Markku Huhtinen Risto Korhonen Tuomo Pimiä Samu Urpalainen Voimalaitostekniikka
Voimalaitostekniikka 2. tarkistettu painos Opetushallitus ja tekijät Opetushallitus PL 380 00531 Helsinki www.oph.fi/verkkokauppa Kustantaja: Opetushallitus Ulkoasu, kannet ja kuvanmuokkaus: Olli Luotonen Tuottaja: Urpo Rasila ISBN 978-952-13-5426-7 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 www.kopiosto.fi. Teoksen tai sen osan digitaalinen kopioiminen tai muuntelu on ehdottomasti kielletty.
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 2.1 2.3 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
Sisältö 1. Johdanto....11 2. Höyryvoimalaitokset....12 2.1 Kaukolämpövoimalaitokset...12 Kaukolämpöjärjestelmä...12 Kaukolämmön tuotanto...12 Huippulämpökeskukset.................14 Kaukolämpöjärjestelmän säädöt...14 Putkistoratkaisut....16 Rakennuksien lämmönjakokeskuksien kytkennät...18 Kaukolämpövoimalaitoksen peruskytkennät...21 Vesihöyrypiirin toiminta ja toiminta-arvot....21 Lisäveden valmistus....26 Kattilalaitos....35 Omakäyttöhöyryjärjestelmä...43 Jäähdytysjärjestelmä...45 Laitoksen hyötysuhteen parantaminen...46 Kaksivaiheinen kaukolämpöveden lämmitys....48 Syöttöveden esilämmitys....48 Välitulistus...53 Sähkön ja kaukolämmön eriaikainen tuotanto kaukolämpövoimalaitoksessa...56 Esimerkkejä eri kokoisista kaukolämpövoimalaitoksista Suomessa...58 2.2 Teollisuuden vastapainevoimalaitokset....63 Teollisuuden voimalaitoksen erityispiirteet....63 Energiantuotanto sulfaattisellutehtaalla....65 Voimalaitos osana...65 sellun valmistusprosessia....65 Soodakattilan rakenne ja toimintaperiaate...69 Sulfaattisellutehtaan energiatase..........75 Mekaanista massaa valmistavan tehtaan voimalaitos ja energiatalous....77 Mekaanisen massan valmistusmenetelmät...77 Mekaanista massaa valmistavan tehtaan energiavirrat...79 Höyrylämmitysjärjestelmä...80 Höyry lämmitysaineena....80 Matalapainehöyry- ja lauhdeputkistot...81 Höyry- ja lauhdeputkien mitoitus....86 2.3 Lauhdutusvoimalaitokset...89 Tuotetun sähkön hinnan minimointi...90 Perusprosessin komponentit...90 Läpivirtauskattilat...90 Kivihiilen polttotekniikat....92 Lauhduttimet.......................100 Esimerkkilaitoksia lauhdutusvoimalaitoksista Suomessa...104 2.4 Höyryturbiinit...109 Peruskäsitteitä....109 Turbiinin toimintatapa...113 Häviötön virtaus...113 Todellinen virtaus....114 Laval-suutin....114 Häviötön tasapaineturbiini...116 Häviötön ylipaineturbiini...117 Turbiinin häviöt...119 Sisäiset häviöt....119 Takaisinvoitto....120 Ulkoiset häviöt...121 Turbiinin osat...121 Säätö...126 Turbiinin käyttö...129 Lämpötekniset mittaukset...131 5
2.5 Höyryvoimalaitosten pumput.............133 Pumppujen toimintaperiaate...134 Syrjäytyspumput....134 Dynaamiset pumput....135 Pumppujen ominaiskäyrät....137 Pumpun valinta...140 Pumppujen säätö...140 Pumpun kuristussäätö...141 Kierrosnopeussäätö...142 Pumppujen käyttö rinnan ja sarjassa...144 Imukyky ja kavitaatio...145 Pumpun sijoitus...145 Kavitaatioilmiö....147 Pumppujen rakenne...148 Keskipakopumpun pääosat...148 Juoksupyörä ja pesä....148 Akselin tiivisteet ja niiden pesät....151 Aksiaalivoimien tasapainotus...........152 Pumppujen käyttö ja ennaltaehkäisevä huolto...153 2.6 Höyryvoimalaitoksen tehonsäädöt ja ajotavat...154 Tuorehöyryn paineen säädön peruskytkennät...154 Kiinteän paineen säätö...155 Etupainesäätö....155 Liukuvan paineen säätö...155 Säätötoteutukset voimalaitoksissa...156 Höyryturbiinin ja sähköntuotannon säädöt....156 Vastapainehöyryntuotannon säädöt....157 Kaukolämmöntuotannon säädöt...157 Ydinvoimalaitoksen reaktorin tehon ja turbiinin säädöt...158 Höyryn paineensäädöt ja tasausjärjestelmät usean höyryn - tuottajan kesken...159 Optimointijärjestelmät....160 2.7 Höyryvoimalaitoksen käyttö (perinteiset voimalat)....161 Kattilan käytön perussäännöt...161 Perusasioita kattilan automaatiosta....161 Kattilalaitoksen ylösajo...162 ja käytön valvonta...162 Esivalmistelut...162 Esivalmistelun toimenpiteet...162 Kattilan täyttö...163 Kattilan ylöslämmitys...................163 Puhaltimien käynnistys käsin...166 Puhaltimien ryhmäkäynnistys...166 Kattilan tuuletus käsin...166 Tuuletus automaatilla...167 Palamisilmapuhaltimien lukitukset...167 Petimateriaalin syöttäminen...167 Käynnistyspolttimen sytyttäminen...168 Kiinteän polttoaineen syötön aloitus...169 Kiinteän polttoaineen aloitus käsikäynnistyksellä...169 Kiinteän polttoaineen syötön aloitus ryhmäkäynnistyksellä...169 Normaalikäyttö....170 Päästöt kiinteällä polttoaineella....170 Kattilan nuohous....................171 Käytönaikaiset silmämääräiset tarkistukset...171 Kattilan alasajo...171 2.8 Turbiinilaitoksen ylösajoa edeltävät toimen-.... piteet, ylösajo ja käytön valvonta...174 Höyryturbiinin käyttöön liittyviä rajoituksia....174 Esivalmistelut...174 Turbiinin ylösajo....175 Turbiinin lämmitys...175 Höyryturbiinin kylmäkäynnistys...176 Lukitukset...177 Generaattorin tahdistus...179 Käytönaikainen valvonta...179 Turbiinin alasajo....179 6 Voimalaitostekniikka Sisältö
3. Moottorivoimalaitokset...181 3.1 Polttoaineet...181 Nestemäiset polttoaineet...181 Kevyt dieselpolttoöljy (kaasuöljy)...182 Raskas polttoöljy...182 Setaaniluku...182 Setaani-indeksi......................182 Kaasumaiset polttoaineet....183 Maakaasu...183 Biokaasut...183 3.2 Dieselmoottorit...183 Ahdetut moottorit...185 Ahtamattomat moottorit....186 Polttoainejärjestelmät...187 Polttoaineen suodattimet...188 Polttoaineen separointi...188 3.3 Kaasumoottorit...189 Ottomoottori...189 Kaasudieselmoottori...190 Kaksoispolttoainemoottori...192 Kaasun syöttöjärjestelmät....194 3.4 Lean burn -tekniikat....195 3.5 Perinteinen moottorivoimala....197 3.6 Kokonaisenergialaitoskytkennät...197 Sähkö + kaukolämpö...197 Sähkö + höyry...198 Sähkö + jäähdytys...199 Moottori + höyryturbiini...200 3.7 Käyttö ja huolto...200 Moottorin käyttö...201 Esimerkkejä rajoituksista ja turvallisuusohjeista....201 Varadieselgeneraattorien toiminta...201 eri tilanteissa...201 Käynnistyksen esivalmistelut...202 Käynnistys...202 Tahdistus...202 Pysäytys...202 Huolto....203 Kunnonvalvonta...203 Huoltojen yhteydessä suoritettavat mittaukset....203 4. Kaasuturbiinivoimalaitokset...204 4.1 Yleistä...204 4.2 Kaasuturbiinin toimintatapa...205 Avoin kaasuturbiiniprosessi...206 Suljettu kaasuturbiiniprosessi...207 Moniakselinen kaasuturbiini....207 4.3 Kaasuturbiinin pakokaasun lämmön käyttötapoja...207 Lämmön talteenottokattila...207 Kombiprosessi....209 4.4 Kaasuturbiinin rakenne...212 Yksiakselinen kaasuturbiini...212 Runko...212 Kompressori...213 Turbiini...214 Polttokammio...216 Poltin....216 Säädettävä laimennusilmajärjestelmä...217 4.5 Päästöt....219 4.6 Teho ja hyötysuhde...219 4.7 Polttoaineet...220 Nestemäiset polttoaineet...220 Kaasumaiset polttoaineet....220 4.8 Kaasuturbiinin apujärjestelmät...220 Käynnistysjärjestelmä...220 Pyörityskone...220 Voitelujärjestelmä....220 Jäähdytys...221 Polttoilmajärjestelmät...221 Kompressorin pesujärjestelmä...221 Vaihteisto...221 CO 2 -sammutin...221 Säätö- ja suojausjärjestelmät...221 5. Paineistetut voimalaitosprosessit...227 5.1 Kaasutuskombivoimalaitos...227 Kaasutus...228 Reaktorit...228 Kaasun puhdistus ja jäähdytys...228 Mustalipeän kaasutus...229 5.2 Paineistettu poltto (PFBC, Pressurized Fluidized Bed Combustion)...230 5.3 Polttokennon ja kaasuturbiinin yhdistäminen...231 7
6. Ydinvoimalaitokset...233 6.1 Ydinpolttoaineen valmistus...233 6.3 Ydinreaktion periaate....234 6.3 Reaktorityypit....236 Kaasujäähdytteinen luonnonuraanireaktori...236 Kaasujäähdytteisen reaktorin parannettu malli (AGR)...236 Kaasujäähdytteinen kuumareaktori...237 Painevesireaktori...237 Kiehutusvesireaktori....238 CANDU-reaktori....238 Höyryä kehittävä raskasvesireaktori...238 6.4 PWR-laitos...240 Primääripiiri...240 Sekundääripiiri....245 Loviisan voimalaitoksen yhden yksikön teknisiä tietoja....249 Olkiluodon uusi PWR-laitos OL3...249 6.5 BWR-laitos....253 Kiehutusvesireaktori....253 BWR-apujärjestelmät...256 6.6 Ydinjätehuollon toteuttaminen...257 Voimalaitosjätteet...257 Käytetyn polttoaineen käsittely...257 6.7 Säteily ja sen vaikutus ihmiseen...260 Radioaktiivisuus...260 Säteilyn vaikutukset ihmiseen...262 7. Vesivoimalaitokset...265 7.1 Vesivoimalaitoksen teho...265 7.2 Vesiturbiinityypit...267 Pelton-turbiini...267 Francis-turbiinit...267 Kaplan turbiinit...269 Putkiturbiinit...272 7.3 Turbiinien rakenneosat...274 Laakerit....274 Aksiaalitiiviste...274 Johtopyörät...274 Varolaitteet...274 Servomoottorit...275 Imuputket...275 7.5 Turbiinien säätö- sekä valvontaja varolaitteet....275 Säätäjät...275 Pumput...275 Valvonta- ja varolaitteet...276 Venttiilit...276 7.6 Luukut...276 Tuloputken sulkuluukut...276 Imuputken sulkuluukut....276 Segmenttiluukut....277 Nostokoneistot........................277 Muut sulkulaitteet...277 Välpät ja välpänpuhdistajat...277 7.7 Suomen vesivoimavarat....277 8. Tuulivoimalaitokset....280 8.1 Tuulivoima energianlähteenä...280 Tuulienergia Euroopassa ja muualla maailmassa...280 Tuulivoiman potentiaali Suomessa...281 Tuulivoima Suomessa....281 8.2 Tuuliturbiinit...282 Potkurimallinen laitos...283 8.3 Tuulivoimatekniikan perusteita...285 8.4 Tehokerroin...285 8.5 Tuulivoimageneraattorit...287 8.6 Tuulivoimalan kustannukset...287 9. Uudet CO 2 -päästöttömät energian tuotantotavat....289 9.1 Johdanto...289 9.2 CO 2 -päästöjen vähentäminen fossiilisia polttoaineita käytettäessä...290 CO 2 -päästöjen vähentämistekniikat...290 CO 2 :n varastointi...292 9.3 Vety polttoaineena...294 Vedyn ominaisuudet...294 Vedyn valmistaminen...294 Vedyn varastointi...295 Polttokennot....297 8 Voimalaitostekniikka Sisältö
10. Voimalaitoksen sähköjärjestelmät...299 10.1 Generaattorit...299 Vaihtosähkö...300 Generaattorin rakenne...301 Generaattorin suojajärjestelmät...302 Jäähdytysaineet...302 Generaattorin tahdistus...302 Loistehon ja jännitteen säätö...302 Taajuudensäätö....303 10.2 Muuntajat...303 10.3 Kytkinkenttä....304 10.4 Suomen sähkönsiirtojärjestelmä...304 Kantaverkko 400/220/110 kv....304 Alueverkko 110 kv...306 Jakeluverkko 20 kv / 1 000 V / 400 V...306 Sähköverkon hallinta...306 Kantaverkon säätö ja reservit....306 Säädönlaadun määritelmä ja laadunvalvonta...307 10.5 Sähkömoottorit........................309 Induktiomoottori...309 Vierasmagnetoitu tahtimoottori...310 Kestomagneettimoottori...310 Muita moottorityyppejä...310 Taajuusmuuttajakäytöt...311 10.6 Omakäyttösähköjärjestelmä...311 10.7 Vara- ja apuvoimantuotanto...312 Dieselgeneraattorit....312 Kaasuturbiinit...312 Vara- ja hätäpumput....312 Akustot ja UPS-laitteet...313 10.8 Sähköjärjestelmiin liittyvä käytönaikainen valvonta...314 11. Energiantuotannon talous....316 11.1 Johdanto...316 11.2 Energiankulutus ja tuotanto Suomessa...316 11.3 Suomen energiapolitiikka...318 11.4 Voimalaitoksella (lämpökeskuksella) tuotetun energian kustannukset...319 Kiinteät ja muuttuvat kustannukset...319 Sähkön hinnan muodostuminen erillistuotannossa...322 Sähkön hinnan muodostuminen yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotannossa....322 11.5 Energian tuotannon optimointi kustannussuorien avulla...325 Kustannussuorat....325 Energian tuotannon optimointi...326 12. Voimalaitosten ympäristövaikutukset ja ympäristöstä aiheutuvat riskit...328 Ympäristölupamenettelyt....328 Voimalaitosten ympäristövaikutukset...328 Ympäristöriskit...329 Liitteet...330 1. Suureet ja yksiköt....330 2. Höyrytaulukko...332 3a. Vesihöyryn h,s-piirros....335 3b. Vesihöyryn h,s-piirros....336 3c. Vesihöyryn h,s-piirros....337 4. Voimalaitosprosessien tunnistusjärjestelmä....338 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