Start / Stopp Problematikk; Kjøremønsterrelaterte kostnader for vannkraftverk

Transkript

1 Start / Stopp Problematikk; Kjøremønsterrelaterte kostnader for vannkraftverk PRESENTASJON - EBL Maskinteknisk Forum 20. juni 2008 i Wales Jens R. Davidsen

2 Rammebetingelsene Det nye kjøremønsteret og innvirkninger på kraftverkene og energiproduksjonen i Norge er forklart som følger i tilsvarende prosjekter tidligere: Tradisjonelt har norske vannkraftverk vært designet og bygd med tanke på en mest mulig jevn energiproduksjon med et begrenset antall start/stopp. Med et deregulert og internasjonalisert marked for kraft de senere årene har imidlertid mange kraftverk har fått et endret driftsmønster med langt flere start/stopp og hyppigere og større lastendringer enn tidligere. Denne utviklingen må nødvendigvis medføre økt slitasje på tekniske komponenter i anlegget. Det er gjort få analyser for å undersøke i hvilken grad den økte slitasjen påvirker anleggets tekniske levetid og gir behov for økt vedlikehold, og dermed medfører økte kostnader for kraftverkseier. Spørsmålet er hvor mye en skal legge til gjeldende spotpris for å være villig til å starte og stoppe aggregater i takt med et varierende marked. side 2

3 Litt statistikk: Fra 1993 til 2000 var det en tredobling i antall start-stopp og det var videre en dobling fra 2001 til I en nær fremtid ser man også for seg mer effektkjøring og mer regulerkraft fra det norske kraftsystemet som ytterligere kan påvirke kjøremønsteret. Faktorer som påvirkes og må konkretiseres og kostnadsberegnes / kostnadsestimeres er -redusert teknisk levetid -økt behov for vedlikehold -økt risiko for havari -redusert tilgjengelighet -fare for personsikkerhet og miljø side 3

4 Noen tidligere Start-Stopp prosjekter a) Start- og stoppkostnader for vannkraftaggregat [EBL 2002] b) Start/stopp-kostnader for vannkraftverk [SINTEF] c) Start/Stopp-kostnader i magasinverk [AEP 2006] Kort om mål og resultater i de tre prosjektene: a) Start- og stoppkostnader for vannkraftaggregat [EBL 2002] -Systematisk gjennomgang av komponenter med hensyn til slitasje og feil -Forbedring av start-stoppforløpet med hensyn til påkjenninger -Metodikk (regneark) for detaljert beregning av start-stoppkostnader Start-stoppkostnaden = (Turbineffekt [MW] x 10 [kr/mw] [kr]) ± 50% side 4

5 b) Start/stopp-kostnader for vannkraftverk [SINTEF] Problemstillinger rundt fastsettelse av start/stopp-kostnader for vannkraftaggregat i et overordnet perspektiv; bør utvikle generelle matematiske metoder basert på statistikk og revisjonskostnader og - intervaller. Slike generelle metoder krever få inngangsparametre, og gir sannsynligvis et like nøyaktig svar. c) Start/Stopp-kostnader i magasinverk [AEP 2006] Kostnad pr. start/stopp: ca kr 4.000,- samt et påslag på 40% for usikkerhet -Kostnad pr. start/stopp er sannsynligvis ingen god indikator på hvordan et anlegg kan kjøres -Beregnede start/stopp-kostnader er for lave -EBL-modellen (regnearket) må videreutvikles side 5

6 Kjøremønsterrelaterte kostnader for vannkraftverk Startet på initiativ fra Statkraft støttet av AEP. Bygger på de tre ovennevnte prosjektene. Administrert av SINTEF Energiforskning for EBL Kompetanse og er organisert som et nytt delprosjekt under Verdiskapende vedlikehold innen kraftproduksjon (VVK) i tilknytning til DP2 Levetidskurver for vedlikeholdsstyring. Het opprinnelig Start/stopp kostnader i vannkraftverk, men navnet og prosjektets innhold ble tidlig endret til Kjøremønsterrelaterte kostnader for vannkraftverk med start-stopp som et viktig element. Bred deltagelse fra produsenter, konsulenter og leverandører. [Agder Energi Produksjon, Alstom Vannkraft, EB Kraftproduksjon, Eidsiva Energi, Norsk Hydro, Rainpower, Norconsult, BKK Produksjon, E-CO Vannkraft, Hafslund, SN Power, Statkraft] Tidshorisont; forsiktig start desember 2007 med ferdigstillelse i løpet av februar 2009 side 6

7 Hovedelementer er -Oppdatering av eksisterende modell -Erfaringer med eksisterende modell -Videreutvikling av kostnadsmodellen Eksisterende beregningsmodell er allerede oppdatert og gjort tilgjengelig i prosjektets eroom. Det er marginalkostnader, dvs. kostnadene i forbindelse med en ekstra start/stopp-sekvens som beregnes i den eksisterende modellen. Blant deltakerne i prosjektet er modellen for øvrig ikke mye brukt. side 7

8 Videre jobbes det med bl.a. følgende -Kjøring utenfor aggregatets bestpunkt; belastninger og sløsing med vann (tapt produksjon) pga dårligere virkningsgrad -Økt sannsynlighet / risiko for svikt med store konsekvenser og følgeskader -Vannveien (utstyr i vannveien) bør tas med i modellen siden den er utsatt for slitasje ved start/stopp -Vannveien i seg selv bør også tas med fordi endret kjøremønster kan gi mer sand gjennom maskinene -Datainnsamling; kvantifisering av hvor mye kjøremønstrene har endret seg (antall starter, kjøring utenfor bestpunkt, ) -Utvide modellen slik at både marginal- og gjennomsnittskostnader beregnes Og ikke minst: Involvere BRUKERNE fra marked / produksjonplanlegging i videreutviklingen av modellen. side 8

9 Relaterte prosjekter [EBL \ SINTEF] Prosjektet er (som nevnt) organisert som et nytt delprosjekt under - DP2 Levetidskurver for vedlikeholdsstyring (AG2) Levetidskurver for kritiske komponenter i kraftverk og et programvareprodukt for oppdatering av levetidsdata basert på ekspertvurderinger, tilstandsdata og driftsstatistikk. DP2 omfatter bl.a. følgende aktiviteter -Spesifisere tilstandskriterier og tilstandsatlas -Etablere levetidskurver for komponenter og sviktmekanismer Historiske drifts- og feilstatistikker kan ha begrenset gyldighet ettersom de er basert på et annet kjøremønster / produksjonsregime. Tilstandskontroll / tilstandsdata, levetidskurver og fare for svikt / havari er viktig. side 9

10 Kilde:Verdiskapende Vedlikehold \ AG11 M Prosjektpresentasjon.ppt Håndbøker for tilstandsfastlegging Sannsynlighet For svikt Tilstandsdata + Teknisk tilstand Idriftsettelse, rehabilitering, etc. Driftserfaringer Ekspertvurderinger TC 1 TC 2 + TC 3 T 1 T 2 T 3 T 4 TC 4 TC 5 Svikt Tid [år] side 10

11 Kostnader og Tekniske restriksjoner Den eksisterende beregningsmodellen er veldig detaljert, og kan / bør neppe brukes i daglig drift, men sammen med kompetanse og erfaring brukes til å lage enklere verktøy for å bestemme kjøre eller ikke kjøre. Beregnede kostnader er i stor grad spesifikke for hver maskin eller kraftstasjon. Beregnede kostnader må også betraktes som ferskvare (avhengig av maskinens tilstand, hvor sentral maskinen til enhver tid er i et nett / område, aktuell konsekvens av et havari / tilgjengelighet, ) og trenger ofte oppdatering. Arbeidet bør imidlertid stor grad vinkles mot detaljerte tekniske restriksjoner for å redusere risiko for havari og store kostnader (nedetid / vanntap og utstyrskost). Dette elementet er i liten grad ivaretatt i de foregående arbeidene. En mulighet er å velge seg ut noen hardhauser / tøffinger blant maskinene som tåler juling og med begrensede tekniske restriksjoner la dem ta støyten, mens pinglene kjøres på bestpunkt med minimalt av regulering og start-stopp. side 11

12 Komponenter, Belastninger\påkjenninger, Konsekvenser Generelt Ved start/stopp vil generatoren bli utsatt for termiske, elektriske og mekaniske påkjenninger pga store og ofte raske effektendringer som fører til store temperaturendringer i generatorviklingene samt store transiente svingninger. Ved start/stopp utsettes turbiner og vannvei for store mekaniske påkjenninger og slitasje avhengig av fallhøyde, vannkvalitet og turbintype. Komponenter som er mest utsatt side 12

13 Vannvei Kilde:TR Feilstatistikk for vannkraftaggregater og kontrollutstyr Luke / ventil Varegrind Rørledning Turbin Lager Ventil Løpehjul Ledeapparat Generator Hva vil det nye kjøremønsteret føre til; Lager De samme hovedkomponentene vil feile Stator Fordelingen kan bli en annen Rotor side 13

14 Type belastninger avhengig av driftstilstand Sviktmekanisme -Utmatning Høyfrekvent Lavfrekvent -Kavitasjon -Erosjon Sanderosjon Kavitasjonserosjon -Korrosjon -Mekanisk slitasje -Deformasjoner -Vibrasjoner -Lekkasje -Subbing -Rivning - side 14

15 Konsekvenser for aggregat / hovedkomponenter The Runner; the Heart of the Turbine side 15

16 Litt om utmatning i høytrykks Francis løpehjul -En puls hver gang skovlen passerer ledeskovlen -Levetid avhengig av antall lastvekslinger og lastspekter; frekvens og amplituder -Eventuelt sprekker på avløp mot ring der spenningene er høyest Vanlig levetid for et løpehjul er til lastvekslinger, og ca 30 år. -Hva skjer med endret kjøremønster? -Får vi økt sannsynlighet for havari; mer hai i sugerøret? side 16

17 side 17 staært av Harry T \ 06 Markjelke-LSima-Kvilldal-Tysso2 lysbilder.ppt

18 Paradigmeskiftet Påstand Forholdet mellom prisen på energi (OG POTENSIELLE TAP) og kostnadene for utstyr og bemanning har endret seg vesentlig. Gamle / eksisterende maskiner -Kjørerestriksjoner og valg av tøffinger til å kjøre effekt og regulere -For tøffingene regime med med god tilstandskontroll, omfattende vedlikehold samt høy beredskap for reparasjoner og med reservedeler (også stasjoner med Francisturbiner har reservehjul!) slik at man hurtig kan få maskinen på nett igjen hvis noe går galt. Nye maskiner; Fremtidens kraftstasjoner har -Maskiner lagt ut bredt / designet for å tåle det nye kjøremønsteret -Maskiner og kraftstasjoner designet for hurtig utskifting av kritiske komponenter ( demontering nedover, god plass til håndtering, ) -Høy bemanning og kompetanse (sveisere, slipere, ) -Utskifting av kritiske komponenter, periodisk og / eller ved stor slitasje / havari -Mye reservedeler / reserve komponenter side 18

19 Lært på turen Dinorvig Robust utstyr; -Designed for 40 mode changes per day per unit ( per year) -Actual mode changes per year per unit + numerous load changes Høy bemanning [høyere enn sammenlignbare virksomheter]; -Egen engineering; 20 ingeniører (maskin, elektro, instrumentering, bygg) -Vedlikeholdspersonell; 7 mann døgnkontinuerlig (35 mann \ 5 skift) Very clean water; The spare runner not ever used after 25 years! side 19

20 side 20