Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.
RAASAKAN VESIVOIMALAITOS
Timo Alakontiola
Kasper Åman
Syksy 2015
Energialaitokset
Oulun ammattikorkeakoulu
2
SISÄLLYS
SISÄLLYS 2
1 JOHDANTO 3
2 VESIVOIMA 4
3 YLEISTÄ VESITURBIINEISTA 5
3.1 Kaplan-turbiini 6
3.2 Francis-turbiini 7...
3
1 JOHDANTO
Tämän työn tarkoituksena on esitellä Iijoen varressa sijaitsevan Raasakan
vesivoimalaitoksen toimintaa. Työss...
4
2 VESIVOIMA
Vesivoima on vanhin tunnettu energian tuottamisen tapa. Se on uusiutuvan
energian tuotantomuoto, jossa veden...
5
3 YLEISTÄ VESITURBIINEISTA
Vesiturbiinilla virtaavan veden liike-energia muunnetaan akselin ja generaattorin
avulla sähk...
6
3.1 Kaplan-turbiini
Kaplan-turbiini on Suomen yleisin turbiinityyppi. Sen soveltuvuus mataliin
pudotuskorkeuksiin ja laa...
7
3.2 Francis-turbiini
Maailmalla yleisin turbiinityyppi on Francis-turbiini, kattaen noin 60%
vesivoiman tuotannossa käyt...
8
3.3 Pelton-turbiini
Pelton-turbiini on impulssiturbiini, joka soveltuu suurille pudotuskorkeuksille.
Turbiinille tuleva ...
9
3.4 Turbiinityypin valinta
Turbiinityypin valinta tehdään laskemalla turbiinin ominaiskierrosluku kaavalla 1
ja katsomal...
10
Tarkastellaan esimerkkinä turbiinityypin valintaa Raasakan
vesivoimalaitokseen. Turbiinin pyörimisnopeus Raasakan vesiv...
11
3.5 Turbiinin mitoitus
Tarkastelemme turbiinin mitoituksesta vain turbiinin halkaisijaa. Todellinen
turbiinin mitoitus ...
12
Kuvassa 4 nähdään Kaplan-turbiinin tärkeitä mittoja, jotka kaikki täytyy sovittaa
toteutettavaan laitokseen. Ohjaussiip...
13
4 IIJOKI JA VESIVOIMA IIJOESSA
Iijoki virtaa Pohjois-Pohjanmaan läpi. Sen pääuoman pituus on noin 350
kilometriä ja se ...
14
5 RAASAKAN VOIMALAITOS
Raasakka on Iijoen vesivoimalaitoksista teholtaan suurin. Voimalaitoksen
omistaa PVO-Vesivoima O...
15
Tuloputken tarkoitus on ohjata vesi turbiinille. Sen nielu tulee sijoittaa siten, ettei
alimmalla yläveden tasolla pääs...
16
6 VOIMALAITOSLASKELMAT
Raportin tässä osiossa tarkastellaan Raasakan vesivoimalaitoksen
sähköntuotantoa ja siihen vaiku...
17
Raasakan vesivoimalaitoksen tuotannosta piirrettiin taulukko, jossa tehoa
verrattiin toiminta-aikaan.
TAULUKKO 3. Raasa...
18
TAULUKKO 4. Voimalaitoksen tehon keskiarvo kuukausittain vuonna 2015.
6.1.2 Virtaama
Kokonaisvirtaama
Raasakan voimalai...
19
Keskimääräiset virtaamat kuukausittain piirrettiin taulukkoon, josta nähdään että
virtaamat ovat olleet selvästi suurim...
20
kokonaisvirtaamasta. Myös huhti- ja kesäkuussa koneiston ohitse juoksutettiin
noin viidennes kokonaisvirtaamasta. Syysk...
21
TAULUKKO 8. Eri turbiinien osuus kuukausittain.
Turbiinien keskimääräinen osuus konejuoksutuksesta vaihtelee 10 – 52 %
...
22
TAULUKKO 9. Tehon suhde virtaamaan.
Taulukosta nähdään, että voimalaitoksen teho riippuu virtaamasta lineaarisesti
ja k...
23
6.1.3 Pudotuskorkeus
Raasakan vesivoimalaitoksen pudotuskorkeus on 21 metriä. Pudotuskorkeus oli
pienimmillään 17,3 met...
24
TAULUKKO 11. Tehon suhde pudotuskorkeuteen.
Taulukosta nähdään että teho ei muutu lineaarisesti, kun pudotuskorkeus
muu...
25
Pka = voimalaitoksen tuottaman tehon keskiarvo = 39,7 MW
ρ = veden tiheys = 1000 kg/m3
Hka = keskimääräinen pudotuskork...
26
hyötysuhteeksi saadaan yli 85 %. Kun taas alle 30 % virtauksella hyötysuhde
jää alle 70 %.
Generaattorit
Generaattorien...
27
TAULUKKO 14. Generaattorin hyötysuhde suhteessa virtaamaan.
Taulukkoa tarkastelemalla voidaan todeta, että generaattori...
28
hyötysuhteeseen. Laskuissa vesiteiden hyötysuhteena käytettiin 100 % eli ηvt =
1.
Generaattorien hyötysuhteet saatiin t...
29
TAULUKKO 16. Turbiinin hyötysuhde virtaaman funktiona.
Taulukosta nähdään että 30 % virtaamalla turbiinien hyötysuhde o...
30
TAULUKKO 17. Turbiinien hyötysuhteet. (10, s. 63.)
Raasakan vesivoimalaitoksen turbiinien piiretyt hyötysuhdekäyrät vas...
31
7 YHTEENVETO
Työn tavoitteena oli avata Pohjolan Voimilta saatua dataa, siten että siitä
pystyttiin laskennallisesti es...
32
LÄHTEET
1. Atkins, William Arthur 2015. Hydroelectric power. Saatavissa:
http://www.waterencyclopedia.com/Ge-Hy/Hydroel...
33
12.Pohjois-Pohjanmaan ELY-keskus 2014. Vesivoiman rakentamisesta
pysyvä ympäristönmuutos. Saatavissa: http://www.ympari...
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

Raasakan vesivoimalaitos

825 views

Published on

  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Raasakan vesivoimalaitos

  1. 1. RAASAKAN VESIVOIMALAITOS Timo Alakontiola Kasper Åman Syksy 2015 Energialaitokset Oulun ammattikorkeakoulu
  2. 2. 2 SISÄLLYS SISÄLLYS 2 1 JOHDANTO 3 2 VESIVOIMA 4 3 YLEISTÄ VESITURBIINEISTA 5 3.1 Kaplan-turbiini 6 3.2 Francis-turbiini 7 3.3 Pelton-turbiini 8 3.4 Turbiinityypin valinta 9 3.5 Turbiinin mitoitus 11 4 IIJOKI JA VESIVOIMA IIJOESSA 13 5 RAASAKAN VOIMALAITOS 14 6 VOIMALAITOSLASKELMAT 16 6.1.1 Teho 16 6.1.2 Virtaama 18 6.1.3 Pudotuskorkeus 23 6.1.4 Hyötysuhde 24 7 YHTEENVETO 31 LÄHTEET 32
  3. 3. 3 1 JOHDANTO Tämän työn tarkoituksena on esitellä Iijoen varressa sijaitsevan Raasakan vesivoimalaitoksen toimintaa. Työssä esitellään Raasakan voimalaitoksen rakennetta ja käsitellään Pohjolan Voimalta saatuja data-arvoja siten, että ne ovat helpommin ymmärrettävissä. Työssä selitetään myös mitä kyseiset datat tarkoittavat käytännössä. Työssä tullaan esittelemään myös eritoten turbiinin valintaan vaikuttavia seikkoja, ja esim. miten oikeanlainen turbiini saadaan määritettyä. Työssä esitellään myös hieman vesivoimaa yleisesti ja vesivoiman tuotannossa käytettyjä turbiinityyppejä. Työssä on käytetty Pohjolan Voimalta saatuja tuntidatataulukoita, ja niitä hyväksi käyttämällä avataan lukijalle Raasakan vesivoimalaitoksen vuotuista käyttöä. Työssä keskitytään Raasakan voimalaitoksen toimintaan energiantuotannon näkökulmasta. Työ on tehty osana Oulun ammattikorkeakoulun Energialaitokset- kurssia syksyllä 2015.
  4. 4. 4 2 VESIVOIMA Vesivoima on vanhin tunnettu energian tuottamisen tapa. Se on uusiutuvan energian tuotantomuoto, jossa veden potentiaalienergia muunnetaan sähköksi. Alunperin sahojen ja myllyjen voimaloina toiminut vesivoima muuttui 1900-luvun alussa mekaanisen energian tuotannosta sähköenergian tuotannoksi. (1.) Suomessa vesivoimalaitoksia on noin 250 joista vanhimmat laitokset on rakennettu jo 1800-luvulla. Suomen vesivoimakapasiteetti on noin 3100 MW ja vesivoiman osuus sähköntuotannosta vaihtelee vesitilanteesta riippuen 10-20% välillä. Suurimmillaan vesivoiman osuus on ollut 1950- ja 1960-luvuilla, jopa 90%. (2; 3, s. 99-100.) Vesivoiman vahvuus on sen erinomainen soveltuvuus säätövoimaksi. Sähkönkäytön ja tuotannon nopeat muutokset saadaan hoidettua pääosin vesivoimalla. Säätövoimaksi soveltuvuutta tukee myös se, että vesivoimalaitoksia pystytään käynnistämään, säätämään ja pysäyttämään muita voimalaitoksia nopeammin. Vesivoimalaitoksilla on myös pitkä käyttöikä, turbiinien käyttöiän ollessa useimmiten yli 50 vuotta. Vesivoimalan käyttökustannukset ovat myös vähäiset, omakustannushinnan ollessa noin 1,5 kertaa pienemmät kuin kivihiilisähköllä. (2; 3, s. 99.) Suomen hyödyntämätön vesivoimapotentiaali on vähäinen. Korkeat investointikustannukset vähentävät kannattavuutta rakentaa mahdollisia pienvesivoimaloita. Myös suurin osa olemassaolevien laitosten tehonlisäyksistä on tehty. Näillä muutoksilla on saavutettu 1-4% parempi hyötysuhde ja 5-25% maksimitehon lisäys. (2; 3, s. 99.)
  5. 5. 5 3 YLEISTÄ VESITURBIINEISTA Vesiturbiinilla virtaavan veden liike-energia muunnetaan akselin ja generaattorin avulla sähkövirraksi. Turbiinit voidaan jakaa impulssiturbiineihin ja reaktioturbiineihin. Impulssiturbiineihin pätee Newtonin toinen laki ja reaktioturbiineihin Newtonin kolmas laki. (3, s. 103-106; 4; 5, s. 265-272.) Kaikkien vesiturbiinien toimintaperiaate on kuitenkin sama. Turbiini muuttaa veden painetta akselin ja generaattorin pyörimisenergiaksi. Generaattori muuttaa pyörimisenergian edelleen sähköenergiaksi. Virtaava vesi ohjataan turbiinin juoksupyörän lapoihin ja vesi luovuttaa täten energiaansa turbiinille. (3, s. 100-111; 5, s. 265-272.) Turbiinin valintaan vaikuttaa käyttöpaikan pudotuskorkeus. Myös saavutettava virtaama vaikuttaa valintaan. Yleisesti ottaen, impulssiturbiinit soveltuvat korkeille pudotuskorkeuksille ja reaktioturbiineja käytetään matalilla pudotuskorkeuksilla. Suomessa käytetään yleensä Kaplan- ja Francis-turbiineja jotka kumpikin ovat reaktioturbiineja. Taulukosta 1 voidaan nähdä graafisesti esitettynä eri turbiinien toiminta-alueet, ja niiden vertautuvuus keskenään. (3, s. 100-111; 5, s. 265-272.) TAULUKKO 1. Eri turbiinien käyttöalueet. (6.)
  6. 6. 6 3.1 Kaplan-turbiini Kaplan-turbiini on Suomen yleisin turbiinityyppi. Sen soveltuvuus mataliin pudotuskorkeuksiin ja laaja virtaamasoveltuvuus tekevät sen suosituksi koko maailmassa. Kaplan-turbiini on reaktioturbiini, jonka hyötysuhde on tyypillisesti yli 90%. (3, s. 109-110; 5, s. 269-271.) Laaja soveltuvuus on säädettävien juoksupyörän siipien ansiota. Näiden säädettävien siipien avulla saadaan aikaiseksi myös pyörteetön virtaus juoksupyörän jälkeiseen imuputkeen. Virtaus juoksupyörän läpi on aksiaalinen. (3, s. 109-110; 5, s. 269-271.) Turbiinin ei ole välttämätöntä olla alaveden alapuolella, kunhan imuputki on koko ajan täynnä vettä. Mitä suurempi veden alapuolinen massa kuitenkin on, sitä enemmän se aiheuttaa imua juoksupyörän siipiin. Tämä aiheuttaa paineenalenemista joka taas aiheuttaa kavitointia. Kavitaatio voi aiheuttaa vakavat vauriot turbiinille. Kaplan-turbiinilla on kuitenkin pienempi kavitaatioriski kuin Francis-turbiinilla. (3, s. 109-110; 5, s. 269-271.) KUVA 1. Kaplan-turbiinin potkurimainen juoksupyörä, tekniikan museossa Wienissä. (7.)
  7. 7. 7 3.2 Francis-turbiini Maailmalla yleisin turbiinityyppi on Francis-turbiini, kattaen noin 60% vesivoiman tuotannossa käytettävistä turbiineista. Francis-turbiinin toiminta-alue on hyvin laaja, sen soveltuessa jopa 700 metrin pudotuskorkeuksille. Francis- turbiinit rakennetaan yleensä pystyakselisiksi ja niiden juoksupyörä on kiinteäsiipinen. (3, s. 107-109; 5, s. 267-269.) Turbiinin sijainnin ja alaveden pinnan kanssa pätevät samat seikat, kuin Kaplan- turbiinissa. Francis-turbiineissa kavitaatioriski on kuitenkin suurempi ja ne ovat myös alttiimpia puulle ja roskalle, joka pääsee läpi voimalaitoksen välpistä. Kavitaatioiskujen välttämiseksi, ilmaa syötetään juoksupyörän keskiosasta tai sen alapuolelle asennetusta putkesta. Tällä nostetaan painetta juoksupyörän alapuolelle muodostuneessa pyörteessä. (3, s. 107-109; 5, s. 267-269.) Francis-turbiinit soveltuvat käytettäviksi voimalaitoksissa, joissa on monta virtaaman suuruuden mukaan käynnistettävää koneistoa. Ne ovat yksinkertaisia, käyttövarmoja ja suhteellisen halpoja. (3, s. 107-109; 5, s. 267- 269.) KUVA 2. Francis-turbiinin juoksupyörä, Imatran voimalaitos. (8.)
  8. 8. 8 3.3 Pelton-turbiini Pelton-turbiini on impulssiturbiini, joka soveltuu suurille pudotuskorkeuksille. Turbiinille tuleva vesi ajetaan suuttimen läpi, muuttaen paine-energian kokonaan liike-energiaksi. Syntynyt suurinopeuksinen vesisuihku suunnataan juoksupyörän kauhoihin, joissa liike-energia muuttuu akselia pyörittäväksi momentiksi. Pelton-turbiinit ovat tavallisesti osittaisturbiineja, eli vettä johdetaan suuttimista vain osalle juoksupyörän kehää. (3, s. 100-101; 5, s. 267.) Pelton-turbiinien kavitaatioriski on käytännössä olematon, joten pudotuskorkeudelle ei periaatteessa ole ylärajaa. Pahimmaksi ongelmaksi muodostuu vedessä olevan hiekan eroosio. (3, s. 100-101; 5, s. 267.) Pelton-turbiineja ei käytetä Suomessa, johtuen pienistä pudotuskorkeuksista. Osa pudotuskorkeudesta jää Pelton-turbiinilla hyödyntämättä, koska juoksupyörän jälkeen vesi putoaa vapaasti alaveteen. Suurissa pudotuskorkeuksissa tämä häviö on suhteellisen vähäinen. Lähimpänä Suomesta ajatellen, Pelton turbiineja on käytössä mm. Norjassa. (3, s. 100-101; 5, s. 267.) KUVA 3. Pelton-turbiineja, Walchenseen voimalaitos Saksassa. (9.)
  9. 9. 9 3.4 Turbiinityypin valinta Turbiinityypin valinta tehdään laskemalla turbiinin ominaiskierrosluku kaavalla 1 ja katsomalla turbiinin toimintapiste taulukosta 2 ominaiskierrosluvun ja nettoputouskorkeuden avulla. KAAVA 1 nqr = turbiinin ominaiskierrosluku n = turbiinin pyörimisnopeus [kierrosta / minuutti] Q = virtaama [m3 /s] H = pudotuskorkeus [m] TAULUKKO 2. Turbiinien toiminta-alueet. (10, s. 31.)
  10. 10. 10 Tarkastellaan esimerkkinä turbiinityypin valintaa Raasakan vesivoimalaitokseen. Turbiinin pyörimisnopeus Raasakan vesivoimalaitoksella on 167 kierrosta minuutissa ja nettopudotuskorkeus on 21 metriä. Turbiinin 1 mitoitusvirtaama on 97 m3 /s. Sijoittamalla arvot kaavaan 1 saadaan: Kaava 1 Piirretään arvot kaavioon ja katsotaan taulukosta Raasakan vesivoimalaitokseen sopivin turbiinityyppi. TAULUKKO 2. Turbiinien toiminta-alueet. (10, s. 31.) Taulukosta nähdään että Raasakan vesivoimalaitokseen sopivin turbiinityyppi on Kaplan-turbiini. Raasakan voimalaitoksessa onkin käytössä kaksi Tampella 3600- mallista Kaplan-turbiinia ja yksi Tampella 3920- Kaplan-turbiini.
  11. 11. 11 3.5 Turbiinin mitoitus Tarkastelemme turbiinin mitoituksesta vain turbiinin halkaisijaa. Todellinen turbiinin mitoitus on monimutkainen prosessi, joten esittelemme tässä yksinkertaistetun mallin. Yksinkertaistetulla mitoituksella saamme jonkinlaisen käsityksen turbiinin kokoluokasta. Tässä mitoituksessa turbiinin halkaisijan valintaan vaikuttavat ominaispyörimisnopeus, kierrosnopeus ja nettoputoamiskorkeus. KUVA 4. Turbiinin mitoituskuva. (11, s. 85.)
  12. 12. 12 Kuvassa 4 nähdään Kaplan-turbiinin tärkeitä mittoja, jotka kaikki täytyy sovittaa toteutettavaan laitokseen. Ohjaussiipien halkaisija ja korkeus, spiraalin korkeus, turbiinin navan halkaisija ja turbiinin siipien koko ja lukumäärä vaikuttavat kaikki turbiinin toimintaan. Turbiinin ulkohalkaisija lasketaan kaavalla 2: √ KAAVA 2 De = turbiinin halkaisija siipien ulkoreunasta mitattuna Cue = nopeuskerroin Hn = nettoputoamiskorkeus n = kierrosnopeus Tässä esimerkissä selvitämme turbiinin halkaisijan Raasakan vesivoimalaitokseen. Raasakan vesivoimalaitoksen turbiinin 1 ominaiskierrosluku on nqr = 167,7 ja putoamiskorkeus Hn = 21 metriä. Turbiinin 1 kierrosnopeus on 167 kierrosta minuutissa. Nopeuskerroin on ominaispyörimisnopeuden funktio ja sen arvo ominaispyörimisnopeudella nqr = 167,7 on Cue = 1,61. Sijoittamalla arvot kaavaan 2 saadaan: √ √ KAAVA 2 Yksinkertaistetulla mitoituksella Raasakan turbiinin 1 halkaisijaksi saatiin 3,74 metriä. Todellisuudessa Raasakan vesivoimalaitoksen turbiinin 1 halkaisija on 3,6 metriä, joten yksinkertaistetullakin mitoituksella päästään kohtalaisen tarkkoihin arvioihin.
  13. 13. 13 4 IIJOKI JA VESIVOIMA IIJOESSA Iijoki virtaa Pohjois-Pohjanmaan läpi. Sen pääuoman pituus on noin 350 kilometriä ja se virtaa Kuusamosta, Taivalkosken, Pudasjärven ja Yli-Iin kautta Iiihin, jossa se laskee Perämereen. Korkeuseroa Iijoella latvajärviltä jokisuuhun on 250 metriä. Iijoen ominaispiirteisiin kuuluvat suuret kevättulvat, johtuen joen suuresta valuma-alueesta ja sen sijainnista yhdellä Suomen runsaslumisimmalla seudulla. (12; 13, s. 144.) Iijoen vaelluskalakannat ovat vähentyneet runsaasti, rakentamisesta johtuen. Iijoesta on rakennettu 60 kilometrin osuus joen alaosassa. Pohjolan Voima ja alueen kalastuskunnat istuttavat Iijokisuulle vuosittain noin 300 000 lohenpoikasta, 30 000 meritaimenepoikasta ja miljoona yksivuotista siikaa sekä noin 50 000 nahkiaista. (14; 15.) Iijoen voimalaitosten teho on noin 194 MW ja sen suurimmat voimalaitokset ovat Maalismaa, Kierikki, Pahkakoski, Haapakoski ja Raasakka. Kaikki edellämainitut sijaitsevat joen alajuoksulla, joen keski- ja yläjuoksun kuuluessa koskiensuojelulailla suojeltuihin vesistöihin. Rakennetun osan pudotuskorkeus on 94 metriä. (13, s. 143-144.; 16.) KUVA 5. Iijoen voimalaitokset ja säännöstelyt. (15.)
  14. 14. 14 5 RAASAKAN VOIMALAITOS Raasakka on Iijoen vesivoimalaitoksista teholtaan suurin. Voimalaitoksen omistaa PVO-Vesivoima Oy ja sen 1- ja 2-koneisto valmistuivat vuonna 1971. 3-koneisto valmistu 1997 ja laitoksen sähköteho on 64 MW, 21 metrin pudotuskorkeudella. (18.) Raasakassa sijaitsee myös Pohjolan Voiman kalanviljelylaitos, jossa tuotetaan vuosittain 500 000 lohen yksivuotista poikasta, 360 000 lohen kaksivuotista poikasta ja 27 000 taimenen poikasta. Laitos on rakennettu vuonna 1982. (18; 19.) KUVA 6. Raasakan voimalaitoksen periaatekuva. Voimalaitoksen tärkeimmät osat ovat turbiini, akseli, generaattori, imu- ja tuloputki, välpät ja koneistoluukut, sekä spiraali. (20.) Turbiini muuttaa veden potentiaali- ja liike-energian akselin mekaaniseksi energiaksi. Akseli siirtää energian edelleen generaattorille, joka tuottaa sähköä. (20.)
  15. 15. 15 Tuloputken tarkoitus on ohjata vesi turbiinille. Sen nielu tulee sijoittaa siten, ettei alimmalla yläveden tasolla pääse ilmaa imeytymään turbiiniin. Nielun suulla on välppä estämässä suurten roskien tai esineiden pääsyn turbiiniin. Tuloputki on matalan putouksen laitoksilla lyhyt. Tuloputken päässä on spiraali, jonka tarkoitus on varmistaa tasainen ja oikeasuuntainen veden virtaus turbiinin juoksupyörälle. (20.) Turbiinin jälkeen vesi virtaa imuputkeen. Imuputken tehtävänä on ottaa talteen juoksupyörästä poistuvan veden liike-energia, joka muuten menisi hukkaan. Imuputkessa veden nopeus hidastuu ja paine kasvaa. (20.) KUVA 7. Kaplan-turbiinin tärkeimmät komponentit. (3, s. 110.)
  16. 16. 16 6 VOIMALAITOSLASKELMAT Raportin tässä osiossa tarkastellaan Raasakan vesivoimalaitoksen sähköntuotantoa ja siihen vaikuttavia tekijöitä aikavälillä 1.1.2015 – 20.11.2015. Tarkasteltavana aineistona käytetään Pohjolan Voiman antamaa tuotanto, pinnankorkeus sekä juoksutusmääriä sisältävää taulukkoa, jossa on Raasakan voimalaitoksesta mitatut arvot tunneittain. Taulukosta selviää hyötysuhdetta lukuun ottamatta kaikki voimalaitoksen tehon määrittämiseen tarvittavat arvot. Aluksi tarkastellaan Raasakan vesivoimalaitoksen tehoa ja sähköntuotantoa, jonka jälkeen siirrytään tarkastelemaan vesivoimalaitoksen tehoon vaikuttavia tekijöitä. Lopuksi määritetään voimalaitoksen hyötysuhde ja tarkastellaan sen riippuvuutta virtaamasta. 6.1.1 Teho Vesivoimalaitoksen teho saadaan laskettua kaavalla 3: KAAVA 3 η = vesivoimalaitoksen hyötysuhde ρ = veden tiheys = 1000 kg/m3 H = pudotuskorkeus [m] g = putoamiskiihtyvyys = 9,81 m/s2 qv = virtaama [m3 /s] Kuten kaavasta 3 huomataan vesivoimalaitoksen tehoon vaikuttavat sen hyötysuhde, veden tiheys, pudotuskorkeus, putoamiskiihtyvyys ja virtaama. Koska putoamiskiihtyvyys ja veden tiheys pysyvät vakioina, tarkastellaan seuraavaksi pudotuskorkeuden ja virtaamaan vaikutusta vesivoimalaitoksen sähköntuotantoon. Myöhemmin määritetään voimalaitoksen ja sen turbiinien hyötysuhteet.
  17. 17. 17 Raasakan vesivoimalaitoksen tuotannosta piirrettiin taulukko, jossa tehoa verrattiin toiminta-aikaan. TAULUKKO 3. Raasakan voimalaitoksen teho ja toiminta-aika. Taulukossa teho ilmoitetaan osuutena voimalaitoksen maksimitehosta (64MW) ja toiminta-aika on ilmoitettu osuutena mitatusta ajanjaksosta (7760 tuntia). Taulukosta nähdään, että 30 % toiminta-ajasta laitos on toiminut yli 90 % teholla. Noin 65 % toiminta-ajasta laitos tuotti energiaa yli 50 % teholla. Ajanjakson aikana laitos oli pysähdyksissä 7,4 % toiminta-ajasta. Voimalaitoksen tuotantoa tarkasteltiin myös piirtämällä taulukko, jossa näytettiin tehon keskiarvo kuukausittain.
  18. 18. 18 TAULUKKO 4. Voimalaitoksen tehon keskiarvo kuukausittain vuonna 2015. 6.1.2 Virtaama Kokonaisvirtaama Raasakan voimalaitoksen keskimääräinen virtaama tarkastellulla ajanjaksolla oli 292 m3 /s. Virtauksen vaihtelu oli suurta, pienin mitattu virtaama oli 3 m3 /s jota oli mitattu 463 tunnin ajan alkuvuoden aikana. Suurin voimalaitokselta mitattu virtaama oli 1395 m3 /s, se mitattiin 16.5.2015 kello 11.00–12.00. Suurin virtaama osuu Iijoen tulvahuippuun ja Yle uutisoikin 15.5.2015 kello 19.56 Iijoen tulvan olevan huipussaan. (21.) TAULUKKO 5. Keskivirtaama kuukausittain.
  19. 19. 19 Keskimääräiset virtaamat kuukausittain piirrettiin taulukkoon, josta nähdään että virtaamat ovat olleet selvästi suurimmat touko- ja kesäkuussa. Toisaalta tammi-, helmi- ja maaliskuu erottuvat joukosta selvästi muita matalimmilla virtaamillaan. Kuukausittainen keskivirtaama ei kuitenkaan suoraan kerro voimalaitoksen sähköntuotantoa koska osa virtaamasta joudutaan juoksuttamaan koneistojen ohitse. Ohijuoksutus Raasakan voimalaitoksen keskimääräinen ohijuoksutus ajanjaksolla oli 55 m3 /s. Pienimmillään ohijuoksutus oli 1,5 m3 /s ja suurin ohijuoksutus 1032 m3 /s mitattiin tulvahuipun aikaan 16.5.2015 kello 11.00–12.00, jolloin myös kokonaisvirtaama oli huipussaan. Tulvahuipun aikana koneiston ohitse juoksutettiin 74 %:a kokonaisvirtaamasta. TAULUKKO 6. Keskimääräinen ohijuoksutus kuukausittain. Keskimääräiset ohijuoksutukset kuukausittain piirrettiin taulukkoon. Taulukosta nähdään, että ohijuoksutukset ovat huipussaan toukokuussa jolloin koneiston ohitse juoksutettiin keskimäärin 414,6 m3 /s joka vastaa noin 53 % osuutta
  20. 20. 20 kokonaisvirtaamasta. Myös huhti- ja kesäkuussa koneiston ohitse juoksutettiin noin viidennes kokonaisvirtaamasta. Syyskuussa koneiston ohitse juoksutettiin 5 % kokonaisvirtaamasta, loppuaikana koneiston ohitse juoksutettiin alle 2 % kokonaisvirtaamasta. Koko ajanjakson aikana koneiston ohitse juoksutettiin keskimäärin 18,8 %:a kokonaisvirtaamasta. Konejuoksutus Koneiden lävitse juoksutetusta virtaamasta saadaan tuotettua sähköä vesivoimalaitoksella, tätä vesimäärää kutsutaan konejuoksutukseksi. Raasakan voimalaitoksella keskimääräinen konejuoksutus on 235 m3 /s, pienimmillään konejuoksutus on 0 m3 /s, kun laitoksen sähköntuotanto pysäytetään. Suurin tarkastellulla ajanjaksolla mitattu konejuoksutus oli 378 m3 /s. Keskimääräinen konejuoksutus kuukausittain piirrettiin taulukkoon. TAULUKKO 7. Konejuoksutus kuukausittain. Taulukosta huomataan, että konejuoksutuksen vaihtelut ovat huomattavasti pienempiä, kuin kokonaisvirtaaman vaihtelut. Syynä on turbiinien kapasiteetti, konejuoksutusta ei voi kasvattaa rajattomasti. Pienillä kokonaisvirtaamilla taas suurin osa juoksutetaan turbiinien lävitse. Raasakan vesivoimalaitoksella on kolme turbiinia, joten konejuoksutus jakautuu kolmeen osaan. Seuraavassa taulukossa nähdään eri turbiinien osuudet konejuoksutuksesta.
  21. 21. 21 TAULUKKO 8. Eri turbiinien osuus kuukausittain. Turbiinien keskimääräinen osuus konejuoksutuksesta vaihtelee 10 – 52 % välillä, erojen ollessa suurimmillaan tammikuussa. Pienimmillä virtaamilla vain ensimmäinen turbiini on käytössä, kuukausittain kuitenkin jokainen turbiini on ollut käytössä. Yleensä turbiinien osuudet konejuoksutuksesta ovat likimain yhtä suuret. Kun konejuoksutus on suurimmillaan, 1 ja 2 turbiinien osuudet ovat yhtä suuret mutta kolmannen turbiinin osuus on selkeästi suurempi. Syynä on kolmannen turbiinin suurempi kapasiteetti. Vesivoimalaitoksen teho suhteessa virtaamaan Kaavan 3 mukaan, vesivoimalaitoksen tehon pitäisi kasvaa lineaarisesti suhteessa konejuoksutukseen eli kaavassa 3 merkittyyn virtaamaan. Tutkitaan tehon riippuvuutta virtaamasta piirtämällä taulukko voimalaitoksen tehosta ja virtaamasta.
  22. 22. 22 TAULUKKO 9. Tehon suhde virtaamaan. Taulukosta nähdään, että voimalaitoksen teho riippuu virtaamasta lineaarisesti ja käyttäytyy kaavan 4 mukaan: KAAVA 4 P = voimalaitoksen teho [MW] qv = virtaama = konejuoksutus [m3 /s] Tarkistetaan kaavan 4 toimivuus laskemalla voimalaitoksen teho kaavan 4 avulla virtauksilla 100 m3 /s, 200 m3 /s ja 300 m3 /s ja vertaamalla tuloksia taulukkoon. KAAVA 4 KAAVA 4 KAAVA 4 Verrattaessa laskuja taulukkoon huomataan, että kaava 4 kuvaa Raasakan voimalaitoksen tehon käyttäytymistä suhteessa virtaamaan varsin hyvin.
  23. 23. 23 6.1.3 Pudotuskorkeus Raasakan vesivoimalaitoksen pudotuskorkeus on 21 metriä. Pudotuskorkeus oli pienimmillään 17,3 metriä 16.5.2015 eli samaan aikaan kun kokonaisvirtaama oli suurimmillaan. Syynä tavallista pienempään pudotuskorkeuteen oli suuri ( >1000 m3 /s ) ohijuoksutus, joka nosti alaveden pintaa ja samalla laski pudotuskorkeutta. Suurimmillaan pudotuskorkeus oli 21,9 metriä, joten pudotuskorkeuden vaihtelut ovat huomattavasti pienempiä, kuin virtaaman vaihtelut. Keskimääräinen pudotuskorkeus kuukausittain piirrettiin taulukkoon. TAULUKKO 10. Keskimääräinen pudotuskorkeus kuukausittain. Taulukosta nähdään että keskimääräinen pudotuskorkeus vaihtelee 18,9 metristä 20,5 metriin, joten pudotuskorkeuden vaihtelun vaikutus voimalaitoksen sähköntuotantoon on pienempi, kuin virtaaman vaihtelun vaikutus. Vesivoimalaitoksen teho suhteessa pudotuskorkeuteen Kaavan 3 perusteella vesivoimalaitoksen tehon tulisi kasvaa lineaarisesti suhteessa pudotuskorkeuteen. Tutkitaan riippuvuutta piirtämällä taulukko tehon suhteesta pudotuskorkeuteen.
  24. 24. 24 TAULUKKO 11. Tehon suhde pudotuskorkeuteen. Taulukosta nähdään että teho ei muutu lineaarisesti, kun pudotuskorkeus muuttuu. Syynä tähän on virtaaman muutos yhtä aikaa pudotuskorkeuden muutoksen kanssa. Virtaama muuttuu huomattavasti enemmän kuin pudotuskorkeus joten sen vaikutus tehoon nähdään selkeämmin. Jos virtaama pysyisi vakiona, teho kasvaisi samassa suhteessa pudotuskorkeuden kanssa. 6.1.4 Hyötysuhde Tässä raportissa määritettiin hyötysuhde ensin koko laitokselle, sitten generaattoreille ja sen jälkeen turbiineille. Koska pudotuskorkeus on pieni, imuputken ja tuloputken painehäviöt oletettiin pieniksi ja ne laskettiin mukaan turbiinien hyötysuhteisiin. Voimalaitos Voimalaitoksen keskimääräinen hyötysuhde laskettiin kaavalla 5, joka johdettiin kaavasta 3. Laskussa käytettiin tuotantotaulukosta saatuja keskimääräisi arvoja pudotuskorkeudelle, teholle ja virtaamalle. KAAVA 5 η = vesivoimalaitoksen hyötysuhde 0 10 20 30 40 50 60 70 18,0 18,5 19,0 19,5 20,0 20,5 21,0 Teho[MW] Pudotuskorkeus [m] Tehon suhde pudotuskorkeuteen
  25. 25. 25 Pka = voimalaitoksen tuottaman tehon keskiarvo = 39,7 MW ρ = veden tiheys = 1000 kg/m3 Hka = keskimääräinen pudotuskorkeus = 20,1 m g = putoamiskiihtyvyys = 9,81 m/s2 qv,ka = keskimääräinen virtaama = 235 m3 /s KAAVA 5 Sijoittamalla arvot kaavaan 5 saatiin Raasakan vesivoimalaitoksen keskimääräiseksi hyötysuhteeksi 85,7 %. Seuraavaksi laskettiin voimalaitoksen hyötysuhteet eri virtaamilla ja piirrettiin tuloksista taulukko. TAULUKKO 12. Voimalaitoksen hyötysuhde suhteessa virtaamaan. Taulukosta nähdään että hyötysuhde on selvästi riippuvainen virtaaman suhteesta maksimivirtaamaan. Kun virtaama on yli puolet maksimista,
  26. 26. 26 hyötysuhteeksi saadaan yli 85 %. Kun taas alle 30 % virtauksella hyötysuhde jää alle 70 %. Generaattorit Generaattorien hyötysuhde määritettiin Pohjolan Voimalta saadun taulukon perusteella, jossa oli Kierikin voimalaitoksen generaattorien hyötysuhteet eri tehoilla. Pohjolan Voiman mukaan Raasakan voimalaitoksen generaattorien hyötysuhteet ovat likimain samat kuin taulukossa näkyvän Kierikin voimalaitoksen. TAULUKKO 13. Kierikin voimalaitoksen generaattorien hyötysuhde. Generaattorien hyötysuhteesta tehtiin taulukko, jossa hyötysuhdetta verrataan laitoksen konejuoksutukseen.
  27. 27. 27 TAULUKKO 14. Generaattorin hyötysuhde suhteessa virtaamaan. Taulukkoa tarkastelemalla voidaan todeta, että generaattorin hyötysuhde kasvaa samanaikaisesti virtauksen kasvaessa. Generaattorien hyötysuhteet ovat kuitenkin varsin hyvät likimain kaikilla virtauksilla. Turbiinit Turbiinien hyötysuhde määritettiin koko laitoksen hyötysuhteen perusteella kaavalla 6. KAAVA 6 ηkok = vesivoimalaitoksen kokonaishyötysuhde ηt = turbiinien hyötysuhde ηg = generaattorien hyötysuhde ηvt = vesiteiden hyötysuhde Koska Raasakan vesivoimalaitoksen pudotuskorkeus on pieni, ovat vesitiet lyhyitä ja näin ollen myös painehäviöt vesiteissä pieniä. Sen seurauksena vesiteiden hyötysuhde on korkea. Valitettavasti vesiteiden hyötysuhteista ei ollut saatavilla mittaustietoa, joten vesiteiden hyötysuhde sisällytettiin turbiinien 10 % 89,0 % 20 % 94,0 % 30 % 95,0 % 40 % 96,5 % 50 % 97,0 % 60 % 97,5 % 70 % 97,6 % 80 % 97,7 % 90 % 97,8 % generaattorin hyötysuhde
  28. 28. 28 hyötysuhteeseen. Laskuissa vesiteiden hyötysuhteena käytettiin 100 % eli ηvt = 1. Generaattorien hyötysuhteet saatiin taulukosta, joten turbiinien hyötysuhteen kaava 6 sievennettiin seuraavaan muotoon: KAAVA 7 Turbiinien hyötysuhteet laskettiin jokaiselle turbiinille erikseen ja sen jälkeen laskettiin kaikkien turbiinien hyötysuhteen keskiarvo. Turbiinien hyötysuhde määritettiin 9 pisteessä, välillä 10 – 90 % maksimikonejuoksutuksesta. TAULUKKO 15. Turbiinien hyötysuhteet. Tietojen perusteella turbiinien hyötysuhteista piirrettiin taulukko, josta nähdään turbiinien hyötysuhteen muutos suhteessa virtaamaan. 10 % 22,6 % 23,3 % 30,1 % 25,3 % 20 % 67,8 % 61,0 % 67,9 % 65,5 % 30 % 84,9 % 82,3 % 88,7 % 85,3 % 40 % 90,7 % 88,6 % 91,6 % 90,3 % 50 % 92,6 % 90,7 % 92,1 % 91,8 % 60 % 92,9 % 90,6 % 91,0 % 91,5 % 70 % 92,7 % 90,0 % 89,4 % 90,7 % 80 % 92,0 % 88,9 % 88,3 % 89,8 % 90 % 91,1 % 87,8 % 86,1 % 88,3 % Turbiinin hyötysuhde turbiini 1 turbiini 2 turbiini 3 Yhteensä
  29. 29. 29 TAULUKKO 16. Turbiinin hyötysuhde virtaaman funktiona. Taulukosta nähdään että 30 % virtaamalla turbiinien hyötysuhde on keskimäärin yli 85 %. Taulukosta nähdään myös että ensimmäisen turbiinin hyötysuhde on hieman muita turbiineja parempi, syynä ovat turbiinille vuonna 2000 tehdyt korjaukset.
  30. 30. 30 TAULUKKO 17. Turbiinien hyötysuhteet. (10, s. 63.) Raasakan vesivoimalaitoksen turbiinien piiretyt hyötysuhdekäyrät vastaavat muodoiltaan hyvin pitkälti taulukossa 17 näkyviä turbiinien hyötysuhdekäyriä.
  31. 31. 31 7 YHTEENVETO Työn tavoitteena oli avata Pohjolan Voimilta saatua dataa, siten että siitä pystyttiin laskennallisesti esittämään Raasakan vesivoimalaitoksen toimintaa. Työssä keskityttiin eritoten turbiiniin ja sen valintaan vaikuttaviin seikkoihin, sen ollessa yksi tärkeimmistä komponenteista vesivoimalaitoksessa. Laskennallisesta näkökulmasta työ onnistui hyvin. Hyötysuhteet, niin generaattorien, turbiinien kuin koko vesivoimalaitoksen osalta osoittautuivat laskujen jälkeen odotetunlaisiksi. Laskelmilla onnistuttiin myös osoittamaan, kuinka saadaan määritettyä oikeanlainen turbiini vesivoimalaitokseen. Tehdyistä taulukoista käy myös hyvin ilmi, kuinka vuodenajat vaikuttavat esimerkiksi virtaamiin voimalaitoksella.
  32. 32. 32 LÄHTEET 1. Atkins, William Arthur 2015. Hydroelectric power. Saatavissa: http://www.waterencyclopedia.com/Ge-Hy/Hydroelectric-Power.html. Hakupäivä 29.11.2015 2. Energia.fi 2015. Vesivoima. Saatavissa:http://energia.fi/energia-ja- ymparisto/energialahteet/vesivoima. Hakupäivä 29.11.2015 3. Perttula, Jarmo 2000. Energiatekniikka. Helsinki: WSOY. 4. Department of Energy 2015. Types of Hydropower Turbines. Saatavissa: http://energy.gov/eere/water/types-hydropower-turbines. Hakupäivä 29.11.2015 5. Huhtinen, Markku – Korhonen, Risto – Pimiä, Tuomo – Urpalainen, Samu 2013. Voimalaitostekniikka. Helsinki: Opetushallitus 6. HydroNI 2015. Saatavissa: http://www.hydroni.co.uk/Step%202.html. Hakupäivä 1.12.2015 7. Wikipedia Commons 2013.Saatavissa: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kaplan_Turbine.JPG. Hakupäivä 1.12.2015 8. Wikipedia Commons 2010. Saatavissa: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Imatrankoski_Francis- turbine_runner.JPG. Hakupäivä 1.12.2015 9. Voith-Siemens 2015. Saatavissa: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Walchenseewerk_Pelton_120.jp g. Hakupäivä 1.12.2015 10.Dietzel, Fritz 1980. Turbinen, Pumpen und Verdichter. Würzburg: Vogel- Verlag 11.PACER 1995. Wasserturbinen. Bern: Drucksachen- und Materialzentrale
  33. 33. 33 12.Pohjois-Pohjanmaan ELY-keskus 2014. Vesivoiman rakentamisesta pysyvä ympäristönmuutos. Saatavissa: http://www.ymparisto.fi/fi- FI/PohjoisPohjanmaan_ymparistohistoria/Vesivoiman_rakentamisesta_p ysyva_ymparis(15311). Hakupäivä 29.11.2015 13.Oy Vesirakentaja 2008. Voimaa vedestä 2007. Saatavissa: https://www.tem.fi/files/18565/Voimaa_vedesta_2007.pdf. Hakupäivä 1.12.2015 14.Pohjolan Voima 2015. Kalojen istutukset. Saatavissa: http://www.pohjolanvoima.fi/vastuullisuus/ymparisto/kalojen-istutukset. Hakupäivä 1.12.2015 15.Voimalohi 2014. Istutukset. Saatavissa: http://www.voimalohi.fi/. Hakupäivä 1.12.2015 16.L 23.1.1987/35. Koskiensuojelulaki 17.Pohjolan Voima 2015. Saatavissa: http://www.kollaja.fi/perustietoja/kaavakuvia. Hakupäivä 1.12.2015 18.Pohjolan Voima 2015. Raasakka. Saatavissa: http://www.pohjolanvoima.fi/vesi/raasakka. Hakupäivä 1.12.2015 19.Voimalohi 2014. Raasakan kvl. Saatavissa: http://www.voimalohi.fi/. Hakupäivä 1.12.2015 20.Andritz Hydro 2010. Maalismaa 2, käyttö- ja huolto-ohje. 21.Risto Degerman 2015. Yle: Iijoen tulva huipussaan - Pudasjärvellä uusia teitä poikki. Saatavissa: http://yle.fi/uutiset/iijoen_tulva_huipussaan__pudasjarvella_uusia_teita_p oikki/7996919. Hakupäivä 30.11.2015

×