Energiataseen hallinta ja optimointi metsäteollisuusintegraatissa

Abstract

Diplomityö on tehty UPM-Kymmene Oyj, Kaukaan tehtailla Lappeenrannassa. Integroidussa metsäteollisuudessa energiantuotanto koostuu yleensä sähkön- ja lämmöntuotannosta. Kaukaan tehtailla prosessien lämmöntarve saadaan katettua kokonaisuudessaan omalla tuotannolla, kun taas kulutetusta sähköstä ainoastaan puolet on tuotettu itse. Loput sähköntarpeesta joudutaan ostamaan ulkopuolelta. Tutkimuksen pääpaino on ollut selvittää, miten kustannukset ovat riippuvaisia energiantuotannosta erilaisissa käyttöolosuhteissa. Työn tuloksena on luotu tietokonepohjainen laskentamalli, jonka avulla Kaukaan tehtaiden energiantuotantoa voidaan ohjata taloudellisesti optimaalisimmalla tavalla kulloinkin vallitsevassa käyttötilanteessa. Lisäksi tutkimuksessa on analysoitu tehdasintegraatin lämmönkulutuksen seurannan mahdollisuuksia lämmönsiirtoverkon nykyisten mittausten perusteella.

Työssä on kerrottu yleisesti metsäteollisuuden energiankulutuksesta Suomessa. Lisäksi on esitetty arvioita energiankulutuksen kehityksestä tulevaisuudessa sekä keinoja energiatehokkuuden parantamiseksi. Kaukaan tehtailla lämmönkulutuksen seurantaan käytettävät mittausmenetelmät ja -laitteet on esitelty virtausmittausten osalta sekä arvioitu nykyisten mittausten luotettavuutta ja riittävyyttä kokonaisvaltaisen lämpötaseen hallintaan.

Kaukaan tehtaiden energiantuotantojärjestelmästä on luotu termodynaaminen malli, johon energiantuotannosta aiheutuneiden kustannusten laskenta perustuu. Energiantuotannon optimoinnilla pyritään määrittelemään tietyn tarkasteluhetken käyttötilanteessa taloudellisesti optimaalisin kattiloiden ajojärjestys. Tarkastelu on rajattu lämmöntuotannon lisäämisen osalta maakaasun käytön lisäämiseen ja höyryturbiinien ohitukseen. Sähkön ja maakaasun hinnan sekä ympäristön lämpötilan vaihtelujen vaikutusta optimaaliseen ajojärjestykseen on havainnollistettu esimerkkien avulla.

This thesis has been made for UPM-Kymmene Plc, Kaukas in Lappeenranta. Energy production in integrated forest industry usually consists of heat and power. In Kaukas, the demand for heat is fully covered by their own production, whereas only half of the power consumed is self-generated. The other half is purchased from outside. The emphasis in the study has been on establishing the dependency between the energy production and costs in different operating conditions. As a result, a computer-based calculation model has been developed. The calculation model guides the planning of the energy production in Kaukas in the most cost-effective way. Also the possibility of monitoring the total heat consumption by using the existing instrumentation has been evaluated in the study.

In the thesis, the present energy consumption of the Finnish forest industry has been intro-duced. Estimations for the future of the energy consumption and some possibilities of energy conservation have been presented as well. The methods and equipment of flow meas-urements, which are used for measuring the heat consumption in Kaukas, have been introduced. The reliability and adequacy of the existing instrumentation for indicating and controlling the total heat balance have been analyzed.

A thermodynamic model of the Kaukas energy production system has been created. The cost calculations and optimization of the energy production are based on the thermodynamic model of the system. The objective of optimization is to determine the most cost-effective way of running the boilers in the operating conditions of a given moment. In optimization, increasing the use of natural gas and reducing the power generation have been outlined as the methods for increasing the heat production. At the end, the effects of varying the price of natural gas and electric power as well as the ambient temperature have been demonstrated.