Stockholm Exergi har under flera år arbetat aktivt med prediktiv analys för att identifiera avvikelser och problem i deras processer. Det har identifierats att övervakningen av organisationens ångturbiner kan utvecklas för att få en bättre bild gällande den övergripande statusen för turbinerna. Detta omfattar att arbeta prediktivt genom att stärka Stockholm Exergis övervakningsförmåga. Att stärka övervakningsförmågan kan resultera i ekonomiska fördelar då både drift samt underhållsarbete kan effektiviseras. Detta examensarbete syftar till att ta fram en modell för att beräkna verkningsgraden med målet att kunna detektera förändringar i en ångturbins prestanda över tid. Till examensarbetet har ångturbin G2, placerad i Brista, valts ut för att utföra en fallstudie på samt undersöka implementeringsmöjligheter. För att etablera val av beräkningsmetod, har relevant termodynamisk litteratur undersökts samt två prestandarapporter från väletablerade företag analyserats. Den isentropiska metoden valdes för att beräkna verkningsgraden då stabiliteten denna metod erbjuder, minimerar felkällor samt genererar korrekt trend i förhållande till den verkliga effektiviteten. Data från acceptanstestet av G2, från 2014, har jämförts med data från Stockholm Exergis övervakningssystem under samma tidsperiod. Detta utfördes för att etablera differensen i data, som mäts enligt standarder för ett acceptanstest, samt med vad Stockholm Exergis egna system mäter. Totalt utfördes fyra tester, vid olika laster, där den isentropiska verkningsgraden jämfördes och den kunde bestämmas med en differens på 0,3-2% mot acceptanstestet. En modell skapades, baserat på etablerad beräkningsmetodik, samt kopplad till Stockholm Exergis övervakningssystem. Modellen gör det möjligt för användaren att beräkna den isentropiska verkningsgraden för turbin G2 givet ett specificerat tidsintervall. För att utvärdera hur prestandan förändrats sen turbinen först togs i bruk, utfördes tre tester; 2017, 2018 och 2019. Testet för år 2017 uppfyllde samtliga normer för att vara jämförbart mot acceptanstestet år 2014. Därav kan en minskning i den isentropiska verkningsgraden på 2% påvisas under denna period.

Projektet är utfört på uppdrag av Kraftringen AB för deras nybyggda värmekraftverk i Örtofta med anledning av att den befintliga dokumentationen över de olika systemen saknar en tydlig steg-för-steg process med avseende på drift, start och stopp av anläggningen. Fokuset för denna uppsats är avgränsad till uppstart genom HMI för ångturbin. Genom observationer på plats i värmekraftverket samt tagit del av driftpersonalens egna instruktioner, har en checklista och flödesschema tagits fram av uppsatstagarna. Resultatet har fått en högre tillförlitlighet tack vare att uppsatstagarna även har haft tillgång till dokumentation från leverantörer i form av papper och digitala kopior i Kraftringens interna nätverk. Detta projekt har lett fram till en tydlig och enhetlig steg-för-steg process som kommer att underlätta driftpersonalens arbete på Örtoftaverket och skapa en ytterligare effektivitet vid uppstart av ångturbin.

This master thesis has examined how two of the heat pumps at Norrenergi, Solnaverket, can be converted to steam driven heat pumps. The heat pumps are driven by electrical motors today and this thesis has investigated the technical and economical aspects of replacing them with steam turbines and also installing a pellet boiler. The purpose with this project is to lower the costs for the heat pumps which varies with the electricity price, where the electricity taxes represent about 40-60 % of the total electricity cost. In addition, Norrenergi is one of the largest electricity consumers in Stockholm. This, combined with the prevailing capacity shortage in Stockholm makes it important to examine another alternative than electricity for the heat pumps. Capacity shortage means that electricity can't be transmitted into the city during periods with high electricity demand. The results of this master thesis show that the costs reduces on a system level when two steam driven heat pumps are installed compared to the electrity driven heat pumps. All district heating plants in Stockholm, including Söderenergi's, Norrenergi's and Stockholm Exergi's plants, have been involved while examining the costs in this study. Despite the cost reduction the investment calculation shows that the investment is not profitable for a low or average electrity price. For a high electricity price the investment seems to be profitable, but this is not considered enough for the investment to be recommend since future electricty prices are hard to predict. On the other hand there might be other aspects than economical to invest in this type of district heating plant, for example from a sustainability perspective. / Norrenergi är ett fjärrvärme- och fjärrkylabolag i Stockholm som bland annat producerar värme via energiåtervinning i en VP-anläggning i Solnaverket. Värmepumparna har en total värmeeffekt på 100 MW och drivs av elektricitet samt spillvatten från Bromma reningsverk. Kostnaden för att producera fjärrvärme via värmepumpar varierar med elpriset där en betydande faktor är elskatten. Elskatten utgör ungefär 40–60 % av den totala elkostnaden för VP-anläggningen i Solnaverket. Utöver de höga kostnaderna för att driva VP-anläggningen råder en så kallad kapacitetsbrist i Stockholm vilket bland annat grundar sig i att staden växt i en snabbare takt än utbyggnaden av stamnätet. På grund av ovan nämnda orsaker är det intressant att undersöka alternativa lösningar för hur den eldrivna VP-anläggningen kan producera fjärrvärme, dels för att minska kostnader för elektricitet men också för att bidra till en samhällsnytta genom att minska effektuttaget på elnätet. Detta examensarbete ämnar därför undersöka hur två av värmepumparna i Solnaverket kan omvandlas från eldrift till mekanisk ångdrift via ångturbiner, där ångturbinerna i sin tur drivs av ånga från en pelletspanna. Därtill undersöks systemdriftsnyttan, där även Stockholm Exergis och Söderenergis anläggningar beaktas, samt lönsamheten för att konvertera två av värmepumparna till ångdrift. Resultatet visar att systemdriftsnyttan är positiv oavsett elprisprofil vilket beror på att kostnaderna på systemnivå minskar när ångdriven VP-anläggning implementeras i Solnaverket. Trots den positiva systemdriftsnyttan visar dock investeringskalkylen att denna investering endast är lönsam vid ett högt elpris. Det beror bland annat på att den positiva systemdriftsnyttan inte är tillräckligt hög (vid låg och medelelpris) för att uppnå ett tillräckligt högt nuvärde med given kalkylränta och ekonomisk livslängd, i jämförelse med grundinvesteringskostnaderna. Den låga lönsamheten beror dessutom på att Stockholm Exergi ska bygga ett nytt avfallskraftvärmeverk i Lövsta som har billigare produktionskostnader än den ångdrivna VP-anläggningen. Det är svårt att förutspå elprisets utveckling framöver och variationerna i elpris under året förväntas öka, därför är det rekommenderat att denna investeringen inte genomförs eftersom den beror så pass mycket av elpriset. Det kan dock finnas andra aspekter än ekonomiska i att investera i en ångdriven VP-anläggning. Till exempel ur ett hållbarhetsperspektiv då belastningen på elnätet minskar när de eldrivna VP:arna konverteras till ångdrift.

The provision of a sustainable energy supply is one of the most important issues facing humanity at the current time, given the strong dependence of social and economic prosperity on the availability of affordable energy and the growing environmental concerns about its production. Solar thermal power has established itself as a viable source of renewable power, capable of generating electricity at some of the most economically attractive rates. Solar thermal power plants are based largely on conventional Rankine-cycle power generation equipment, reducing the technological risk involved in the initial investment. Nevertheless, due to the variable nature of the solar supply, this equipment is subjected to a greater range of operating conditions than would be the case in conventional systems. The necessity of maintaining the operational life of the steam-turbines places limits on the speed at which they can be started once the solar supply becomes available. However, in order to harvest as much as possible of the Sun’s energy, the turbines should be started as quickly as is possible. The limiting factor in start-up speed being the temperature of the metal within the turbines before start-up, methods have been studied to keep the turbines as warm as possible during idle-periods. A detailed model of the steam-turbines in a solar thermal power plant has been elaborated and validated against experimental data from an existing power plant. A dynamic system model of the remainder of the plant has also been developed in order to provide input to the steam-turbine model. Three modifications that could potentially maintain the internal temperature of the steam-turbines have been analysed: installation of additional insulation, increasing the temperature of the gland steam and use of external heating blankets. A combination of heat blankets and gland steam temperature increase was shown to be the most effective, with increases in electricity production of up to 3% predicted on an annual basis through increased availability of the solar power plant. / Hållbar energiförsörjning är för närvarande en av de viktigaste frågorna för mänskligheten. Socialt och ekonomiskt välstånd är starkt kopplat till rimliga energipriser och hållbar energiproduktion. Koncentrerad solenergi är nu etablerad som en tillförlitlig källa av förnybar energi och är också ett ekonomiskt attraktivt alternativ. Koncentrerade solenergikraftverk bygger till stor del på konventionella Rankine-cykel elgeneratorer, vilka minskar de tekniskt relaterade riskerna i den initiala investeringen. På grund av solstrålningens skiftande karaktär utsätts denna utrustning för mer varierade driftsförhållanden, jämfört med konventionella system. Behovet av att bibehålla den operativa livslängden på ångturbiner sätter gränser för uppstartshastigheten. För att utnyttja så mycket som möjligt av solens energi bör ångturbinen startas så snabbt som möjligt när solstrålningen blir tillgänglig. Eftersom temperaturen i metalldelar hos turbinerna är den begränsande faktorn, har metoder studerats för att hålla turbinerna så varma som möjligt under tomgångsperioder. En detaljerad modell av ångturbiner i ett solenergikraftverk har utvecklats och validerats mot experimentella data från ett befintligt kraftverk. En dynamisk systemmodell av de övriga delarna av anläggningen har också utvecklats för att ge input till ångturbinsmodellen. Tre modifieringar som potentiellt kan bidra till att upprätthålla den inre temperaturen i ångturbiner har analyserats: montering av ytterligare isolering, ökning av temperaturen hos glänsångan och användning av elvärmefiltar. En kombination av elvärmefiltar och en temperaturökning av glänsångan visade sig vara det mest effektiva alternativet. Åtgärderna resulterade i en ökad elproduktion på upp till 3%, beräknat på årsbasis genom ökad tillgänglighet hos kraftverket. / QC 20110629 / TURBOKRAFT

Coal-fired power plants’ typically large capacity and relatively low electricity generation costs in the Chinese power market can be compared with their typically low specific thermal efficiency and older age on average. At the same time, the environment pollution caused by local coal-fired power plants has started to receive due attention. Sustainable renewable energy sources and the application of effective conversion technologies for those has become a top priority of China's current energy strategy. Biomass in general and anaerobic biogas in particular can be regarded as clean, locally available renewable energy resources. Replacing coal with biomass-derived energy is especially relevant for certain locations in China. For the case of Henan province, work has already been undertaken by the local authorities for the proper estimation of the biomass potential and the selection of most applicable energy conversion technologies with the lowest environmental footprint to replace aging coal-fired plants with various biomass-based power generation facilities. / Kolkraftverkens typiska stora kapacitet och relativt låga elproduktionskostnader på den kinesiska elmarknaden kan jämföras med deras typiskt låga specifika verkningsgrader och äldre ålder i genomsnitt. Samtidigt har miljöföroreningarna som orsakas av lokala kolkraftverk börjat uppmärksammas på riktigt i Kina. Hållbara förnybara energikällor och tillämpningen av effektiv konverteringsteknik för dessa har blivit en topprioritet för Kinas nuvarande energistrategi. Biomassa i allmänhet och anaerobisk biogas (rötgas) i synnerhet kan betraktas som rena och lokalt tillgängliga förnybara energiresurser. Byte av kol mot biobränslen blir särskilt relevant för vissa platser i Kina. När det gäller Henanprovinsen har en del arbete redan gjorts av de lokala myndigheterna för en korrekt uppskattning av biomasspotentialen och en analys av de mest tillämpliga teknologier för omvandling av bioenergi med lägsta miljöpåverkan som ersätter åldrande koleldade anläggningar med olika biobränslen.

Utsläppen av växthusgaser måste minska snabbt under de kommande åren. Sveriges mål är att uppnå nettonollutsläpp till år 2045. Industrisektorn spelar en avgörande roll i omställningsarbetet genom att minska sitt energibehov och fasa ut sin användning av fossila bränslen, teknikutvecklingen måste gå mot mer klimatsmarta och hållbara produkter och produktionsmetoder. Omställningen kommer att kräva ett mer robust och tillförlitligt energisystem där dagens centraliserade system kompletteras med mindre decentraliserade produktionsanläggningar så att effekt- och energibehov kan tillgodoses i alla lägen. Att producera el och värme närmare användaren bidrar till minskade överföringsförluster. Småskalig kraftvärmeproduktion (CHP) baserad på biobränslen eller restvärmeresurser kan vara en del av lösningen för att minska utsläppen av växthusgaser. Syftet med det här examensarbetet är att undersöka möjligheten för ett medelstort svenskt industriföretag att producera sitt eget basbehov av värme och el med hjälp av den konventionella Rankinecykeln. Samt att undersöka hur produktionskostnaderna av el och värme förändras beroende på anläggningens storlek. Arbetet har bestått av datainsamling från olika tillverkare av turbiner och pannor, en beräkningsmodell skapades i Excel där anläggningar av olika storlek har jämförts vid olika driftscenarion. Ekonomiska kalkyler har gjorts med hjälp av Pay-off metoden och Nuvärdesmetoden. Resultatet visar att produktionskostnaderna för anläggningar med turbiner i storleksordningen 10 – 100 kWel ligger på en relativt jämn nivå och betydligt lägre än priserna på köpt el och fjärrvärme. Den ekonomiska bedömningen visar generellt på positiva resultat med korta pay-offtider och positiva nuvärden. En jämförelse av anläggningarna visar att elverkningsgraden är låg och att totalverkningsgraden i vissa fall blir lägre än för företagets befintliga värmeleverantör. Detta visar att trots att det ur ett ekonomiskt perspektiv kan vara en lönsam investering kan det ur ett systemperspektiv vara ett sämre alternativ då en lägre verkningsgrad leder till en ökad primärenergianvändning. Det är många parametrar som påverkar en CHP-anläggnings prestanda och ekonomiska lönsamhet, men en av de viktigaste är drifttiden. Att ha en kontinuerlig drift under större delen av året har stor påverkan på anläggningens ekonomiska prestanda. Anläggningens låga elverkningsgrad gör också att största besparingen hamnar på värmeproduktionen vilket gör att anläggningen bör dimensioneras så att den ersätter så stor del som möjligt av företagets värmebehov. / The emissions of greenhouse gases need to decrease rapidly over the coming decades. Sweden has set the target to achieve net zero emissions by 2045. The industrial sector plays a crucial role in that conversion by reducing its energy needs and to convert from fossil fuels to renewables. This conversion will require a more robust and reliable energy system were todays centralized system has been supplemented by small decentralized production facilities. To produce heat and power closer to the consumers means less transmission losses. Small scale combined heat and power (CHP) production based on biofuels or excess heat could be a solution to reduce greenhouse gas emissions. The purpose of this paper is to evaluate the possibility for a mid-size Swedish industrial company to produce its own base load of heat and power with a conventional Rankine cycle. Also to evaluate the production costs depending on the size of the plant. The work has consisted of data collection from different manufacturers of steam turbines and steam boilers, a calculation model has been made in Excel to compare different plant sizes and in different operating scenarios. Economical evaluations has been made with the Pay-off method and the net present value method (NPV). The result shows that production costs for facilities with steam turbines in the size range of 10 – 100 kWel is well below the price of bought electricity and district heating. The economical evaluation generally shows on short pay-off times and positive NPV. A comparison of the CHP plants shows that the electric efficiency is low and the total efficiency sometimes can be lower than for the existing heat supplier of the company. This means that a switch to local CHP will have a negative impact from a system perspective, because of the increased use of primary energy resources. There is many parameters that affects the performance of a CHP plant but the most crucial is the operation time. To have a continuous operation over a major part of the year has a great impact on the economic performance. The low electric efficiency means that the major part of the savings gets on the heat production. This means that the CHP plant should be dimensioned to replace primarily the heat requirement.

<p>The development in the steam turbine business is heading for applications with much higher steam parameters since this enables a raised efficiency. Steam parameters refer to the pressure and the temperature of the steam. The aim of this study was to generate concepts for steam turbine inlet control valves designed for higher pressure and temperature in comparison with the present design. Future steam power plants using solar energy, based on tower technology, request this kind of performance and are an important potential market.</p><p>This master thesis at Linköping University has been written in collaboration with Siemens Industrial Turbomachinery AB. The performed work has incorporated literature studies, functional analysis and solid mechanics analysis, flow analysis, evaluation of sealings and cup springs and development of the dimensioning data for the future control valve. The aim was to find a design concept that sustains the new and higher steam parameters and is tolerant concerning vibrations.</p><p>A systematical way to work has been applied during the project and a detailed planning was continuously followed and adjusted. Major methods used were product design specification, quality function deployment, morphological matrices, decision matrices and failure mode and effect analysis. Important programs used during the project were Pro/ENGINEER, MATLAB, FloEFD and MS Excel.</p><p>Today’s valves are dimensioned for much lower performance than the new requirements in terms of pressure and temperature. The main problem for the present design is that the opening and closing forces requirements, with the new higher pressure, get unreasonably large. Therefore were many of the developed concepts equipped with a pressure balancing feature. This feature also gives another desirable result; the vibrations (that is the source of many of the problems with the present design) will also be reduced.</p><p>During the early concept development phase, 15 different concepts were generated and after the concept evaluation only three concepts remained. These concepts were further developed in different areas of interest and finally one of the three was chosen to be the winning concept. The new valve design will most likely meet the requirements and has the potential to be refined for even higher pressure for future demands.</p> / <p>Utvecklingen inom ångturbiner går mot applikationer med mycket högre ångdata eftersom detta möjliggör en ökad effektivitet. Ångdata refererar till ångans tryck och temperatur. Uppgiften var att generera koncept för inloppsreglerventiler (till ångturbiner) dimensionerade för högre tryck och temperatur jämfört med dagens design. Framtida ångkraftverk som drivs av solenergi, så kallade soltorn, efterfrågar denna prestanda och är en viktig framtida marknad.</p><p>Detta examensarbete vid Linköpings Universitet har skrivits i samverkan med Siemens Industrial Turbomachinery AB. Det genomförda arbetet har innefattat litteraturstudier, funktionsanalys och hållfasthetsanalys, flödesanalys, utvärdering av tätningar och tallriksfjädrar samt framtagning av dimensioneringsunderlag för den framtida reglerventilen. Målet var att finna ett koncept som klarar av dessa nya och högre ångdata och är tåligt beträffande vibrationer.</p><p>Ett systematiskt arbetssätt har anammats under projektet och en detaljerad planering upprättades och uppdaterades kontinuerligt. Viktiga metoder som använts är PDS (Product Design Specification), QFD (Quality Function Deployment), morfologisk matris, relativ beslutsmatris och feleffektanalys. Viktiga program som använts i projektet är Pro/ENGINEER, MATLAB, FloEFD och MS Excel.</p><p>Dagens ventiler är dimensionerade för mycket lägre prestanda än de nya kraven kräver i termer av tryck och temperatur. Det huvudsakliga problemet med den nuvarande designen var att kraven på de öppnande och stängande krafterna, med dessa nya ångdata, blir orimligt höga. Därför har många av de framtagna koncepten utrustats med tryckbalanserande funktion. Denna funktion ger också ett annat önskvärt resultat; vibrationerna (som är källan till många problem med dagens design) kommer även de att reduceras.</p><p>Under den tidiga konceptutvecklingsfasen genererades 15 olika koncept och efter konceptutvärderingen återstod bara tre. Dessa koncept vidareutvecklades inom olika intressanta områden och slutligen valdes ett av koncepten som det vinnande. Den nya ventildesignen kommer med stor sannolikhet att uppfylla kraven och har potential att förfinas för ännu högre tryck för framtida krav.</p>

The development in the steam turbine business is heading for applications with much higher steam parameters since this enables a raised efficiency. Steam parameters refer to the pressure and the temperature of the steam. The aim of this study was to generate concepts for steam turbine inlet control valves designed for higher pressure and temperature in comparison with the present design. Future steam power plants using solar energy, based on tower technology, request this kind of performance and are an important potential market. This master thesis at Linköping University has been written in collaboration with Siemens Industrial Turbomachinery AB. The performed work has incorporated literature studies, functional analysis and solid mechanics analysis, flow analysis, evaluation of sealings and cup springs and development of the dimensioning data for the future control valve. The aim was to find a design concept that sustains the new and higher steam parameters and is tolerant concerning vibrations. A systematical way to work has been applied during the project and a detailed planning was continuously followed and adjusted. Major methods used were product design specification, quality function deployment, morphological matrices, decision matrices and failure mode and effect analysis. Important programs used during the project were Pro/ENGINEER, MATLAB, FloEFD and MS Excel. Today’s valves are dimensioned for much lower performance than the new requirements in terms of pressure and temperature. The main problem for the present design is that the opening and closing forces requirements, with the new higher pressure, get unreasonably large. Therefore were many of the developed concepts equipped with a pressure balancing feature. This feature also gives another desirable result; the vibrations (that is the source of many of the problems with the present design) will also be reduced. During the early concept development phase, 15 different concepts were generated and after the concept evaluation only three concepts remained. These concepts were further developed in different areas of interest and finally one of the three was chosen to be the winning concept. The new valve design will most likely meet the requirements and has the potential to be refined for even higher pressure for future demands. / Utvecklingen inom ångturbiner går mot applikationer med mycket högre ångdata eftersom detta möjliggör en ökad effektivitet. Ångdata refererar till ångans tryck och temperatur. Uppgiften var att generera koncept för inloppsreglerventiler (till ångturbiner) dimensionerade för högre tryck och temperatur jämfört med dagens design. Framtida ångkraftverk som drivs av solenergi, så kallade soltorn, efterfrågar denna prestanda och är en viktig framtida marknad. Detta examensarbete vid Linköpings Universitet har skrivits i samverkan med Siemens Industrial Turbomachinery AB. Det genomförda arbetet har innefattat litteraturstudier, funktionsanalys och hållfasthetsanalys, flödesanalys, utvärdering av tätningar och tallriksfjädrar samt framtagning av dimensioneringsunderlag för den framtida reglerventilen. Målet var att finna ett koncept som klarar av dessa nya och högre ångdata och är tåligt beträffande vibrationer. Ett systematiskt arbetssätt har anammats under projektet och en detaljerad planering upprättades och uppdaterades kontinuerligt. Viktiga metoder som använts är PDS (Product Design Specification), QFD (Quality Function Deployment), morfologisk matris, relativ beslutsmatris och feleffektanalys. Viktiga program som använts i projektet är Pro/ENGINEER, MATLAB, FloEFD och MS Excel. Dagens ventiler är dimensionerade för mycket lägre prestanda än de nya kraven kräver i termer av tryck och temperatur. Det huvudsakliga problemet med den nuvarande designen var att kraven på de öppnande och stängande krafterna, med dessa nya ångdata, blir orimligt höga. Därför har många av de framtagna koncepten utrustats med tryckbalanserande funktion. Denna funktion ger också ett annat önskvärt resultat; vibrationerna (som är källan till många problem med dagens design) kommer även de att reduceras. Under den tidiga konceptutvecklingsfasen genererades 15 olika koncept och efter konceptutvärderingen återstod bara tre. Dessa koncept vidareutvecklades inom olika intressanta områden och slutligen valdes ett av koncepten som det vinnande. Den nya ventildesignen kommer med stor sannolikhet att uppfylla kraven och har potential att förfinas för ännu högre tryck för framtida krav.