ENE-C3001 Energiasysteemit 2.9.2015 Kari Alanne Oppimistehtävä 2: Keravan biovoimalaitos Sisällysluettelo 1 Johdanto... 1 2 Yhteistuotantovoimalaitokseen liittyviä määritelmiä... 1 3 Keravan biovoimalaitos... 4 4 Tehtävänanto... 5 Kirjallisuutta... 6 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 kiinnostava systeemiajattelun näkökulmasta. Keskeinen yhteistuotantovoimalaitoksen suunnitteluun ja käyttöön liittyvä haaste on ns. allokointi eli primäärienergian (polttoaineen) tarpeenmukainen ositus sähkön ja lämmöntuotannon kesken. Oppimistehtävän aiheena on Keravan biovoimalaitos, joka on höyryprosessiin perustuva yhteistuotantovoimalaitos. Tehtävänä on tutkia voimalaitosprosessia systeemistä vuorovaikutusmallia soveltaen ja karakterisoida eli mallintaa laitoksen toiminta yksinkertaistavien oletusten avulla. Työssä selvitetään energiataseiden kautta, miten laitoksen sähkön ja lämmöntuotannon suhdetta voidaan muuttaa turbiinin väliottohöyryn avulla ja miten muutos vaikuttaa prosessiin. Lopuksi laaditaan tutkimuksen pohjalta laitoskarakteristika. Työ raportoidaan kirjallisesti erikseen annetun ohjeen mukaisesti ja palautetaan MyCourses-järjestelmän kautta 7.10.2015 klo 12 mennessä. 2 Yhteistuotantovoimalaitokseen liittyviä 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.
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, jossa vallitsee kylläinen tila. Lisäksi on turbiiniväliottoja, joiden korkeaenergistä höyryä käytetään syöttöveden esilämmitykseen. Kuvan 1 prosessikaavioon ei ole merkitty näkyviin syöttövesipumppua, jonka toiminta ilmenee kuitenkin h,s-piirroksessa entalpianmuutoksena välillä 3-4. Kuvassa 2 on esimerkinomainen prosessikaavio, joka sisältää myös puuttuvat lämmönvaihtimet väliottoineen sekä syöttövesipumput.
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) Jokaisella yhteistuotantovoimalaitoksella on lisäksi sille ominainen rakennussuhde, toisin sanoen laitoksen tuottaman sähkö- ja lämpötehon suhdeluku (P gen /Φ h ), joka riippuu prosessiarvojen valinnasta. Tätä voidaan tietyissä rajoissa muuttaa esimerkiksi ohjaamalla osa tuorehöyrystä turbiinin ohitse suoraan lämmönsiirtimille väliottojen kautta (Kuva 2). Vastaava luku voidaan laskea energiaperusteisesti jakamalla vuotuinen tuotettu nettosähköenergia vuotuisella tuotetulla nettolämpöenergialla. Käytettäköön energiaperusteisesta määritelmästä tässä työssä nimitystä rakennusaste erotukseksi rakennussuhteesta. Kun selvitetään sähkön ja lämmöntuotannon sekä prosessin eri toimintatilojen välistä yhteyttä, puhutaan voimalaitosprosessin karakterisoinnista eli tässä mallintamisesta. Vastaavasta graafisesta nettosähköteho/nettolämpöteho- kuvaajasta käytetään nimitystä karakteristika. Karakterisointi auttaa näkemään nopeasti laitoksen kapasiteetin eri toimintatilanteissa ilman, että koko prosessia tarvitsee laskea läpi. Mikäli laitosta säädetään väliottojen avulla, karakteristikan muoto on käytännössä lineaarinen. Kuva 3 havainnollistaa, miten sähkötehon lisääminen alentaa laitoksesta saatavaa lämpötehoa ja päinvastoin.
Nettosähköteho P gen [MW] Nettolämpöteho Φ h [MW] Kuva 3. Esimerkki yhteistuotantovoimalaitoksen karakteristikan muodosta. 3 Keravan biovoimalaitos Keravan biovoimalaitos on sähköä, kaukolämpöä ja prosessilämpöä tuottava vastapainevoimalaitos. Kuvassa 4 on esitetty laitoksen yksinkertaistettu periaatekuva, jossa käyvät ilmi tärkeimmät osat sekä tuotetut energialajit. Kuva 4. Yksinkertaistettu kuva Keravan biovoimalaitoksesta.
Turbiinilaitoksen vesi- ja höyrypiiri muodostuu turbiinista, kaukolämmönsiirtimistä, syöttövesisäiliöstä, syöttöveden korkeapaine-esilämmittimestä ja prosessilämmönsiirtimestä. Syöttövesi pumpataan syöttövesisäiliöstä kattilaan korkeapaine-esilämmittimen (KP) kautta. Höyryn esilämmityksen tavoitteena on laitoksen hyötysuhteen parantaminen. Kattilasta tulistettu höyry johdetaan höyryturbiiniin. Turbiinissa on kolme väliottoa, joista saadaan höyryä prosessi- ja kaukolämmönsiirtimille sekä syöttövesisäiliöön. Oppimistehtävässä 2 voidaan karakterisoinnin yksinkertaistamiseksi rajoittua tarkastelemaan tapausta, jossa käytössä ovat turbiinin ohitus ja yksi väliotto syöttövesisäiliöön. Lisäksi voidaan olettaa, että väliottojen massavirta on säädettävissä. Lisätietoa Keravan biovoimalaitoksesta löytyy oppimistehtävän 2 mukana jaettavasta oheismateriaalista (prosessikaaviot) 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 (turbiinin ohitus + väliotto syöttöveden esilämmitykseen) peruskomponentein. Määrittäkää ja piirtäkää kaavioon 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 tutkitte, miten turbiinin ohituksen ja välioton massavirta sekä turbiinin isentrooppihyötysuhde vaikuttavat voimalaitoksesta saatavaan sähkö- ja lämpötehoon. 6. Laskekaa laitoksen hyötysuhteet (sähkö- ja kokonaishyötysuhde) ja tutkikaa, miten sähköntuoton hyötysuhde muuttuu väliottohöyryn määrästä riippuen. 7. Laatikaa laitoskarakteristika P,Φ-tasoon. 8. Laskekaa laitoksen rakennusaste (vuosienergian perusteella), kun laitosta ajetaan seuraavasti: Ohitus [%] Vuotuinen käyttöaika [h/a] 0 % 5700 10 % 2300 20 % 760
Kirjallisuutta 2.9.2015 Kari Alanne 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/