijaisesti tutkittiin kuinka hyvin simulointimalli soveltuu pienien tehopoikkeamien havainnoimiseen. Simulointimalli rakennettiin Endat Oy:n kehittämällä Prosim-simulointiohjelmalla. Simulointimalli on tehty kahdelle eri prosessille. Erilliset mallit rakennettiin sekä vuoden 2003 vuosihuoltoa edeltäneelle prosessille, että vuosihuollossa lauhteen esilämmityksen osalta muutetulle prosessille. Simulointimallien toimintaa käytännössä testattiin suorittamalla simulointiajoja muutamilla prosessin muutostilanteilla ja vertailemalla muutostilanteiden mittapistedataa simulointiohjelman laskemiin tuloksiin. Simulointimallin suurimmat poikkeamat mittapistedataan verrattuna todettiin turbiinilaitoksen korkeapainepuolella sekä lauhduttimessa. Käytännössä havaittiin, että nämä poikkeamat hankaloittavat simulointiohjelman käyttöä käytönvalvonnan työkaluna, eikä sen käytöstä näin ollen saada varsinaista lisäarvoa.

Pienten biopolttolaitosten modulointi

Biopolttoaineiden käyttö energiantuotannossa lisääntyy ja syrjäyttää samalla fossiilisia polttoaineita. Etenkin puupohjaisten polttoaineiden käyttö pienenergiantuotannossa on lisääntynyt nopeasti. Tätä kehitystä puoltavat tiukentuneet päästörajat ja yleinen mielipide fossiilisia polttoaineita vastaan sekä biopolttoaineiden verottomuus. Tästä johtuen biopolttoainetta käyttävien laitosten kysyntä kasvaa jatkuvasti. Kysynnän kasvaessa biopolttolaitosten valmistajien on pystyttävä nopeaan, tehokkaaseen ja laadukkaaseen toimintaan, sekä täyttämään asiakkaan tarpeet pystyäkseen vastaamaan alan kasvavaan kilpailuun. Tässä diplomityössä kehitetään standardoitua moduulirakennetta Sermet BioGrate ja BioGrate compact kattilalaitoksille. Moduloinnin tarkoituksena on helpottaa laitoskonseptin kokoonpanon suunnittelua, tarjousten ja tarjouslaskelmien tekemistä sekä yhtenäistää toimintatapoja, mikä vähentää työmäärää ja nopeuttaa toimituksia.

Kerrostumien muodostumisen määritys sondin lämmönsiirron perusteella

Diplomityön tavoitteena oli tutkia kerrostumien muodostumista voimalaitoskattiloiden lämpöpinnoille ja niiden vaikutusta lämmönsiirtoon. Kerrostumien vaikutusta lämpöpintojen lämpötiloihin tutkittiin kerrostumasondin avulla kierto- ja kerrosleijukattiloissa. Saadun mittausaineiston muodostettiin mittaustilannetta vastaava laskentamalli, jonka avulla pystytään selvittämään voimalaitoksen lämpöpintojen likaantumista käyttöperiodin aikana. Työn alussa tarkasteltiin kerrostumien muodostumismekanismeja lämmönsiirtopinnoille, kerrostumien ominaisuuksia ja virtausympäristön vaikutusta lämmönsiirtoon. Poltossa syntyvä tuhka kiinnittyy eri mekanismeilla kattilan seinille ja lämpöpinnoille riippuen polttoaineesta ja ympäröivistä olosuhteista. Likakerrosten muodostuminen lämmönsiirtimen pinnalle pienentää putkeen siirtyvää lämpövirtaa ja alentaa kattilan hyötysuhdetta. Kerrostumien lämmönjohtumisesta ja mikrorakenteesta on hyvin vähän kokeellisen tietoa, mikä vaikeuttaa reaalisten mallien muodostamista kattilan käyttäytymisestä sen likaantuessa.Työn kokeellisessa osassa tarkasteltiin kahdella eri kattilalla tehtyjä mittauksia. Mittaukset tehtiin kerrostumasondilla, jonka lämmönsiirrosta luotiin laskentamalli SIMULINK-simulointiohjelmalla. Mittaustuloksina saatiin kolmen eri pinnan lämpötilat, jotka muuttuivat kerrostuman ja jäähdytyksen vaikutuksesta. Laskentamallista muokattiin mittaustilanteita vastaava, jolloin lämpötilamuutoksista nähdään likakerroksen ominaisuuksien vaikutus lämmönsiirtoon. Sondista muodostettiin myös FLUENT-malli, jolla tarkasteltiin yksittäisen putken virtauskenttää sekä kahden lähekkäin olevan putken vaikutusta virtaukseen.

Improvements in Air Intake on Frame 6 Gas Turbines

Työssä tarkastellaan kahta kaasuturbiinin imuilman sisäänottojärjestelmän kehitysmenetelmää, imuilman jäähdytystä ja sähköstaattista suodatusta. Imuilman jäähdytysmenetelmien tarkastelussa käytettiin kahta kaasuturbiinin tehonlisäystekniikoiden laskentatyökalua. Arviointi kohdistettiin Glanford Brigg Generating Station -voimalaitoksen kaasuturbiinityyppiin ja paikallisiin englantilaisiin ilmasto-olosuhteisiin. Tarkastelussa olivat kostutusjäähdytys ja overspray. Tuloksia vertailtiin keskenään ja näiden perusteella arvioitiin menetelmien vaikutuksia tehoon, hyötysuhteeseen sekä veden kulutukseen. Sähköstaattisen suodattimen prototyyppi oli rakennettu Briggin voimalaitokselle. Järjestelmää kehitetään kaupalliseksi tuotteeksi ja tätä varten kerättiin tekninen dokumentaatio kokonaisuudeksi, jota voitiin hyödyntää tuotteistusprosessissa. Imuilman jäähdyttämisellä voidaan saavuttaa merkittävä tehonlisäys ilmasto-olosuhteista riippuen. Menetelmällä voidaan myös tasata lämpötilan vuorokausi-vaihtelusta aiheutuvia tehoeroja. Sähköstaattisen suodattimen prototyyppi saavutti kehitysvaiheelle asetetut tavoitteet. Sähköstaattinen suodatus tarjoaa useita etuja perinteiseen mekaaniseen suodatukseen verrattuna.

Lämmöntalteenottokattilan dynaaminen simulointimalli

Työssä mallinnettiin kombivoimalaitoksen lämmöntalteenottokattila Apros-simulointiohjelmalla. Simulointimalli valmistettiin vastaamaan Helsingin Energian Vuosaari B:n voimalaitoksen lämmöntalteenottokattilaa, joka toimii kahdella painetasolla. Kattila on Foster Wheelerin valmistama. Ennen mallinnuksen aloittamista tutustuttiin laitoksen termodynamiikkaan, jolloin saatiin riittävä teoreettinen tieto koko laitoksen toiminnasta. Kattilan reunaehtoina ovat kaasuturbiiniprosessi ja laitoksen höyrykierto. Kaasuturbiini korvattiin laskentayhtälöillä, jotka antavat alkuarvot mm. savukaasun massavirralle ja lämpötilalle ennen kattilaa kaasuturbiinin tehon funktiona. Kattila liitetään höyrykiertoon tuorehöyry- ja syöttövesilinjasta, jolloin reunaehtoina annetaan lämpötilat ja paineet massavirroille. Valmistettua mallia testattiin ylösajo- ja kuormanmuutostilanteessa. Ylösajotilanteessa saatuja laskentatuloksia verrattiin todellisen laitoksen mittaustuloksiin, jolloin varmistuttiin simulointimallin oikeasta fysikaalisesta toiminnasta. Kuormanmuutostilanteissa kaasuturbiinin tehoa muutettiin ja samalla seurattiin kattilan reagointia muutostilanteessa. Kuormanmuutosmittauksessa varmistettiin vielä, että kattila reagoi kuormanmuutokseen oikealla tavalla, eikä muutos aiheuta kattilan toiminnalle haitallista värähtelyä.