Pumppukäyttöisen vesivoimalaboratorion suunnittelu opetuskäyttöön
Ruokonen, Jani-Pekka (2018)
Oulun ammattikorkeakoulu
2018
All rights reserved
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-201803022966
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-201803022966
Tiivistelmä
Opinnäytetyön tavoitteena oli suunnitella pumppukäyttöinen vesivoimalaboratorio Oulun ammattikorkeakoululle uudistuviin opetustiloihin. Vesivoimalaboratorion tavoitteena olisi edistää energiatekniikan tutkinto-ohjelman opintojaksoilla käsiteltävien asioiden havainnollistamista käytännön mittauksin ja harjoituksin.
Työn alkuvaiheessa valittiin prosessiin soveltuva vesiturbiini, jonka ympärille laitos suunniteltiin. Vesiturbiiniksi valikoitui Saahkarin Kone Ky:n vinoakselinen potkuri-putkiturbiini. Vesivoimalaboratoriosta tehtiin 3D-mallinnos. Laitokseen mitoitettiin vesiturbiinin virtaaman perusteella ylä- ja alavesialtaat ja pumppausjärjestelmä putkistoineen. Laitoksen tilantarpeeksi tuli noin 3 x 3 x 5 metriä. Runkorakennelma suunniteltiin kasattavaksi pulttiliitoksilla. Yksittäisten osakokoonpanojen suunnittelussa käytettiin ehtoa, että osat mahtuvat 75 x 190 cm:n oviaukosta läpi.
Keskipakopumpun ja moottorin ohjaamiseen käytetään PID-säätöistä taajuusmuuttajaa, johon liitetään kaksijohdekytkennän välityksellä yläaltaan pinnankorkeutta mittaava hydrostaattinen paineanturi/lähetin. Oikein parametroidun PID-säädön avulla saadaan yläaltaan virtaustase tasapainoon. Tasapainotilassa pumppu pumppaa yläaltaaseen saman verran vettä kuin turbiinin läpi virtaa takaisin ala-altaaseen. Vesiturbiinin valmistaja räätälöi turbiinin siipikulmat ja juoksupyörän prosessiin sopivaksi, mikäli tilaus varmistuu. Ala-altaiden mitoituksessa huomioitiin erityisesti pumppauksen vaatima mini vedenpinnan taso. Vesivoimalaboratorioon voidaan tehdä kenttäväyläkytkentä, jonka kautta saadaan tietojärjestelmään kerättyä mittausdataa ja toimilaiteventtiileiden asentoa säädettyä.
Perinteisissä pumppuvoimalaitoksissa vesi pumpataan yläaltaaseen sähköntuotannon ylitarjonnan aikaan ja juoksutetaan vesiturbiinin läpi ala-altaaseen sähköenergian hinnan ollessa korkea. Pumppuvoimalaitosten kannattavuus perustuu siis sähköenergian hinnan voimakkaisiin vuorokausivaihteluihin. Vesivoimalaboratorion yhtenä tavoitteena on havainnollistaa pumppauksen tehon tarvetta suhteessa vesivoimalla tuotettuun sähkötehoon. Arvioihin perustuva pumppauksen vaatima tehon tarve suunnitellulle vesivoimalaboratoriolle on noin 3-kertainen verrattuna vesiturbiinin tuottoon. Todelliset teholukemat saadaan selville käytännön mittauksilla.
Työn alkuvaiheessa valittiin prosessiin soveltuva vesiturbiini, jonka ympärille laitos suunniteltiin. Vesiturbiiniksi valikoitui Saahkarin Kone Ky:n vinoakselinen potkuri-putkiturbiini. Vesivoimalaboratoriosta tehtiin 3D-mallinnos. Laitokseen mitoitettiin vesiturbiinin virtaaman perusteella ylä- ja alavesialtaat ja pumppausjärjestelmä putkistoineen. Laitoksen tilantarpeeksi tuli noin 3 x 3 x 5 metriä. Runkorakennelma suunniteltiin kasattavaksi pulttiliitoksilla. Yksittäisten osakokoonpanojen suunnittelussa käytettiin ehtoa, että osat mahtuvat 75 x 190 cm:n oviaukosta läpi.
Keskipakopumpun ja moottorin ohjaamiseen käytetään PID-säätöistä taajuusmuuttajaa, johon liitetään kaksijohdekytkennän välityksellä yläaltaan pinnankorkeutta mittaava hydrostaattinen paineanturi/lähetin. Oikein parametroidun PID-säädön avulla saadaan yläaltaan virtaustase tasapainoon. Tasapainotilassa pumppu pumppaa yläaltaaseen saman verran vettä kuin turbiinin läpi virtaa takaisin ala-altaaseen. Vesiturbiinin valmistaja räätälöi turbiinin siipikulmat ja juoksupyörän prosessiin sopivaksi, mikäli tilaus varmistuu. Ala-altaiden mitoituksessa huomioitiin erityisesti pumppauksen vaatima mini vedenpinnan taso. Vesivoimalaboratorioon voidaan tehdä kenttäväyläkytkentä, jonka kautta saadaan tietojärjestelmään kerättyä mittausdataa ja toimilaiteventtiileiden asentoa säädettyä.
Perinteisissä pumppuvoimalaitoksissa vesi pumpataan yläaltaaseen sähköntuotannon ylitarjonnan aikaan ja juoksutetaan vesiturbiinin läpi ala-altaaseen sähköenergian hinnan ollessa korkea. Pumppuvoimalaitosten kannattavuus perustuu siis sähköenergian hinnan voimakkaisiin vuorokausivaihteluihin. Vesivoimalaboratorion yhtenä tavoitteena on havainnollistaa pumppauksen tehon tarvetta suhteessa vesivoimalla tuotettuun sähkötehoon. Arvioihin perustuva pumppauksen vaatima tehon tarve suunnitellulle vesivoimalaboratoriolle on noin 3-kertainen verrattuna vesiturbiinin tuottoon. Todelliset teholukemat saadaan selville käytännön mittauksilla.