Miten ydinvoimalan turbiini toimii lyhyt johdanto turbiiniteknologiaan

Transkriptio

1 Miten ydinvoimalan turbiini toimii lyhyt johdanto turbiiniteknologiaan Pyhäjoki Nhan Huynh

2 Yleistä Kuvia ydinvoimalaitoksen turbiinista Miten turbiini toimii Kuinka paljon sähköä voidaan saada 3220MW reaktorista Mitä toimia voi tehdä energiatehokkuuden parantamiseksi Miten ydinvoimaturbiini eroaa hiilivoimalaitoksen turbiinista Kysymyksiä ja keskustelua 2

3 Yleistä esityksestä Esitys keskittyy turbiinilaitokseen Esitys on hyvin teknillispainotteinen Saa Keskeyttää, ja kysyä jos jokin asia ei ole esitetty selkeästi Selitys kansankielellä parhaan mukaan Esitys on geneerinen ja esityksessä on käytetty erilaisten turbiinitoimittajien kuvia ja muuta materiaalia turbiinin toimintojen havannoimiseksi Kaikki esitetyt kuvat ovat julkisista lähteistä poimittuja. Tai tuotettu/laskettu/simuloitu kuvitteellisen turbiinin reunaehdoilla havainnollistamismielessä Johtopäätöksiä Fennovoiman turbiinista ei näillä perusteilla voi vetää Lähteet mainittu kuvan yhteydessä 3

4 Taustatietoa Nhan Huynh Jani Diplomi-insinööri, energiatekniikka, 2007 Teknillinen Korkeakoulu, Espoo Pääaine sovellettu termodynamiikka Sivuaine energiatieteet (ydinvoimatekniikka) Energiatehokkuusasiantuntija, Aalto yliopisto, Espoo Ylemmän korkeakoulun tutkinnon täydennyskoulutus Työhistoria Fennovoimassa kesällä 2008 lähtien Ennen Fennovoimaa ÅF-Consultissa BIO-CHP voimalaitosuunnittelutehtävissä Jaakko Pöyry Vietnamin hiilivoimalaitosprojektissa Muita työkokemuksia: STUK, Fortum Loviisa säteilysuojelu 4

5 AES2006 ydinvoimalaitoksen periaatekuva AES2006 on * Painevesilaitos * Radioaktiivinen vesi ja turbiinin menevä höyry ovat erillisissä piireissä Lähde: Fennovoima YVA

6 Yleistä Höyryturbiini on pyörivä laite joka muuntaa höyryn energian mekaaniseksi energiaksi Generaattorissa mekaaninen energia muuttuu sähköksi Yli 500MW turbiinit koostuvat korkeapaineturbiinista, välipaineturbiinista ja 2-3 matalapaineturbiinista. Turbiini laitoksen muita pääkomponentteja ovat turbiini-generaattorin lisäksi vedenerotin ja tulistimet, lauhduttimet, lauhteen ja syöttöveden esilämmittmet, syöttövesisäiliö ja pumput. 1400MW turbiinilaitos, jossa on korkeapaineturbiini, välipaineturbiini ja 3 matalapaineturbiinia sekä generaattori Lähde: Alstom www-svit Isot ydinvoimaturbiinit ovat 1500 kierrosta minuutissa (=puolinopeuskone 50hz sähköverkossa) 6

7 Turbiinin poikkileikkauskuva Turbiini koostuu Roottorista roottori koostuu akselista ja juoksusiivistä Sisäpesästä Sisäpesä koostuu johtosiipikannakkeista ja kiinteästi asennetuista johtosiivistä Lähde: Siemens www-sivut Brochure: Raising steam on an unprecedented scale 7

8 Turbiinin poikkileikkauskuva roottori juoksusiivet Suutin johtosiipikannake johtosiivet Lähde: 8

9 Yleistä Kuvia ydinvoimalaitoksen turbiinista Miten turbiini toimii Kuinka paljon sähköä voidaan saada 3220MW reaktorista Mitä toimia voi tehdä energiatehokkuuden parantamiseksi Miten ydinvoimaturbiini eroaa hiilivoimalaitoksen turbiinista Kysymyksiä ja keskustelua 9

10 Turbiinirakennuksen layout hahmotelma Kaksi tulistinta syöttövesisäiliö Kolme kaksijuoksuista matalapaineturbiinia generaattori Korkeapaine- ja välipaineturbiini kolme lauhdutinta syöttövesiesilämmittimet jäähdytysvesipumput Lähde: Alstom www-sivut 10

11 Korkeapaineturbiini, välipaineturbiini, kolme kaksijuoksuista matalapaineturbiinia ja lauhduttimet Kolme kaksijuoksuista matalapaineturbiinia tuottaa n.40% sähkötehosta Korkeapaine- ja välipaineturbiini tuottavat n. 60% sähköstä Lähde: 11

12 Kaksijuoksuinen korkeapaineturbiini, kolme kaksijuoksuista matalapaineturbiinia ja lauhduttimet kolme kaksijuoksuista matalapaineturbiinia tuottaa n.60% sähkötehosta Kaksijuoksuinen korkeapaine-turbiini tuottaa n. 40% sähköstä Lähde: /SST-9000_Data_sheet.pdf 12

13 Näkymä ydinvoimalaitoksen turbiinihallista Lähde: Alstom www-sivut 13

14 Näkymä ydinvoimalaitoksen turbiinihallista 14

15 Kuinka iso on iso? Turbiinin viimeisen vyöhykkeellä halkaisija voi olla jopa 6m Valmistustoleranssit hyvin pieniä Esimerkiksi siipien kiinniikeet 0,002-0,005mm Siipien pintojen valmistustoleranssit ~0,1-0,2mm Sallitut värinät alle 0,1mm Muutamasta osasta hitsattu roottori Shrunk-on-disk levyistä puserrettu roottori Kolmas roottorityyppi on kokonaan taottu monoblock

16 Vertailun vuoksi 52 1,3m Haarukka kiinnitystapa Joulukuusi kiinnitystapa Lähde: Alstom www-svit Noin 1,3m turbiinin siipi, joita on käytössä monissa ydinvoimaturbiineissa Pisimmät suunnitteilla olevat turbiinin siivet ovat lähes kaksi metrisiä: Esimerkiksi 75 (1,9m) turbiinisiipiä 16

17 Yleistä Kuvia ydinvoimalaitoksen turbiinista Miten turbiini toimii Kuinka paljon sähköä voidaan saada 3220MW reaktorista Mitä toimia voi tehdä energiatehokkuuden parantamiseksi Miten ydinvoimaturbiini eroaa hiilivoimalaitoksen turbiinista Kysymyksiä ja keskustelua 17

18 Höyryn luovuttama energia Lähde: learnengineering.com 18

19 Esimerkki h-s-piirros kuvitteellisen turbiinin paisuntakäyrästä 19

20 Yleistä Kuvia ydinvoimalaitoksen turbiinista Miten turbiini toimii Kuinka paljon sähköä voidaan saada 3220MW reaktorista Mitä toimia voi tehdä energiatehokkuuden parantamiseksi Miten ydinvoimaturbiini eroaa hiilivoimalaitoksen turbiinista Kysymyksiä ja keskustelua 20

21 Kuinka paljon sähköä voidaan saada ydinvoimalaitoksesta H-s piirros on kätevä työkalu turbiinitehon arvioinnissa Jotta turbiinista saataisiin sähköä, höyryn pitää paisua korkeammasta paineesta pienempään paineeseen (höyry luovuttaa sisäisen energian liike-energiaksi) Normaalisti ydinvoimalaitoksen turbiinissa paisunta tapahtuu seuraavasti: Korkeapaine turbiinissa noin 70 bar:ista noin 10 bar:iin Paisunta tapahtuu yleensä vyöhykkeessä Matalapaineturbiinissa noin 10 bar lauhduttimen paineeseen, joka Suomessa merijäähdytteisissä voimalaitoksessia on tyypillisesti 0,02-0,05 bar Paisunta tapahtuu 5-10 vyöhykkeessä Maksimoidaakseen turbiinin sähköntuotantoa, lauhduttimeen luodaan mahdollisimman matala paine (alipaine) Hyvin matalan paineen saamiseksi edellyttää, että höyry paisuu kaksi-faasialueelle, eli siitä tulee hyvin kosteata (sisältää n.10-12% kosteutta) 21

22 Kuinka paljon sähköä voidaan saada ydinvoimalaitoksesta Kun höyry on paisunut 0,025bar lauhduttimen paineeseen Höyryn ominaislämpötila tuossa paineessa on enää n.25oc (ei juurikaan höydynnettävissä) Höyryn paisuntaa edelleen ei olisi käytännössä edes mahdollista, vaikka lauhduttimen paine saataisiinkin vieläkin alemmaksi Materiaaliongelmat tulisivat vastaan, koska hyvin kostea höyry aiheuttaa eroosio ongelmia ja kulumista, eikä siitä saatava sähkön lisäys ole riittävä Tämä höyry pitää lauhduttaa takaisin yksi-faasiseksi vedeksi, siis siirtää matalan lämpötilaista lämpöä mereen merivesipiirissä Pumput eivät voi pumpata kaksifaasivirtausta takaisin höyrystimeen, Kostea höyry ei kannata hukata, sillä uuden puhtaan voimalaitosprosessiveden tuottaminen olisi kallista ja kuluttaisi liikaa energiaa (lisäveden kulutusta on minimoitava) 22

23 Kuinka paljon sähköä voidaan saada ydinvoimalaitoksesta Edellä kuvailtujen teknillisten reunaehtojen mukaan 3220 MW reaktorista (höyrystimen tuottamasta höyrystä) voidaan saada sähköksi Riippuen valitusta komponenteista ja vallitsevasta meriveden jäähdytysveden lämpötilasta, sähköä voidaan saada vähintään 1200MW Tällöin n.2000mw matalalämpötilaista (n.20 astetta) lämpöä menee lauhdutimen kautta meriveteen Optimoimalla suunnittelua, luomalla optimaaliset lauhduttimen painetasot ja valitsemalla sopivat komponentit, on mahdollista saada jopa yli 50MW lisätehoa edellä esitetystä 1200MW. Tarkka lukua ei valitettavasti voi kertoa (laitostoimittajien liikesalaisuus) Fennovoiman turbiinisuunnitteluosasto varmistaa, että näin tapahtuu 23

24 Yleistä Kuvia ydinvoimalaitoksen turbiinista Miten turbiini toimii Kuinka paljon sähköä voidaan saada 3220MW reaktorista Mitä toimia voi tehdä energiatehokkuuden parantamiseksi Miten ydinvoimaturbiini eroaa hiilivoimalaitoksen turbiinista Kysymyksiä ja keskustelua 24

25 Tehokkaamman turbiinin saa kasvattamalla höyryn painetta (rajoitus reaktorin höyrystimen kesto) Kasvattamalla höyryn lämpötilaa (rajoitus reaktorin höyrystimen kesto)..laskemalla lauhduttimen painetta (höyry tekee enemmän työtä, paisuu pidemmälle ) Lisäämällä ulosvirtauspintaa (pienempi akselin halkaisija varustettuna pitkillä siivillä tai suurempi akselin halkaisija lyhyemmillä siivillä) Pienentämällä virtaushäviöitä (turbiinin perä, huuvihäviöt ) Minimoimalla höyryvuotohäviöitä Omakäyttösähkön (tyypillisesti voimalaitoksilla 5-10% nettosähköstä) määrää pienentämällä saadan mahdollisimman paljon nettosähköä 25

26 Voimalaitoksen energia-analyysi - energiatehokkuuden työkalu Turbiiniprosessissa energiatehokkuus potentiaalia 1% hyötysuhteen tehostaminen -> 30MW lisää sähkötehoa Teknillistaloudellinen optimointi Termodynamiikan lainalaisuudet (tehostamista ei voida extrapoloida äärettömiin) Suomen kylmien jäähdytysveden hyödyntäminen lauhduttimen mitoituksessa ja turbiinisiipien pituudessa Lämpötaseen optimointia laskentaohjelmilla 26

27 Suunnittelutyökaluja.. 27

28 Suhteellinen höviöt Esimerkki: Häviöiden minimointia 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Siiven korkeus ---> Häviöt lähellä roottorin juuria ja turbiinin siipien kärkeä ovat suuria Suunnittelulla voidaan muotoilla siivet siten, että ohjataan suurempi määrä höyryvirtaus keskelle siipeä Hyöty voi olla jopa muutamia megawatteja 28

29 Tyypillisen ison turbiinin ulosvirtaushäviöt Ulos vitaus häviöt (kj/kg) Optimointi yleensä kannattaa -> Optimaalisen suunnittelupisteen löytäminen voi säästää 5-20MW häviöissä verrattuna oletukseen Annulus flow velocity (m/s) axial turn-up gross hood annuslus restriction November 23, 2010

30 Liian suuri turbiinin perä väljä Oikealla laitevalinnalla on suuri merkitys Ei optimoitu kylmiin jäähdytyvesiin 30

31 Yleistä Kuvia ydinvoimalaitoksen turbiinista Miten turbiini toimii Kuinka paljon sähköä voidaan saada 3220MW reaktorista Mitä toimia voi tehdä energiatehokkuuden parantamiseksi Miten ydinvoimaturbiini eroaa hiilivoimalaitoksen turbiinista Kysymyksiä ja keskustelua 31

32 Yleistä Kuvia ydinvoimalaitoksen turbiinista Miten turbiini toimii Kuinka paljon sähköä voidaan saada 3220MW reaktorista Mitä toimia voi tehdä energiatehokkuuden parantamiseksi Miten ydinvoimaturbiini eroaa hiilivoimalaitoksen turbiinista Kysymyksiä ja keskustelua 32

33 Kiitos mielenkiinnosta! Nhan Huynh Turbiini-insinööri Fennovoima Salmisaarenkatu Helsinki fennovoima.fi