Innovaatio säätää vesivoimalaa entistä nopeammin ja tarkemmin

 
 

PVO-Vesivoiman ja Oulun yliopiston tutkijoiden kehittämä innovaatio mahdollistaa vesivoimalaitoksen sähköntuotannon säätämisen aiempaa paljon nopeammin ja tarkemmin. Säätökykyä parannetaan, jotta kyetään tekemään entistä laadukkaampia säätöreservituotteita.

Sähkön tuotantoa on säädettävä vastaamaan sähkön kulutusta hetkestä toiseen. Tämä yhtälö monimutkaistuu sitä mukaa, mitä enemmän sähköä tuotetaan tuulella ja auringolla. Kulutuksen lisäksi myös sähkön tuotanto vaihtelee yhä enemmän.

Tämän vuoksi tarvitaan entistä nopeammin ja tarkemmin reagoivaa säätövoimaa. Tätä edellyttää myös kantaverkkoyhtiö Fingrid tulevaisuudessa.

Merkittävä yhteistyöhanke yhdessä yliopiston kanssa

PVO-Vesivoiman ja Oulun yliopiston tärkeässä yhteistyöprojektissa tutkijatohtori István Selek teknillisestä tiedekunnasta loi yhdessä PVO-Vesivoima Oy:n asiantuntijoiden kanssa täysin uudenlaisen turbiinisäätäjän. Oulun yliopistolta mukana työssä oli myös diplomityöntekijä Joni Vasara.

Tuloksena on säätäjä, joka pystyy kontrolloimaan voimalaitoksen tuotantoa aikaisempaan verrattuna huomattavasti nopeammin ja tarkemmin.

Kaksivuotinen yhteistyöprojekti tuli maaliin joulukuussa 2019. Silloin kolmella Iijoen voimalaitoksella käyttöön otettu turbiinisäätäjä kävi läpi Fingridin viralliset säätökokeet. Neljä osaprojektia käsittävä hanke vietiin päätökseen.

Laadukkaampaa säätöä

‒ Uusi turbiinisäätäjä on ollut käytössä kuudella tuotantoyksiköllä joulukuun puolivälistä lähtien. Se on toiminut moitteettomasti. Tavoitteena on ottaa uudet säätäjät käyttöön kaikilla kahdeksalla PVO-Vesivoiman voimalaitoksella vuoden 2021 loppuun mennessä, käynnissäpidon asiantuntija Tommi Hansen-Haug PVO-Vesivoimasta kertoo tyytyväisenä.

Tommi Hansen-Haug PVO-Vesivoimasta ja István Selek Oulun yliopistolta kehittivät täysin uudenlaista turbiinisäätäjää. Tiiviisti projektissa oli PVO-Vesivoimasta myös Antti-Pekka Sipola ja diplomityöntekijä Joni Vasara.
Tommi Hansen-Haug PVO-Vesivoimasta ja István Selek Oulun yliopistolta työskentelivät turbiinisäätäjän kehitystyössä.

Hansen-Haug oli HYPE-hankkeen (Improvement of Hydropower Plant Control Performance) projektipäällikkö. PVO-Vesivoiman puolelta hankkeessa mukana oli tiiviisti myös käyttöpäällikkö Antti-Pekka Sipola.

‒ Teemme uudenlaisen säätäjän avulla laadukkaampaa tuotetta eli tehokkaampaa säätöä. Se on hyvä asia kantaverkon taajuudelle ja sähkön laadulle, Hansen-Haug huomauttaa.

Miinuspuolikin on:

‒ Kone säätää nyt enemmän eli tekee enemmän töitä. Se tarkoittaa, että turbiini myös kuluu enemmän. Tämä lyhentää sen käyttöikää, mutta emme vielä tiedä, paljonko.

Jokin hidasti säätöä, mutta mikä?

Pari vuotta sitten PVO-Vesivoimassa herättiin tarpeeseen kasvattaa vesivoimalaitosten säätökykyä eli sitä, miten nopeasti voimalaitos reagoi käskyyn lisätä tai vähentää sähköntuotantoa. Näköpiirissä oli, että kantaverkkoyhtiö Fingrid edellyttää jo lähivuosina säätöön osallistuvilta voimalaitoksilta entistäkin rivakampaa, jopa alle sekunnin vastetta.

Yhtiössä havaittiin, että jokin säätökykyä hidastaa. Ei ollut kuitenkaan varmuutta, mikä.

Pullonkaula löytyi teorian pohjalta

Tästä selvitystyöstä käynnistyi syksyllä 2017 HYPE I -projekti Kierikin voimalaitoksella Iijoella. István Selek oivalsi hitauden syyn nopeasti.

‒ Hydrodynamiikasta ei voinut olla kyse, sillä hydrodynaamiset järjestelmät reagoivat muutoksiin nopeasti. Pullonkaula ei siten voinut olla itse laitoksen prosessissa. Sen täytyi löytyä muualta, István Selek kertaa kaksi vuotta myöhemmin.

Selek epäili syypääksi turbiinisäätäjää. Teoria piti kuitenkin todentaa.

HYPE I: mallinnus ja voimalaitossimulaattori

HYPE I -osaprojektissa pullonkauloja lähdettiin etsimään tietokonemallinnuksen avulla. Projektissa Kierikin vesivoimalaitoksen vesiteistä ja turbiineista tehtiin matemaattiset mallit. Niistä valmistettiin edelleen dynaaminen malli, voimalaitossimulaattori. Sen avulla voimalaitoksen käyttäytymistä voitiin tutkia erilaisissa ajotilanteissa.

Simulaatioiden perusteella turbiinisäätäjä todellakin osoittautui hitauden syyksi.

Vuoden 2018 alussa teoreettista mallia todennettiin kokeissa itse voimalaitoksella. Talven ja kevään 2018 aikana Kierikissä tehtiin lisää kokeita ja kerättiin dataa. Malli toimi erinomaisesti, ja ymmärrys laitoksen fysiikasta kasvoi.

HYPE II: uudenlaisen säätäjän suunnittelu ja simulointi

Syksyllä 2018 seurasi HYPE II -osaprojekti. Siinä testattiin hypoteesia hitauden syystä, turbiinisäätäjästä, ja pohdittiin, mitä asialle voisi tehdä. Osaprojektissa suunniteltiin täysin uudenlainen turbiinisäätäjä ja simuloitiin sen toimintaa.

Vuoden 2018 lopulla ilmassa oli vielä paljon epävarmuutta.

‒ Silloin meillä oli säätäjästä vasta kokeiluversio. Oikeassa voimalaitoskoneistossa sitä ei vielä ollut testattu lainkaan, ei edes sen tyyppistä säätäjää. Olimme vielä ohjelmistokehitysvaiheessa, Hansen-Haug kuvaa.

Säätäjän prototyypin testaukset alkoivat vuoden 2019 puolella.

‒ Se oli alkeellinen versio nykyiseen, lopulliseen säätäjään verrattuna. Pystyimme kuitenkin tekemään sillä jopa säätökokeet niin, jotka olivat menestys. Se antoi uskoa onnistumisesta.

HYPE III: tuotekehitys loppuun

HYPE III -osaprojekti alkoi heti käytännön testien jälkeen, kesän 2019 korvalla. Nyt tuotekehitys vietiin loppuun ja prototyyppi jalostettiin tuotteeksi.

Säätäjä valmistui kesällä. Elokuussa sitä alettiin testata Kierikin voimalaitoksen ykköskoneella. Kun lopullinen versio oli testattu, PVO-Vesivoima investoi uusiin, tehokkaampiin säätäjälogiikoihin kaikille kuudelle koneelle kolmella Iijoen voimalaitoksella, Kierikissä, Maalismaalla ja Pahkakoskella.

Sarjan viimein osaprojekti, HYPE IV, käsitti säätäjän kehitystyön taustalla olleiden teoreettisten perusteiden kuvauksen ja dokumentaation. Sen teki Joni Vasara diplomityönään.

Hanke osoittaa teorian ja käytännön yhteyden

István Selekin näkökulmasta koko HYPE-projektien sarja on hyvä osoitus teorian ja käytännön yhteispelistä.
Kun teorian tuntee syvällisesti, se saadaan palvelemaan käytäntöä erinomaisesti.

‒ HYPE-sarja vahvistaa tämän hyvin. Tosin aivan yksinkertaista se ei ollut, Selek naurahtaa.

Tommi Hansen-Haug antaa täyden tunnustuksen Selekille.

‒ Hänen ansiotaan on, että säätäjäkysymys tuli nopeasti pinnalle, samoin se, että olemme tehneet aivan oman säätäjän.

Teksti: Riitta Gullman