Effektivisering av en vattenkraftstations energianvändning

2007:21 HIP 2007:21 HIP EXAMENSARBETE EX AMENSARBETE Effektivisering av en vattenkraftstations energianvändning Joakim Holmström Luleå tekniska universitet Högskoleingenjörsprogrammet Maskinteknik Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik Avdelningen för Energiteknik Universitetstryckeriet, Luleå 2007:21 HIP - ISSN: 1404-5494 - ISRN: LTU-HIP-EX--07/21--SE

Sammanfattning Vattenfalls ambition är att vara ledande inom miljöområdet. All användning av energi påverkar miljön och vid drift av kraftstationer konsumeras mycket energi. Energieffektivisering är ekonomiskt mycket lönsamt och ger positiva effekter på miljö-och klimat. Vattenfall Power Consultant AB satsar därför tillsammans med övriga Vattenfall på att föra fram dessa frågor och genomföra energieffektiviseringar på bl.a. vattenkraftstationer. Detta examensarbete beskriver på vilket sätt det går att beräkna tillgänglig överskotts energi och hur man kan ta vara på denna energi. Arbetet belyser även faktorer som påverkar energianvändning i vattenkraftstationer. Arbetets syfte har varit att komma med förslag på energioptimering som är ekonomiskt fördelaktig, men även att arbetet ska kunna användas som ett verktyg vid energistudier vid kraftstationer. Utredning av energioptimering har genomförts med hjälp av litteraturstudier, produktionsdata, beräkningar, studiebesök och interjuver med erfaren personal. Det finns stor potential att energioptimera i vattenkraftstationer genom att mycket energi används t.ex. till uppvärmning och samtidigt finns det mycket tillgänglig energi från bland annat bärlageroljor, transformatoroljor och från kylning av generator som går att använda på ställen där annan uppvärmning sker idag. Studien visar att med en värmeåtervinning från en transformator och med en investeringskostnad på 170000 kr ger det ett ekonomiskt resultat på 555000 kr på 20 år. Återbetalningstiden för värmeåtervinningen blir ca 5,2 år. Efter studier vid Laxede kraftstation har det visat sig att det finns stor potential att energioptimera i den specifika kraftstationen. 1

Abstract Vattenfall has ambitions of being a leader in environmentally conscious thinking. All uses of energy affect the environment and a large amount of energy is required to operate a hydroelectric power station. Energy optimization is economically profitable and it provides positive effects for the environment and climate change issues. Vattenfall Power Consultant AB (independent consultant company within Vattenfall AB) is working with Vattenfall AB to bring forward this issue of energy optimization and energy usage at hydroelectric power stations. This examination paper describes one way in which it is possible to calculate the available energy at a power plant and technically how to convert the available energy into useful energy. This work also details the various factors that affect the use of energy in a hydroelectric power station. The purpose of this work is to bring forward a proposal for energy optimizing that has economic benefits, and the hope is that this examination paper can be used as a tool for future studies in energy optimizing of power plants. Studies of energy optimizing have been carried out with studies of literature, productions data, calculations, plant visits and interviews with experienced personal. There is a large potential for energy optimization in a hydroelectric power station because a lot of energy is used. For example, heating up the building uses large amounts of energy and there is a lot of heat energy available in the oil in thrust bearing, transmissions oils and from the generator cooling system. This energy could be used to heat spaces where other heating systems are being used to day. This study shows that heat recycling from a transformer, with an investment cost of 170000 kr, gives an economic result of 555000 kr after 20 years. Payback time for recycling the heat would be about 5,2 years. After some studies in Laxede power plant it have been shown there is a large potential for energy optimization at this specific power plant. 2

Förord I utbildningen till högskoleingenjör i maskinteknik med inriktningen energiteknik vid Luleå tekniska universitet, ingår ett examensarbete motsvarande 10 högskolepoäng. Examensarbetet utfördes hos Vattenfall Power Consultant på uppdrag av Vattenfall AB Vattenkraft. Idén till att försöka energioptimera i en kraftstation fick jag när jag gjorde praktiken på Vattenfall AB Vattenkraft, då jag besökte ett reservdelsförråd vid ett annat arbete. Förrådet värmdes med direktverkande el och funderingar började om det skulle gå att föra spillvärme från generatorn till förrådet. Då flera liknande utredningar redan hade utförts ändrades infallsvinkeln en aning så att det blev möjligt att utföra ett examensarbete inom energioptimering i en kraftstation. Jag vill tacka min handledare Robert Bengtsson Vattenfall Power Consultant Även ett stort tack till personalen på Vattenfall Power Consultant för all hjälp och tips jag har fått. Slutligen vill jag tacka Roger Hermansson som var min examinator och handledare på Luleå tekniska universitet. Joakim Holmström Luleå, juni 2007 3

Variabellista Q & m& c p = värmeflöde (W) = massflöde (kg/s) = specifik värmekapacitet (J/kgK) ρ = densitet (kg/m 3 ) Δ T = temperaturdifferens (K) R = resistans ( Ω ) I λ = ström (A) = materialets värmeledningsförmåga (W/mK) A = area (m 2 ) L r t a n i = längd (m) = radie (m) = tid (s) = årlig amorterings faktor = kredit tid (år) = ränta på lånet i sparad = sparränta b = räntefaktor P b, drift = belastningsförluster vid drift (W) P b, märk = belastningsförluster vid märklast (W) P d P m = beräknad effekt utifrån produktionsdata (W) = märkeffekt (W) K inst = installationskostnad V & = volymflöde (m 3 /s) 4

Innehållsförteckning Sammanfattning... 1 Abstract... 2 Förord... 3 Variabellista... 4 Innehållsförteckning... 5 1 Inledning... 7 1.1 Bakgrund och motiv... 7 1.1.1 Vattenkraft... 7 1.1.2 Elproduktion från vattenkraft... 9 1.1.3 Vattenkraftstations energianvändning... 9 1.2 Syfte och mål... 10 1.3 Metod och avgränsningar... 10 1.4 Tidigare utförda energistudier och installationer... 11 2 Strategier för uppvärmning... 12 2.1 Tillgänglig värmeenergi... 12 2.1.1 Förluster i generatorn... 12 2.1.2 Förluster i transformatorn... 13 2.1.3 Bär/styrlager och regleroljor... 13 2.2 Möjlighet att återvinna tillgänglig värmeenergi... 14 2.2.1 Plattvärmeväxlare... 14 2.2.2 Värmepump... 15 2.3 Förnyelse... 15 2.4 Värmebehov... 16 2.5 Värmetransport... 16 2.5.1 Rörförluster... 16 3 Energistudie Laxede kraftstation... 16 3.1 Laxede kraftstation... 16 3.2 Studerade energikonsumerande system i Laxede... 17 3.2.1 Utskov och damm... 17 3.2.2 Värme och ventilation... 18 3.3 Beräkning av tillgänglig energi i Laxede kraftstation... 18 3.3.1 Tillgänglig energi vid värmeväxling... 19 3.3.2 Generatorkylning... 20 3.3.3 Bärlagerkylning... 22 3.3.4 Energiinnehåll i bärlagerolja... 22 3.3.5 Regleroljekylning... 22 3.3.6 Transformatorkylning... 23 4 Förslag på energioptimering i Laxede kraftstation... 24 4.1 Vattenburet radiatorsystem... 24 4.1.1 Systembeskrivning... 24 4.2 Luftvärmepump... 24 4.3 Ekonomisk beräkningsmetod... 25 4.3.1 Annuitetsmetoden... 25 4.4 Ekonomiskt resultat för vattenburet radiatorsystem... 26 4.5 Ekonomiskt resultat för luftvärmepump... 27 5 Teori... 28 5

5.1 Värmeledning... 28 5.1.1 Stationär värmeledning genom cylindriska rör... 28 5.2 Konvektion... 30 5.2.1 Naturlig konvektion... 30 5.2.2 Påtvingad konvektion... 30 5.3 Strålning... 30 6 Förslag på fortsatt arbete... 31 7 Slutsats... 32 9 Referenser... 34 Bilaga 1: Sammanställning av energikonsumerande system och objekt... 35 Bilaga 2: Effekt och uppvärmnigsmetoder... 37 Bilaga 3: Beräkning av belastningsförluster för generator i Laxede... 38 Bilaga 4: Värmeeffektsberäkningar för bärlageroljor... 40 Bilaga 5: Installerad värmeåtervinning... 41 Sammanställning... 46 6

1 Inledning 1.1 Bakgrund och motiv 1.1.1 Vattenkraft Vid ett vattenkraftverk omvandlas vattnets lägesenergi till arbete. Vattnet leds genom tilloppsledningen till turbinen som driver en generator som alstrar ström. Spänningen tranformeras upp i transformatorn för att sedan ledas ut på kraftnätet. En vattenkraftstation kan indelas i Övre magasinet (Lagring av tillrinnande vatten) Tilloppsledningen (Leder vattnet till turbin) Turbin/Generatorn (Omvandlar vattnets rörelseenergi till elektrisk energi) Avloppsledning (Leder vattnet från turbin) Nedre magasin För olika huvudkomponenter se Figur 1. Figur 1: Huvudkomponenter i en vattenkraftstation Turbinerna finns i två utföranden beroende på turbinhjulets reaktionsgrad. De två utförandeformerna är aktionsturbiner och reaktionsturbiner. I aktionsturbiner omvandlas vattnets lägesenergi i stort sett helt till rörelseenergi innan det träffar turbinskovlarna. Aktionsturbiner placeras i ett öppet utrymme i atmosfärstryck. Den vanligaste aktionsturbinen är Peltonturbinen (Fallhöjd över 400 m). 7

I reaktionsturbiner är vattnets energi både rörelse och tryckenergi före skovelhjulet. De vanligast förekommande reaktionsturbinerna är Francisturbinen (Fallhöjd mellan 40-700 m) och Kaplanturbinen (Fallhöjd upp till 70 m). Generatorn omvandlar rörelseenergi till elektrisk energi. Vattenkraftsgeneratorn består av rotor med poler som skapar ett magnetfält genom rotation på insidan av statorn. Strömmen som genereras transporteras till transformatorn. Rotor och stator ses i figur 2. Turbin och generator roterar med samma hastighet och har gemensamma lager (styrlager/bärlager). Bärlagret tar upp axiella krafter medan styrlagret tar upp de radiella krafterna. Bärlagret och styrlagren ses i Figur 2. Figur 2: Beskrivning av ett vattenkraftsaggregat innehållande lager, turbin och generator Transformatorns uppgift är att transformera upp spänningen som alstras i generatorn (generatorn beskrivs ovan). Genom att hålla en hög spänning minskar överföringsförlusterna och det blir mer lönsamt att transportera strömmen långa sträckor [1], [2]. 8

1.1.2 Elproduktion från vattenkraft Vattenkraftsproduktionen varierar med mängden nederbörd som faller över tillrinningsområdena. Ett genomsnitt för normalårsproduktionen är 65 TWh/år [3]. Den totala elproduktionen i Sverige är ca 150 TWh [4]. Elproduktionen från vattenkraft var 62,1 TWh år 2006 [4]. Fördelningen mellan de olika älvarna framgår av Tabell 1. Tabell 1: Produktionsfördelning mellan älvarna Älv Produktion TWh Lule älv 14,4 Skellefte älv 4,2 Ume älv 6,2 Ångermanälven 6,3 Faxälven 3,2 Indalsälven 9 Ljungan 1,7 Ljusnan 3,6 Dalälven 4,9 Klarälven 1,6 Göta älv 1,6 Övriga älvar 4,5 Totalt 62,1 TWh Källa: Svenskenergi 1.1.3 Vattenkraftstations energianvändning För att driva en vattenkraftstation krävs det mycket energi. En stor vattenkraftstation kan ha en energianvändning mellan 0,5-1,5 % av den totala produktionen. Detta kan ge en energianvändning på flera tusen MWh per år. De större energikonsumerande systemen och objekten i en kraftstation är uppvärmning av utskovsluckor och isfrihållning samt uppvärmning av själva kraftstationen och drift av pumpar och fläktar. Då kraftstationerna byggdes var inte miljöfrågor och kostnaderna för att driva själva kraftstationen i fokus. För uppvärmning av t.ex. utskovsluckor installerades höga effekter och drifttiderna anpassades inte efter värmebehovet. 9

Vattenfalls ambition är att vara ledande inom miljöområdet. Dagens globalt använda energikällor kommer i fortsättningen att behövas inom överskådlig framtid. Vattenfall vill göra långsiktiga val och hantera de olika energikällorna effektivt och ansvarsfullt. All användning av energi påverkar miljön [9]. Då det är konstaterat att energieffektivisering reducerar kostnader och ger positiva bidrag till miljö-och klimatfrågorna har det aktualiserats att se över energianvändningen ute på vattenkraftstationerna. 1.2 Syfte och mål Syftet med examensarbetet har bland annat varit att studera uppvärmningsbehov för en vald kraftstation och utreda möjligheterna att ta vara på spillvärme från kylning av generatorer, lager och transformatorer. Ett annat syfte var att studera tidigare utförda energioptimeringar vid kraftstationer och utvärdera erfarenheterna från dessa. Målet med arbetet var att komma med förslag på energioptimering för en vald kraftstation som är ekonomiskt fördelaktigt för Vattenfall, men även att rapporten skall kunna användas som hjälp vid utredningar av energioptimering vid kraftstationer. 1.3 Metod och avgränsningar Arbetet påbörjades med en litteraturstudie. Fältstudier har utförts vid olika kraftstationer för mätningar och dokumentation av befintlig data. För att få en bättre förståelse för kraftstationers funktion har interjuver av personer med lång erfarenhet inom området genomförts. Studiebesök har gjorts vid en kraftstation där värmeåtervinning har utförts i praktiken för att studera dess funktion. Studiebesök vid tidigare utförda energioptimeringar på anläggningar har begränsats till en kraftstation. Tidigare studier har visat att de mest energikonsumerande systemen var värme och ventilation [6]. Utifrån dessa energikartläggningar kommer den största delen av energistudierna av vattenkraftstationer inriktas mot värmeenergi. 10

1.4 Tidigare utförda energistudier och installationer En energikartläggning och utredning av värmeåtervinning i en vattenkraftstation har utförts vid Rebnis kraftstation. Studien visade att 57 % av den totala energianvändningen går till att värma upp kraftstationen. Ventilationen står för 12 % av energianvändningen och pumpar 9%. En djupstudie om värmeåtervinnig utfördes och det visade sig att det är möjligt att minska värmeåtervinningen med ca 25 % av den totala energianvändningen. Vid Selsfors kraftstation har inventering av energiinnehåll i lager och transformatorolja utförts Beräkningarna i denna studie visade sig att den tillgängliga energin i bärlageroljor för de båda aggregaten är ca 100kW tillsammans. Spillvärmen i transformatorkylningen beräknades till ca 70kW I Älvkarleby installerades ett nytt aggregat (G6) i början på 90-talet. Aggregatet bestod av en Kaplanturbin sammankopplad med generatorn via en vertikal axel. Värmeåtervinning har utförts på G6 genom att leda kylvattnet från statorkylningen till en värmeväxlare för att sedan värma upp maskinsal, luckhus, hydralikrum och delar av kontorsanläggning. Generatorn i Älvkarleby är konstruerad för att köras varmare än traditionella generatorer. Värmeåtervinningsystemet i Älvkarleby har fungerat bra sedan det installerades. För utförligare beskrivning av värmeåtervinningen i Älvkarleby se Bilaga 4. 11

2 Strategier för uppvärmning De vanligaste uppvärmningsmetoderna i en kraftstation är el-radiatorer, aerotemprar och värmen som avges direkt från aggregaten. Utrymmen som uppvärms är bland annat utskovsluckor, kontorsbyggnader, luckhus, hydraulikrum och utrymmen som är känsliga för kondens mm. Detta avsnitt beskriver olika sätt att ta reda på vad det finns för tillgänglig energi och hur man med olika metoder kan återvinna den. 2.1 Tillgänglig värmeenergi För att beräkna tillgänglig energi i kylvatten/oljor för Generatorkylning Bärlagerkylning Styrlagerkylning Regleroljor Transformatorkylning kan tillgänglig värmeeffekt (Q& ), användas enligt Q & = m& c p ΔT (2.1) m& = massflöde (kg/s) c = specifik värmekapacitet (J/kgK) p Δ T = temperaturdifferens (K) 2.1.1 Förluster i generatorn För att ta reda på tillgänglig energi i generator kan värmeeffektberäkningen användas (se ekvation 2.1). Temperaturen mäts på ingående och utgående kylvatten. Problem vid beräkning av förluster i generatorn kan vara att flödesmätare inte visar korrekt flöde vilket har visat sig vid leveransprover [12]. Man kan dock ändvända mobila flödesmätare och därigenom fastställa aktuella flöden [6]. Vid ett leveransprov på generatorn körs aggregaten i stort sett efter märkdata och de förluster som mäts är Ventilationsförluster Styrlagerförluster Järnförluster Tomgångsförluster Belastningsförluster Magnetiseringsförluster 12

Vid produktion körs aggregaten vanligtvis vid bästa verkningsgrad. Detta innebär att aggregaten inte körs för fullt och tillgänglig energi blir lägre än de totala förluster som uppmätts vid leveransprov. Största delen av förlusterna består av värmeförluster [12]. 2.1.2 Förluster i transformatorn En krafttransformator är konstruerad med lindningsisolering av pappersliknande material som är torr eller oljeisolerad. Värmen som uppkommer från resistiva förluster värmer oljan som måste kylas ner [5]. Förluster i transformatorn består av tomgångsförluster och belastningsförluster. Tomgångsförlusterna uppkommer då transformatorn spänningssätts och kan anses vara konstanta så länge som primärspänningen är konstant. Belastningsförlusterna uppkommer när det går ström genom transformatorn och förlusterna varierar kvadratiskt med belastningsström. Belastningsförluster består till största delen av resistiva förluster i lindningarna [5]. Tillgänglig värmeenergi från transformatorolja kan beräknas med ekvation (2.1). Temperaturen på oljan mäts på ingående och utgående flöden i transformatorn. Transformatorns totala förluster går att beräkna om producerad el är uppmätt efter generatorn och efter transformatorn. Differensen mellan dessa är det totala förlusterna i transformatorn. Vid beräkningar av de totala förlusterna är konvektion och strålningsförluster även medräknade ( konvektion och strålning se avsnitt 5.2.1 och 5.2.2 ), vilket medför att den tillgängliga värmeenergin kommer att vara lägre. 2.1.3 Bär/styrlager och regleroljor Bärlagret (se Figur 2) har till uppgift att ta upp den axiella kraften från aggregatet. Lagret är ett glidlager och genom friktionen blir oljan varm och måste kylas ner. Styrlagret (se Figur 2) har till uppgift att ta upp radiella krafter från aggregatet. För att reglera ledskenor och löpskovlar (löpskovlar gäller endast kaplanturbin) används hydralik. Oljorna i hydrauliken blir varm och måste därför kylas ner. I den bortkylda värmen från oljorna finns värmeenergi som går att ta tillvara. Tillgänglig värmeenergi i oljekylarna kan beräknas med ekvation (2.1). Temperaturerdifferensen för de olika medierna och flödet bestäms. 13

2.2 Möjlighet att återvinna tillgänglig värmeenergi 2.2.1 Plattvärmeväxlare Plattvärmeväxlare består ofta av ett stort antal korrugerade stålplattor. Dessa plattor vilar på varandra i ett stort antal kontaktpunkter. Genom plattornas korrugering skapas turbulens även vid låga vätskehastigheter vilket bidrar till bättre värmeöverföring [1]. Värmeförluster till omgivningen från en plattvärmeväxlare är mindre än en procent vilket är försumbart [7]. I en plattvärmeväxlare kan man värmeväxla mellan olika medier t ex vatten/vatten och olja/vatten. Figur 3: Flödesprincip för en motströmsvärmeväxlare (figur Joakim Holmström) 14

2.2.2 Värmepump Med en värmepump är det möjligt att transportera värme från en värmekälla med lägre temperatur till den bortförda värmemängden med högre temperatur. Den bortförda värmemängden är den primära och kan användas t.ex. att värma upp lokaler. I princip består en värmepump av kompressor, kondensor, strypventil och förångare. En värmepumps värmefaktor beskriver kvoten mellan levererad värmemängd och det arbetet som utförs av kompressorn. Det finns olika slags värmepumpar som arbetar mellan olika medier t.ex. luft/luft och luft/vatten [1]. Värmekällor för värmepumpen kan i en vattenkraftstation vara grundvatten, mark, uteluft, avloppsvatten och spillvärme från ventilationens frånluft. 2.3 Förnyelse Vid förnyelser eller renoveringar finns det stor potential för att energioptimera en vattenkraftstation. Statorkylningen på flertalet generatorer har öppna kylsystem vilket innebär att vatten från älven går rakt igenom kylaren ut i älven igen (se Figur 4). Vid utbyte av generator eller kylare finns det möjlighet att installera ett slutet kylsystem (se Figur 5). Fördel med ett slutet system är att temperaturen på kylvattnet blir högre. Plattvärmeväxlare (se 2.2.1) kan på ett enkelt sätt kopplas in i ett slutet kylsystem, vilket ger större potential att ta vara på spillvärme p.g.a. den högre temperaturen. Figur 4: Öppet kylsystem för generator (figur Joakim Holmström) Figur 5: Slutet kylsystem för generator (figur Joakim Holmström) 15

2.4 Värmebehov Ett sätt att bestämma en kraftstations värmebehov är att inventera tidigare installerad effekt för uppvärmning och intervjua driftpersonal om rådande värmebehov. Ett annat sätt att bestämma värmebehov är att beräkna dimensionerande värmebehov. För att minska på uppvärmningsbehovet bör man studera om det finns möjligheter att sänka temperaturen. En utredning bör göras av hur uppvärmda utrymmen påverkas av en temperatursänkning. Förbättring av isoleringen på uppvärmda platser kan vara ett enkelt och billigt sätt att energioptimera. 2.5 Värmetransport 2.5.1 Rörförluster Vid värmetransport av medier kommer en del av värmen att gå förlorad genom rörkonstruktionen. Faktorer som påverkar värmeförlusterna är bland annat materialet på röret och strömningshastigheter och om röret är utsatt för påtvingad konvektion (t ex om det fläktar på röret). Förluster i rör vid värmetransport kan beräknas som stationär värmetransport genom cirkulära rör (se avsnitt 5.1.1). I många fall lämnar återförsäljare även ut data om förluster per meter rörlängd. För ett oisolerat varmvattenrör kan förlusten ligga på ca 100 W/m och vid ett isolerat rör ca 10-40 W/m [8]. 3 Energistudie Laxede kraftstation Efter inventering i Laxede kraftstation och kontakt med erfaren personal [17] är de flesta energikonsumerade system och objekt i en vattenkraftstation sammanställda i Bilaga 1. 3.1 Laxede kraftstation Laxede kraftstation är byggd 1962 och belägen i Luleälven. Anläggning är en ovanjordsanläggning. Stationen har tre aggregat G1, G2 och G3 med en sammanlagd installerad effekt på 200 MW. G1 är kopplat till transformator T1 och G2 och G3 är kopplade till transformator T23. Turbinerna består av tre stycken Kaplanturbiner. Fallhöjden är 25 m och normal årsproduktion är 885 GWh [9]. Aggregaten körs efter älvens kapacitet och produktionsbehovet [10]. 16

3.2 Studerade energikonsumerande system i Laxede Litteraturstudien och erfarenheter hos personal vid Vattenfall Power Consultant visade att de större energikonsumerande systemen var värme och ventilation. Genom begränsad tid för denna studie kommer endast de stora energikrävande systemen att studeras i Laxede kraftstation. De energikrävande energisystem som studerades var Utskov och damm Värme/Ventilation 3.2.1 Utskov och damm I Laxede kraftstation finns det tre utskovsluckor. Om is ligger an mot luckan skapas det ett tryck mot luckan då vattennivån sjunker och det kan skada luckan. För att inte skada utskovsluckan måste det hållas en vak framför luckan. Det finns många olika sätt att hålla en vak framför luckan (se Bilaga 1). För att ha ett bra klimat inne i luckan uppvärms den. För att inte luckan ska frysa fast finns även uppvärmning runt luckan [15]. För olika uppvärmningsmetoder och effekter för de tre utskovsluckorna se Bilaga 2. Den totala installerade effekten är ca 260 kw för utskov och damm i Laxede [11]. Med en antagen drifttid på ca 4400 h blir det ca 114 MWh i energianvändning. 17

3.2.2 Värme och ventilation Huvudbyggnaden och kontrollrum uppvärms med el-radiatorer med en totalt installerad effekt på drygt 30 kw. Med antagandet att en tredjedel av den installerande effekten går kontinuerligt året runt blir det en energianvändning på ca 91 MWh. Ventilationssystemet i huvudbyggnaden är separat. Tilluften uppvärms med ett värmebatteri (inkopplad i tilluftskanalen och värmer tilluften till angiven temperatur) med en installerad effekt på 12 kw. Förvärmningen av tilluften sker via en roterande värmeväxlare. Ventilationssystemet är igång mellan 7 00-17 00. Vid antagandet att värmebatteriet går med en tredjedel av den installerande effekten kontinuerligt året om blir det en energianvändning på ca 35 MWh. Värmen från transformatoroljorna används för att värma upp tilluften till maskinsalen. Oljan i transformatorerna T1 och T23 leds till kylarna som är belägna i ett plan under det plan där transformatorerna står. Tilluften leds till maskinsalen genom en stor fläkt (samma som kyler oljorna) med en installerad effekt på 90kW. Fläkten går kontinuerligt året om vilket ger en energianvändning på ca 788 MWh. Övrig uppvärmning av maskinsal sker endast med värme som avges direkt från aggregaten. Frånluften leds ut via olika schakt. Maskinsalen har 6 fläktar monterade i taket med syfte att trycka ner den stigande varmluften. Under vinterhalvåret finns stora problem med uppvärmning av stationsbyggnaden och på sommarhalvåret hålls alla dörrar i maskinsalen öppna för att bli av med värmen enligt driftpersonal. I Laxede finns ett reservdelförråd ca 300 meter från huvudanläggningen. Förrådet består av en uppvärmd del och en kallställd. Uppvärmningen av förrådet sker med tre stycken aerotemprar med en total installerad effekt på 18 kw och en extra fläktvärmare på 40 kw. Med ett antagande att en tredjedel av den installerade effekten går kontinuerlig året om blir det en energianvändning på ca 53 MWh. 3.3 Beräkning av tillgänglig energi i Laxede kraftstation Vid beräkning av tillgänglig energi (ekv. 2.1) måste flödet och temperaturdifferensen gå att fastställa. I Laxede kraftstation finns flödesmätare installerade för varje kylare. För beräkningar av tillgänglig energi kan de indikerande flödena inte användas då felmarginalen är för stor. Detta konstaterades då verkningsgradsberäkningar utfördes på aggregat 1,2 och 3 [12]. Förluster från generator och transformator kommer att sammanställas genom leveransprov och produktionsdata. Där värmeenergin inte gått att fastställa har temperaturer på oljor sammanställts. Temperaturerna utläses från Vattenfalls mätningar. Energin i bärlageroljor kommer att beräknas utifrån tidigare beräknade oljeflöden. 18

3.3.1 Tillgänglig energi vid värmeväxling Diskussioner har förts med tillverkare av plattvärmeväxlare. För att kunna bestämma vilken vattentemperatur och energi som är möjlig att få ut via värmeväxling från t.ex. olja till vatten är det en del parametrar som måste fastställas. För att beräkna tillgänglig energi i T23 som går att ta reda på genom värmeväxling mellan olja och vatten har en del antaganden gjorts. Temperaturen på oljan in i värmeväxlaren antas till 40 C och temperaturen ut till 30 C. Flöde, densitet, och specifik värme för olja har hämtats från en tidigare studie, där effektberäkningar i transformatorkylningen har utförts [16]. För olika data för oljan se Tabell 2. Tabell 2: Data för beräkning av tillgänglig energi vid värmeväxling mellan olja och vatten Oljesida i värmeväxlare Flöde 30 m 3 /h Temperaturdifferens 10 C Specifik värme 2090 J/kg*K Densitet 818 kg/m 3 Efter numeriska beräkningar med ekvation (2.1) ger det Q & olja Q & olja = 143 kw = Värmeeffekt för olja (W) Genom att förluster i värmeväxlaren är försumbara kommer värmeeffekten att upptas helt av vattnet dvs. Q & = Q & olja = 143 kw vatten Q & vatten = Värmeeffekten för vattnet (W) Med antagande enligt ovan visar beräkningarna att ca 36 % av de totala förlusterna för T23 i medel (400 kw) år 2006 (se avsnitt 3.3.6) är tillgänglig energi vid värmeväxling från olja till vatten. 19

3.3.2 Generatorkylning Leveransprover har utförts på G1 och G3 i Laxede. Aggregat G2 är identisk lik aggregat G1 så antagandet har gjorts att G2 har samma förluster som G1 enligt leveransprovet. Förlusterna för generator G1 och G2 finns sammanställda i Tabell 2. Tabell 2: Uppmätta generatorförluster vid leveransprov G1 och G2 Tomgångsförluster 357 kw Belastningsförluster 325 kw Magnetiseringsförluster 202 kw Totala förluster 884 kw Generatorförlusterna för G3 är sammanställda i Tabell 3. Tabell 3: Uppmätta generatorförluster vid leveransprov G3 Tomgångsförluster 422.3 kw Belastningsförluster 445.6 kw Magnetiseringsförluster 182.8 kw Totala förluster 1050.7 kw För att kunna uppskatta förluster vid andra laster än märklast har en del antaganden gjorts. Belastningsförlusterna vid märklast är [12]. P 2 b, märk = R I märk (3.1) Antag att belastningsförlusterna i generatorn vid körning på bästa verkningsgrad kan beskrivas med sambandet P R I 2 b, drift = drift (3.2) och strömmen fås från sambandet P I = (3.3) U där spänningen är konstant 20

Förhållandet mellan belastningsförlusterna vid körning på bästa verkningsgrad och belastningsförluster vid märklast kan efter en del omskrivningar skrivas som d,, b drift b märk Pm 2 P P = P (3.4) där P b, drift P b, märk = Belastningsförluster vid körning på bästa verkningsgrad (W) = Belastningsförluster vid märklast (från leveransprov) (W) Pd Pm = Effekt vid körning på bästa verkningsgrad (W) = Maximal effekt (W) I = Märkström (A) märk I = Ström vid drift (A) drift Då produktionsdata och drifttimmar för de olika aggregaten är kända görs antagandet att dessa drifttimmar är körda på bästa verkningsgrad. Ett normalt produktionsår valdes till 2006. Efter dessa antaganden beräknas belastningsförlusterna för G1, G2 och G3 se Figur 6. För beräkningar se Bilaga 3. Belastningsförluster i kw för G1,G2 och G3 300 250 kw 200 150 100 G1 G2 G3 50 0 jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec 2006 Figur 6: Beräknade belastningsförluster för aggregat G1, G2 och G3 21

3.3.3 Bärlagerkylning Temperaturen på varma bärlageroljan in i kylaren för G1, G2 och G3 ligger på ca 45 C- 55 C. För G1 och G2 ligger axiallasten på ca 1200 ton per aggregat och det medför ett oljeflöde på ca 900 l/min. Oljeflödet i bärlagret på G3 ligger på ca 660 l/min. 3.3.4 Energiinnehåll i bärlagerolja För beräkning av tillgänglig energi i bärlageroljor har en del antaganden gjorts. Temperaturdifferens för bärlageroljan genom kylaren antas till 10 C. Specifik värme och densitet på oljan används från en tidigare utredning [16]. Tillgängligt energiinnehåll i bärlageroljan för G1 och G2 är ca 250 kw. Energiinnehållet i bärlageroljan i G3 är ca 185 kw. För värmeeffektsberäkningar för bärlageroljor se Bilaga 4. 3.3.5 Regleroljekylning Regleroljorna för aggregaten G1, G2 och G3 kyls genom tubkylare. Temperaturen för regleroljan för G1 och G2 är ca 35 C och för G3 ligger oljetemperaturen för regleroljan på ca 32 C. 22