VESA HYTÖNEN VOIMALAITOSTEN SUURITEHOISTEN NOPEUSSÄÄDETTYJEN SÄHKÖKÄYTTÖJEN INVESTOINTIKUSTANNUSTEN OPTIMOINTI Diplomityö Tarkastaja: professori Heikki Tuusa Tarkastaja ja aihe hyväksytty Tieto- ja sähkötekniikan tiedekuntaneuvoston kokouksessa 1. toukokuuta 2010
II TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Automaatiotekniikan koulutusohjelma HYTÖNEN, VESA: Voimalaitosten suuritehoisten nopeussäädettyjen sähkökäyttöjen investointikustannusten optimointi Diplomityö, 66 sivua, 8 liitesivua Joulukuu 2010 Pääaine: Teollisuuden sähkönkäyttötekniikka Tarkastaja: professori Heikki Tuusa Avainsanat: Investointikustannukset, pyörimisnopeussäädetty käyttö, voimalaitos Voimalaitoksissa on usein käytössä prosessin kannalta välttämättömiä nopeussäädettyjä sähkökäyttöjä, jotka voivat olla nimellisteholtaan yli 500 kilowattia, jopa useita megawatteja. Tällaiset käytöt ovat yleensä pumppu- tai puhallinkäyttöjä. Näiden pumppu- ja puhallinkäyttöjen lukumäärä ja suuri tehon tarve vaikuttavat merkittävästi voimalaitoshankkeen investointikustannuksiin sekä hankintavaiheessa että voimalaitoksen elinkaaren aikana. Tässä työssä tarkastellaan taulukkolaskentaan perustuvaa suunnittelutyökalua, joka on suunniteltu helpottamaan suuritehoisten nopeussäädettyjen sähkökäyttöjen erilaisten investointivaihtoehtojen investointikustannusten vertailua. Työn tavoitteena on selvittää, kuinka esimerkiksi sähkökäytön käyttöjännite ja vuotuinen käyttöaste vaikuttavat investoinnin kokonaiskustannuksiin. Työn tutkimukset voidaan jakaa kolmeen osaan: Kirjallisuustutkimusosassa tarkastellaan, mikä tarkasteltavien sähkökäyttöjen tehtävä on voimalaitosprosessissa ja kuinka niitä mitoitetaan. Lisäksi selvitetään, mitä investoinnin suunnittelulla tarkoitetaan ja kuinka investointihanke etenee. Suunnittelutyökalun esittelyosassa tarkastellaan, mitä laitteita eri investointivaihtoehtojen toteuttaminen vaatii ja kuinka kustannusten laskenta on toteutettu työkalussa. Kustannustarkasteluosassa esitellään suunnittelutyökalun avulla laskettuja investointikustannuksia. Tarkemmin tarkastellaan investointivaihtoehtojen kustannusten jakautumista eri tekijöihin ja sitä, kuinka eri vaihtoehtojen kustannukset käyttäytyvät tehon ja vuotuisen käyttöasteen muuttuessa. Tutkimus osoittaa, että huomattavimmat erot eri investointivaihtoehtojen kesken riippuvat siitä, käytetäänkö tarkasteltavan vaihtoehdon taajuusmuuttajaa ja oikosulkumoottoria keski- vai pienjännitteellä. Hankintakustannukset ovat keskijännitevaihtoehdoilla pienjännitevaihtoehtoja suuremmat, koska keskijännitevaihtoehtojen aine-, työ- ja rakennuskustannukset ovat selvästi suuremmat. Jos tarkastellaan vain investoinnin välittömiä kustannuksia eli hankintakustannuksia, kannattaa valita pienjännitevaihtoehto. Voimalaitoksen elinkaaren aikana juoksevasti syntyvät kustannukset eli häviö- ja jäähdytyskustannukset vaikuttavat merkittävästi investoinnin kokonaiskustannuksiin. Vaikutus on sitä suurempi, mitä suurempi on sähkökäytön vuotuinen käyttöaste. Kun sähkökäytön nimellistehoa kasvatetaan, pienjännitevaihtoehtojen juoksevasti syntyvät kustannukset kasvavat huomattavasti nopeammin kuin keskijännitevaihtoehdoilla.
III ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master's Degree Programme in Automation Engineering HYTÖNEN, VESA: Optimizing the investment costs of high-power variable speed drives for power plants Master of Science Thesis, 66 pages, 8 Appendix pages December 2010 Major: Utilization of electrical energy Examiner: Professor Heikki Tuusa Keywords: Investment costs, variable speed drive, power plant In power plants variable speed drives are often necessarily used for the process. The drives may have a rated power above 500 kilowatts up to several megawatts. Such drives are typically used in pump or fan applications. The number and high power consumption of pump and fan drives significantly affect the power plant project investment costs as well as the procurement stage and the plant life cycle. This study focuses on a spreadsheet-based planning tool that is designed to facilitate for comparison high-power variable speed drives of different investment options and investment costs. The goal is to find out how, for example, the operating voltage of electric drives and the annual utilization rate have an impact on the total cost of investment. This study can be divided into three sections: a literature survey examines the role of electric drives under consideration in the process of the power plant and how they are scaled. In addition it will be identified what is the investment planning purpose, and how the investment project is progressing. The planning tool overview section looks at what devices the different investment options will require and how cost calculation has been implemented in the tool. The cost analysis section presents the investment costs calculated by the planning tool. More specifically, the distribution of costs of the investment options related to various factors are examined, and how the costs of different options have impact on the change of power and the annual utilization. The study shows that the major differences between the different investment options depend on whether it is used in the option under consideration an inverter and a squirrel cage induction motor drive with a low or medium voltage. The costs of acquisition of medium-voltage options compared to low-voltage alternatives are higher because of the clearly higher materials, labor and construction costs of medium-voltage options. If you look at the investment only to the direct costs of the acquisition cost, you should choose the low-voltage option. The power plant's life cycle costs of ongoing losses and cooling costs significantly affect the overall investment costs. The impact is greater the higher the utilization of the annual use of the electric drive is. When the rated power of the electric drive is increased, the ongoing costs of low-voltage options are growing much faster than the medium-voltage alternatives.
IV ALKUSANAT Kun opiskelin kolmatta vuotta Petäjäveden lukiossa syksyllä 2003, päätin jättää viimeiset fysiikan syventävät kurssit suorittamatta. Perustelin päätöstäni opinto-ohjaajalle siten, etten seuraavana keväänä vastaisi ylioppilaskirjoitusten reaalikokeessa fysiikan kysymyksiin enkä yhteishaussa hakisi opiskelemaan alaa, jonka opinnot painottuvat fysiikkaan. Puolen vuoden kuluttua kevään ylioppilaskirjoitusten reaalikokeessa vastasin sekä maantiedon että kemian kysymyksiin. Hieman myöhemmin, korkeakoulujen yhteishaun yhteydessä, edellisenä syksynä tehty päätös taisi unohtua. Lähetin hakupaperit Tampereen teknilliseen yliopistoon. Viimeistään nyt, diplomityötäni viimeistellessä, on myönnettävä, että olin väärässä seitsemän vuotta sitten perustellessani fysiikan kurssien suorittamatta jättämistä. Opintorekisteriotteeni on täyttynyt kursseista, jotka tavalla tai toisella liittyvät fysiikkaan. Ei tämä diplomityökään fysiikkaa aivan täysin sivuuta. Kaikesta huolimatta, on kiitoksen aika. Kiitokset Ramboll Finland Oy:n automaatio ja sähkö yksikölle, erityisesti työni ohjaajalle Arto Linnakselle, mahdollisuudesta tämän diplomityön tekemiseen. Kiitokset myös työn tilaajalle, Foster Wheeler Energia Oy:lle sekä ABB Oy:lle. Haluan kiittää erityisesti Foster Wheeler Energia Oy:n henkilökunnasta Markku Moisiota avusta suunnittelutyökalun laadinnassa sekä ABB Oy:n kotimaan tuotemyynnin osastoa Mika Luhtalammen johdolla. Taloudellisesta tuesta kiitokset edellä mainittujen yhteistyöyritysten lisäksi Keski-Suomen Sähköteknillinen yhdistys ry:lle. Tampereen teknillisen yliopiston sähköenergiatekniikan laitoksen osalta kiitän rakentavasta palautteesta diplomityöni tarkastajaa, professori Heikki Tuusaa. Suuri on joukko, joka on jaksanut kannustaa ja tukea minua tämän työn sekä muiden opintojen edetessä. Lämmin kiitos avopuolisolleni Saaralle kallisarvoisesta tuesta ja avoimesta sylistä, kiitos myös muille läheisille ja ystäville. Jyväskylässä 18.11.2010 Vesa Hytönen
V SISÄLLYS 1. JOHDANTO... 1 2. VOIMALAITOSTEN SUURITEHOISET NOPEUSSÄÄDETYT SÄHKÖKÄYTÖT... 2 2.1. Käyttöjen erityispiirteet... 3 2.2. Sähkömoottorikäytön mitoitus... 4 Esimerkki pumppukäytön moottorin ja taajuusmuuttajan valitsemisesta... 5 2.3. Investointivaihtoehdot... 7 3. INVESTOINTIEN SUUNNITTELU... 10 3.1. Perusinvestointi... 11 3.2. Juoksevasti syntyvät tuotot ja kustannukset... 11 3.3. Laskentakorkokanta... 12 3.4. Investoinnin pitoaika... 12 3.5. Jäännösarvo... 12 4. PERUSINVESTOINNIN KERTAMENOERÄ... 14 4.1. Ainekustannukset... 14 Keskijännitekojeisto... 14 Taajuusmuuttaja... 15 Muuntaja... 19 Pienjännitekojeisto... 21 Oikosulkumoottori... 22 Loistehon kompensointi ja yliaaltosuodatus... 24 4.2. Työkustannukset... 24 Suunnittelu... 24 Asennus... 25 Käyttöönotto... 25 4.3. Kaapelointikustannukset... 26 4.4. Rakennuskustannukset... 28 4.5. Laskentamenetelmät... 29 5. JUOKSEVASTI SYNTYVÄT KUSTANNUKSET... 32 5.1. Energian hinta... 32 5.2. Häviökustannukset... 32 Kaapelihäviöt... 32 Muuntajahäviöt... 34 Häviöt taajuusmuuttajassa ja moottorissa... 35 5.3. Jäähdytyskustannukset... 36 5.4. Investoinnin pitoaika... 36 6. KUSTANNUSTARKASTELU... 37 6.1. Aine- ja työkustannusten tarkastelu... 38 6.2. Kaapelointikustannusten tarkastelu... 40 6.3. Rakennuskustannusten tarkastelu... 42
6.4. Häviökustannusten tarkastelu... 43 Häviöiden jakautuminen... 44 Sähkökäytön tehon kasvattaminen... 47 Vuotuisen käyttöasteen vaikutus... 47 6.5. Investointikustannusten tarkastelu... 50 7. JOHTOPÄÄTÖKSET... 62 LÄHTEET... 65 LIITE 1: KUIVAMUUNTAJA DTE800A8S... 67 LIITE 2: KESKIJÄNNITEMOOTTORI... 69 LIITE 3: PIENJÄNNITEMOOTTORI... 72 VI
VII MERKINNÄT JA TERMIT A laite laitteen pinta-ala [m 2 ] H A muutosrakennuskustannukset [ /m 2 ] H as asennustyön tuntiveloitushinta [ /h] H e teollisuusenergian hinta [ /kwh] H ko käyttöönottotyön tuntiveloitushinta [ /h] H s suunnittelutyön tuntiveloitushinta [ /h] i m moottorivirta [A] I 2 muuntajan toision kuormitusvirran tehollisarvo [A] I 2n muuntajan toision nimellinen kuormitusvirta [A] I k kuormitusvirta [A] I n moottorin nimellisvirta [A] k a laitteen ympärille tarvittavan pinta-alan kerroin K a-kjkojeisto keskijännitekojeiston ainekustannukset [ ] K a-moottori moottorin ainekustannukset [ ] K a-muuntaja muuntajan ainekustannukset [ ] K a-pjk-syöttö pienjännitekojeiston syöttökentän ainekustannukset [ ] K a-pjk-mittaus pienjännitekojeiston mittauskentän ainekustannukset [ ] K a-pjk-lähtö pienjännitekojeiston lähtökentän ainekustannukset [ ] K a-tamu taajuusmuuttajan ainekustannukset [ ] K aine perusinvestoinnin kertamenoerän ainekustannukset [ ] K as-kjkojeisto keskijännitekojeiston asennuskustannukset [ ] K as-laite yhden laiteen asennuskustannukset [ ] K as-muuntaja muuntajan asennuskustannukset [ ] K s-pjk-lähtö pienjännitekojeiston lähtökentän asennuskustannukset [ ] K as-pjk-mittaus pienjännitekojeiston mittauskentän asennuskustannukset [ ] K as-pjk-syöttö pienjännitekojeiston syöttökentän asennuskustannukset [ ] K as-tamu taajuusmuuttajan asennuskustannukset [ ] K asennus perusinvestoinnin kertamenoerän asennuskustannukset [ ] K k-kaapeli yhden kaapeloinnin kustannukset [ ] K k-moottori moottorin syöttökaapeloinnin kustannukset [ ] K k-muuntaja muuntajan syöttökaapeloinnin kustannukset [ ] K k-pjkojeisto pienjännitekojeiston syöttökaapeloinnin kustannukset [ ] K k-tamu taajuusmuuttajan syöttökaapeloinnin kustannukset [ ] K kaapelointi perusinvestoinnin kertamenoerän kaapelointikustannukset [ ] K kh kaapeloinnin vuotuiset häviökustannukset [ /a]
VIII K km kaapelikytkentöjen materiaalikustannukset [ ] K ko-kjkojeisto keskijännitekojeiston käyttöönottokustannukset [ ] K ko-laite yhden laiteen käyttöönottokustannukset [ ] K ko-moottori moottorin käyttöönottokustannukset [ ] K ko-pjk-lähtö pienjännitekojeiston lähtökentän käyttöönottokustannukset [ ] K ko-pjk-mittaus pienjännitekojeiston mittauskentän käyttöönottokustannukset [ ] K ko-pjk-syöttö pienjännitekojeiston syöttökentän käyttöönottokustannukset [ ] K ko-tamu taajuusmuuttajan käyttöönottokustannukset [ ] K käyttöönotto perusinvestoinnin kertamenoerän käyttöönottokustannukset [ ] K mh muuntajan vuotuiset häviökustannukset [ /a] K moh moottorin vuotuiset häviökustannukset [ /a] K perus perusinvestoinnin kertamenoerän kustannukset [ ] K r-kjkojeisto keskijännitekojeiston rakennuskustannukset [ ] K r-laite yhden laitteen rakennuskustannukset [ ] K r-muuntaja muuntajan rakennuskustannukset [ ] K r-pjk-lähtö pienjännitekojeiston lähtökentän rakennuskustannukset [ ] K r-pjk-mittaus pienjännitekojeiston mittauskentän rakennuskustannukset [ ] K r-pjk-syöttö pienjännitekojeiston syöttökentän rakennuskustannukset [ ] K r-tamu taajuusmuuttajan rakennuskustannukset K rakennus perusinvestoinnin kertamenoerän rakennuskustannukset [ ] K s-kjkojeisto keskijännitekojeiston suunnittelukustannukset [ ] K s-laite yhden laiteen suunnittelukustannukset [ ] K s-moottori moottorin suunnittelukustannukset [ ] K s-muuntaja muuntajan suunnittelukustannukset [ ] K s-pjk-lähtö pienjännitekojeiston lähtökentän suunnittelukustannukset [ ] K s-pjk-mittaus pienjännitekojeiston mittauskentän suunnittelukustannukset [ ] K s-pjk-syöttö pienjännitekojeiston syöttökentän suunnittelukustannukset [ ] K s-tamu taajuusmuuttajan suunnittelukustannukset [ ] K suunnittelu perusinvestoinnin kertamenoerän suunnittelukustannukset [ ] K kt kaapelikytkentöjen työkustannukset [ ]
IX K th taajuusmuuttajan vuotuiset häviökustannukset [ /a] K työ perusinvestoinnin kertamenoerän työkustannukset [ ] K vm kaapelivedon materiaalikustannukset [ /m] K vt kaapelivedon työkustannukset [ /m] l kaapeli kaapelivedon pituus [m] n n moottorin nimellinen pyörimisnopeus [1/s] P 0 muuntajan tyhjäkäyntihäviöt [W] P 0n muuntajan nimellistyhjäkäyntihäviöt [W] P h johtimen häviöteho [W] P k muuntajan kuormitushäviöt [W] P k_75 muuntajan kuormitushäviöt 75 % kuormituksella [W] P kn muuntajan nimelliskuormitushäviöt [W] P kuorma moottorilta vaadittava teho [W] P lähdöt pienjännitekeskuksen sähkökäyttöjen yhteenlaskettu mekaaninen nimellisteho [W] P lähtö sähkökäytön mekaaninen nimellisteho [W] P n moottorin nimellinen teho [W] R' kaapelin tasavirtaresistanssi toimintalämpötilassa [Ω] R 0 resistanssin arvo referenssilämpötilassa [Ω] t as-laite yhden laitteen asennustyöhön kuluva aika [h] t k häviöiden huipunkäyttöaika [h/a] t ko-laite yhden laitteen käyttöönottotyöhön kuluva aika [h] t s-laite yhden laitteen suunnittelutyöhön kuluva aika [h] T toimintalämpötila [ C] T 0 referenssilämpötila [ C] T kuorma moottorilta vaadittava vähimmäismomentti [Nm] T n moottorin nimellismomentti [Nm] U 1 muuntajan ensiöjännite [V] U n muuntajan nimellisjännite [V] α resistiivisyyden lämpötilakerroin η m moottorin hyötysuhde taajuusmuuttajan hyötysuhde η t
X Aksiaalipuhallin Diskonttaus Eurostat IGBT IGCT Kvantitatiivinen Lineaarinen regressio Radiaalipuhallin Puhallin, jossa kaasu johdetaan siivistä muodostuvan juoksupyörän läpi eli puhallin toimii ikään kuin potkuri. Korkolaskennalle käänteinen tapahtuma. Eurostat (The Statistical Office of the European Communities) on Euroopan komission alainen yksikkö, joka tuottaa tilastotietoa Euroopan unionin käyttöön. Insulated Gate Bipolar Transistor, kytkinkäyttöön tarkoitettu jänniteohjattu transistori. Integrated Gate Commutated Thyristor, ABB:n keskijännitesovelluksiin kehittämä tehokytkin. Kvantitatiivisessa eli määrällisessä tutkimuksessa käytetään täsmällisiä ja laskennallisia sekä tilastollisia menetelmiä. Lineaarisella regressiolla tarkoitetaan suoran sovittamista havaintoaineistoon siten, että havaintopisteiden ja sovitetun suoran välisten virheiden neliösumma on mahdollisimman pieni. Puhallin, jossa kaasu johdetaan aksiaalisesti pyörivän juoksupyörän sisäkehälle ja sen läpi ulos juoksupyörän ulkokehältä radiaalisesti spiraaliseen kaapuun.
1 1. JOHDANTO Voimalaitoksissa on useita prosessin kannalta välttämättömiä nopeussäädettyjä sähkömoottorikäyttöjä, joista suurimmat voivat olla teholtaan megawattiluokkaa. Sen teholuokan sähkömoottorikäytöt ovat lähes poikkeuksetta joko pumppu- tai puhallinkäyttöjä. Tällaisia ovat esimerkiksi syöttövesipumput ja savukaasupuhaltimet. Suuresta tehontarpeesta johtuen ne vaikuttavat merkittävästi myös voimalaitoshankkeen investointikustannuksiin sekä hankintavaiheessa että voimalaitoksen elinkaaren aikana. Tässä työssä tarkastellaan suuritehoisten pumppu- ja puhallinkäyttöjen erilaisia investointivaihtoehtoja ja niiden kustannuksia. Tarkoituksena on selvittää, miten käyttöjen syöttävän puolen laite- ja jännitevalinnoilla voidaan vaikuttaa kustannuksiin. Yksi tutkimuksen merkittävimmistä kysymyksistä on se, kuinka toimilaitetta pyörittävän laitteen, oikosulkumoottorin, ja nopeusohjauksesta vastaavan taajuusmuuttajan käyttöjännite vaikuttaa investoinnin kokonaiskustannuksiin. Onko mahdollista löytää sähkökäytön nimellisteholle raja-arvo, jota suuremmat sähkökäytöt kannattaa aina tehdä keskijännitelaitteilla ja jota pienemmät sähkökäytöt kannattaa aina tehdä pienjännitelaitteilla? Edellä mainittuihin kysymyksiin pyritään löytämään vastauksia hyödyntämällä suunnittelutyökalua, joka on laadittu helpottamaan suuritehoisten nopeussäädettyjen sähkömoottorikäyttöjen suunnittelua. Työn tutkimus etenee siten, että luvussa Voimalaitosten suuritehoiset nopeussäädetyt sähkökäytöt esitellään tarkasteltavien pumppu- ja puhallinkäyttöjen erityispiirteet ja vertailtavat investointivaihtoehdot. Investointien suunnittelu -luvussa tarkastellaan investoinnin edullisuuteen vaikuttavia tekijöitä ja kuinka niitä sovelletaan tutkimuksessa. Luvuissa Perusinvestoinnin kertamenoerä ja Juoksevasti syntyvät kustannukset esitellään, mitkä kustannustekijät vaikuttavat suuritehoisten pumppu- ja puhallinkäyttöjen kokonaiskustannuksiin. Luvussa esitellään myös kustannusten laskentamenetelmät suunnittelutyökalussa. Koska investointikustannusten laskentaan vaikuttavia asioita on suuri määrä, on lopputuloksen saamiseksi tehtävä myös rajauksia ja oletuksia. Suunnittelutyökalun avulla voidaan vertailla investointikustannuksia, jotka perustuvat todellisiin laitetietoihin. Luvussa Kustannustarkastelu tarkastellaan, kuinka kokonaiskustannukset eri investointivaihtoehdoilla muodostuvat eri kustannustekijöistä ja kuinka sähkömoottorikäytön tehon ja vuotuisen käyttöasteen muuttuminen vaikuttaa vaihtoehtojen edullisuuteen. Saatujen tulosten perusteella eri investointivaihtoehtojen kustannuksia voidaan vertailla ja tehdä johtopäätöksiä esimerkiksi jännitetasojen valinnasta erilaisissa toimintaympäristöissä.
2 2. VOIMALAITOSTEN SUURITEHOISET NOPEUSSÄÄDETYT SÄHKÖKÄYTÖT Teollisuusprosessit voidaan jakaa karkeasti kahteen pääryhmään: materiaalin käsittely ja materiaalin kuljetus. Materiaalin käsittelyllä tarkoitetaan materiaalin ominaisuuksien muuttamista erilaisilla materiaalinkäsittelylaitteilla. Materiaali voi olla muodoltaan joko määritelty, kuten paperi, tai määrittelemätön, kuten erilaiset elintarvikkeet. Materiaalien kuljetus -ryhmä muodostuu koneista, jotka kuljettavat materiaalin haluttuun paikkaan. Ryhmään kuuluvat erilaiset kuljettimet sekä annostelusta ja paineen muutoksesta huolehtivat laitteet. Koneet voidaan jakaa käsiteltävän materiaalin mukaisesti kolmeen alaryhmään: kiinteä aine, neste ja kaasu. Prosessilaitteiden ryhmittely esitetään kuvassa 2.1. [1] Kuva 2.1. Prosessilaitteiden ryhmittely. [1, s.10] Yhteistä materiaalinkäsittely- ja materiaalinkuljetuslaitteille on tarve sopeutua prosessin vaatimuksiin. Nopeussäädettyjä sähkömoottorikäyttöjä voidaan hyödyntää mo-
3 nissa erilaisissa prosesseissa. Voimalaitosten suuritehoiset pumppu- ja puhallinkäytöt ovat tästä hyvä esimerkki, sillä niiden tehontarve voi vaihdella huomattavasti. [1] 2.1. Käyttöjen erityispiirteet Tässä työssä on valittu tarkasteltavaksi voimalaitosympäristö ja maksimiteholtaan suuret, megawattiluokan käytöt. Tämän suuruusluokan käytöt ovat voimalaitoksissa lähes poikkeuksetta pumppuja ja puhaltimia. Pumpuista suurimmat ovat syöttövesi-, pääjäähdytys- ja kaukolämpöpumppu. Puhaltimista megawattiluokkaan yltävät savukaasu- ja kiertokaasupuhallin sekä primääri- ja sekundaari-ilmapuhaltimet. [2] Pumppujen tehtävä on muuttaa mekaaninen energia ensin nesteen kineettiseksi energiaksi ja lopulta nesteen paineeksi. Todellisessa käytössä pumpulla ei ole pysyvää toimintapistettä, joten vakaa virtaus voidaan saada vain jatkuvalla pumpun säädöllä. Säätö voidaan toteuttaa kolmella eri menetelmällä, juoksupyörän halkaisijan muutoksella, virtauksen kuristamisella sekä pyörimisnopeuden muutoksella. Kun pumpun tuottoarvoihin halutaan pysyvä muutos, on juoksupyörän halkaisijaa muutettava. Virtauksen säätäminen venttiiliä kuristamalla on säätötavoista epätaloudellisin, koska tällöin osa pumppausenergiasta hukataan venttiilin painehäviöinä. Pyörimisnopeuden muuttaminen on sen sijaan kaikkein edullisin tapa säätää pumppua. Nopeussäätö voidaan toteuttaa joko taajuusmuuttajalla tai hydraulikytkimellä. Hydraulikytkin on näistä kahdesta huomattavasti pienempi investointi, mutta taajuusmuuttajien etuna on sen sijaan hyvä hyötysuhde koko säätöalueella sekä ohjelmointimahdollisuus. [2] Puhaltimia tarvitaan voimalaitoksilla muun muassa palamisilman puhaltamiseen, savukaasun kierrättämiseen tai poistamiseen sekä polttoaineen pneumaattisen kuljettamiseen. Nykyaikana tyypillisen leijukerroskattilan puhallintoimitukseen kuuluvat primääri- ja sekundääri-ilmapuhaltimet sekä kiertokaasu- ja savukaasupuhallin. Suurin paine leijukerroskattiloissa tarvitaan primääri-ilmapuhaltimelta, jonka päätehtävä on puhaltaa kattilaan leijutusilmaa. Sekundääri-ilmapuhallinta käytetään johtamaan ilmaa ylemmille tasoille. Savukaasujen kierrätyksellä jäähdytetään tarvittaessa kuumaa tulipesää. Kiertokaasupuhallin siirtää savukaasuja primääri-ilman joukkoon tai suoraan tulipesän alaosaan. Savukaasupuhallin on sen sijaan oltava savukaasukanavassa ennen piippua savukaasukanaviston painehäviöitä kompensoimassa. [2] Puhaltimet varustetaan pumppujen tapaan yleensä säätöjärjestelmillä, koska kattiloiden ilmamäärä ja savukaasujen poisto- sekä kierrätystarpeet vaihtelevat huomattavasti. Säätöä hyödynnetään nykyisin yhä enemmän myös energian säästämisen ja melutason sekä päästöjen minimoinnin vuoksi. Puhaltimen säätömenetelmiä on neljä: kuristus- ja johtosiipisäätö, siipikulmansäätö sekä kierrosnopeussäätö. Kuristussäätö on teknisesti yksinkertaisin, sillä virtausta kuristetaan säätöpellillä, joka sijaitsee kanavistossa puhaltimen painepuolella. Investointikustannuksiltaan säätömenetelmistä pienintä kuristussäätöä tulee käyttää vain pienitehoisissa sovelluksissa, koska käyttökustannukset ovat niin suuret. Johtosiipisäätö säästää energiaa merkittävästä kuristussäätöön nähden, mutta sitä voidaan soveltaa vain radiaalipuhaltimilla. Säätötavoista taloudellisimmat ovat
4 siipikulmansäätö ja kierroslukusäätö. Siipikulmansäätö soveltuu käytettäväksi vain aksiaalipuhaltimilla. Kierrosnopeussäätö taajuusmuuttajalla soveltuu kaikkiin puhaltimiin ja on hankintahinnaltaan kallein, mutta käyttö- ja ylläpitokustannuksiltaan halvin säätömenetelmä. [2] Pumpuille ja puhaltimille yhteinen säätömenetelmä, nopeussäätö taajuusmuuttajalla, on valittu työssä tarkasteltavaksi säätömenetelmäksi. Pumput ja puhaltimet ovat tyypillisiä neliöllisen momenttikäyrän sovelluksia. Se tarkoittaa sitä, että kuormitusmomentti on verrannollinen nopeuden neliöön ja teho on verrannollinen nopeuden kuutioon. Kuvassa 2.2. on esitetty kuvaaja, josta nähdään pumppujen ja puhaltimien tyypilliset momentti- ja tehokäyrät pyörimisnopeuden funktiona. [3] Kuva 2.2. Tyypilliset momentti- ja tehokäyrät neliöllisen momenttikäyrän sovelluksessa. [3, s.20] 2.2. Sähkömoottorikäytön mitoitus Sähkömoottorikäytön mitoitus on syytä tehdä harkiten ja huolella, sillä hyvän mitoituksen seurauksena voidaan saavuttaa huomattavia kustannussäästöjä. Mitoitus edellyttää järjestelmän tuntemusta. Käytettävän laitteen ominaisuudet ja prosessin vaatimukset on huomioitava, samoin syöttöverkon jännite ja sen taajuus sekä ympäristöolosuhteet. [3] Pumppu- ja puhallinkäyttöjen mitoituksen ensimmäinen vaihe on kierrosalueen tarkistaminen sekä tehon laskeminen korkeimmalla mahdollisella kierrosluvulla. Lisäksi tarkistetaan mahdollinen käynnistysmomentin tarve. Moottorin koko riippuu tarvittavasta vääntömomentista eli tehon ja pyörimisnopeuden suhteesta. Seuraava vaihe on moottorin napaluvun valitseminen. Tämän jälkeen valitaan moottoriteho niin, että teho on käytettävissä maksimikierrosluvulla. Moottorin terminen kuormitettavuus on otettava huomioon, sillä se määrittelee moottorin pitkäaikaisen maksimikuormitettavuuden. Kun moottoria kuormitetaan alhaisilla kierrosluvuilla, kannattaa moottori varustaa erillisellä jäähdytyksellä. Moottoritehon valinnan jälkeen valitaan taajuusmuuttaja. Taajuusmuut-
5 taja valitaan pumppu- ja puhallinarvoja käyttämällä, mutta mikäli edellä mainittuja arvoja ei ole saatavilla, taajuusmuuttaja valitaan moottorivirran mukaan. [3] Esimerkki pumppukäytön moottorin ja taajuusmuuttajan valitsemisesta Mitoitusesimerkki on esitetty ABB Oy:n laatimassa teknisessä oppaassa. [3] Pumpulla on 150 kw kuormitus kierrosluvulla 2 000 rpm ja käynnistysmomenttia ei tarvita. Moottorin mekaaninen teho P voidaan laskea momentin T ja kulmanopeuden ω avulla. (1) Koska moottorin pyörimisnopeus annetaan yleensä kierroslukuna n, voidaan käyttää yhtälön (1) sijaan yhtälöä. (2) Yhtälöstä (2) voidaan ratkaista momentti T ja laskea tarvittava momentti kierrosluvulla 2 000 rpm 716 Nm. Pumppukäyttöön voidaan valita joko kaksi- tai nelinapainen moottori.
6 Kuvassa 2.3. esitellään moottorin kuormitettavuuskäyrät taajuusmuuttajaohjatuille pumppu- ja puhallinkäytöille. Kuva 2.3. Moottorin kuormitettavuuskäyrät pumppu- ja puhallinsovelluksessa. Vertailussa 1) 2-napaiset ja 2) 4-napaiset moottorit. [3, s.25] Kuvaa 2.3. hyödynnetään siten, että kaksinapaisen moottorin tapauksessa (P=2) vaakaakselilta nähdään kierrosluvun 2 000 rpm olevan kohdassa 33,3 Hz. Vaaka-akselin ollessa 33,3 Hz, kaksinapaisen moottorin tapauksessa luetaan 1)-käyrältä kuormitettavuus, joka on noin 95 prosenttia. Kuormitettavuuden ollessa 95 prosenttia, moottorin nimellismomentin T n on oltava vähintään 754., Vastaavasti moottorin vaadittava teho P kuorma voidaan laskea käyttämällä yhtälöä (2) 237. Valitaan nimellisteholtaan 250 kw (400 V, nimellisvirta I n 431 A, 50 Hz, 2 975 rpm ja 0,87) moottori. Moottorin nimellismomentiksi T n saadaan 803.
7 Moottorivirta i m kierrosluvulla 2 000 rpm (vakiovuoalue) on noin 431 384 Taajuusmuuttajan jatkuva virta on silloin 384 A. Nelinapaisen moottorin tapauksessa (P=4) kuvan 2.3. vaaka-akselilta nähdään kierrosluvun 2 000 rpm olevan kohdassa 66,7 Hz. Vaaka-akselin ollessa 66,7 Hz, nelinapaisen moottorin tapauksessa luetaan 2)-käyrältä kuormitettavuus, joka on noin 75 prosenttia. Kuormitettavuuden ollessa 75 prosenttia, moottorin nimellismomentin T n on oltava vähintään 955., Vastaavasti moottorilta vaadittava teho P kuorma voidaan laskea käyttämällä yhtälöä (2) 150. Valitaan nimellisteholtaan 160 kw (400 V, nimellisvirta I n 305 A, 50 Hz, 1 480 rpm ja 0,81) moottori. Arvioitu moottorivirta kierrosluvulla 2 000 rpm (66,7 Hz) on noin 304 286. Tarkka virta tulisi laskea, jos valitun taajuusmuuttajan nimellisvirta on lähellä arvioitua moottorivirtaa. Tässä tapauksessa 4-napainen moottori vaatii vähemmän virtaa pumpun toimintapisteessä ja on siten luultavasti 2-napaista moottoria taloudellisempi valinta. 2.3. Investointivaihtoehdot Tässä diplomityössä on tarkoitus vertailla erilaisia voimalaitosten suuritehoisten nopeussäädettyjen sähkökäyttöjen syöttävän puolen kokonaisuuksia sekä niiden komponentteja ja ominaisuuksia. Kuvassa 2.4. esitetään seitsemän nopeussäädettyä sähkömoottorikäyttöä. Näistä vaihtoehdoista viisi ensimmäistä muodostavat työssä tarkemmin tarkasteltavat investointivaihtoehdot. Kuvan sähkömoottorikäyttöjen syöttöratkaisut ovat toisistaan erilaisia, mutta kaikille vaihtoehdoille yhteistä on se, että prosessilaitteiden eli pumppujen ja puhaltimien nopeussäätö on toteutettu taajuusmuuttajalla.
8 Kuva 2.4. Seitsemän erilaista nopeussäädetyn sähkömoottorikäytön toteutusta. [4] Kuvan 2.4. mukaisesti vaihtoehdossa 1 keskijännitekojeiston lähtökentästä on kaapelointi kolmikäämimuuntajalle. Muuntajan toisiopuolen kahdelta käämiltä on kaapelointi 12-pulssisella tasasuuntaussillalla varustetulle keskijännitetaajuusmuuttajalle, joka yhdessä keskijännitemoottorin kanssa muodostaa keskijännitesähkömoottorikäytön. Vaihtoehto 2 eroaa vaihtoehdosta 1 siten, että nopeussäädöstä vastaa 12-pulssisella tasasuuntaussillalla varustettu pienjännitetaajuusmuuttaja. Toimilaitetta pyörittää pienjännitemoottori. Vaihtoehdoissa 3 ja 4 nopeussäätö tapahtuu taajuusmuuttajalla, jonka tasasuuntaussilta on toiminnaltaan 6-pulssinen ja muuntaja kaksikääminen. Vaihtoehdon 3 sähkömoottorikäyttö on keskijännitteinen ja vaihtoehdon 4 sähkömoottorikäyttö pienjännitteinen. Vaihtoehto 5 poikkeaa muista vaihtoehdoista siten, että yksi keskijännitelähtö syöttää useaa pienjännitesähkömoottorikäyttöä. Keskijännite muunnetaan kaksikäämimuuntajalla kolmivaiheiseksi pienjännitteeksi ja johdetaan pienjännitekojeistoon. Pienjännitekojeistossa on useita lähtökenttiä, joista voidaan syöttää pienjännitesähkömoottorikäyttöjä. Nopeusohjaus tapahtuu taajuusmuuttajalla, jossa on 6-pulssinen tasasuuntaussilta. Nopeussäädettyjä taajuusmuuttajaohjattuja sähkökäyttöjä voidaan toteuttaa edellä esiteltyjen vaihtoehtojen lisäksi monella muullakin tavalla. Kuvassa 2.4. esitellään kaksi vaihtoehtoa, vaihtoehdot 6 ja 7, joita ei kuitenkaan tarkempaan tarkasteluun valittu. Vaihtoehdossa 6 koostuu keskijännitelähdöstä sekä kahdesta kaksikäämimuuntajasta,
taajuusmuuttajasta ja sähkömoottorista. Kuvan ylemmällä kaksikäämimuuntajalla muunnetaan keskijännite pienjännitteeksi ja alemmalla nostetaan jännite takaisin keskijännitteeksi. Nopeussäätö tapahtuu pienjännitetaajuusmuuttajalla ja prosessilaitetta pyöritetään keskijännitemoottorilla. Tällainen toteutus soveltuu erityisen hyvin sellaisiin kohteisiin, joissa keskijännitekojeisto ja moottori ovat kaukana toisistaan. Tällöin pitkät kaapeloinnit voidaan toteuttaa poikkipinnaltaan pienemmillä keskijännitekaapeleilla ja nopeussäätö edullisemmalla pienjännitetaajuusmuuttajalla. Uudessa voimalaitosympäristössä välimatkat ovat niin pieniä, että kyseistä vaihtoehtoa ei kannata käyttää. Tulevaisuudessa megawattiluokan nopeussäädettyjä käyttöjä voidaan toteuttaa myös vaihtoehdon 7 tapaan käyttämällä keskijännitetaajuusmuuttajaa ja -moottoria ilman erillistä muuntajaa keskijännitekojeiston ja taajuusmuuttajan välissä. Tämän työn tarkasteluun valittujen investointivaihtoehtojen 1-5 laitevalinnat ja esimerkiksi taajuusmuuttajien tasa- ja vaihtosuuntaussiltojen rakenteet esitellään tarkemmin luvussa 4. 9
10 3. INVESTOINTIEN SUUNNITTELU Investoinnilla tarkoitetaan suurehkon rahasumman sijoittamista johonkin kohteeseen suhteellisen pitkän ajanjakson ajaksi. Investoinnit ovat yrityksille sellaisia menoja, jotka ovat rahamäärältään suuria ja joissa tulon odotusaika on pitkä. Pitkän sitoutumisajan takia jo investointia suunniteltaessa on tehtävä tarkkoja laskelmia eri ajanjaksojen kustannuksista ja tuotoista. [5] Investoinnin suunnittelu on luonteeltaan projektityötä. Investointiprojekti syntyy, kun todetaan investointitarve, esimerkiksi tarve rakentaa voimalaitos. Seuraavaksi etsitään investointi-ideoita, joita kehitetään edelleen investointivaihtoehdoiksi. Vaihtoehdoista tehdään laskelmia ja niitä verrataan keskenään. Vertailun perusteella vaihtoehtoja karsitaan ja jäljelle jäävistä vaihtoehdoista pyritään määrittelemään epävarmuustekijät ja riskit mahdollisimmat tarkasti. Tämän jälkeen tehdään päätös investoinnista ja voidaan käynnistää investointihanke. Hankkeen etenemistä valvotaan ja jälkiseurannalla pyritään saamaan tarkempia laskelmia tulevaisuuden päätöksentekojen pohjaksi. [5] Investointilaskelmilla pyritään selvittämään investointihankkeen edullisuus koko pitoajalle. Laskelmien avulla pyritään asettamaan eri toteutusvaihtoehdot edullisuusjärjestykseen. Neilimon ja Uusi-Rauvan [5, s. 214] mukaan investoinnin edullisuuteen vaikuttavat tekijät, jotka voidaan arvioida, mitata tai esittää kvantitatiivisesti, ovat perusinvestointi eli perushankintakustannus juoksevasti syntyvät tuotot juoksevasti syntyvät kustannukset laskentakorkokanta investointiajanjakso tai pitoaika investointikohteen jäännösarvo. Edullisuutta arvioidessa on pidettävä mielessä myös sellaiset investoinnin kannalta merkittävät tekijät, joita ei voida kvantitatiivisesti määrittää. [5] Tässä työssä tutkittava investointi on yksi osa suuresta uuden voimalaitoksen investointihankkeesta. Suurien nopeusohjattujen sähkökäyttöjen investointia varten kehitellään taulukkolaskentaa hyväksi käyttävä työkalu. Seuraavaksi esitellään investointilaskelmien kvantitatiivisesti määritettävissä olevat edullisuuteen vaikuttavat tekijät ja selvitetään, kuinka niitä sovelletaan tutkittavien sähkökäyttöjen investointilaskelmissa.
11 3.1. Perusinvestointi Perusinvestoinnilla eli perushankintakustannuksella tarkoitetaan suurta kertamenoerää, joka ajoittuu lähelle investoinnin päätöksentekohetkeä. Ajoituksesta johtuen sen määrittämiseen sisältyy vähemmän epävarmuustekijöitä kuin muihin investoinnin tuottoihin ja kustannuksiin. Suurissa investoinneissa selvitystyö on kuitenkin merkittävän laaja. [5] Perusinvestointi voidaan jakaa käyttöomaisuus- ja käyttöpääomainvestointiin. Käyttöomaisuusinvestoinnilla tarkoitetaan pitkävaikutteisiin tuotannontekijöihin sidottua pääomaa. Tällaisia ovat esimerkiksi maa-alueiden hankinta ja käyttöönotto sekä rakennuskustannukset. Käyttöpääomainvestoinneilla tarkoitetaan lyhytvaikutteisiin tuotannontekijöihin sidottua pääomaa, joka muodostuu raaka-aine- ja tuotevarastojen, keskeneräisen tuotannon sekä myyntisaamisten sitomasta pääomasta, josta on vähennetty ostovelat. [5] Suurten nopeussäädettyjen sähkökäyttöjen investointilaskelmia varten kehitelty taulukkolaskentaan perustuva suunnittelutyökalu laskee perusinvestoinnin kertamenoerän suuruuden. Kertamenoerä muodostuu aine- ja työkustannuksista. Ainekustannukset muodostuvat prosessilaitetta pyörittävien taajuusmuuttajaohjattujen moottorilähtöjen komponenttien sekä kaapelointien hankintakustannuksista. Työkustannuksia arvioidaan aiempien kokemusten perusteella suunnittelu-, asennus- ja käyttöönottotyöhön kuluvan ajan perusteella. Eri toteutusvaihtoehtojen erilaiset tilatarpeet huomioidaan rakennuskustannuksina neliöhintaan perustuen. 3.2. Juoksevasti syntyvät tuotot ja kustannukset Perusinvestoinnin lisäksi tuottoja ja kustannuksia käsitellään vuositasolla investointikohteen valmistumisen jälkeen. Investoinnin käytön aikana seurataan investoinnista saatavan vuotuisen erillistuoton ja siitä aiheutuvan vuotuisen erilliskustannuksen erotusta. Sitä kutsutaan vuotuiseksi nettotuotoksi. Tuottojen arvioinnissa voidaan ennakoida myyntimääriä käyttämällä hyväksi markkinatutkimuksia ja kysyntäennusteita. Juoksevasti syntyvien tuottojen ennusteista voidaan johtaa niitä vastaavat juoksevasti syntyvät kustannukset. [5] Tämän työn tarkastelussa juoksevasti syntyvät kustannukset muodostuvat häviö- ja jäähdytyskustannuksista. Suunnittelutyökalun avulla arvioidaan investointivaihtoehtojen eri osissa syntyvien vuotuisten häviöenergioiden summaa sekä jäähdytykseen kuluvaa energiamäärää. Vuotuisen häviö- ja jäähdytysenergian sekä teollisuusenergian hinnan perusteella voidaan arvioida juoksevasti syntyviä kustannuksia tutkittavalta ajanjaksolta. Sähköä, lämpöä tai niitä molempia tuottavan voimalaitoksen juoksevasti syntyvät tuotot arvioidaan yleensä vain koko voimalaitoksen osalta. Yksittäisten prosessilaitteiden osuus tuotoista on vaikeasti määriteltävissä. Tarkasteltavan suuritehoisen nopeussäädetyn sähkömoottorikäytön tehtävä on investointivaihtoehdosta riippumatta sama,
12 joten syntyvissä tuotoissa ei ole eroa eri vaihtoehdoilla. Näistä syistä johtuen tämän työn tarkasteluissa ei huomioida juoksevasti syntyviä tuottoja. 3.3. Laskentakorkokanta Käsite korko tarkoittaa korvausta, joka maksetaan rahan käyttöön saamisesta. Lainan myöntämä taho eli velkoja perii tietyn korvauksen myöntämästään luotosta. Investointikustannukset katetaan usein osittain omalla, osittain vieraalla pääomalla, esimerkiksi tulorahoituksella tai osakepääoman korotuksella. Eri investointivaihtoehtojen välinen kannattavuusvertailu tehdään käyttämällä laskentakorkokantaa. [5] Laskentakorkokannan avulla eri aikoina tapahtuvat suoritukset saatetaan vertailukelpoisiksi, sillä investoinneissa tuotot ja kustannukset ajoittuvat useille eri vuosille. Diskonttausta hyödyntävän vertailun avulla voidaan selvittää, kuinka paljon arvokkaampi tietty rahamäärä on tänään kuin tietyn ajan kuluttua. Menetelmä mahdollistaa myös inflaation huomioimisen investointilaskelmissa. [5] Laskentakorkokantaa ei sovelleta tämän työn tutkimuksissa. Oletetaan, että perusinvestoinnin kertamenoerän kustannukset hoidetaan kerralla investointihankkeen käynnistyessä omalla pääomalla. Lisäksi oletetaan, että tietty rahamäärä arvoltaan yhtä suuri koko tarkasteluajan. 3.4. Investoinnin pitoaika Investoinnin pitoajalla eli investointiajanjaksolla tarkoitetaan investointihyödykkeen taloudellista käyttöaikaa. Pitoaika voi periaatteessa tarkoittaa myös esimerkiksi koneen tai laitteen fyysistä ikää eli sitä ajanjaksoa, jonka kone tai laite on käyttökelpoinen alkuperäisessä tarkoituksessaan. Fyysiseen ikään voidaan kuitenkin vaikuttaa huoltotoimenpiteillä ja modernisoinnilla, joten pitoaikatarkasteluissa on syytä turvautua arvioihin koneen teknistaloudellisesta iästä. Teknistaloudellisella iällä tarkoitetaan ajanjaksoa, jonka kuluttua arvioidaan markkinoille ilmestyväksi parempi kone, joka tekee aiemmin hankitun koneen epätaloudellisena nopeammin vanhentuneeksi. Pitoaikatarkastelussa on huomioitava, että investointihanke voi sisältää erilaisia pitoaikoja. [5] Nopeussäädettyjen sähkökäyttöjen eri investointivaihtoehtojen pitoajat eivät merkittävästi eroa toisistaan. Osa käytettävistä komponenteista on myös sen verran uusia, ettei niiden fyysisestä käyttöiästä ole kokemusperäistä tietoa. Tästä syystä investoinnin pitoaikaa ei tarkastella tämän työn suuritehoisten nopeussäädettyjen sähkökäyttöjen eri investointivaihtoehtojen vertailulaskelmissa. 3.5. Jäännösarvo Jäännösarvolla eli romutusarvolla tarkoitetaan investointihyödykkeen sitä myyntituloa, joka perusinvestoinnista arvioidaan saatavan pitoajan päättyessä. Usein jäännösarvoksi arvioidaan nolla, sillä on vaikea arvioida myyntitulojen suuruutta kaukana tulevaisuu-
dessa. Jäännösarvo voi olla myös negatiivinen, mikäli on maksettava hyödykkeen jatkokäsittelystä. [5] Voimalaitosympäristöstä ja teknisistä ominaisuuksista johtuen suurten nopeussäädettyjen sähkökäyttöjen syöttävän puolen komponenttien pitoajat ovat kymmeniä vuosia. Laitteiden kehittymisen ja komponenttien pitkän pitoajan takia tämän työn investointilaskelmissa ei jäännösarvoa huomioida. 13
14 4. PERUSINVESTOINNIN KERTAMENOERÄ Perusinvestoinnilla tarkoitetaan suurta kertamenoerää, joka ajoittuu lähelle investoinnin päätöksentekohetkeä. Tässä työssä tarkasteltavien voimalaitosten suuritehoisten nopeussäädettyjen sähkökäyttöjen perusinvestoinnin kertamenoerän oletetaan muodostuvan aine-, työ-, kaapelointi- ja rakennuskustannuksista. Tässä luvussa esitellään, miten nämä kustannustekijät muodostuvat ja kuinka niiden laskenta on toteutettu suunnittelutyökalussa. 4.1. Ainekustannukset Tässä alaluvussa esitellään, mitä laitteita tarvitaan luvussa 2 esitettyjen investointivaihtoehtojen toteutukseen. Lisäksi esitellään tarkasteluun valittujen laitteiden laitetyypit, tärkeimmät ominaisuudet, hintatiedot ja suunnittelutyökalun laskentamenetelmät. Alaluvussa 4.5. esitellään, kuinka ainekustannukset K aine lasketaan perusinvestoinnin kertamenoerän K perus kustannuksiin. Keskijännitekojeisto Tarkasteltavien pumppu- ja puhallinkäyttöjen eri syöttövaihtoehtojen tarkastelu lähtee liikkeelle liittymisestä keskijännitekojeistoon. Oletuksena on, että jokaisessa voimalaitoksessa on keskijännitekojeisto, joten perusinvestoinnin kertamenoerässä huomioidaan tässä tarkastelussa vain lähtökentät. Yhteiset syöttö- ja mittauskentät ovat siis olemassa joka tapauksessa. Keskijännitekojeiston osalta tarkasteluun on valittu ABB:n valmistama UniGearkojeisto. Kojeisto on niin sanottu katkaisijakojeisto eli erillistä kuormanerotinta ei ole ja katkaisijavaunu toimii erottimena. Katkaisijaksi voidaan valita sekä sf 6 - että tyhjökatkaisija. Valitaan tyhjökatkaisija, jotta vältetään kasvihuonekaasun, rikkiheksafluoridin, käyttö. Virta-arvoltaan pienin katkaisijakoko on 630 A katkaisija, joka on riittävä tarkasteltavilla sähkökäytöillä. [6] Yhden keskijännitekojeistolähdön perusinvestoinnin kertamenoerän ainekustannukseksi K a-kjkojeisto saadaan noin 21 000 euroa, kun käytössä on 12 kv keskijänniteliityntä. Käytettävän tyhjökatkaisijan oikosulkukestoisuus on 25 ka. Suojausta varten kenno on varustettu virta- ja kaapelivirtamuuntajalla sekä suojareleellä REF543 ja valokaarianturiyksiköllä REA107. [6]
15 Taajuusmuuttaja Tarkasteltavien pumppu- ja puhallinkäyttöjen nopeussäätö toteutetaan taajuusmuuttajilla. Investointivaihtoehdosta riippuen taajuusmuuttajan syöttöjännite voi olla joko pientai keskijännitteinen ja tasasuuntaussillalta vaadittava toiminta joko 6- tai 12-pulssinen. Tästä syystä on tarkasteluun otettava useampi erilainen taajuusmuuttajatyyppi. Pienjännitetaajuusmuuttajaksi on valittu useista kentistä koostuva kaappiin asennettu ilmajäähdytteinen ABB:n valmistama taajuusmuuttaja, tyyppikoodiltaan ACS800-07. Laitetta on saatavilla useassa eri teholuokassa ja kolmella eri jännitealueella. Alimmillaan käytettävä kolmivaiheinen syöttöjännite voi olla 380 V ja ylimmillään 690 V. [7] Kuvassa 4.1. on piirikaavio yksiviivaesityksenä taajuusmuuttajasta, jossa on kaksi jarrukatkoja/vastusyksikkö, mutta ei kuormakytkin-, ilmakatkaisija- eikä moottorilähtökenttää. Kuva 4.1. Taajuusmuuttajan ACS800-07 piirikaavio yksiviivaesityksenä. [8, s. 25] Suuret, yli 500 kw:n ACS800-07 -taajuusmuuttajat koostuvat erillisistä tasa- ja vaihtosuuntaajamoduuleista. Kun moduulit kytketään rinnan kuvan 4.1. tapaan, taajuusmuuttaja jatkaa toimintaa alennetulla teholla yhden moduulin ollessa vikatilassa. Taajuusmuuttajassa tasasuuntaus tapahtuu DSU-moduuleissa, joita voi olla kokoonpanossa tehosta ja runkokoosta riippuen yhdestä neljään. Kun keskijännite muunnetaan kaksikäämimuuntajalla pienjännitteeksi, DSU-moduuli on toteutettu kolmella diodilla ja
16 kolmella tyristorilla. Kuvassa 4.2. on esitetty tasasuuntauksen toteutus 6-pulssisella puoliksi ohjatulla sillalla. Kuva 4.2. Kaksikäämimuuntaja ja 6-pulssinen puoliksi ohjattu tyristorisilta. Kun keskijännite muunnetaan pienjännitteeksi kolmikäämimuuntajalla, on tasasuuntaus toteutettu kahdella rinnan kytketyllä 6-pulssisella puoliksi ohjatulla tyristorisillalla. Kun tasasuuntaussiltojen syöttöjännitteet ovat keskenään 30 asteen vaihesiirrossa, on toteutus 12-pulssinen puoliksi ohjattu tyristorisilta. Kytkentä esitetään kuvassa 4.3. Kuva 4.3. Kolmikäämimuuntaja ja 12-pulssinen puoliksi ohjattu tyristorisilta. Syöttömoduulien ohjaus tapahtuu DSSB-kortin avulla. Taajuusmuuttajan vaihtosuuntaus tapahtuu IGBT-vaihtosuuntaajamoduuleissa, joiden määrä kokoonpanossa on tehosta ja runkokoosta riippuen kahdesta kuuteen. Kuvassa 4.4. on esitetty vaihtosuuntaussillan kytkentä, kun kaksi IGBT-vaihtosuuntaajamoduulia on kytketty rinnan.