Klimatförändringar börjar allt mer få en viktig roll i allas vardag och för energibranschen har arbetet med att minska miljöpåverkan bara börjat. Branschen har sedan en tid tillbaka premierat fjärrvärme som bra miljöval för uppvärmningskälla för bostäder och lokaler. Faktum kvarstår dock att beroende på hur fjärrvärmesystemet ser ut så påverkar näten miljön olika. I denna rapport behandlas det lokala energibolaget Halmstads Energi och Miljös fjärrvärmesystem genom en optimering av systemkostnaden. Utifrån optimeringen studeras sedan skuggpriser, drift och miljöpåverkan för systemet. Studien behandlar även de stora fördelarna med att energibolaget samarbetar med en eventuellt kommande energikrävande industrier, i detta fall en etanolfabrik. I och med samarbetet bildas ett energikombinat där fjärrvärme, el och etanol tillverkas. För analysen används ett energisystemperspektiv som får större geografiska gränser än bara Halmstad. Undersökningen av systemet görs med hjälp av datorprogrammet MODEST som är ett energioptimeringsprogram som utvecklats på Linköpings Tekniska högskola. Modellen av Halmstads fjärrvärmenät baseras och valideras mot driftsäsongen 2005 och har visat sig stämma med verkligheten bra. Resultatet visar att Halmstad Energi och Miljö planerade effekthöjningar används fullt ut men att det nätet kommer få stora effekttoppar inom en snar framtid. Energikombinatet som analyseras visar sig både ha ekonomiska som miljöfördelar för både energibolaget och en etanolfabrik. Spillvärmen som kan utvinnas kan även den minska användningen av topplastanläggningarna i fjärrvärmenätet.

Syftet med denna rapport är att identifiera och kvantifiera logistiska nyckelaspekter kring etablerandet av en behandlingsanläggning för flygaska, samt ge förslag på lämplig lokalisering av denna. Med hjälp av tyngdpunktsmetoden samt omfattande studier av olika typer av rapporter fastställs nutida och framtida förusättningar för denna etablering.

Linköpings kraftvärmeverk (KV1) som drivs av Tekniska verken har under en längre tid haft en upplevd obalans, dels mellan mängden tillfört bränsle och mängden producerad ånga, dels mellan mängden producerad ånga och mängden producerad el samt nyttig värme i fjärrvärmenätet. Detta arbete syftar till att hjälpa Tekniska verken att utreda den upplevda obalansen mellan mängden tillfört bränsle och mängden producerad ånga. Utredningen gjordes genom att studera standarder samt tidigare arbeten inom området och ta fram en metod för att beräkna den direkta och indirekta pannverkningsgraden. Innan beräkningen av den direkta och indirekta pannverkningsgraden inleddes verifierades trovärdigheten hos de stationära flödesmätarna i anläggningen. Detta gjordes genom att mäta ett antal vattenflöden på KV1 med en handhållen ultraljudsflödesmätare och sedan jämföra dessa flöden mot de värden som registrerades i styrsystemet Delta V. Då verifikationen av de stationära flödesmätarna hade genomförts inleddes beräkningen av den indirekta verkningsgraden genom att samla in ask- och bränsleprover för panna 1 och 3. I samband med dessa provinsamlingar mättes även luftflödeshastigheten och temperaturen vid pannornas yta. De insamlade proverna skickades iväg för labbanalys. Den data som insamlades applicerades i beräkningarna av oförbränt bränsle i askan, oförbränd rest i gasfas, rökgasförluster samt konvektions- och strålningsförluster, vilka var variabler som var nödvändiga för att erhålla den indirekta verkningsgraden. Den indirekta verkningsgraden beräknades till 92,24 % för panna 1 och 95,85 % för panna 3. Dessa verkningsgrader låg i linje dels med vad som kunde förväntas av pannorna på KV1 (85-90 % för panna 1, samt över 90 % för panna 3), dels med tidigare arbeten som beräknat den indirekta verkningsgraden i kraftvärmeverk. Utöver pannverkningsgraden erhölls även en ångverkningsgrad genom den indirekta verkningsgraden. Denna beräknades till 90,66 % för panna 1 samt 88,79 för panna 3. För att få perspektiv från en mindre komplex metod beräknades även ångverkningsgraden genom den direkta verkningsgraden (90,22 % för panna 1 samt 97,78 % för panna 3). Dessa resultat antydde att KV1 hade högre pann- och ångverkningsgrad än vad Tekniska verkens egna beräkningar påvisade. Tre orsaker lyftes fram som potentiella skäl till de otillfredsställande pann- och ångverkningsgraderna som Tekniska verken erhöll med sina beräkningar. De orsakerna var följande: • Producerad ånga som ej går till turbin inkluderas ej i det ångflöde som ligger till grund för beräkningen av ångeffekten. • Energiinnehållet i biobränslet för panna 3 förändras mellan den tidpunkt då bränslet anländer till lagringsplatsen och den tidpunkt då bränslet matas in i pannan, på grund av förmultning (berör endast panna 3). • Problem med invägningen av bränslet. Antingen problem med fordonsvågen vid KV1 (berör både panna 1 och 3) eller att bränslevikten från invägningen på Gärstadområdet används vid beräkningen av den tillförda bränsleenergin till pannan (berör mest panna 3). / The CHP-plant in Linköping (KV1) run by Tekniska verken has experienced an imbalance partly between the amount of fuel added to the boiler and the amount of produced steam, partly between the amount of produced steam and the amount of useful steam in the district heating grid. This thesis aimed to help Tekniska verken investigate the imbalance between the amount of added fuel and the amount of produced steam. The investigation was done by developing a method for calculating the direct and indirect efficiency through studying standards and old theses within the field. Initially there were no clear theory behind what caused the imbalance from Tekniska verken’s side. Before the calculation of the direct and indirect efficiency was initiated, the credibility of the stationary flowmeters was verified. This was done by measuring several waterflows at KV1 with a handheld ultrasonic flowmeter and comparing the measured flows with the flows registered in the stationary flow meters. When the verification of the stationary flow meters was done, the calculations of the indirect efficiency was initiated by collecting ash- and fuel samples for boiler 1 and 3. In connection with the collection of those samples, the air flow rate and temperature at the boiler surface was also measured. The ash- and fuel samples was sent for lab analysis. The collected data was applied in the calculation of unburnt fuel in the ashes, unburnt residual in gas phase, flue gas losses and convection- and radiation losses, which were variables that were necessary for calculating the indirect efficiency. The indirect efficiency was calculated at 92,24 % for boiler 1 and 95,85 % for boiler 3. Those efficiencies were both in line with the boilers expected efficiencies (85-90 % for boiler 1 and over 90 % for boiler 3.) and the efficiencies received in previous theses that had calculated the indirect efficiency in CHP-plants. Except the boiler efficiency, the steam efficiency was also received through the indirect efficiency. The steam efficiency received through indirect efficiency was 90,66 for boiler 1 and 88,79 % for boiler 3. To get perspective from a less complex method, the steam efficiency was also calculated with the direct method (90,22 % for boiler 1 and 97,78 % for boiler 3). Those results indicated that KV1 had higher boiler- and steam efficiencies than what Tekniska verken’s own calculation showed. Three reasons were raised as potential causes to the unsatisfying boiler- and steam efficiencies that Tekniska verken received with their own calculations. Those reasons were the following: • Produced steam that is not going to the turbine is excluded from the steam flow that the calculated steam effect is based on. • The energy content of the biofuel in boiler 3 is changing between point when the fuel is delivered to the storage and the point when it’s fed in to the boiler, due to decay. • Problem with the weigh-in of the fuel. The problem could be related both to the vechicle scale (affecting both boiler 1 and 3) or that the fuel weight from the weigh in at the Gärstad area is used in the calculation of the added fuel energy to the boiler (affecting mostly boiler 3).

En av de stora utmaningarna hos alla kraftvärmeverk är att ha bra emissioner med så liten påverkan på miljön som möjligt. För att uppnå detta krävs det att det finns en effektiv rökgasrening där många skadliga ämnen, exempelvis SO2, (svaveldioxid), HCl  (väteklorid) och NOx (kväveoxid) tas om hand, för att på så vis minska utsläppen och klara emissionskraven. För att uppnå detta löper rökgaserna bland annat genom ett rökgasfilter, en skrubber samt en quench (störtkylare) där de skadliga ämnena bryts ner, minskas eller blandas med andra ämnen som konsumerar dem. Olika biokraftvärmeverk förbränner olika sorters biobränslen. Säljaren som levererar biobränslet skall redovisa och försäkra att de levererade materialets kemiska innehåll befinner sig inom de gränsvärden som anges, vilka kemiska ämnen som är befintligt i bränslet och dess storlek. Två av dessa kemiska ämnen, HCl och SO2, skall i detta arbete, via uträkning av bränslets innehåll av dessa två ämnen, jämföras med det utlovade innehållet i bränslet som leverantören hänvisar till. Som formulerat tidigare så är det en hel del komponenter som rökgaserna passerar, och det är här problemen uppstår. Komponenter som det blir komplikationer med på grund av igensättning, temperaturvariationer samt andra problem som t.ex. att kalktillförseln för att binda svavlet. Intresset inom detta ämne började genom egen arbetserfarenhet och sommarjobb som drifttekniker på ett kraftvärmeverk. Detta fick upp ögonen för hur viktigt det egentligen är att rena rökgaserna och vilken enorm förbättringspotential som finns i rökgasreningsanläggningar. I detta arbete utgår man ifrån att det inte är några föroreningar, såsom klor och svavel, som går ut via bottenaskan.

Sverige är ett land med stora vattentillgångar. Här faller i genomsnitt mer nederbörd än vad som avdunstar under ett år. Men i ett varmare klimat påverkas vattentillgången. Till följd av den ökande medeltemperaturen kan sommarhalvåret i Sverige leda till att mer vatten avdunstar och bidra till en minskad tillgång på vatten. Industrin står för två tredjedelar av vattenanvändningen och dricksvattenproduktionen för cirka en femtedel. Vi behöver anpassa oss till ett förändrat klimat där vattenbrist i vissa delar av landet kan uppstå. Karlskoga Kraftvärmeverk producerar fjärrvärme och el till Karlskoga kommun. Utöver fjärrvärme och el produceras även processånga till den närliggande vapenindustrin Bofors. För att kunna producera fjärrvärme, el och processånga krävs ånga som fås genom att koka vattnet i ångpannorna. Vattnet som används kallas för matarvatten och kraftvärmeverket i Karlskoga använder i genomsnitt 570 m3 kommunalt stadsvatten per dag för att producera matarvatten. Syftet med studien är att minska vattenförbrukningen vid Karlskoga kraftvärmeverk. Två alternativa systemlösningar föreslås för att minska vattenförbrukningen. Målet var att undersöka skillnader i råvattenförbrukning, energianvändning samt utsläpp av CO2e till följd av energianvändning mellan det befintliga systemet och lösningarna. Det tillkom ett delmål till det huvudsakliga målet vilket var att undersöka hur nivåer i tankar och konduktivitet i vattnet förändrades till följd av lösningarna. Metoden bestod av datainsamling, modellbygge, val av modell och simulering av alternativa systemlösningar. Två modeller byggdes i simulink och vad som skiljde modellerna åt var reglering av vattenvolymstankar. För att validera reglermetod och välja modell simuleras råvattenförbrukningen för det befintliga systemet. Simuleringen jämfördes mot mätdata och den modell som efterliknade det befintliga systemet mest användes för att simulera de två alternativa systemlösningarna. Systemlösningarna innebar att återföra rejektvattnet ifrån RO1 till en av vattenvolymstankarna i reningssteg A, UF-tanken (alternativ 1) eller RO- tanken (alternativ 2), för att fortsätta renas till matarvatten. Resultatet ifrån de två alternativa lösningarna visar att vattenförbrukningen kan minskas mellan 24–27% men att energianvändningen ökar med 15,8–16%. Systemalternativen påvisar en nettobesparing för rörliga kostnader av vatten och el på 25–30 000kr. Slutsatsen är att alternativ två är det bästa lösningen. Med alternativ två kan allt rejektvatten tas tillvara på och nettokostnaderna minskar med 30 000kr. Systemlösningen är ett bra alternativ för att minska vattenförbrukningen Karlskogas kraftvärmeverk.

Detta arbete uppstod från ett samarbetsprojekt mellan Högskolan i Gävle, Radarbolaget och Gävle Energi. Arbetet har syftet att för Gävle Energis kraftvärmeverk Johannes skapa PLC-program för skattning av momentana värden på effekt och utsläpp, samt skapa ett HMI som återger de skattade värdena i diagram och har reglage för fukthaltsändring. PLC-programmet skrevs med ABB Compact Control Builder och baserades på matematiska Z-transformmodeller framtagna av handledaren Niclas Björsell. Modellerna ska omvandla insignalerna bränsleinmatning, primärfläkt, sekundärfläkt, tertiärfläkt och fukthalt till utsignalerna effekt och NOx-utsläpp. HMI:t konstruerades i programmet ABB Plant Explorer Workplace och kopplade signaler för fukthalt, effekt och NOx-utsläpp till reglage och trenddiagram. Reglaget och trenddiagrammen lades in i en s.k. Faceplate som ska kunna läggas in i operatörernas existerande processbild på kraftvärmeverket. De matematiska modellerna för signalerna från PLC:n blev lite konstiga och kommer troligtvis åtgärdas i projektets fortsatta arbete. Det fortsatta arbetet innefattar även att skapa överföringsfunktioner, PLC-program och diagram för skattning av CO-utsläpp och stoftutsläpp, att skatta av framtida värden för uteffekt och utsläpp, att skapa avancerade modellfunktioner (i.e. MPC-funktioner) för beräkning av rekommenderad fukthalt i bränslet med avseende på uteffekt, NOx-utsläpp, CO-utsläpp eller stoft-utsläpp, samt att eventuellt skapa styrsignaler till värmeverkets process.

Vid förbränning av bränslen med hög vatten- eller vätehalt följer mycket av förbränningsenergin med denfuktiga luften som lämnar skorstenen vid anläggningen. Ett vanligt exempel är förbränning av trädbränsleeller hushållsavfall i kraftvärmeverk. För att öka anläggningens verkningsgrad och samtidigt rena luftenfrån svaveldioxid och metaller kan en rökgaskondensering av skrubbertyp användas. Svalt vatten sprutasin i en fyllkroppsbädd och möter där de heta rökgaserna. När rökgaserna kyls frigörs energi genom attvattnet i rökgaserna övergår från ångfas till vätskefas, energi som t.ex. kan användas för att värmafjärrvärmenätets returledning. Det här arbetet har utförts på uppdrag av Hifab DU-teknik som det senaste året har utfört studier ochberäkningar på rökgaskondenseringen vid Kraftvärmeverket Torsvik vilket har lett till förbättradeffektivitet. Genom simuleringar och beräkningar i bl.a. Matlab har författarna till den är rapportenförsökt verifiera de siffror för optimalt kondensatflöde som DU-teknik beräknat samt tittat på hur anläggningen påverkas av förändrade flöden och temperaturer i fjärrvärmereturen. En stor del av arbetet har legat i att förstå teorin kring värmeväxlare samt energi i fuktig luft på djupet.Det teoretiska ramverket vi satt upp kan ses som en grundlig introduktion till ämnena och en fördjupningav det vanliga kursinnehållet under Högskoleingenjörsutbildningen i maskinteknik vid Linköpingsuniversitet. Målet med det förberedande metodarbetet har varit att hitta uttryck för de olika temperaturerna ianläggningen som gör det möjligt att simulera förändringar i anläggningen. Modeller har tagits fram för attmed hjälp av de ingående temperaturerna i en värmeväxlare kunna simulera och beräkna de utgåendetemperaturerna givet olika massflöden. Modellen har visat sig fungera väl för värmeväxlaren som ärkopplad mot fjärrvärmenätet. Vid beräkningarna av temperaturer ut ur fyllkroppsbädden har två metodertestats. Författaren har studerat vad som händer om kondensattemperaturen ut ur fyllkroppsbädden sättstill daggtemperaturen för rökgaserna. Försök har också gjorts att betrakta fyllkroppsbädden som en sortsvärmeväxlare. Resultatet av författarnas beräkningar av kondensatflöde avviker till viss del från DU-tekniks beräknadekondensatflöden för ändrad pannlast i anläggningen. För att helt hamna på samma resultat behövde denvarma kondensattemperaturen anta en något högre temperatur än enbart daggtemperaturen. Antagandetär rimligt att göra men i vilken storleksordning är svårt att dra några slutsatser kring. Vad gäller metoden med att betrakta fyllkroppsbädden som en värmeväxlare finns där både framgångaroch brister. Framgångarna ligger i att trenden för de olika temperaturerna tycks stämma överens med denteori som författarna har lagt fram för värmeväxlare och vad som händer när de olika flödena går upp ochner i en värmeväxlare. Bristerna ligger dock i att metoden ej tar hänsyn till den värme som frigörs vidkondenseringen utan bygger helt på att medierna i bädden ej genomgår fasomvandlingar. Två viktiga förslag på fortsatt arbete lyfts fram i slutet av rapporten. Författarna ser dels att man iframtiden studerar möjligheten att betrakta fyllkroppsbädden som två separata värmeväxlare där de torrarökgaserna möter en delström av kondensatet och fukten i rökgaserna möter en annan delström avkondensatet. Vidare framförs en önskan om att man i framtiden testkör rökgaskondenseringen vid olikakondensatflöden under en längre tid för att uppnå stationära förhållanden i temperaturerna vilka senarekan användas för att ta fram matematiska uttryck för vad som händer med de utgående temperaturerna utur fyllkroppsbädden när kondensatflödet förändras eller när den ingående temperaturen tillfyllkroppsbädden ökar eller minskar. / When burning fuels with high water or hydrogen content, much of the combustion energy follows themoist air that leaves the chimney at the plant. A common example is the combustion of wood fuel orhousehold waste in CHP-plants. In order to increase the plant's efficiency and at the same time clean theair from sulfur dioxide and metals, a flue gas condensation of scrubber-type can be used. Cool water isinjected into a filling bed and meets the hot flue gas. When the flue gases are cooled, energy is released bythe water in the flue gases when vapor turns into liquid form, energy that can be used e.g. to heat thedistrict heating network's return line. This work has been carried out on behalf of Hifab DU-teknik, which in the past year has carried outstudies and calculations of the flue gas condensation at the Torsvik CHP plant, which has led to improvedefficiency. Through simulations and calculations in Matlab, this report tries to verify the optimalcondensate flow calculated by DU technology and study how the plant is affected by changed flows andtemperatures in the district heating network’s return line. The authors of this work have put a lot of effort into understanding the theory of heat exchangers andenergy in moist air in depth. The theoretical framework we set up can be seen as a thorough introductionto the subjects and an in-depth study compared to the usual course content during the Bachelor's degreeprogram in mechanical engineering at Linköping University. The goal of the preparatory method work has been to find expressions of the different temperatures inthe plant that make it possible to simulate changes in the plant. Models have been developed to be able tosimulate and calculate the outgoing temperatures given different mass flows using the ingoingtemperatures in a heat exchanger. The model has proven to work well for the heat exchanger, which isconnected to the district heating network. In the calculations of temperatures out of the filling bed, twomethods have been tested. The authors’ has studied what happens if the condensate temperature out ofthe filling bed is set to the dew temperature of the flue gases. Attempts have also been made to considerthe filling bed as a kind of heat exchanger. The result of the authors' calculations of condensate flow differs to a certain extent from the DU-teknik’scalculated condensate flows during a changed boiler load in the plant. To end up at the same result, thehot condensate temperature needed to take a slightly higher temperature than the dew temperature. Theassumption is reasonable to make, but it is difficult to draw any conclusions about the magnitude. Regarding the method of considering the filling bed as a heat exchanger, there are both successes andshortcomings. The success lies in that the trend for the different temperatures seems to be in line with thetheory that the authors have presented for heat exchangers and what happens when the massflowsincrease or decrease in a heat exchanger. However, the shortcomings lie in the fact that the method doesnot take into account that heat is released during the condensation, but is based entirely on the fact thatthe fluid in the filling bed do not undergo phase transformations. Two important proposals for continued work are highlighted at the end of the report. It would beinteresting to study the possibility of considering the filling bed as two separate heat exchangers, where thedry flue gases encounter a partial current of the condensate and the moisture in the flue gases meetsanother partial current of the condensate. Furthermore, a desire is made to test the flue gas condensationin the future at different condensate flows for a longer period of time in order to achieve stationaryconditions in the temperatures. The data can later be used to produce mathematical expressions of whathappens to the outgoing temperatures of the filling bed when the condensate flow changes or when theingoing temperature of the filling bed increases or decreases.

<p>The aim of this thesis is to improve the control of urea injection at the combined power and heating plant Framtidens Gärstad (FTG). Tekniska Verken i Linköping AB is the owner of the plant.</p><p>The FTG plant consists of a boiler where garbage combustion is done. From the combustion nitrogen oxides are emitted. These nitrogen oxides are hazardous to the environment. To reduce the nitrogen oxides, injection of urea into the boiler is used. Urea is an organic compound of carbon, nitrogen, oxygen and hydrogen. When urea reacts with nitrogen oxides they transform into harmless nitrogen gas and water. In the plant the urea is injected by six lances.</p><p>The control of the urea injection at FTG could be improved which would save some money for the company. This is the main reason for the aim of this thesis. It is the control of the total flow of urea to the lances that is studied in this work.</p><p>Some literature about reduction of nitrogen oxides is studied, especially reduction using urea injection. There are a lot of factors that affect how good the reduction becomes. The most important factors are the amount of urea being used and the temperature of the flue gases where the reaction with urea takes place. A model with these two factors as inputs and the content of nitrogen oxides as output is derived. This is done with experiments in the boiler and system identification. The system is modelled as a linear system.</p><p>The proposal about the improved control uses the temperature from a temperature measurement just below the urea injection in the boiler. This is a parameter that the existing control does not use. The temperature is divided into three intervals. For each interval different parameters for the function of the system and the nitrogen oxide controller are used. The nitrogen oxide controller in the proposed control is derived with help from a new method of controldesign called AMIGO.</p><p>The identification models gave good results in two of the temperature intervals. The result for the third interval was not so good. This is probably due to lack of good data.</p><p>The proposed control structure could for practical reasons not be tested online but preliminary tests using measurement data gave qualitatively reasonable results.</p><p>In order to improve the results temperature dependence has to be treated more systematically.</p>

Övergången som kraftvärmeverken har gjort från användning av olja till biobränsle har medfört stora utmaningar i form av logistiska problem som lagring, hantering samt transport. Syftet med projektet är att med en fördjupad kunskapsnivå inom logistik förstå dess inverkan på lagerhantering och hur det kan appliceras på ett kraftvärmeverk. Studien har visat att valet av lagernivåer har en direkt lönsamhetspåverkan på ett kraftvärmeverks el – och värmeproduktionen. Den rekommenderade lagernivån som studien resulterade i kommer att medföra att fallföretaget undviker intäktsförluster samt bristkostnader. Författarna rekommenderar att processer i ett tidigare skede i försörjningskedjan skall förbättras och kvalitetssäkras. Ett sätt att säkra kvalitén i processerna är genom att förstärka avtalen.

The aim of this thesis is to improve the control of urea injection at the combined power and heating plant Framtidens Gärstad (FTG). Tekniska Verken i Linköping AB is the owner of the plant. The FTG plant consists of a boiler where garbage combustion is done. From the combustion nitrogen oxides are emitted. These nitrogen oxides are hazardous to the environment. To reduce the nitrogen oxides, injection of urea into the boiler is used. Urea is an organic compound of carbon, nitrogen, oxygen and hydrogen. When urea reacts with nitrogen oxides they transform into harmless nitrogen gas and water. In the plant the urea is injected by six lances. The control of the urea injection at FTG could be improved which would save some money for the company. This is the main reason for the aim of this thesis. It is the control of the total flow of urea to the lances that is studied in this work. Some literature about reduction of nitrogen oxides is studied, especially reduction using urea injection. There are a lot of factors that affect how good the reduction becomes. The most important factors are the amount of urea being used and the temperature of the flue gases where the reaction with urea takes place. A model with these two factors as inputs and the content of nitrogen oxides as output is derived. This is done with experiments in the boiler and system identification. The system is modelled as a linear system. The proposal about the improved control uses the temperature from a temperature measurement just below the urea injection in the boiler. This is a parameter that the existing control does not use. The temperature is divided into three intervals. For each interval different parameters for the function of the system and the nitrogen oxide controller are used. The nitrogen oxide controller in the proposed control is derived with help from a new method of controldesign called AMIGO. The identification models gave good results in two of the temperature intervals. The result for the third interval was not so good. This is probably due to lack of good data. The proposed control structure could for practical reasons not be tested online but preliminary tests using measurement data gave qualitatively reasonable results. In order to improve the results temperature dependence has to be treated more systematically.