Markku Huhtinen Risto Korhonen Tuomo Pimiä Samu Urpalainen. Voimalaitostekniikka

Transkriptio

1 Markku Huhtinen Risto Korhonen Tuomo Pimiä Samu Urpalainen Voimalaitostekniikka

2 Voimalaitostekniikka 2. tarkistettu painos Opetushallitus ja tekijät Opetushallitus PL Helsinki Kustantaja: Opetushallitus Ulkoasu, kannet ja kuvanmuokkaus: Olli Luotonen Tuottaja: Urpo Rasila ISBN Paino: Juvenes Print Suomen Yliopistopaino Oy, Tampere, 2013 Tämä teos on oppikirja. Teos on suojattu tekijänoikeuslailla (404/61). Teoksen valokopioiminen on kielletty, ellei valokopiointiin ole hankittu lupaa. Tarkista, onko oppilaitoksellanne voimassaoleva valokopiointilupa. Lisätietoja luvista ja niiden sisällöstä antaa Kopiosto ry Teoksen tai sen osan digitaalinen kopioiminen tai muuntelu on ehdottomasti kielletty.

3 Tämä kirja on tarkoitettu käytettäväksi voimalaitosten käyttöhenkilökunnan koulutuksessa niin voimalaitoskäyttäjien ammattitutkintoon valmistavassa koulutuksessa kuin myös ammattikorkeakouluissa tapahtuvassa voimalaitosalan insinöörikoulutuksessa. Kirjan tavoitteena on antaa lukijalle perustiedot eri voimalaitosprosessien (kuten konventionaalisten höyryvoimalaitosten, kombivoimalaitosten, moottorivoimalaitosten ja ydinvoimalaitosten) toiminnasta. Voimalaitosprosessien lisäksi on tarkasteltu erilaisia sähköntuotannossa käytettyjen turbiinien (kuten höyry-, kaasu-, vesi- ja tuuliturbiinien) rakenteita ja toimintaa. Kirjan tekijät ovat työssä Kymenlaakson ammattikorkeakoulussa, jossa annetaan sekä voimalaitoskäyttäjän ammattitutkintoon valmistavaa koulutusta että voimalaitoksen käytönvalvojalta edellytettävää insinööritasoista koulutusta. TkL Markku Huhtinen on kirjoittanut höyryvoimalaitoksia käsittelevät luvut ja 6 sekä CO 2 - päästöttömiä energiantuotantotapoja ja energiataloutta käsittelevät luvut 9 ja 11. DI Risto Korhonen on kirjoittanut turbiineja ja kombivoimalaitoksia käsittelevät luvut 2.4, 4, 5, 7 ja 8 sekä luvun 12. Ins. Tuomo Pimiä on kirjoittanut voimalaitosten käyttöä ja moottorivoimalaitoksia käsittelevät luvut 2.7 ja 2.8 sekä 3. Ins. Samu Urpalainen on kirjoittanut voimalaitosten säätöjä sekä sähkö- ja automaatiojärjestelmiä käsittelevät luvut 2.6 ja 10. Kirjan laadintaa on ohjannut johtoryhmä, jossa ovat kuuluneet projekti- ja laatupäällikkö Veikko Hannula Etelä Kymenlaakson ammattiopistosta, koulutusjaospäällikkö Ismo Kokko Fortum Power and Heat Oy:stä, voimalaitospäällikkö Ismo Orava Vattenfall Lämpö Oy:stä sekä johtava asiantuntija Jarmo Varmavuo PVO/Proma-Palvelut Oy:stä. Kirjaan on saatu runsaasti kuva ja lähdemateriaali voimalaitosalan laitteita valmistavilta ja maahantuovilta yrityksiltä sekä energiayhtiöiltä. Kaikille kirjan valmistumiseen myötävaikuttaneille haluamme lausua parhaimmat kiitoksemme Kirjan toiseen painokseen on tehty seuraavia muutoksia kirjassa mainittuja Suomen voimalaitoksia koskevat tiedot on päivitetty Suomen energiataloutta koskevat tiedot on päivitetty (luku 11) tuulivoimalaitoksia koskeva luku 8 on kirjoitettu uudestaan alalla tapahtuneen nopean kehityksen vuoksi Kotkassa, toukokuussa 2013 Tekijät 3

4 Sisältö 1. Johdanto Höyryvoimalaitokset Kaukolämpövoimalaitokset...12 Kaukolämpöjärjestelmä...12 Kaukolämmön tuotanto...12 Huippulämpökeskukset Kaukolämpöjärjestelmän säädöt...14 Putkistoratkaisut Rakennuksien lämmönjakokeskuksien kytkennät...18 Kaukolämpövoimalaitoksen peruskytkennät...21 Vesihöyrypiirin toiminta ja toiminta-arvot Lisäveden valmistus Kattilalaitos Omakäyttöhöyryjärjestelmä...43 Jäähdytysjärjestelmä...45 Laitoksen hyötysuhteen parantaminen...46 Kaksivaiheinen kaukolämpöveden lämmitys Syöttöveden esilämmitys Välitulistus...53 Sähkön ja kaukolämmön eriaikainen tuotanto kaukolämpövoimalaitoksessa...56 Esimerkkejä eri kokoisista kaukolämpövoimalaitoksista Suomessa Teollisuuden vastapainevoimalaitokset Teollisuuden voimalaitoksen erityispiirteet Energiantuotanto sulfaattisellutehtaalla Voimalaitos osana...65 sellun valmistusprosessia Soodakattilan rakenne ja toimintaperiaate...69 Sulfaattisellutehtaan energiatase Mekaanista massaa valmistavan tehtaan voimalaitos ja energiatalous Mekaanisen massan valmistusmenetelmät...77 Mekaanista massaa valmistavan tehtaan energiavirrat...79 Höyrylämmitysjärjestelmä...80 Höyry lämmitysaineena Matalapainehöyry- ja lauhdeputkistot...81 Höyry- ja lauhdeputkien mitoitus Lauhdutusvoimalaitokset...89 Tuotetun sähkön hinnan minimointi...90 Perusprosessin komponentit...90 Läpivirtauskattilat...90 Kivihiilen polttotekniikat Lauhduttimet Esimerkkilaitoksia lauhdutusvoimalaitoksista Suomessa Höyryturbiinit Peruskäsitteitä Turbiinin toimintatapa Häviötön virtaus Todellinen virtaus Laval-suutin Häviötön tasapaineturbiini Häviötön ylipaineturbiini Turbiinin häviöt Sisäiset häviöt Takaisinvoitto Ulkoiset häviöt Turbiinin osat Säätö Turbiinin käyttö Lämpötekniset mittaukset

5 2.5 Höyryvoimalaitosten pumput Pumppujen toimintaperiaate Syrjäytyspumput Dynaamiset pumput Pumppujen ominaiskäyrät Pumpun valinta Pumppujen säätö Pumpun kuristussäätö Kierrosnopeussäätö Pumppujen käyttö rinnan ja sarjassa Imukyky ja kavitaatio Pumpun sijoitus Kavitaatioilmiö Pumppujen rakenne Keskipakopumpun pääosat Juoksupyörä ja pesä Akselin tiivisteet ja niiden pesät Aksiaalivoimien tasapainotus Pumppujen käyttö ja ennaltaehkäisevä huolto Höyryvoimalaitoksen tehonsäädöt ja ajotavat Tuorehöyryn paineen säädön peruskytkennät Kiinteän paineen säätö Etupainesäätö Liukuvan paineen säätö Säätötoteutukset voimalaitoksissa Höyryturbiinin ja sähköntuotannon säädöt Vastapainehöyryntuotannon säädöt Kaukolämmöntuotannon säädöt Ydinvoimalaitoksen reaktorin tehon ja turbiinin säädöt Höyryn paineensäädöt ja tasausjärjestelmät usean höyryn - tuottajan kesken Optimointijärjestelmät Höyryvoimalaitoksen käyttö (perinteiset voimalat) Kattilan käytön perussäännöt Perusasioita kattilan automaatiosta Kattilalaitoksen ylösajo ja käytön valvonta Esivalmistelut Esivalmistelun toimenpiteet Kattilan täyttö Kattilan ylöslämmitys Puhaltimien käynnistys käsin Puhaltimien ryhmäkäynnistys Kattilan tuuletus käsin Tuuletus automaatilla Palamisilmapuhaltimien lukitukset Petimateriaalin syöttäminen Käynnistyspolttimen sytyttäminen Kiinteän polttoaineen syötön aloitus Kiinteän polttoaineen aloitus käsikäynnistyksellä Kiinteän polttoaineen syötön aloitus ryhmäkäynnistyksellä Normaalikäyttö Päästöt kiinteällä polttoaineella Kattilan nuohous Käytönaikaiset silmämääräiset tarkistukset Kattilan alasajo Turbiinilaitoksen ylösajoa edeltävät toimen-.... piteet, ylösajo ja käytön valvonta Höyryturbiinin käyttöön liittyviä rajoituksia Esivalmistelut Turbiinin ylösajo Turbiinin lämmitys Höyryturbiinin kylmäkäynnistys Lukitukset Generaattorin tahdistus Käytönaikainen valvonta Turbiinin alasajo Voimalaitostekniikka Sisältö

6 3. Moottorivoimalaitokset Polttoaineet Nestemäiset polttoaineet Kevyt dieselpolttoöljy (kaasuöljy) Raskas polttoöljy Setaaniluku Setaani-indeksi Kaasumaiset polttoaineet Maakaasu Biokaasut Dieselmoottorit Ahdetut moottorit Ahtamattomat moottorit Polttoainejärjestelmät Polttoaineen suodattimet Polttoaineen separointi Kaasumoottorit Ottomoottori Kaasudieselmoottori Kaksoispolttoainemoottori Kaasun syöttöjärjestelmät Lean burn -tekniikat Perinteinen moottorivoimala Kokonaisenergialaitoskytkennät Sähkö + kaukolämpö Sähkö + höyry Sähkö + jäähdytys Moottori + höyryturbiini Käyttö ja huolto Moottorin käyttö Esimerkkejä rajoituksista ja turvallisuusohjeista Varadieselgeneraattorien toiminta eri tilanteissa Käynnistyksen esivalmistelut Käynnistys Tahdistus Pysäytys Huolto Kunnonvalvonta Huoltojen yhteydessä suoritettavat mittaukset Kaasuturbiinivoimalaitokset Yleistä Kaasuturbiinin toimintatapa Avoin kaasuturbiiniprosessi Suljettu kaasuturbiiniprosessi Moniakselinen kaasuturbiini Kaasuturbiinin pakokaasun lämmön käyttötapoja Lämmön talteenottokattila Kombiprosessi Kaasuturbiinin rakenne Yksiakselinen kaasuturbiini Runko Kompressori Turbiini Polttokammio Poltin Säädettävä laimennusilmajärjestelmä Päästöt Teho ja hyötysuhde Polttoaineet Nestemäiset polttoaineet Kaasumaiset polttoaineet Kaasuturbiinin apujärjestelmät Käynnistysjärjestelmä Pyörityskone Voitelujärjestelmä Jäähdytys Polttoilmajärjestelmät Kompressorin pesujärjestelmä Vaihteisto CO 2 -sammutin Säätö- ja suojausjärjestelmät Paineistetut voimalaitosprosessit Kaasutuskombivoimalaitos Kaasutus Reaktorit Kaasun puhdistus ja jäähdytys Mustalipeän kaasutus Paineistettu poltto (PFBC, Pressurized Fluidized Bed Combustion) Polttokennon ja kaasuturbiinin yhdistäminen

7 6. Ydinvoimalaitokset Ydinpolttoaineen valmistus Ydinreaktion periaate Reaktorityypit Kaasujäähdytteinen luonnonuraanireaktori Kaasujäähdytteisen reaktorin parannettu malli (AGR) Kaasujäähdytteinen kuumareaktori Painevesireaktori Kiehutusvesireaktori CANDU-reaktori Höyryä kehittävä raskasvesireaktori PWR-laitos Primääripiiri Sekundääripiiri Loviisan voimalaitoksen yhden yksikön teknisiä tietoja Olkiluodon uusi PWR-laitos OL BWR-laitos Kiehutusvesireaktori BWR-apujärjestelmät Ydinjätehuollon toteuttaminen Voimalaitosjätteet Käytetyn polttoaineen käsittely Säteily ja sen vaikutus ihmiseen Radioaktiivisuus Säteilyn vaikutukset ihmiseen Vesivoimalaitokset Vesivoimalaitoksen teho Vesiturbiinityypit Pelton-turbiini Francis-turbiinit Kaplan turbiinit Putkiturbiinit Turbiinien rakenneosat Laakerit Aksiaalitiiviste Johtopyörät Varolaitteet Servomoottorit Imuputket Turbiinien säätö- sekä valvontaja varolaitteet Säätäjät Pumput Valvonta- ja varolaitteet Venttiilit Luukut Tuloputken sulkuluukut Imuputken sulkuluukut Segmenttiluukut Nostokoneistot Muut sulkulaitteet Välpät ja välpänpuhdistajat Suomen vesivoimavarat Tuulivoimalaitokset Tuulivoima energianlähteenä Tuulienergia Euroopassa ja muualla maailmassa Tuulivoiman potentiaali Suomessa Tuulivoima Suomessa Tuuliturbiinit Potkurimallinen laitos Tuulivoimatekniikan perusteita Tehokerroin Tuulivoimageneraattorit Tuulivoimalan kustannukset Uudet CO 2 -päästöttömät energian tuotantotavat Johdanto CO 2 -päästöjen vähentäminen fossiilisia polttoaineita käytettäessä CO 2 -päästöjen vähentämistekniikat CO 2 :n varastointi Vety polttoaineena Vedyn ominaisuudet Vedyn valmistaminen Vedyn varastointi Polttokennot Voimalaitostekniikka Sisältö

8 10. Voimalaitoksen sähköjärjestelmät Generaattorit Vaihtosähkö Generaattorin rakenne Generaattorin suojajärjestelmät Jäähdytysaineet Generaattorin tahdistus Loistehon ja jännitteen säätö Taajuudensäätö Muuntajat Kytkinkenttä Suomen sähkönsiirtojärjestelmä Kantaverkko 400/220/110 kv Alueverkko 110 kv Jakeluverkko 20 kv / V / 400 V Sähköverkon hallinta Kantaverkon säätö ja reservit Säädönlaadun määritelmä ja laadunvalvonta Sähkömoottorit Induktiomoottori Vierasmagnetoitu tahtimoottori Kestomagneettimoottori Muita moottorityyppejä Taajuusmuuttajakäytöt Omakäyttösähköjärjestelmä Vara- ja apuvoimantuotanto Dieselgeneraattorit Kaasuturbiinit Vara- ja hätäpumput Akustot ja UPS-laitteet Sähköjärjestelmiin liittyvä käytönaikainen valvonta Energiantuotannon talous Johdanto Energiankulutus ja tuotanto Suomessa Suomen energiapolitiikka Voimalaitoksella (lämpökeskuksella) tuotetun energian kustannukset Kiinteät ja muuttuvat kustannukset Sähkön hinnan muodostuminen erillistuotannossa Sähkön hinnan muodostuminen yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotannossa Energian tuotannon optimointi kustannussuorien avulla Kustannussuorat Energian tuotannon optimointi Voimalaitosten ympäristövaikutukset ja ympäristöstä aiheutuvat riskit Ympäristölupamenettelyt Voimalaitosten ympäristövaikutukset Ympäristöriskit Liitteet Suureet ja yksiköt Höyrytaulukko a. Vesihöyryn h,s-piirros b. Vesihöyryn h,s-piirros c. Vesihöyryn h,s-piirros Voimalaitosprosessien tunnistusjärjestelmä

9 1. Johdanto Tämä voimalaitostekniikan oppimateriaali on tarkoitettu voimalaitosten käyttöhenkilökunnan koulutukseen. Vuonna 2011 Suomessa tuotetusta sähköstä tuotettiin vesivoimalla 17,4 % tuulivoimalla 0,7 % ydinvoimalla 31,6 % yhteistuotannolla (höyryvoimalaitoksissa tai kombivoimalaitoksissa) 36,7 % fossiilisia polttoaineita polttavissa lauhdutusvoimalaitoksissa 13,6 %. Tämän kirjan tavoitteena on antaa käsitys siitä, millaisia erilaiset sähköä tuottavat voimalaitokset ovat rakenteeltaan. Kirjassa kerrotaan myös, kuinka voimalaitokset toimivat ja kuinka niitä käytetään. Voimalaitosprosessien tarkastelu aloitetaan höyryvoimalaitoksista eli veden ja höyryn kiertoprosessiin perustuvien sähkön tuotantoprosessien tarkastelusta (luku 2). Tässä yhteydessä esitellään kaukolämpöä ja teollisuuden vastapainehöyryä tuottavat vastapainevoimalaitokset sekä konventionaaliset lauhdutusvoimalaitokset. Ydinvoimalaitokset, joiden toiminta niin ikään perustuu veden ja höyryn kiertoprosessiin ja jotka ovat lauhdutusvoimalaitoksia, käsitellään tässä kirjassa omassa kohdassaan (luvussa 6), koska niihin liittyy niin paljon omia erityispiirteitä. Höyryvoimalaitoksiin liittyvään kokonaisuuteen kuuluvat myös höyryturbiinit ja voimalaitosprosessien pumput sekä höyryvoimalaitosten säätöperiaatteet ja käyttö, jotka käsitellään omina kohtinaan. Höyrykattila on höyryvoimalaitoksen olennainen osa, joka on kuitenkin tässä kirjassa jätetty vähemmälle huomiolle, sillä siitä on jo olemassa koulutukseen hyvin soveltuvaa oppimateriaalia /1/. Moottorivoimalaitoksia käsitellään luvussa 3. Moottorivoimalaitoksia käytetään Suomessa suhteellisen vähän, mutta ne ovat Suomelle tärkeä vientituote. Tässä yhteydessä tarkastellaan erityisesti sitä, kuinka moottoreiden jätelämpöjä voidaan ottaa talteen kaukolämmön, höyryn, sähkön tai jäähdytysenergian tuottamista varten. Luvussa 4 esitellään kaasuturbiineita ja kombivoimalaitoksia, joissa kaasuturbiinien jälkeisillä kuumilla savukaasuilla tuotetaan kombikattiloissa höyryä höyryturbiineille. Tähän liittyen (luvussa 5) tarkastellaan myös paineistetun polton ja kaasutuksen käyttöä kombivoimalaitoksissa. Luvussa 6 käsitellään ydinvoimalaitoksia ja erityisesti Suomessa käytössä olevia PWR- ja BWR-laitoksia ja niiden erityispiirteitä ja eroja konventionaalisiin lauhdutusvoimalaitoksiin nähden. Tämän jälkeen (luvuissa 7 9) tarkastellaan uusiutuvia energiamuotoja hyödyntäviä vesi- ja tuuliturbiineja sekä lähinnä tulevaisuuden energiantuotantotapoihin kuuluvien polttokennojen hyödyntämistä sähkön tuotannossa. Luku 10 on omistettu voimalaitosten sähkö- ja automaatiojärjestelmien ja niihin liittyvien komponenttien esittelylle. Lopuksi, luvussa 11, tarkastellaan Suomen energiapolitiikan tavoitteita ja eri tuotantotavoilla tuotetun sähkön hinnan kilpailukykyä yhteispohjoismaisilla sähkömarkkinoilla. Liitteissä on esitetty kylläisen veden ja höyryn taulukko ja vesihöyryn h,s-diagrammi sekä voimalaitosjärjestelmien kks-merkitsemisjärjestelmän periaatteet. Lähteet: /1/ Huhtinen, Kettunen, Nurminen, Pakkanen: Höyrykattilatekniikka, Edita 11