Oppimistehtävä 2

2.9.2015 ©Kari Alanne
ENE-C3001 Energiasysteemit
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.
2.9.2015 ©Kari Alanne
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 Pmek, joka muunnetaan generaattorissa nettosähkötehoksi Pgen. Paisunta tapahtuu kasvavan
entropian suuntaan (tila 2). Keskeinen paisuntaa kuvaava tunnusluku on turbiinin
isentrooppihyötysuhde, joka määritellään höyryn ominaisentalpioiden avulla yhtälöllä
(1)
missä h2s 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
Φh.
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.
2.9.2015 ©Kari Alanne
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 (Pgen/Φh), 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.
2.9.2015 ©Kari Alanne
Nettosähköteho Pgen [MW]
Nettolämpöteho Φh [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.
2.9.2015 ©Kari Alanne
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
oheismateriaalista (prosessikaaviot) sekä Keravan Energia Oy:n verkkosivuilta.
jaettavasta
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 [%]
0%
10 %
20 %
Vuotuinen käyttöaika [h/a]
5700
2300
760
2.9.2015 ©Kari Alanne
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/