Förbättring av alfa-värdet på Ortvikens pappersbruk

Förbättring av alfa-värdet på Ortvikens pappersbruk -Optimering av elproduktionen- Jenny Persson Civilingenjörsprogrammet i energiteknik vid Umeå universitets tekniska högskola. (löpnr. som tilldelas)

Förord Under hösten 2006 har jag utfört mitt examensarbete på 20 poäng som ingår i civilingenjörsprogrammet i Energiteknik vid Umeå Universitet. Uppdraget jag har fått är att undersöka huruvida det går att öka elproduktionen i förhållande till värmeeffekten i Ångcentralen på Ortvikens pappersbruk, SCA. Jag vill passa på att tacka för all den stöttning och hjälp jag fått längs vägen, av alla på Ångcentralen, speciellt driftspersonalen och min exjobbshandledare Bjarne Öberg. Ett tack riktas också till min institutionshandledare Rainer Backman vid Umeå Universitet, och naturligtvis till alla andra som funnits där! Sundsvall, 070719 Jenny Persson 2

Sammanfattning Det har blivit allt dyrare att handla med energi; politiska regleringar och höjda bränslepriser är några av de faktorer som drivit upp priset. När elpriset stiger ökar intresset, framförallt för elintensiva företag, att minska sin elanvändning och om möjligt höja den egna elproduktionen. Detta examensarbete handlar om det senare och SCA: s finpappersbruk Ortviken har förutsättningar som möjliggör en utökad elproduktion. Turbinen går nämligen sällan fullastad utan håller en genomsnittlig effekt på 10 MW av de potentiella 17 MW. Energieffektiviseringar samt ökad ångåtervinning från den termomekaniska massaproduktionen har dock bidragit till att mottrycksunderlaget minskat på Ortviken, och med det även elproduktion. Ångcentralen producerar drygt 60 % av all ånga som används vid processerna på Ortviken, och de fyra pappersmaskinerna är de stora förbrukarna. Först och främst är ångan ämnad för torkning av papperet, som från 47 % efter pressarna når en torrhalt på 95 % efter torkcylindrarna. Fem förbränningspannor och en elpanna har möjlighet att leverera ånga till systemet som är uppdelat i tre trycknivåer; hög-, mellan- och lågtryck. I rapporten tas det upp förslag för att höja alfa-värdet, det vill säga öka andelen producerad el i turbinen i förhållande till andelen värme producerad av förbränningspannorna. Metoden för att nå dessa förslag har bland annat innefattat kartläggning av ångflöden, vilket bidragit till en större förståelse för systemet och dess regleringssituationer, en litteraturstudie inom området och ett inspirerande studiebesök på Hallstavik pappersbruk. Genom att optimera parametrarna som beskriver turbineffekten enligt P el = m& ( h h ) η P, in ut gen förlust kan eleffekten ökas. Ångflödet ses somm&, entalpin in till turbinen somh in, efter turbinen som h ut, generatorverkningsgraden som η gen och övriga förluster i turbinen somp förlust. Resultatet av studien om att optimera elproduktionen visar på fall där man minimerar flöden som inte reduceras via turbinen och därmed ökar omsättningen som går genom turbinen. Andra exempel som ger mer el är en höjning av temperaturen på ingående HTånga till turbinen eller att om möjligt optimera reglulatorinställningar i systemet för att undvika energispill. Ett förslag innebar ett byte av medium för varmhållning av oljepanna 2 som är en reservpanna, från MT-ånga till LT-ånga. Denna förändring gör att varmhållningsångan går genom turbinen till skillnad från idag, en förtjänst som motsvarar 576 000 Skr/år. Ett annat exempel som ger ett positivt utfall ur den synpunkten är att optimera styrningen av ånga till processvattenförvärmningen. 3

Abstract Energy business is getting more and more expensive; regulations in politics and increased fuel costs are two of some factors making the price rise. This makes the electric intense industry wanting to decrease their use of electricity and, if possible, to increase their own production. This graduation project is supposed to take care of the last suggested above and the condition at SCA s paper mill Ortviken makes it possible to increase the power output. That is because the steam turbine almost never is in its maximum area of power, the average power output is about 10 MW, but potentially it can run 17 MW. The continuous work to make the industry more effective in energy use and the growing steam regeneration in the production of thermo mechanical pulp make the space for backpressure steam getting smaller, as well as the production of electricity. The Boiling house at Ortviken is responsible for about 60 % of the total steam generated, which is used at different processes in the mill. Four paper machines are the major consumers of steam. Primary the steam is intended drying the paper, and from the press section the outgoing consistency is increased from 45 % to 95 % after the steam dryer section. Five combustion boilers and one electric boiler deliver steam to the system which is separated into three pressure-levels; high-, middle- and low pressure. This report will open up for suggestions that increase the alfa-value, which is the share of electricity produced by the turbine in relation to the share of heat produced by the combustion boilers. The method reaching these suggestions has included analysis of the steam flow, which contributes to a better understanding of the system and its different situations of process control. Besides literature studies about the specific area, discussions with co-workers in the Boiling house, inspiration has also been found visiting Hallsta paper mill. Through optimizing the parameters describing the turbine power output as P el = m& ( h h ) η P, in ut gen förlust the production of electricity will be increased. The steam flow is seen as m&, the enthalpy entering the turbine as h in, after the turbine as h ut, generator efficiency as η gen and other losses in the turbine as P förlust. The results of this project, optimizing the production of electricity, show cases trying to minimize steam flows that are not reduced by the turbine to make it pass through it instead. Other examples that give more power output are to increase the temperature of the high-pressure steam entering the turbine or to optimize the adjustments of the regulators just to avoid waist of energy. One suggestion was to change medium for keeping the oil boiler 2 quite warm in case of start-ups, from middle-pressure steam to low-pressure steam. This change make the warm-keeping steam going through the turbine in contrast to today, a profit worth 4

576 000 Skr/year. Another interesting example that was positive from this point of view was to optimize the process control of the steam going for preheating the process water. 5

Innehållsförteckning 1. INLEDNING... 8 1.1 BAKGRUND... 8 1.2 SVENSKA CELLULOSA AKTIEBOLAGET, SCA... 9 1.2.1 Ortvikens Pappersbruk... 9 1.2.1.1 Tillverkningsprocessen... 9 1.3 PROJEKTBESKRIVNING... 11 1.3.1 Syfte... 11 1.3.2 Mål... 11 1.3.3 Förutsättningar... 11 1.3.4 Metod... 11 2. TEORI... 13 2.1 ELMARKNADEN... 13 2.1.1 Elprisets utveckling... 14 2.1.2 Elintensiv industri... 15 2.1.2.1 Lag om program för energieffektivisering- PFE... 15 2.1.3 Politiska regleringar... 16 2.1.3.1 Elcertifikat... 16 2.1.3.2 Utsläppsrätter... 16 2.2 SYSTEMBESKRIVNING... 17 2.2.1 Ångcentralen... 18 2.2.1.1 Pannorna... 19 2.2.1.2 Ackumulatortanken... 19 2.2.1.3 Ångturbinen... 19 2.2.1.4 Reducerstationerna... 21 2.2.1.4 Ejektorerna... 21 2.3 BERÄKNINGAR... 21 2.3.1 Regleringssystem... 25 2.3.2 Elproduktion... 26 2.4 REFERENSANLÄGGNING... 28 2.4.1 Studiebesök Holmen Paper Hallstavik... 28 3. RESULTAT... 30 3.1 FÖRSLAG FÖR ÖKAD ELPRODUKTION... 30 3.1.1 Ökat mottrycksunderlag... 30 3.1.1.1 Varmhållning av oljepanna 2 med lågtryck istället för mellantryck... 30 3.1.1.2 Bättre styrning av bakvattenförvärmningen... 31 3.1.1.3 Öka LT-flödet till matarvattentanken... 33 3.1.1.4 Kondenskraft... 33 3.1.2 Optimering av ångdatat... 34 3.1.2.1 Temperaturreglering... 34 3.1.2.2 Tryckreglering... 35 3.1.3 Styr- och regleringsoptimering... 37 6

3.1.3.1 Lågtrycksreduceringarna går men turbinen är inte fullastad... 37 3.1.3.2 Ackumulatorkörning... 39 3.2 EKONOMI... 40 4. SLUTSATSER OCH DISKUSSION... 43 5. REFERENSER... 44 BILAGOR... 46 BILAGA1- INTERNA KUNDKRAV... 46 BILAGA 2- TEKNISK DATA ÅNGCENTRALEN... 47 BILAGA 3A- ÅNGPRODUKTION... 48 BILAGA 3B- ÅNGFÖRBRUKNING ÅNGCENTRALEN... 49 BILAGA 3C- ÅNGFÖRBRUKNING ORTVIKEN... 50 7

1. Inledning 1.1 Bakgrund Efter avregleringen av den svenska elhandeln 1996 förväntades pressade elpriser genom den fria konkurrensen. Men eftersom elproduktion i Sverige är relativt billig, då den är baserad på framförallt kärnkraft och vattenkraft, inträffade endast en kortsiktig prissänkning. Idag, tio år senare, har elpriserna anpassat sig till den högre nivån i Europa. Detta beror till exempel på råvarutillgång, klimat, politiska regleringar och konkurrenssituationer. För elintensiv industri har stationeringen i Sverige varit fördelaktig historiskt sett med avseende på de konkurrenskraftiga elpriserna. På grund av de senaste årens prisutveckling har industriers relativa energikostnad ökat. För att produktionskostnaderna då inte ska stiga måste nettoförbrukningen av el reduceras, det vill säga att energiförbrukningen måste minska och om möjligt den interna energiproduktionen öka. I samband med att industrier genererar både processånga och el benämns de som industriellt mottryck. I Sverige produceras ungefär 5 TWh el/år från det industriella mottrycket, motsvarande siffra för kraftvärmeverk är 7 TWh/år. [12] Vad som hänt inom energipolitiken sedan avregleringen och Kyoto-förhandlingarna är att två marknadsbaserade styrmedel har tillkommit; elcertifikat och internationella utsläppsrätter. Elcertifikaten är skapade för att utöka andelen el som baserar sig på förnyelsebara energikällor och utsläppsrätternas syfte är att minska utsläppen av växthusgaser på ett kostnadseffektivt sätt. Ortvikens elproduktion är förnyelsebar till 90 % då bark och bioslam är primära bränslen, det vill säga att varje producerad MWh ger 0,9 elcertifikat, vilket påverkar inkomsten från elen då den tilläggs försäljningsvärdet. Vad det gäller utsläppsrätter för Ortvikens del, så är det bara prisbilden på el på Nord Pool som påverkas då elhandel sker över gränserna och utsläppsrätter hittills tilldelats Svenska företag kostnadsfritt. Kraftvärme och mottrycksanläggningar betalar dock fortfarande en koldioxidskatt motsvarande 21 % av vad värmeverk betalar. Energiskatten är satt till noll för producerad elkraft på Ortviken, liksom för andra elintensiva industrier som gått med i energibesparingsprogrammet PFE. I Ortvikens fall har energibesparingsprogrammet PFE inneburit en minskad ångförbrukning i och med ökad energiåtervinning och effektiviseringar. Samtidigt ökar massabruket sin ångandel, det vill säga producerar än mer lågtrycksånga. Dessa faktorer bidrar till att mottrycksunderlaget minskar, men målet med detta projekt är att hitta alternativ som kan öka elproduktionen. I dagsläget är genomsnittseffekten på turbinen drygt 10 MW emedan den maximala uteffekten är närmare 17 MW, så turbinen har effektutrymme att fylla upp. 8

1.2 Svenska Cellulosa Aktiebolaget, SCA Ett tiotal skogsbolag som producerade brädvaror och pappersmassa i norra delarna av Sverige gick 1929 samman och bildade en större konkurrenskraftig koncern, Svenska Cellulosa Aktiebolaget. SCA är idag ett globalt företag vars produkter är baserade på råvaror från skogen. Hygienartiklar, mjukpapper, förpackningar, tryckpapper samt sågat virke utgör sortimentet som utvecklas, produceras och marknadsförs av SCA. 2005 låg nettoomsättningen för SCA på drygt 95 miljarder SEK, och detta med hjälp av cirka 50 000 anställda i ett 50-tal länder. 1.2.1 Ortvikens Pappersbruk Ortvikens pappersbruk är en del av SCA Forest Products, ett affärsområde som 2005 stod för 15 % av koncernens nettoomsättning. Idag finns fyra stycken pappersmaskiner vid Ortvikens pappersbruk, och de tillverkar tidnings- och bestruket papper. 1.2.1.1 Tillverkningsprocessen Följ huvudråvaran granved enligt siffermarkeringen i fig.1 genom hela papperstillverkningen; Veden avbarkas och flisas upp i renseriet, flisen går sedan vidare till den termomekaniska massafabriken, TMP. Där värmebehandlas flisen och mals till en massa i de så kallade raffinörerna. Massan skiljs åt för en vidarebehandling beroende på vilken papperskvalitet den är ämnad för, varefter den silas och pumpas upp till lagringstorn. Mälden, det vill säga massan utspädd 99 gånger, pumpas ut på en finmaskig väv som kallas vira. Där börjar arket ta form och i och med avvattningen i viran binds fibrerna samman. I pressen ökar torrhalten till 45 % och papperets tjocklek bestäms varefter torkpartiet med dess ånguppvärmda cylindrar följer, en torrhalt på 95 % ska då vara nådd. Därefter ytbehandlas papperet på önskvärt sätt innan det slutligen beskärs och rullas upp för den kundbeställda orden. Resterna från avbarkningstrumman fraktas tillsammans med externt biobränsle till ångcentralen. Här förbränns dessa tillsammans med slam från fabrikens bioreningsanläggning. Dessa interna bränslen tillsammans med inköpt biobränsle och ungefär 10 % olja genererar en del av ångan som behövs vid pappersmaskinernas torkpartier. Den andra delen, närmare bestämt 40 % av ångan som levereras till lågtrycksnätet är omformad och producerad av raffinörer i TMP. [15] 9

Figur 1. Tillverkningsprocessen på Ortvikens pappersbruk, från stock till papper.[15] 10

1.3 Projektbeskrivning 1.3.1 Syfte Värdet av elproduktionen har ökat relativt sett i produktionsleden, därför är det intressant för SCA att höja elutbytningsfaktorn, det så kallade alfa-värdet, på ångcentralen. Detta projekt kommer att fokusera på elproduktionen i anläggningens mottrycksturbin, hur denna kan ökas med givna förutsättningar. Genom att kartlägga ångflöden och regleringar i systemet ska flaskhalsar som begränsar elproduktionen identifieras. 1.3.2 Mål Att påvisa begränsningar i systemet så att en större effekt kan utvinnas ur turbinen vid oförändrad ångförbrukning. 1.3.3 Förutsättningar Då hela ångsystemet är komplext och välförgrenat kommer fokus att ligga på Ångcentralens primära flödesstråk från högtrycksånga(hädanefter HT-ånga) till lågtrycksånga(lt-ånga). Från pannorna reduceras HT-ångan via turbin, reducerstationer, ackumulatortankar, ångdrivna matarvattenpumpar eller ejektorer ner till LT-nätet. Det faktum att papper är den primära produkten på Ortviken gör att elproduktionen kommer att vara beroende av brukets nettokonsumption av LT-ånga, det vill säga mottrycksunderlaget. Bland annat så bildas närmare 40 % av den totala LT-ångan vid ångomformarna efter den termomekaniska massatillverkningen. Raffinörerna, som genererar den ångan, styr efter massaåtgången, så det är ångcentralen som måste kunna reglera variationer i nätet. För att LT-nätet ska hållas någorlunda stabilt när pappersmaskiner och raffinörer startar eller stannar måste en viss buffert finnas. I första hand används ackumulatortanken för att fånga upp dessa svängningar, därefter nyttjas friblåsningsventiler och reservkraft. Situationen begränsar turbinnyttjandegraden då ackumulatortanken i bruk stjäl mottrycksunderlag. Andra begränsningar för maximalt flöde genom turbinen är mellantrycksångan(mt-ångan) som används till bland annat massatillverkning, torkning och uppvärmning. I rapporten anges alla tryck som absoluta, därav enheten bar(a). I bilaga 3 anges de flesta enheter och processer på Ortviken som genererar och förbrukar ånga. 1.3.4 Metod Sökning, sovring och inläsning på det aktuella området, detta genom Internet, bibliotek och SCA:s egna arkiv. Större delen av underlaget till studien är hämtat från Ortvikens loggade processbok. Genom att tolka trender utifrån olika driftsituationer som kan uppstå i den transienta driften har ångflöden i Ångcentralen kartlagts. 11

Information har jag också erhållit genom diskussioner med driftpersonalen i Ångcentralen. De har hjälpt till med allt från anläggningskunskaper till hur de upplever driftsituationer, jag har även fått ta del av idéer som de har tagit fram. Kontakt med maskinleverantörer har gett mig aktuella beräkningsdata. Studiebesök på finpappersbruket Hallstavik inspirerade därutöver till nya idéer. 12

2. Teori 2.1 Elmarknaden Dagens avreglerade elmarknad styrs utifrån rådande utbud och efterfrågan, och den mesta av handeln sker via den nordiska elbörsen, Nord Pool. Där finns dels spotmarknaden som fungerar som en timbaserad auktion för nästkommande dygn och dels en marknad för finansiella kontrakt som sträcker sig lite längre och därför speglar den förväntade prisbilden. Spotpriset bestäms genom budgivning av köpande och säljande aktörer på marknaden. Förenklat kommer den rörliga kostnaden för den sist och dyrast producerade elen som motsvarar efterfrågan att sätta priset. Denna kombination av pris och kvantitet som utbud- och efterfråganskurvan resulterar i kommer alltså att återge jämviktspriset, även kallat det marknadsklarerandepriset, se fig. 2. Figur 2. Princip för prisbildning på spotmarknaden i Norden, S-kurvan visar utbudet (producenterna) och D-linjen motsvarar efterfrågan (kunderna) på el. Med den rörliga kostnaden menas produktionskostnaden för varje producerad enhet el i respektive anläggning, detta beroende på bl.a. bränslepriser, effektivitet och beskattning. Beroende på tillgång på billig el kommer kunderna att till viss grad att anpassa förbrukningen (D-kurvan) efter rådande elpris, vilket är proportionellt med den rörliga kostnaden för producenten. Skärningspunkten mellan utbud och efterfrågan visar den högsta rörliga kostnaden och vilken sista anläggningstyp som ännu lönar sig att ha i drift. [16] Den ordning som kapaciteten tas i bruk är relativt varaktig och benämns som merit order. Alla aktörer som lämnat säljbud lägre än jämviktspriset får sälja till det marknadsklarerande priset medan de som lämnat överpris inte får något sålt. På samma sätt går det till på konsumentsidan och tillvägagångssättet innebär att all tillgänglig elproduktion, oavsett produktionsteknik, konkurrerar på lika villkor. [9] 13

2.1.1 Elprisets utveckling Från avregleringen 1996 till 2005 har elförbrukningen i Sverige ökat med 3 %, en siffra som i hela Norden motsvaras av 8 %, den större efterfrågan beror på faktorer såsom väder och konjunkturutveckling. Elprisets kraftiga utveckling, se fig.3, under de senaste åren kan därför inte sägas relatera nämnvärt till den ökade förbrukningstakten, däremot påverkar produktionsförutsättningarna elpriset. För att nämna några: nederbörd kapacitetsutveckling interaktioner på den nordiska och europeiska elmarknaden bränslepriser konkurrenssituationer politiska regleringar Elprisets utveckling på spotmarknaden kr/mwh 800 700 600 500 400 300 200 100 0 2006 2005 2004 2003 2002 2001 1999 1998 1997 1996 år Figur 3. Diagram över spotprisets utveckling i Norden under det senaste decenniet. [14] Produktionsförutsättningarnas inverkan på spotpriset kan exemplifieras enligt extremåret 2005: Trots höga vattennivåer, relativt tidigare torrår fortsatte elpriset att stiga, se fig.3, detta har dock en naturlig förklaring. Rekordhöga priser på fossila bränslen sammanföll nämligen med introduktion av utsläppsrätter samt att Barsebäcks andra reaktor togs ur bruk. Spotpriserna ökade i Europa, vilket medförde en stor efterfrågan på billigare el från Norden. För att möta upp efterfrågan kunde då dyrare anläggningar i tas i bruk i Norden. Skulle inte överföringskapaciteten mellan Norden och Europa vara begränsad skulle det råda samma råkraftpris, och en ökad interaktion innebär därför utjämnade elpriser. [10] 14

2.1.2 Elintensiv industri Basindustrin indikerar att höjda elpriser motverkar långsiktiga investeringar i Norden. Lägre elpriser har tidigare kunnat kompensera de konkurrensnackdelar som långa transporter och höga arbetskraftskostnader inneburit. Representanter från den elintensiva industrin menar att elproducenter borde vilja säkra sina intäkter genom att teckna långa avtal, men idag är det i stor utsträckning oenighet om elens framtida värde för de långsiktiga förhandlingarna. Enligt energimarknadsinspektionens analys av konsekvenserna vid en elprisökning för den svenska industrin kommer ökningen att slå hårdast mot finpappersindustrin. En höjning på 10 öre per kwh motsvarar i detta fall en ökning av förädlingsvärdet med 18,5 %. De representanter som intervjuats anser också att man, främst i södra Europa, skyddar sitt lands basindustrier mot effekterna av höjda elpriser. [10] 2.1.2.1 Lag om program för energieffektivisering- PFE En ny energiskatt tillkom den svenska processindustrin i juni 2004, en anpassning till EG:s energiskattedirektiv som innebar en höjning på elkraft motsvarande 0,5 öre/kwh. Denna skatt innebär stora kostnader för elintensiva företag, varför ett kompenseringsprogram för möjlig skattereduktion utvecklats av Energimyndigheten. Ortviken är med i det så kallade PFE-projektet, ett program där elintensiv industri under en femårsperiod får möjlighet att energieffektivisera verksamheten i utbyte mot en befrielse av energiskatt på elektrisk kraft. Detta genom att först och främst införa ett energiledningssystem som innefattar en djupgående kartläggning och analys av verksamhetens energiförbrukning. Man skall också undersöka huruvida man investerar i elförbrukande utrustning med avseende på PFE:s krav jämte återbetalningstid och därutöver utföra eleffektiviserande åtgärder. [1] 15

2.1.3 Politiska regleringar För att gynna förnyelsebar energiproduktion har den svenska regeringen beslutat att införa två marknadsbaserade styrmedel utöver tidigare energirelaterade skatter och avgifter. 2.1.3.1 Elcertifikat Ett nytt system för att främja förnyelsebara energikällor i Sverige inleddes i maj 2003. Detta bygger på att elkonsumenter har en kvotplikt på förnyelsebara energikällor, så kallade elcertifikat. Detta är ett marknadsbaserat alternativ till tidigare bidrag och stöd, där man ökar produktionen av förnyelsebar el på ett kostnadseffektivt sätt i och med att konkurrens uppstår. Målet med handeln av elcertifikat är att kunna öka årsproduktionen av el från förnyelsebara energikällor med 17 TWh år 2016 jämfört med en grundnivå år 2002. Det innebär en kvot som år 2003 började på 7,3 % och sedan ökar successivt till 16,9 % år 2010. Energikällor som kan ge elcertifikat är: vindkraft viss vattenkraft vissa biobränslen solenergi geotermisk energi vågenergi torv i kraftvärmesammanhang 2.1.3.2 Utsläppsrätter Kyotoprotokollet mynnade ut i ett internationellt åtagande att minska utsläppen av växthusgaser. I januari 2005 inleddes EU: s handel med utsläppsrätter, energiintensiva branscher får därmed betala ett pris för den fossila koldioxiden som de släpper ut. För varje ton koldioxidekvivalent som avges till atmosfären måste en utsläppsrätt kunna uppvisas. Ungefär 40 % av de totala koldioxidutsläppen i EU är idag med i handelssystemet om utsläppsrätter. Det av EU bestämda antalet utsläppsrätter tilldelas berörda anläggningar och antalet tilldelningar kommer att minskas i perioder. Eftersom även detta styrmedel är marknadsbaserat kommer det att medföra en konkurrenssituation som på ett kostnadseffektivt sätt gynnar energikällor som inte bidrar till växthuseffekten. [5] Utsläppsrätterna har stor påverkan på elpriset då det är den el producerad på marginalen av energisystemet som sätter priset på elektriciteten. På den nordiska elmarknaden beror priset ofta på kolpriset och de utsläppsrätter som behövs för att producera den sista enheten el, se sambanden enligt fig.4. Marginalkostnaden för storskaliga utsläppsreduktioner bestäms på kortare sikt till stor del av prisskillnaden mellan kol och naturgas(oljepriset följer naturgaspriset), vilket i sin tur påverkar priset på utsläppsrätterna. [9] 16

Figur 4. Illustration över samband mellan kostnaden för utsläppsrätter och elpriset. Kortsiktiga utsläppsreduktioner beror till stor del på marginalkostnaden, det vill säga skillnaden mellan naturgas- och kolpriset. [9] 2.2 Systembeskrivning Pannor som producerar ånga under ständigt förändrade lastförhållanden sägs gå med transient drift, vilket ofta är fallet när processånga tillverkas. Ångbehovet i pappersbruket varierar med produktionsparametrar som till exempel hastighet och papperskvalitet. Men orsaken till de största svängningarna på ångnätet beror på plötsliga störningar, som exempelvis ett brott på pappersbanan. När ett sådant brott inträffar avstannar pappersmaskinens ångkonsumtion momentant och systemet måste snabbt kunna reglera ner på LT-sidan för att undvika att någon säkerhetsventil löser. När en pappersmaskin ska starta igen sker det motsatta, och systemet måste klara av att hålla trycknivån trots pådraget. På genereringssidan kan lågtrycket även falla om ångåtervinningen vid TMPanläggningen snabbt tappar effekt. För att hålla den relativt känsliga balansen mellan tillverkad och förbrukad värmeenergi i ångsystemet krävs ett väl fungerande reglersystem. Trögheten i pannregleringen lindras när det finns en ackumulatortank som kan bistå systemet och laständringen blir på så vis mindre omedelbar. En viss redundans måste finnas, trycket får under inga omständigheter falla, och reservkraft i form av mer snabbreglerade enheter tas då i drift. Se bilaga 3 för närmare information vilka som är de olika ångproducenterna och ångförbrukarna på Ortviken samt dess ungefärliga storleksordning. För att fungera tillfredställande kräver industriprocesserna en viss kvalitet på tillförd värme. Dimensioneringen av anläggningens papperstorkar har en viss frihetsgrad men hålls inte temperaturen på ångan förloras snabbt kapacitet. Vid produktionsökningar i befintliga anläggningar kan temperaturen ofta bli den kritiska parametern. Då det är kondensationsvärmen som är intressant för processerna kommer kravet på ångtemperatur i stort sett bli detsamma som kravet på ångtryck. [6] Distribution av ånga sker normalt vid två olika nivåer, lågtryck 3-6 bar(a) och mellantryck 10-13 bar(a). Om maximal mottryckskraft önskas bör LT-ånga användas i största möjliga mån med hänsyn taget till temperaturbehovet. För att få ner dimensioner 17

och därmed priset händer dock att leverantörer rekommenderat en trycknivå som inte är fördelaktig för fabriken i längden. [7] 2.2.1 Ångcentralen Med hjälp av 4 fastbränslepannor, en oljeeldad panna och en elpanna produceras ånga som behövs för papperstillverkningen enligt fig.5. Ångan levereras efter rådande behov i bruket och enligt interna kundkrav, se bilaga 2, via ett hög-, mellan- och lågtrycksnät. Överhettad HT-ånga produceras av förbränningspannorna, medan elpannan genererar mättad MT-ånga. HT-ångan trycksänks via turbin, reducerstationer och ångackumulatorer till 3,35 bar(a) varefter nätet är kallat lågtryck. Figur 5. Schematisk bild över ångcentralens distributionsnät. 18

2.2.1.1 Pannorna De tre rosterpannorna och en fluidbäddspanna, vilka är biobränsleeldade, en oljepanna och en elpanna producerar tillsammans drygt 60 % av all ånga som används i papperstillverkningen, se bilaga 2 för teknisk data över pannorna. HT-ångan som produceras av förbränningspannorna är överhettad till ungefär 420 o C vid ett tryck på 56 bar(a). Oljepannan är en reservpanna som står på varmhållning för att snabbt kunna kopplas till nät. Laststyrningen av pannorna sker manuellt men övriga regleringar går vid normal drift per automatik. Pannorna har en gemensam matarvattentank där kondensat på 100 o C och kallt totalavsaltat vatten, så kallat spädvatten, blandas. Kondensat från ackumulatortankens nivåregering anländer även dit, såsom LT-ånga för att gasa av vattnet, något som innebär en höjning av temperaturen till 120 o C. Därefter trycksätter matarvattenpumparna flödet till 86 bar(a) och det introduceras pannorna. Via ekonomiser, konvektionsdel, ångdom och överhettare fås den slutliga produkten, överhettad ånga. Kontinuerlig bottenblåsning håller pannvattnet fräscht och ångsotning var åttonde timme ger en god värmeöverföring i pannan. Luftförvärmare finns då man eldar med fuktiga bränslen, både som rökgas- och ångförvärmare. Det sistnämnda är värdefullt vid mottryckskraftgenerering då värme från LT-ånga tillförs pannan och bidrar till en HT-ånga som kan driva turbinen. Rökgaserna från de större biobränsleeldade pannorna kan styras mot en rökgaskondensering och därmed kan större del av värmet tillvaratas. Elpannan har en kapacitet på 20 MW och producerar vid behov och rätt elpris mättad MT-ånga vid 11,5 bar(a), vilket ger en temperatur på ungefär186 o C. 2.2.1.2 Ackumulatortanken För att jämna ut tillfälliga obalanser i ångsystemet finns en ångackumulator installerad mellan HT- och LT-nätet, se schematiskt i tidigare fig. 5. Värme lagras i form av hetvatten, vilket är lämpligt på grund av vattnets höga specifika värme. Ånga från HTnätet laddar upp ackumulatorn i och med att ångan får kondensera via ett perforerat rör och därigenom får vattnet sitt stigande värmeinnehåll. Ackumulatorns trycknivå bestäms av mättnadstrycket vid rådande temperatur. En ångblåsa ligger överst i tanken och vid värmebehov öppnas här en ventil varvid trycket sjunker, mer vatten kokas av och ny ånga bildas. Ortvikens ackumulatortank kan variera trycket mellan 7 och 15 bar(a), med en normalnivå på 11,3 bar(a). Eftersom det är överhettad ånga som tanken laddas med måste avdunstningen kompenseras av insprutningsvatten, som också bidrar med nivåreglering tillsammans med en kondensavtappning. 2.2.1.3 Ångturbinen En del av HT-ångans energi omvandlas i turbinen till mekaniskt arbete som i sin tur driver generatorn, vilken alstrar ström. Inom svensk skogsindustri är STAL: s radiella 19

dubbelrotationsturbin vanligast förekommande, se i fig.6 hur det ser ut i Ortvikens turbinhall. Figur 6. Turbinhallen i Ångcentralen, Ortviken. Turbinen har två rotorer och ånga tillförs hål i turbinskivan och expanderar radiellt utåt. Via en skovelring som är fäst i ena turbinskivan ändrar ångan rörelseriktning beroende på skovelbladens inställning. Reaktions- och aktionskrafterna som skapas driver i sin tur runt skovelring, turbinskiva och rotor. Ångan går vidare genom en andra skovelring som är fäst i den andra turbinskivan. Här byter ångan riktning igen vilket driver denna skiva åt motsatt håll jämfört med den första turbinskivan. Detta sker ytterligare ett antal steg via nya skovelringar, vilka är monterade omväxlande i den ena respektive den andra turbinskivan, tills dess att önskad trycknivå är nådd. [3] Ortvikens turbin, G1, är strypreglerad, vilket betyder att det sitter en reglerventil innan turbinen. Då ventilen stryper flödet fås ett lägre tryck innan skovelsystemet vilket medför ett mindre flöde och ett lägre entalpifall över turbinen. Använder man sig av partialreglering har man flera olika inlopp till turbinen som successivt kopplas in beroende på last. Fullt tryck och entalpifall fås på så vis på de inlopp som är öppna, vilket då ger något bättre verkningsgrad vid dellast än strypregleringen. Är turbinen däremot glidtrycksreglerad behövs inga strypningar utan regleringen sker genom att pannans ångtryck varieras efter rådande ångbehov, vilket kräver ett något mer komplext system. [4] Tillförd ånga kallas för normallastånga, och ut ur turbinen avges avloppsånga. När denna ånga är ansluten till ett ångnät i en industri benämns den ofta som mottrycksånga. Om högre trycknivåer önskas ur maskinen kan denna konstrueras så att avtappningsånga matas ur hål i någon av turbinskivorna, något som dock inte är möjligt på Ortviken. Om den utgående effekten behövs höjas tillfälligt kan man tillföra turbinen överlastånga igenom hål längre ut från centrum. Denna ånga passerar då de yttre skovelringarna vilka har större flödeskapacitet än de inre. Ångläckage längs axlarna motverkas till viss del av axeltätningar utformade som labyrinter, men viss förlust uppkommer ändå av denna tätningsånga. [3] 20