Kaukolämpöverkon keskipaineen dynaaminen optimointi energiajärjestelmän murroksessa

Abstract

Tässä diplomityössä tarkastellaan Helsingin kaukolämpöverkon keskipaineen hallintaa energiajärjestelmän murroksessa. Verkko koostuu kahdesta eri painetasolla toimineesta hydraulisesti erillisestä kokonaisuudesta, joiden yhdistäminen on tuotantorakenteen muutoksen myötä ajankohtaista. Keskipainekokeet osoittivat kuitenkin, että kiinteään asetusarvoon perustuva säätö ei mukaudu vaihteleviin käyttötilanteisiin, mikä rajoittaa verkon siirtokapasiteetin hyödyntämistä.

Työn tavoitteena on tunnistaa keskipaineen hallinnan keskeiset rajoitteet ja kehittää dynaaminen säätöratkaisu, joka mahdollistaa verkkojen turvallisen ja energiatehokkaan yhdistämisen. Työssä analysoidaan verkon hydraulisia ominaisuuksia ja keskipainekokeiden tuloksia sekä arvioidaan paine- ja pumppausrajoitteiden vaikutusta hydrauliseen tehonsiirtokykyyn.

Tuloksena kehitettiin dynaaminen optimointimenetelmä, joka perustuu menopaineen nostovaran ja paluupaineen laskuvaran samanaikaiseen tarkasteluun. Menetelmä säätää keskipainetta reaaliaikaisesti siten, että verkon hydraulinen käyttövara hyödynnetään tehokkaasti muuttuvissa tuotantotilanteissa. Lisäksi ratkaisu koordinoi useiden tuotantolaitosten toimintaa, huomioi pumppauskapasiteetin rajoitteet ja ohjaa lisäveden valmistusta kustannustehokkaasti.

Tulosten perusteella esitetty optimointimenetelmä parantaa yhdistetyn verkon siirtokapasiteetin hyödyntämistä, tukee käyttövarmuutta ja ohjaa lisäveden valmistusta kohti kustannustehokkaampaa tuotantojakaumaa.

This thesis examines mean pressure control in the Helsinki district heating network during the ongoing energy transition. The network consists of two hydraulically separate systems that have historically operated at different pressure levels. Due to changes in the production structure, the integration of these networks has become increasingly relevant. However, mean pressure tests showed that control based on a fixed setpoint does not adapt to varying operating conditions, which limits the utilization of the network’s hydraulic transmission capacity.

The objective of the thesis is to identify the key limitations of mean pressure control and to develop a dynamic control solution that enables the safe and energy-efficient integration of the networks. The work analyzes the hydraulic characteristics of the network and the results of mean pressure tests, with particular focus on the effects of pressure and pumping constraints on hydraulic transmission capacity.

As a result, a dynamic optimization method was developed based on the simultaneous evaluation of the supply pressure increase margin and the return pressure decrease margin. The method adjusts the mean pressure in real time so that the available hydraulic margin of the network is utilized efficiently under varying production conditions. In addition, the solution coordinates the operation of multiple production plants, accounts for pumping capacity constraints, and guides make-up water production in a cost-efficient manner.

The results indicate that the proposed optimization method improves the utilization of transmission capacity in the integrated network, supports operational reliability, and guides make-up water production toward a more cost-efficient production distribution.