Instuderingsfrågor Lösningar Thermal eng kap 3-4 - Tfe

Instuderingsfrågor Lösningar Thermal eng kap 3-4
THERMAL ENGINEERING (Björn Kjellström, LTU)
KAP 3. Energy system
1. Beskriv kortfattat hur en energianläggning tillkommer
Till att börja med krävs ett faktiskt eller förväntat behov av energi. Den som initierar
ett energiprojekt kan antingen vara en energianvändare eller en producent som vill
förse användarna med energi. Ett energiprojekt kan delas in i tre olika faser:
planering och utvecklingsfas (planning and design phase), genomförandefas
(implementation phase) och en igångsättningsfas (commisioning phase).
I inledningsskedet är det viktigt med att utvärdera det framtida energibehovet.
Därefter bör man bestämma sig för några olika alternativa anläggningar som kan
vara aktuella. Man bör således också bestämma sig för en möjlig
produktionskapacitet och vilket det primära bränslet ska vara.
När man bestämt sig för vilken sorts anläggning som är lämplig gör man en mer
detaljerad planering av anläggningen och utvärderar kostnaden för en sådant.
Dessutom tar man reda på förhållandena på byggplatsen samt vilken miljöpåverkan
anläggningen kan komma att få.
Diverse tillstånd från berörda myndigheter måste också erhållas innan byggnationen
kan starta
Under genomförandefasen inköps utrustning, och anläggningen färdigställs.
Personalen som ska komma att arbeta på anläggningen anställs i ett tidigt skede för
att de ska kunna få insikt i anläggningens alla detaljer.
Uppstartsfasen handlar om att man kontrollerar att alla anläggningens delar fungerar
som de ska och möter det krav som beställaren ställt. Under den här fasen utförs
också kontroller av olika myndigheter innan man får klartecken att starta upp
anläggningen på riktigt.
2. Visa hur man konstruerar ett konsekutivt varaktighetsdiagram urifrån diagram för tex.
Elförbrukning
3. Varför lägger man ner så stor möda på kartläggningar av el- och värmeförbrukming
Vid projektering av en ny anläggning är det viktigt att veta hur stort
försörjningsbehovet i dagsläget och hur stort det potentiella kan vara. Detta gör man
för att dimensionera anläggning rätt; i vissa lägen kan det gynna att
överdimensionera inför en framtida expansion.
4. Beskriv översiktligt två metoder för att prediktera framtida energibehov
Den första metoden går ut på att man samlar på sig information om
energianvändningen de senaste åren och antar att denna trend kommer att fortsätta
på ett liknande sätt i framtiden. Denna metod är relativt enkel att använda men inte
särskilt tillförlitlig.
Den andra, lite mer avancerade, metoden går ut på att man först definierar vilka typer

av energianvändare man ska ta hänsyn till. Därefter ska man bedöma den årliga
energianvändningen för var och en av typerna och kanske även dess tidsvariation.
Sedan ska man förutsäga hur många användare det kommer att finnas av varje
kategori i framtiden för att till sist ur detta beräkna den totala framtida
energianvändningen.
5. Vilka kategorier av energianvändare finns i sverige, vad är poängen med att skapa
dessa kategorier
Kategorierna är;
energiproduktion, industri, transport och övriga användare
Syftet med att skapa dessa kategorier är att lättare kunna förutsäga energibehovet i
framtiden. Då varje kategori består av element med liknande energibehov kan bättre
prediktioner göras.
6. Vad innebär begreppen ”demand factor” och ”group diversity factor”? Förklara varför
dessa är så varierande mellan olika användarkategorier
- Demand factor säger hur stor del av den installerade effekten som utnyttjas då en
användare ligger på sin maximala förbrukning.
DF =
maximal
_ förbrukning
installerad
_ effekt
DF beror av vad det är för slags användare. Ett hotell t ex har en hör installerad
effekt men ofta inte så hög förbrukning och har därför ett DF på omkring 25 %.
- Den maximala efterfrågan/förbrukningen kommer inte samtidigt för en grupp
användare med samma energiförbrukning. Group diversity factor tar hänsyn till detta.
summan _ av _ användarnas
_ max imala _ efterfrågan
GDF =
gruppens _ maximala
_ efterfrågan
Ett bostadsområde ger ett högre värde än t ex en industrianläggning eftersom
industrin kör nästan med konstant effekt medan bostadsområdet utgöres av många
små användare som har sin toppförbrukning på olika tid.
7. Vad är sveriges ambition för säkra el-leveranser?
I Sverige har man som målsättning att man inte ska sakna kapacitet att mata det
nationella elnätet mer än en timme per år. Det medför en sannolikhet för bortfall på
högst 10-4.
8. Förklara varför det är samhällsekonomiskt försvarbart med överkapacitet i
elproducerande enheter och i elnätet.
Det beror på de stora kostnader som uppkommer vid elbortfall. se tab. 3.2)
9. Beräkna time availability, energy availability och power availability utifrån
definitioner och figure 3-12 om tidpunkterna 1-7 infaller enl.:
1. t = 3000 h (P minskar till 60%)
2. t = 3500 h
3. t = 4000 h
4. t = 4500 h

5. t = 5000 h (P ökar till 35%)
6. t = 7000 h (P ökar till 55%)
7. t = 8500 h
10. Vilken del i en ångkraftsanläggning är den som är oftast trasig?
Pannan (se tabell över tillförlitlighet)
11. Varför bygger man upp system med många parallella producerande enheter?
Man bygger upp system med många parallella producerande enheter för att öka
reliabiliteten (tillförlitligheten) hos anläggningen som helhet.
12. Vad är en typisk överkapacitet i ett distributionssystem för el?
Överkapacitet existerar för att ha en viss tillförlitlighet i systemet. Bara en väldigt
liten del av tiden ligger man på pikeffekt så oftast av tiden har man hela tiden en viss
överkapacitet i systemet. För att skapa en hög tillförlitlighet även då pikeffekt uppnås
har man en extra installerad effekt över pikeffekten som går in om några
”standardkraftverk” faller bort. I detta fall krävs något snabbreglerbart, t ex
vattenkraft. (spekulation)
13. Beskriv metoden för att beräkna sannolikheten för att ett system av elproducerande
enheter kan med en viss sannolikhet klara att leverera den nödvändiga effekten till ett
system av användare.
Med kännedom av de elproducerande enheternas tillgänglighet kan sannolikheten för
respektive fall räknas ut, alltså sannolikheten att alla enheter fungerar, endast en
enhet fungerar osv. Utifrån detta kan sannolikheter för olika stora produktionsbortfall
beräknas. Detta kombinerat med lastkurvan ger sannolikheten för att inte klara
effektbehovet för de olika stora produktionsbortfallen.
Genom att multiplicera sannolikheten för respektive last med sannolikheten för att
dess last inte tillgodoses fås sannolikheten för att detta driftsfall inträffar. Adderas
sedan dessa sannolikheter fås den totala sannolikheten för att de elproducerande
enheterna inte skall klara lasten.
Övningsuppgifter: 67
KAP 4. Energy economics
14. Rita ett schematiskt cash-flow diagram och visa hur pengaflödet ser ut över en
anläggnings livslängd. Visa även när pay-back uppnås.
Cash- Flow för en anläggning:

A-B: Planeringsstadiet
B-C: Konstruktions- och överlämnandestadiet
C-D: Återbetalningsperiod, Pay-back time då kurvan skär x-axeln
D-E: Produktionsfas
E-F: Period med lägre avkastning pga försämrad produktionskapacitet
beroende på anläggningens ålder.
F-G: Period med negativ avkastning pga att anläggningen tagits ur
produktion, men ”gamla kostnader lever kvar”.
15. Varför är känslighetsanalyser mycket viktiga när man gör beräkningar inför
nyinvesteringar av energianläggningar?
När en ny energianläggning ska projekteras är bl.a. valet av bränsle en känslig
parameter. Bränslepriserna varierar mycket och val av fel bränsle kan bli en dyr
affär. När man gör en känslighetsanalys tas hänsyn till sådana känsliga parametrar, i
det här fallet bränslepriset. Valet kan då falla på en anläggning som inte är mest
fördelaktig under de mest sannolika omständigheterna, men som istället är stabil och
okänslig för prisförändringar och inte leder till höga kostnader under ofördelaktiga
förhållanden.
16. Vad är skillnaden mellan nominell och reell ränta?
Nominellränta är en ränta utan hänsyn tagen för inflation, till skillnad från reell ränta
som inkluderar infationen.
17. Vad dominerar de fasta resp. de rörliga kostnaderna för energianläggningar?
Fasta kostnader domineras av kapitalkostnader från investeringen, medan
bränslekostnader dominerar de rörliga.

18. Om en 50 MW panna kostar 2 MSEK/MW att bygga, vad bör då en 200 MWanläggning
av samma typ kosta per MW?
19. Jämför metoden med faktorer för uppskattning av investeringskostnad med den
simplare skalfaktormetoden.
20. Varför har större anläggningar generellt sett bättre verkningsgrad än små
anläggningar? Förklara utifrån ekonomiaspekter vid investering
Investeringskostnaden är inte proportionell mot storleken, utan mindre. Dvs. man
tjänar på att öka verkningsgraden genom extra investeringar (tex. Högre panntryck,
Fler mavaförvärmare etc. i en stor anläggning. Dessa investeringar lönar sig inte i en
liten anläggning.
21. Förklara varför man i vissa anläggningar har valt en dyrare mer flexibel anläggning är
en som är optimerad för maximal effektivitet?
– Innan valet av anläggning görs brukar en känslighetsanalys genomföras där effekter
av skäliga variationer av osäkra parametrar illustreras. När detta är gjort för de olika
alternativen kan man förhoppningsvis se vilken typ av anläggning som bäst uppfyller
de krav som anläggningen måste möta. I vissa fall har man valt en dyrare, mer flexibel
anläggning för att den ska vara lönsam även om förutsättningarna ändras. En flexibel
anläggning kan bättre klara av förändringar som till exempel:
• Inflation
• Bränslepriser
• Skatter
• Striktare miljölagar
• Ekonomisk livslängd, underhåll/reparationer
Men valet av anläggning beror på, som sagts ovan, vilka krav anläggningen måste
uppfylla.
22. Uppskatta en investeringskostnad för ett 50 MW kraftvärmeverk (15 MWe): med
faktormetoden. Räkna med utgångspunkt från data (medelvärden!) i tabell 4.4 och
appendix 4.4. Följande komponenter kan tänkas ingå:
Två matarvattenpumpar, en luft- och en rökgasfläkt;
Pannan, turbinen, två kondensorer, tre mava-förvämare, Mava-tank
Rökgasreningsutrustning, Generator, Pannhus
23. Upprepa beräkningarna där fyra olika anläggningar jämförs (tab. 4.7), fast nyttja
uppdaterade värden för bränslekostnader.
24. Hur kan man beräkna specifika kostnader för elproduktionen i ett kraftvärmeverk?
Man beräknar först kostnaderna för en hetvattenanläggning med motsvaradne
värmeproduktion som kraftvärmeverket. Sedan får man den specifika kostnaden för
elproduktionen som merkostnaden för kraftvärmeverket jämfört med det enklare
värmeverket.
25. Beskriv hur man hittar optimal fördelning av drift mellan två parallella elproducerande
anläggningar
Kostnaden för att köra en viss anläggning A kan uttryckas som:
Ca=FaPa+DaPaTa där Fa är den fasta kostnaden för anläggningen. Da är den rörliga
kostnaden som beror av drifttiden Ta. Enligt nedanstående diagram ser vi att A har en
lägre fast avgift men högre rörlig avgift än B.

Om två olika anläggningar ska köras på optimalt sätt kan den optimala fördelningen
av drifttiden beräknas ur ett varaktighetsdiagram. Om anläggningarna tillsammans
kan leverera Pmax kan brytpunkten då det är dags att starta anläggningen med högre
rörlig kostnad (anläggning A) beräknas enligt P*=Pmax-Pa. Enligt
varaktighetsdiagrammet ska A köras så att areorna under varaktighetskurvan blir
desamma.
För att optimera driften med avseende på kostnaden kan Ctot=Ca+Cb ställas upp som
en funktion av t*. Om man deriverar denna funktion kan man beräkna den optimala
tidsfördelningen enligt:
t*=(Fb-Fa)/(Da+Db)=T*