ENE-C3001 Energiasysteemit 2.9.2016 Kari Alanne Oppimistehtävä 2a: Yhteistuotantovoimalaitos Sisällysluettelo 1 Johdanto... 1 2 Yhteistuotantovoimalaitokseen liittyviä määritelmiä... 1 3 Keravan biovoimalaitos... 4 4 Tehtävänanto... 5 Kirjallisuutta... 5 1 Johdanto Suomi on yhdistetyn sähkön ja lämmöntuotannon johtavia maita. Meillä n. 30% sähköstä ja 80 % kaukolämmöstä tuotetaan yhteistuotantovoimalaitoksissa. Yhteistuotannon etuna on voimalaitoksen korkea kokonaishyötysuhde, joka voi parhaimmillaan ylittää 90%, kun perinteisessä sähkön erillistuotannossa hyötysuhde jää tyypillisesti noin 40%:iin. Koska yhteistuotantovoimalaitos tuottaa kahta (tai useampaa) energiamuotoa samanaikaisesti niin, että tuotantokapasiteetit ovat riippuvaisia toisistaan, aihepiiri on mielenkiintoinen systeemiajattelun näkökulmasta. Oppimistehtävän aiheena on höyryprosessiin perustuva yhteistuotantovoimalaitos. Tehtävänä on tutkia esimerkkiprosessina Keravan biovoimalaitosta systeemistä vuorovaikutusmallia soveltaen ja mallintaa laitoksen toimintaa yksinkertaistavien oletusten ja energiataseiden avulla. Työssä selvitetään laskennallisesti, miten turbiinin väliottohöyryn massavirran muutos vaikuttaa prosessiin, laitoksesta saatavaan sähkö- ja lämpötehoon sekä prosessin tunnuslukuihin. Työ raportoidaan kirjallisesti erikseen annetun ohjeen mukaisesti ja palautetaan MyCourses-järjestelmän kautta 12.10.2016 klo 12 mennessä. 2 Yhteistuotantovoimalaitokseen liittyviä käsitteitä ja määritelmiä Yhteistuotantovoimalaitoksen korkea kokonaishyötysuhde perustuu siihen, että höyry jää paisunnan (turbiini) jälkeen korkeampaan lämpötilaan ja paineeseen kuin se jäisi vastaavan lauhdevoimalaitoksen tapauksessa. Yhteistuotantovoimalaitoksesta käytetään tämän vuoksi myös nimitystä vastapainevoimalaitos. Merkittävä osa polttoaineen lämpöarvosta voidaan hyödyntää kaukolämmön tuotannossa, jossa verkoston menoveden lämpötila on tyypillisesti > 90 C. Yhteistuotantovoimalaitoksen höyryprosessi on esitetty kuvassa 1. 1
Kuva 1. Yhteistuotantovoimalaitoksen höyryprosessi. Ajatellaan yhteistuotantovoimalaitosta energiasysteeminä, jonka tärkeimmät yksikköprosessit ovat kattila, turbiini ja lämmönvaihdin. Kuvaan 1 viitaten prosessi alkaa tilapisteestä 1, jossa tulistettu höyry johdetaan turbiiniin. Paisunnassa höyryn entalpianmuutos (1-2) vastaa turbiinin mekaanista tehoa P mek, joka muunnetaan generaattorissa nettosähkötehoksi P gen. Paisunta tapahtuu kasvavan entropian suuntaan (tila 2). Keskeinen paisuntaa kuvaava tunnusluku on turbiinin isentrooppihyötysuhde, joka määritellään höyryn ominaisentalpioiden avulla yhtälöllä (1) missä h 2s on paisunnan loppuentalpia teoreettisessa tilanteessa, että paisunta olisi isentrooppinen. Paisunnan jälkeen höyry päätyy lämmönvaihtimille, jossa entalpianmuutos (2-3) vastaa energian säilymisen nojalla kaukolämpöverkkoon syötettyä lämpövirtaa Φ h. Tyypillisessä voimalaitosprosessissa on vielä ennen kattilaa kuvasta 1 poiketen syöttövesisäiliö eli sekoitusesilämmitin. Tällaisessa prosessissa on turbiiniväliottoja, joiden kautta osa tuorehöyrystä voidaan ohjata turbiinin ohitse suoraan lämmönsiirtimille. Prosessin ja käytön asianmukainen suunnittelu edellyttää, että syöttövesisäiliön vesi ei kiehu missään toimintatilassa, vaan neste- ja kaasufaasit ovat tasapainotilassa (kylläinen tila). Kuvan 1 prosessikaavioon ei ole merkitty näkyviin syöttövesipumppua, jonka toiminta näkyy h,s-piirroksessa entalpiankorotuksena välillä 3-4. Kuvassa 2 on esimerkinomainen prosessikaavio, joka sisältää myös puuttuvat lämmönvaihtimet väliottoineen sekä syöttövesipumput. 2
Kuva 2. Yhteistuotantovoimalaitoksen lämmönvaihtimet (esimerkki). Laitoksen hyvyyttä kuvaavat tärkeimmät tunnusluvut ovat sähköhyötysuhde ja kokonaishyötysuhde. Sähköhyötysuhde määritellään kuvan 1 merkinnöin yhtälöllä (2) ja kokonaishyötysuhde vastaavasti (3) Yhteistuotantovoimalaitos ajatellaan usein peruskuormalaitokseksi, jonka päätuotteena on sähkö ja sivutuotteena lämpö. Sähköntuotannon hyötysuhdetta voidaan nostaa nostamalla tulistetun höyryn painetta laskemalla lauhdutinpainetta turbiinien väliottohöyryllä tapahtuvalla syöttöveden esilämmityksellä komponenttien hyötysuhteita parantamalla Jokaisella yhteistuotantovoimalaitoksella on sille ominainen rakennussuhde, toisin sanoen laitoksen tuottaman sähkö- ja lämpötehon suhdeluku (P gen /Φ h ), joka riippuu prosessiarvojen ja komponenttien valinnasta. Vastaava tunnusluku voidaan laskea energiaperusteisesti jakamalla vuotuinen tuotettu nettosähköenergia vuotuisella tuotetulla nettolämpöenergialla. Kun selvitetään sähkön ja lämmöntuotannon sekä prosessin eri toimintatilojen välistä yhteyttä, puhutaan voimalaitosprosessin karakterisoinnista eli luonnehdinnasta. Valmis karakterisointi auttaa hahmottamaan nopeasti laitoksen suorituskyvyn eri toimintatilanteissa ilman, että koko prosessia tarvitsee joka kerralla laskea läpi. 3
3 Keravan biovoimalaitos 2.9.2016 Kari Alanne Keravan biovoimalaitos on sähköä, kaukolämpöä ja prosessilämpöä tuottava vastapainevoimalaitos. Kuvassa 3 on esitetty prosessin havainnekuva, josta käyvät ilmi laitoksen tärkeimmät osat sekä tuotetut energialajit. Kuva 3. Havainnekuva Keravan biovoimalaitoksesta. Turbiinilaitoksen vesi- ja höyrypiiri muodostuu turbiinista, kaukolämmönsiirtimistä, syöttövesisäiliöstä, syöttöveden korkeapaine-esilämmittimestä ja prosessilämmönsiirtimestä. Syöttövesi pumpataan syöttövesisäiliöstä kattilaan korkeapaine-esilämmittimen (KP) kautta. Kattilasta tulistettu höyry johdetaan höyryturbiiniin. Hyötysuhteen maksimoimiseksi turbiinissa on kolme väliottoa, joista saadaan höyryä prosessi- ja kaukolämmönsiirtimille sekä syöttövesisäiliöön. Oppimistehtävässä 2 laitos voidaan mallintaa kuvan 2 mukaiseksi, eli toisin sanoen tarkasteluun oletetaan vain yksi väliotto, josta höyry johdetaan korkeapaine-esilämmittimen kautta syöttövesisäiliöön (paine 10 bar). Lämmönsiirtimien ja virtausreittien painehäviöt voidaan olettaa merkityksettömiksi. Kaukolämpöverkon paluuveden lämpötilaksi voidaan valita 50 C ja lämmönsiirtimen asteisuudeksi (= lauhteen loppulämpötilan ja paluuveden lämpötilan erotus) 5...10 C. Turbiinin paisunnan loppupaineeksi ( vastapaine ) voidaan valita 2 bar. 4
Lisätietoa Keravan biovoimalaitoksesta ja vinkkejä laitoksen mallintamiseen löydätte oppimistehtävän 2 mukana jaettavasta oheismateriaalista sekä Keravan Energia Oy:n verkkosivuilta. 4 Tehtävänanto 1. Tutustukaa Keravan biovoimalaitokseen oheis- ja verkkomateriaalin avulla. 2. Laatikaa laitoksen tärkeimmille yksikköprosesseille vuorovaikutusmalli systeemisenä vaikutuskaaviona. 3. Hahmotelkaa voimalaitoksen vesi-höyrykierrosta standardisoituja piirrosmerkkejä käyttäen yleistetty prosessikaavio luvuissa 2 ja 3 mainituin peruskomponentein ja yksinkertaistavin oletuksin. Määrittäkää höyryn/lauhteen tilapisteet ja massavirrat. 4. Selittäkää ja perustelkaa, mitä oletuksia, taserajoja ja laskelmia käyttäen olette laatineet kaavion ja tehneet siihen liittyvät yksinkertaistukset. 5. Laatikaa laitokselle energiataselaskelma, jonka avulla on mahdollista tutkia, miten välioton massavirta vaikuttaa tilapisteiden arvoihin, voimalaitoksesta saatavaan sähkö- ja lämpötehoon, sähkö- ja kokonaishyötysuhteeseen sekä rakennussuhteeseen. Turbiinin isentrooppihyötysuhteeksi voi olettaa 0.9. Ottakaa laskelmassanne huomioon myös syöttövesipumppujen hyötysuhteet (80%) sekä generaattorin hyötysuhde (95%). 6. Laskekaa kohdassa 5 mainitut toiminta-arvot sellaisilla väliottomassavirroilla (osuuksilla kokonaismassavirrasta), jotka prosessin mielekkään toiminnan kannalta ovat mahdollisia ja piirtäkää graafi, josta ilmenee, miten sähköntuoton hyötysuhde muuttuu väliottohöyryn määrästä riippuen. Miten muut tunnusluvut muuttuvat? Kirjallisuutta Aura, L. ja Tonteri, A.J. Sähkölaitostekniikka. Porvoo, WSOY,1993. ISBN 951-0-18558-2. 433 s. Energiateollisuuden verkkosivu: http://energia.fi/ Keravan Energia Oy:n verkkosivu: http://www.keravanenergia.fi/ Motiva Oy:n verkkosivu: http://www.motiva.fi/ 5