Voimalaitos prosessit. Kaukolämpölaitokset 1, Tuomo Pimiä

Transkriptio

1 Voimalaitos prosessit Kaukolämpölaitokset 1, Tuomo Pimiä

2 Sisältö Kaukolämpölaitokset Johdanto Tuntivaihtelu käyrä Peruskuormalaitos Huippukuormalaitos Laitoskoon optimointi Pysyvyyskäyrä Kokonaiskustannus Laitoksen käytön optimointi Laskenta esimerki

3 Johdanto Yleensä kaukolämpölaitokset tuottavat sähköä kaukolämmön lisäksi. Laitoksen koko määräytyy kaukolämmön tarpeen mukaan. Koko on yleensä n. 50% kaukolämmön maksimitarpeesta. Sillä pystytään tuottamaan n. 80% koko kaukolämmön tarpeesta. Laitokset rakennetaan pitkäkäyttöikä mielessä, koska pääasiassa kaukolämpöä tarvitaan vain talviaikaan.

4 Asuinrakennuksen lämmöntarve on n. 20W/m 3 (huippukulutus, kun ulkoilman lämpötila on - 30 C). Esim. 200 m 2 (500m 3 ) talo huonekorkeus 2,5m tarvitsee noin 10kW lämpöä. Asuinrakennusten lämmöntarve vaihtelee voimakkaasti ulkoilman lämpötilan mukaan.

5 Kaukolämmön tuntivaihtelukäyrä

6 Vuotuisen tehontarpeen vaihtelun johdosta noin 80% energiantarpeesta voidaan tuottaa halvoilla polttoaineilla. Ja puuttuva 20% tuotetaan huippukulutus laitoksilla. Nämä ovat investointihinnaltaan halpoja mutta polttoaineina käytetään kalliita mutta helppoja polttoaineita kuten maakaasu ja kevyttä polttoöljyä. Nämä laitokset ovat pääasiassa miehittämättömiä kaukokäytettyjä laitoksia.

7 Kahden erityyppisen laitoksen kombinaatio tekee kaukolämmön tuotannosta edullista ja joustavaa. Siksi lämmöntuotanto tulisi jakaa perus- ja huippukuormalaitosten kesken. Optimoimalla laitosten käyttöaika käyttökulujen suhteen, voidaan lämmöntuotannon hinta minimoida. Kaukolämmön peruskuormalaitokset ovat kustannustehokkaita yli 10MW kokoluokassa. (Kattilan lämpöteho)

8 Kotkan kaukolämpöverkosto

9 Peruskuormalaitokset Peruskuormalaitos: Kallis investointi Halvat käyttökustannukset -> (halvat polttoaineet: turve, puu, hiili, etc ) Tuottavat myös sähköä

10 Huippukuormalaitokset Huippukuormalaitos: Halpainvestointi Kalliit käyttökustannukset (kevyt öljy, maakaasu) Miehittämätön, kaukokäytetty Usein vakiotoimituskattila

11 Pysyvyyskäyrä

12 Kokonaiskustannus Voimaliatoksen kustannukset voidaan jakaa kiinteisiin kuluihin =a( /kw) (investointi) ja muuttuviin kustannuksiin = b( /MWh) (polttoaine) C kok =a+t k *b =kokonaiskustannus t k = käyttöaika/vuosi

13 Käyttöajan optimointi ah = investointi, huippu ap = investointi, perus /MW Huippuvoima halvempaa Perusvoima halvempaa Risteyskohdasta nähdään milloin ko. laitostyyppi on edullisempi käyttää. t k

14 Laskentaesimerkki

15 Laskentaesimerkin alkutietoja Syöttövesitankin paine2 baaria Tuorehöyryn paine p=40 bar, t=450ºc Kaukolämpöteho Φ KL =25MW Kaukolämpövesi lämpenee 50-90ºC KL-lämmönvaihtimen asteisuus 10ºC Vastapaine höyry on 100ºC (oletus = höyry on kylläistä)

16 Laskenta esimerkki Piste m kg/s p bar t C H kj/kg höyry kondenssivesi laskettu Piste 2.

17 Vastaukset Piste m kg/s p Bar t C H kj/kg 1 11, , , höyry 4 11, kondenssivesi 5 11, , , laskettu

18

19 Voimalaitos prosessit Kaukolämpölaitokset 2, Tuomo Pimiä

20 Topics Johdanto Huom! Rakennusasteen parantaminen Laitoskoon kasvattaminen Tyypillinen prosessi kytkentä -> r=0,44 Kaksivaiheinen KL-lämmitys Laskentaesimerkki Monivaiheinen SYVE-esilämmitin Laskentaesimerkki Tuorehöyrynpaineen ja lämpötilan noston vaikutus Laskentaesimerkki

21 Johdanto Laitoskoon kasvaessa rakennetaan laitos paremmalle rakennusasteelle. Isompilaitos Isompi rakennusaste Isompi investointi Parempihyötysuhde Korkeampi investointikulu kompensoituu käytönaikana suuremmalla sähkönmyynnillä.

22 HUOM! Huomaa, että seuraavien esimerkkien kohdalla jotkin arvot eivät ole täysin johdonmukaisia jos olisivat samassa prosessissa. Nämä esimerkit esittävät erilaisten prosessimuutosten vaikutusta yleisesti rakennusasteeseen. Alkuperäisiä prosessiarvoja ei muuteta eikä korjata muutosten jälkeen vaan niitä käytetään sellaisinaan rakennussuhteen tarkastelussa.

23 Tyypillinen prosessikytkentä 50MW r=0,44 Kymenlaakson ammattikorkeakoulu / KyAMK Yksikön nimi 23

24 Edellisen sivun kytkennän rakennusaste on noin 0,44. Kattilan tuorehöyryn arvot ovat myös suuremaat joten: Turbiiniin menevän höyryn entalpia on suurempi, joten Δh on suurempi Jolloin turbiinin sähkötehokin kasvaa (P=m Δh)

25 Kaksivaiheinen KL-vaihdin Kasivaiheisella KL-vaihtimella saadaan turbiinista suurempi sähköteho Puolet KL-vaihtimessa käytetyssä höyrystä paisuu alempaan paineeseen

26 Kaksivaiheinen KL-vaihdin

27 Lisäsähkö 2-vaiheisesta KL Puolet höyrystä virtaa (5,5kg) matalampaan paineeseen kuin aikaisemmin

28 Lisäsähkön laskenta Laske uusi P turb ja r kasivaiheiselle KL-vaihtimelle VIHJE! Sähkön tuotto kasvaa noin 7% P turb =? r =? P KL = 25 MW P turb = m 1 h 1 m 2 h 2 m 3 h 3 m x h x kg kj kg kj kg kj 7982kW = 11, 5 s 3320 kg 0, 4 s 2780 kg 5, 55 s 2674 kg 5, 55 r = 8MW 25MW = 0, 32 kg kj s 2590 kg

29 Monivaiheinen SYVE-esilämmitin Kattiloissa joissa syöttövettä esilämmitetään lämmitykseen käytetään höyryturbiinin väliottohöyryä Höyry virtaa turbiini läpi esilämmittimelle (myös massavirta kasvaa) Kaukolämpöteho pysyy vakiona, mutta turbiini tuottaa lisäsähköä.

30 Monivaiheinen SYVE-esilämmitin

31 Monivaiheinen SYVE-esilämmitin 310 Turbiinin välioton paineen määrittää SYVE:n loppulämpötila Höyry lauhtuu 185 C Väliotto höyry SYVE Veden entalpiat t=120 C t=185 C p= 11,2 bar t=185 C 504kJ/kg 785kJ/kg

32 Monivaiheinen SYVE-esilämmitin Piste m bar t h 7. 11, , ,4 11,

33 Monivaiheinen SYVE-esilämmitin esimerkki Laske uusi P turb ja r kasivaiheiselle KL-vaihtimelle P turb =? r =? P KL = 25 MW Energiabalanssi m7*h7+m9*h9=m8*h8 Ainebalanssi m7+m9=m8

34 Tuorehöyryn arvojen vaikutus Alkuperäiset prosessiarvot olivat 40bar ja 450 C Korotettu p ja t seuraavassa esimerkissä ovat 80 bar and 520 C Laske uusi P turb ja r korkeammalle höyryn paineelle ja lämpötilalle

35

36

37

38

39

40 Voimalaitosprosessit Kaukolämpölaitokset 3, Tuomo Pimiä

41 Sisältö Välitulistus Laskenta esimerkki Sähkön ja kaukolämmön erillinen tuotanto Laskenta esimerkki Apujäähdytin Sähkönhinta apujäähdyttimellä Lämpöakku kaukolämpöverkossa Erillinen lauhdeturbiini

42 Välitulistus Voimalaitokset välitulistuksella toimivat paremmalla hyötysuhteella kuin ilman välitulistusta. Ensin höyry virtaa turbiinin KP-pesän läpi Sitten höyry kylmästä välitulistuksesta virtaa välitulistimen läpi Kuuma välitulistettu höyry virtaa turbiinin VP-pesään VP-pesästä höyry virtaa Matalapainepesään Välitulistus on kallis investointi Esimerkkejä Suomen välitulistetuista laitoksista (lauhde laitoksia) Inkoo 4 x 250MW Meri-Pori 560MW Tahkoluoto 220MW

43 Välitulistus

44 Välitulistus Voimalat välitulistuksella toimivat yleensä korkeilla höyryn lämpötila ja paine arvoilla Lämpötila voi olla jopa 600ºC (tulevaisuudessa suunnitteilla jopa 800ºC höyryn lämpötiloja) Luonnonkiertokattilat eivät voi toimia yli 170baarin painella Läpivirtaus kattilassa (Benson) paine ei rajoita mutta materiaalit rajoittavat maksimi painetta (Sulzer max. 200bar) Yleensä tulistuksen ja välitulistuksen lämpötilat ovat samat

45 Turbiinin paisunta käyrä esimerkki

46 Turbiini 535ºC - 535ºC

47 Lisäsähkön laskenta Laske uusi P turb ja r välitulistettuun systeemiin P turb =? r =? P KL = 25 MW

48 Sähkön ja kaukolämmön eriaikainen tuotanto Perus prosessissa tuotetulla sähköllä ja kaukolämmöllä on tietty kiinteä suhde.

49 Sähkön ja kaukolämmön eriaikainen tuotanto Mutta sähkön ja kaukolämmön tarve laihtelee toisistaan riippumatta Esimerkiksi sähkön hinta vaihtelee tunneittain

50 Sähkön ja kaukolämmön vaihtelu vuositasolla

51 Sähkön ja kaukolämmön vaihtelu tuntitasolla

52 Apujäähdytin Jos kaukolämpöä ei tarvita ja sähkönhinta sähköpörssissä on kova voidaan pelkästään sähköä tuottaa apujäähdyttimen avulla Ylimääräinen kaukolämpö voidaan dumpata apujäähdyttimeen Apujäähdyttimeen energia menee harakoille Tarvitaan siis tarpeeksi korkea sähkönhinta jotta osa energiasta voidaan menettää.

53 Apujäähdytin Apujäähdytin on edullinen investointi Kuitenkin sähkö on melko kallista Working area

54 Sähkön hinta apujäähdytin

55 Lämpöakku kaukolämpöverkossa Kaukolämpöakku on kallis investointi Etuna mahdollisuus varastoida sähköntuotannon aikana tehty lämpöenergia Näin voidaan tasoittaa/varastoida päivittäisiä kulutus eroja sähkön ja kaukolämmön kulutuksen välillä

56 Sähkön hinta apujäähdytin Minimum price of the eclectricity = Fuel price Boiler effiency = 10 MWh =11 /MWh 0,9

57 Erillinen lauhde turbiini Tällä kytkennällä voidaan päästä 40-44% hyötysuhteeseen sähkön tuotannossa Lauhdeturbiini on kallis investointi Jos generaattori on LP-pesän jälkeen sitä tarvitsee jäähdyttää Koska se pyörii vaikka ei ole käytössä

58 Erillinen lauhde turbiini THe limit price of the eclectricity = Fuel price Turbine effiency = 10 MWh =25 /MWh 0,4

59