VESA HYTÖNEN VOIMALAITOSTEN SUURITEHOISTEN NOPEUSSÄÄDETTYJEN SÄHKÖKÄYTTÖJEN INVESTOINTIKUSTANNUSTEN OPTIMOINTI Diplomityö

Tarkastaja: professori Heikki Tuusa

Tarkastaja ja aihe hyväksytty Tieto- ja

sähkötekniikan tiedekuntaneuvoston

kokouksessa 1. toukokuuta 2010

II

TIIVISTELMÄ

TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Automaatiotekniikan koulutusohjelma HYTÖNEN, VESA: Voimalaitosten suuritehoisten nopeussäädettyjen sähkökäyttöjen investointikustannusten optimointi Diplomityö, 66 sivua, 8 liitesivua Joulukuu 2010 Pääaine: Teollisuuden sähkönkäyttötekniikka Tarkastaja: professori Heikki Tuusa Avainsanat: Investointikustannukset, pyörimisnopeussäädetty käyttö, voimalaitos

Voimalaitoksissa on usein käytössä prosessin kannalta välttämättömiä nopeussäädettyjä sähkökäyttöjä, jotka voivat olla nimellisteholtaan yli 500 kilowattia, jopa useita mega-watteja. Tällaiset käytöt ovat yleensä pumppu- tai puhallinkäyttöjä. Näiden pumppu- ja puhallinkäyttöjen lukumäärä ja suuri tehon tarve vaikuttavat merkittävästi voimalai-toshankkeen investointikustannuksiin sekä hankintavaiheessa että voimalaitoksen elin-kaaren aikana. Tässä työssä tarkastellaan taulukkolaskentaan perustuvaa suunnittelutyö-kalua, joka on suunniteltu helpottamaan suuritehoisten nopeussäädettyjen sähkökäyttö-jen erilaisten investointivaihtoehtojen investointikustannusten vertailua. Työn tavoittee-na on selvittää, kuinka esimerkiksi sähkökäytön käyttöjännite ja vuotuinen käyttöaste vaikuttavat investoinnin kokonaiskustannuksiin.

Työn tutkimukset voidaan jakaa kolmeen osaan: Kirjallisuustutkimusosassa tarkas-tellaan, mikä tarkasteltavien sähkökäyttöjen tehtävä on voimalaitosprosessissa ja kuinka niitä mitoitetaan. Lisäksi selvitetään, mitä investoinnin suunnittelulla tarkoitetaan ja kuinka investointihanke etenee. Suunnittelutyökalun esittelyosassa tarkastellaan, mitä laitteita eri investointivaihtoehtojen toteuttaminen vaatii ja kuinka kustannusten laskenta on toteutettu työkalussa. Kustannustarkasteluosassa esitellään suunnittelutyökalun avul-la laskettuja investointikustannuksia. Tarkemmin tarkastellaan investointivaihtoehtojen kustannusten jakautumista eri tekijöihin ja sitä, kuinka eri vaihtoehtojen kustannukset käyttäytyvät tehon ja vuotuisen käyttöasteen muuttuessa.

Tutkimus osoittaa, että huomattavimmat erot eri investointivaihtoehtojen kesken riippuvat siitä, käytetäänkö tarkasteltavan vaihtoehdon taajuusmuuttajaa ja oikosulku-moottoria keski- vai pienjännitteellä. Hankintakustannukset ovat keskijännitevaihtoeh-doilla pienjännitevaihtoehtoja suuremmat, koska keskijännitevaihtoehtojen aine-, työ- ja rakennuskustannukset ovat selvästi suuremmat. Jos tarkastellaan vain investoinnin välit-tömiä kustannuksia eli hankintakustannuksia, kannattaa valita pienjännitevaihtoehto. Voimalaitoksen elinkaaren aikana juoksevasti syntyvät kustannukset eli häviö- ja jääh-dytyskustannukset vaikuttavat merkittävästi investoinnin kokonaiskustannuksiin. Vai-kutus on sitä suurempi, mitä suurempi on sähkökäytön vuotuinen käyttöaste. Kun säh-kökäytön nimellistehoa kasvatetaan, pienjännitevaihtoehtojen juoksevasti syntyvät kus-tannukset kasvavat huomattavasti nopeammin kuin keskijännitevaihtoehdoilla.

III

ABSTRACT

TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master's Degree Programme in Automation Engineering HYTÖNEN, VESA: Optimizing the investment costs of high-power variable speed drives for power plants Master of Science Thesis, 66 pages, 8 Appendix pages December 2010 Major: Utilization of electrical energy Examiner: Professor Heikki Tuusa Keywords: Investment costs, variable speed drive, power plant

In power plants variable speed drives are often necessarily used for the process. The drives may have a rated power above 500 kilowatts up to several megawatts. Such drives are typically used in pump or fan applications. The number and high power con-sumption of pump and fan drives significantly affect the power plant project investment costs as well as the procurement stage and the plant life cycle. This study focuses on a spreadsheet-based planning tool that is designed to facilitate for comparison high-power variable speed drives of different investment options and investment costs. The goal is to find out how, for example, the operating voltage of electric drives and the annual utilization rate have an impact on the total cost of investment.

This study can be divided into three sections: a literature survey examines the role of electric drives under consideration in the process of the power plant and how they are scaled. In addition it will be identified what is the investment planning purpose, and how the investment project is progressing. The planning tool overview section looks at what devices the different investment options will require and how cost calculation has been implemented in the tool. The cost analysis section presents the investment costs calculated by the planning tool. More specifically, the distribution of costs of the in-vestment options related to various factors are examined, and how the costs of different options have impact on the change of power and the annual utilization.

The study shows that the major differences between the different investment options depend on whether it is used in the option under consideration an inverter and a squirrel cage induction motor drive with a low or medium voltage. The costs of acquisition of medium-voltage options compared to low-voltage alternatives are higher because of the clearly higher materials, labor and construction costs of medium-voltage options. If you look at the investment only to the direct costs of the acquisition cost, you should choose the low-voltage option. The power plant's life cycle costs of ongoing losses and cooling costs significantly affect the overall investment costs. The impact is greater the higher the utilization of the annual use of the electric drive is. When the rated power of the electric drive is increased, the ongoing costs of low-voltage options are growing much faster than the medium-voltage alternatives.

IV

ALKUSANAT

Kun opiskelin kolmatta vuotta Petäjäveden lukiossa syksyllä 2003, päätin jättää viimei-

set fysiikan syventävät kurssit suorittamatta. Perustelin päätöstäni opinto-ohjaajalle si-

ten, etten seuraavana keväänä vastaisi ylioppilaskirjoitusten reaalikokeessa fysiikan

kysymyksiin enkä yhteishaussa hakisi opiskelemaan alaa, jonka opinnot painottuvat

fysiikkaan.

Puolen vuoden kuluttua kevään ylioppilaskirjoitusten reaalikokeessa vastasin sekä

maantiedon että kemian kysymyksiin. Hieman myöhemmin, korkeakoulujen yhteishaun

yhteydessä, edellisenä syksynä tehty päätös taisi unohtua. Lähetin hakupaperit Tampe-

reen teknilliseen yliopistoon.

Viimeistään nyt, diplomityötäni viimeistellessä, on myönnettävä, että olin väärässä

seitsemän vuotta sitten perustellessani fysiikan kurssien suorittamatta jättämistä. Opin-

torekisteriotteeni on täyttynyt kursseista, jotka tavalla tai toisella liittyvät fysiikkaan. Ei

tämä diplomityökään fysiikkaa aivan täysin sivuuta. Kaikesta huolimatta, on kiitoksen

aika.

Kiitokset Ramboll Finland Oy:n automaatio ja sähkö –yksikölle, erityisesti työni oh-

jaajalle Arto Linnakselle, mahdollisuudesta tämän diplomityön tekemiseen. Kiitokset

myös työn tilaajalle, Foster Wheeler Energia Oy:lle sekä ABB Oy:lle. Haluan kiittää

erityisesti Foster Wheeler Energia Oy:n henkilökunnasta Markku Moisiota avusta suun-

nittelutyökalun laadinnassa sekä ABB Oy:n kotimaan tuotemyynnin osastoa Mika Luh-

talammen johdolla. Taloudellisesta tuesta kiitokset edellä mainittujen yhteistyöyritysten

lisäksi Keski-Suomen Sähköteknillinen yhdistys ry:lle. Tampereen teknillisen yliopiston

sähköenergiatekniikan laitoksen osalta kiitän rakentavasta palautteesta diplomityöni

tarkastajaa, professori Heikki Tuusaa.

Suuri on joukko, joka on jaksanut kannustaa ja tukea minua tämän työn sekä muiden

opintojen edetessä. Lämmin kiitos avopuolisolleni Saaralle kallisarvoisesta tuesta ja

avoimesta sylistä, kiitos myös muille läheisille ja ystäville.

Jyväskylässä 18.11.2010

Vesa Hytönen

V

SISÄLLYS

1. JOHDANTO ............................................................................................................. 1

2. VOIMALAITOSTEN SUURITEHOISET NOPEUSSÄÄDETYT SÄHKÖKÄYTÖT

..................................................................................................................................... 2

2.1. Käyttöjen erityispiirteet ...................................................................................... 3

2.2. Sähkömoottorikäytön mitoitus ............................................................................ 4

Esimerkki pumppukäytön moottorin ja taajuusmuuttajan valitsemisesta ................ 5

2.3. Investointivaihtoehdot ........................................................................................ 7

3. INVESTOINTIEN SUUNNITTELU ...................................................................... 10

3.1. Perusinvestointi ................................................................................................ 11

3.2. Juoksevasti syntyvät tuotot ja kustannukset ...................................................... 11

3.3. Laskentakorkokanta ......................................................................................... 12

3.4. Investoinnin pitoaika ........................................................................................ 12

3.5. Jäännösarvo ...................................................................................................... 12

4. PERUSINVESTOINNIN KERTAMENOERÄ ....................................................... 14

4.1. Ainekustannukset ............................................................................................. 14

Keskijännitekojeisto ............................................................................................ 14

Taajuusmuuttaja .................................................................................................. 15

Muuntaja ............................................................................................................. 19

Pienjännitekojeisto .............................................................................................. 21

Oikosulkumoottori .............................................................................................. 22

Loistehon kompensointi ja yliaaltosuodatus......................................................... 24

4.2. Työkustannukset .............................................................................................. 24

Suunnittelu .......................................................................................................... 24

Asennus .............................................................................................................. 25

Käyttöönotto ....................................................................................................... 25

4.3. Kaapelointikustannukset ................................................................................... 26

4.4. Rakennuskustannukset ..................................................................................... 28

4.5. Laskentamenetelmät ......................................................................................... 29

5. JUOKSEVASTI SYNTYVÄT KUSTANNUKSET ................................................ 32

5.1. Energian hinta .................................................................................................. 32

5.2. Häviökustannukset ........................................................................................... 32

Kaapelihäviöt ...................................................................................................... 32

Muuntajahäviöt ................................................................................................... 34

Häviöt taajuusmuuttajassa ja moottorissa ............................................................ 35

5.3. Jäähdytyskustannukset ..................................................................................... 36

5.4. Investoinnin pitoaika ........................................................................................ 36

6. KUSTANNUSTARKASTELU ............................................................................... 37

6.1. Aine- ja työkustannusten tarkastelu .................................................................. 38

6.2. Kaapelointikustannusten tarkastelu ................................................................... 40

6.3. Rakennuskustannusten tarkastelu ..................................................................... 42

VI

6.4. Häviökustannusten tarkastelu ........................................................................... 43

Häviöiden jakautuminen ...................................................................................... 44

Sähkökäytön tehon kasvattaminen ....................................................................... 47

Vuotuisen käyttöasteen vaikutus.......................................................................... 47

6.5. Investointikustannusten tarkastelu .................................................................... 50

7. JOHTOPÄÄTÖKSET ............................................................................................. 62

LÄHTEET .................................................................................................................. 65

LIITE 1: KUIVAMUUNTAJA DTE800A8S .............................................................. 67

LIITE 2: KESKIJÄNNITEMOOTTORI ..................................................................... 69

LIITE 3: PIENJÄNNITEMOOTTORI ........................................................................ 72

VII

MERKINNÄT JA TERMIT

Alaite laitteen pinta-ala [m2]

HA muutosrakennuskustannukset [€/m2]

Has asennustyön tuntiveloitushinta [€/h]

He teollisuusenergian hinta [€/kWh]

Hko käyttöönottotyön tuntiveloitushinta [€/h]

Hs suunnittelutyön tuntiveloitushinta [€/h]

im moottorivirta [A]

I2 muuntajan toision kuormitusvirran tehollisarvo [A]

I2n muuntajan toision nimellinen kuormitusvirta [A]

Ik kuormitusvirta [A]

In moottorin nimellisvirta [A]

ka laitteen ympärille tarvittavan pinta-alan kerroin

Ka-kjkojeisto keskijännitekojeiston ainekustannukset [€]

Ka-moottori moottorin ainekustannukset [€]

Ka-muuntaja muuntajan ainekustannukset [€]

Ka-pjk-syöttö pienjännitekojeiston syöttökentän ainekustannukset [€]

Ka-pjk-mittaus pienjännitekojeiston mittauskentän ainekustannukset [€]

Ka-pjk-lähtö pienjännitekojeiston lähtökentän ainekustannukset [€]

Ka-tamu taajuusmuuttajan ainekustannukset [€]

Kaine perusinvestoinnin kertamenoerän ainekustannukset [€]

Kas-kjkojeisto keskijännitekojeiston asennuskustannukset [€]

Kas-laite yhden laiteen asennuskustannukset [€]

Kas-muuntaja muuntajan asennuskustannukset [€]

Ks-pjk-lähtö pienjännitekojeiston lähtökentän asennuskustannukset [€]

Kas-pjk-mittaus pienjännitekojeiston mittauskentän

asennuskustannukset [€]

Kas-pjk-syöttö pienjännitekojeiston syöttökentän

asennuskustannukset [€]

Kas-tamu taajuusmuuttajan asennuskustannukset [€]

Kasennus perusinvestoinnin kertamenoerän

asennuskustannukset [€]

Kk-kaapeli yhden kaapeloinnin kustannukset [€]

Kk-moottori moottorin syöttökaapeloinnin kustannukset [€]

Kk-muuntaja muuntajan syöttökaapeloinnin kustannukset [€]

Kk-pjkojeisto pienjännitekojeiston syöttökaapeloinnin kustannukset [€]

Kk-tamu taajuusmuuttajan syöttökaapeloinnin kustannukset [€]

Kkaapelointi perusinvestoinnin kertamenoerän

kaapelointikustannukset [€]

Kkh kaapeloinnin vuotuiset häviökustannukset [€/a]

VIII

Kkm kaapelikytkentöjen materiaalikustannukset [€]

Kko-kjkojeisto keskijännitekojeiston käyttöönottokustannukset [€]

Kko-laite yhden laiteen käyttöönottokustannukset [€]

Kko-moottori moottorin käyttöönottokustannukset [€]

Kko-pjk-lähtö pienjännitekojeiston lähtökentän

käyttöönottokustannukset [€]

Kko-pjk-mittaus pienjännitekojeiston mittauskentän

käyttöönottokustannukset [€]

Kko-pjk-syöttö pienjännitekojeiston syöttökentän

käyttöönottokustannukset [€]

Kko-tamu taajuusmuuttajan käyttöönottokustannukset [€]

Kkäyttöönotto perusinvestoinnin kertamenoerän

käyttöönottokustannukset [€]

Kmh muuntajan vuotuiset häviökustannukset [€/a]

Kmoh moottorin vuotuiset häviökustannukset [€/a]

Kperus perusinvestoinnin kertamenoerän kustannukset [€]

Kr-kjkojeisto keskijännitekojeiston rakennuskustannukset [€]

Kr-laite yhden laitteen rakennuskustannukset [€]

Kr-muuntaja muuntajan rakennuskustannukset [€]

Kr-pjk-lähtö pienjännitekojeiston lähtökentän

rakennuskustannukset [€]

Kr-pjk-mittaus pienjännitekojeiston mittauskentän

rakennuskustannukset [€]

Kr-pjk-syöttö pienjännitekojeiston syöttökentän

rakennuskustannukset [€]

Kr-tamu taajuusmuuttajan rakennuskustannukset

Krakennus perusinvestoinnin kertamenoerän

rakennuskustannukset [€]

Ks-kjkojeisto keskijännitekojeiston suunnittelukustannukset [€]

Ks-laite yhden laiteen suunnittelukustannukset [€]

Ks-moottori moottorin suunnittelukustannukset [€]

Ks-muuntaja muuntajan suunnittelukustannukset [€]

Ks-pjk-lähtö pienjännitekojeiston lähtökentän

suunnittelukustannukset [€]

Ks-pjk-mittaus pienjännitekojeiston mittauskentän

suunnittelukustannukset [€]

Ks-pjk-syöttö pienjännitekojeiston syöttökentän

suunnittelukustannukset [€]

Ks-tamu taajuusmuuttajan suunnittelukustannukset [€]

Ksuunnittelu perusinvestoinnin kertamenoerän

suunnittelukustannukset [€]

Kkt kaapelikytkentöjen työkustannukset [€]

IX

Kth taajuusmuuttajan vuotuiset häviökustannukset [€/a]

Ktyö perusinvestoinnin kertamenoerän työkustannukset [€]

Kvm kaapelivedon materiaalikustannukset [€/m]

Kvt kaapelivedon työkustannukset [€/m]

lkaapeli kaapelivedon pituus [m]

nn moottorin nimellinen pyörimisnopeus [1/s]

P0 muuntajan tyhjäkäyntihäviöt [W]

P0n muuntajan nimellistyhjäkäyntihäviöt [W]

Ph johtimen häviöteho [W]

Pk muuntajan kuormitushäviöt [W]

Pk_75 muuntajan kuormitushäviöt 75 % kuormituksella [W]

Pkn muuntajan nimelliskuormitushäviöt [W]

Pkuorma moottorilta vaadittava teho [W]

Plähdöt pienjännitekeskuksen sähkökäyttöjen yhteenlaskettu

mekaaninen nimellisteho [W]

Plähtö sähkökäytön mekaaninen nimellisteho [W]

Pn moottorin nimellinen teho [W]

R' kaapelin tasavirtaresistanssi toimintalämpötilassa [Ω]

R0 resistanssin arvo referenssilämpötilassa [Ω]

tas-laite yhden laitteen asennustyöhön kuluva aika [h]

tk häviöiden huipunkäyttöaika [h/a]

tko-laite yhden laitteen käyttöönottotyöhön kuluva aika [h]

ts-laite yhden laitteen suunnittelutyöhön kuluva aika [h]

T toimintalämpötila [°C]

T0 referenssilämpötila [°C]

Tkuorma moottorilta vaadittava vähimmäismomentti [Nm]

Tn moottorin nimellismomentti [Nm]

U1 muuntajan ensiöjännite [V]

Un muuntajan nimellisjännite [V]

α resistiivisyyden lämpötilakerroin

ηm moottorin hyötysuhde

ηt taajuusmuuttajan hyötysuhde

X

Aksiaalipuhallin Puhallin, jossa kaasu johdetaan siivistä muodostuvan juok-

supyörän läpi eli puhallin toimii ikään kuin potkuri.

Diskonttaus Korkolaskennalle käänteinen tapahtuma.

Eurostat Eurostat (The Statistical Office of the European Com-

munities) on Euroopan komission alainen yksikkö, joka tuot-

taa tilastotietoa Euroopan unionin käyttöön.

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor, kytkinkäyttöön tarkoitettu

jänniteohjattu transistori.

IGCT Integrated Gate Commutated Thyristor, ABB:n keskijännite-

sovelluksiin kehittämä tehokytkin.

Kvantitatiivinen Kvantitatiivisessa eli määrällisessä tutkimuksessa käytetään

täsmällisiä ja laskennallisia sekä tilastollisia menetelmiä.

Lineaarinen regressio Lineaarisella regressiolla tarkoitetaan suoran sovittamista

havaintoaineistoon siten, että havaintopisteiden ja sovitetun

suoran välisten virheiden neliösumma on mahdollisimman

pieni.

Radiaalipuhallin Puhallin, jossa kaasu johdetaan aksiaalisesti pyörivän juok-

supyörän sisäkehälle ja sen läpi ulos juoksupyörän ulkoke-

hältä radiaalisesti spiraaliseen kaapuun.

1

1. JOHDANTO

Voimalaitoksissa on useita prosessin kannalta välttämättömiä nopeussäädettyjä sähkö-

moottorikäyttöjä, joista suurimmat voivat olla teholtaan megawattiluokkaa. Sen teho-

luokan sähkömoottorikäytöt ovat lähes poikkeuksetta joko pumppu- tai puhallinkäyttö-

jä. Tällaisia ovat esimerkiksi syöttövesipumput ja savukaasupuhaltimet. Suuresta tehon-

tarpeesta johtuen ne vaikuttavat merkittävästi myös voimalaitoshankkeen investointi-

kustannuksiin sekä hankintavaiheessa että voimalaitoksen elinkaaren aikana.

Tässä työssä tarkastellaan suuritehoisten pumppu- ja puhallinkäyttöjen erilaisia in-

vestointivaihtoehtoja ja niiden kustannuksia. Tarkoituksena on selvittää, miten käyttöjen

syöttävän puolen laite- ja jännitevalinnoilla voidaan vaikuttaa kustannuksiin. Yksi tut-

kimuksen merkittävimmistä kysymyksistä on se, kuinka toimilaitetta pyörittävän lait-

teen, oikosulkumoottorin, ja nopeusohjauksesta vastaavan taajuusmuuttajan käyttöjänni-

te vaikuttaa investoinnin kokonaiskustannuksiin. Onko mahdollista löytää sähkökäytön

nimellisteholle raja-arvo, jota suuremmat sähkökäytöt kannattaa aina tehdä keskijännite-

laitteilla ja jota pienemmät sähkökäytöt kannattaa aina tehdä pienjännitelaitteilla? Edellä

mainittuihin kysymyksiin pyritään löytämään vastauksia hyödyntämällä suunnittelutyö-

kalua, joka on laadittu helpottamaan suuritehoisten nopeussäädettyjen sähkömoottori-

käyttöjen suunnittelua.

Työn tutkimus etenee siten, että luvussa Voimalaitosten suuritehoiset nopeussääde-

tyt sähkökäytöt esitellään tarkasteltavien pumppu- ja puhallinkäyttöjen erityispiirteet ja

vertailtavat investointivaihtoehdot. Investointien suunnittelu -luvussa tarkastellaan in-

vestoinnin edullisuuteen vaikuttavia tekijöitä ja kuinka niitä sovelletaan tutkimuksessa.

Luvuissa Perusinvestoinnin kertamenoerä ja Juoksevasti syntyvät kustannukset esitel-

lään, mitkä kustannustekijät vaikuttavat suuritehoisten pumppu- ja puhallinkäyttöjen

kokonaiskustannuksiin. Luvussa esitellään myös kustannusten laskentamenetelmät

suunnittelutyökalussa. Koska investointikustannusten laskentaan vaikuttavia asioita on

suuri määrä, on lopputuloksen saamiseksi tehtävä myös rajauksia ja oletuksia.

Suunnittelutyökalun avulla voidaan vertailla investointikustannuksia, jotka perustu-

vat todellisiin laitetietoihin. Luvussa Kustannustarkastelu tarkastellaan, kuinka koko-

naiskustannukset eri investointivaihtoehdoilla muodostuvat eri kustannustekijöistä ja

kuinka sähkömoottorikäytön tehon ja vuotuisen käyttöasteen muuttuminen vaikuttaa

vaihtoehtojen edullisuuteen. Saatujen tulosten perusteella eri investointivaihtoehtojen

kustannuksia voidaan vertailla ja tehdä johtopäätöksiä esimerkiksi jännitetasojen valin-

nasta erilaisissa toimintaympäristöissä.

2

2. VOIMALAITOSTEN SUURITEHOISET NOPEUSSÄÄDETYT SÄHKÖKÄYTÖT

Teollisuusprosessit voidaan jakaa karkeasti kahteen pääryhmään: materiaalin käsittely ja

materiaalin kuljetus. Materiaalin käsittelyllä tarkoitetaan materiaalin ominaisuuksien

muuttamista erilaisilla materiaalinkäsittelylaitteilla. Materiaali voi olla muodoltaan joko

määritelty, kuten paperi, tai määrittelemätön, kuten erilaiset elintarvikkeet. Materiaalien

kuljetus -ryhmä muodostuu koneista, jotka kuljettavat materiaalin haluttuun paikkaan.

Ryhmään kuuluvat erilaiset kuljettimet sekä annostelusta ja paineen muutoksesta huo-

lehtivat laitteet. Koneet voidaan jakaa käsiteltävän materiaalin mukaisesti kolmeen ala-

ryhmään: kiinteä aine, neste ja kaasu. Prosessilaitteiden ryhmittely esitetään kuvassa

2.1. [1]

Kuva 2.1. Prosessilaitteiden ryhmittely. [1, s.10]

Yhteistä materiaalinkäsittely- ja materiaalinkuljetuslaitteille on tarve sopeutua pro-

sessin vaatimuksiin. Nopeussäädettyjä sähkömoottorikäyttöjä voidaan hyödyntää mo-

3

nissa erilaisissa prosesseissa. Voimalaitosten suuritehoiset pumppu- ja puhallinkäytöt

ovat tästä hyvä esimerkki, sillä niiden tehontarve voi vaihdella huomattavasti. [1]

2.1. Käyttöjen erityispiirteet

Tässä työssä on valittu tarkasteltavaksi voimalaitosympäristö ja maksimiteholtaan suu-

ret, megawattiluokan käytöt. Tämän suuruusluokan käytöt ovat voimalaitoksissa lähes

poikkeuksetta pumppuja ja puhaltimia. Pumpuista suurimmat ovat syöttövesi-, pääjääh-

dytys- ja kaukolämpöpumppu. Puhaltimista megawattiluokkaan yltävät savukaasu- ja

kiertokaasupuhallin sekä primääri- ja sekundaari-ilmapuhaltimet. [2]

Pumppujen tehtävä on muuttaa mekaaninen energia ensin nesteen kineettiseksi

energiaksi ja lopulta nesteen paineeksi. Todellisessa käytössä pumpulla ei ole pysyvää

toimintapistettä, joten vakaa virtaus voidaan saada vain jatkuvalla pumpun säädöllä.

Säätö voidaan toteuttaa kolmella eri menetelmällä, juoksupyörän halkaisijan muutoksel-

la, virtauksen kuristamisella sekä pyörimisnopeuden muutoksella. Kun pumpun tuotto-

arvoihin halutaan pysyvä muutos, on juoksupyörän halkaisijaa muutettava. Virtauksen

säätäminen venttiiliä kuristamalla on säätötavoista epätaloudellisin, koska tällöin osa

pumppausenergiasta hukataan venttiilin painehäviöinä. Pyörimisnopeuden muuttaminen

on sen sijaan kaikkein edullisin tapa säätää pumppua. Nopeussäätö voidaan toteuttaa

joko taajuusmuuttajalla tai hydraulikytkimellä. Hydraulikytkin on näistä kahdesta huo-

mattavasti pienempi investointi, mutta taajuusmuuttajien etuna on sen sijaan hyvä hyö-

tysuhde koko säätöalueella sekä ohjelmointimahdollisuus. [2]

Puhaltimia tarvitaan voimalaitoksilla muun muassa palamisilman puhaltamiseen,

savukaasun kierrättämiseen tai poistamiseen sekä polttoaineen pneumaattisen kuljetta-

miseen. Nykyaikana tyypillisen leijukerroskattilan puhallintoimitukseen kuuluvat pri-

määri- ja sekundääri-ilmapuhaltimet sekä kiertokaasu- ja savukaasupuhallin. Suurin

paine leijukerroskattiloissa tarvitaan primääri-ilmapuhaltimelta, jonka päätehtävä on

puhaltaa kattilaan leijutusilmaa. Sekundääri-ilmapuhallinta käytetään johtamaan ilmaa

ylemmille tasoille. Savukaasujen kierrätyksellä jäähdytetään tarvittaessa kuumaa tuli-

pesää. Kiertokaasupuhallin siirtää savukaasuja primääri-ilman joukkoon tai suoraan

tulipesän alaosaan. Savukaasupuhallin on sen sijaan oltava savukaasukanavassa ennen

piippua savukaasukanaviston painehäviöitä kompensoimassa. [2]

Puhaltimet varustetaan pumppujen tapaan yleensä säätöjärjestelmillä, koska kattiloi-

den ilmamäärä ja savukaasujen poisto- sekä kierrätystarpeet vaihtelevat huomattavasti.

Säätöä hyödynnetään nykyisin yhä enemmän myös energian säästämisen ja melutason

sekä päästöjen minimoinnin vuoksi. Puhaltimen säätömenetelmiä on neljä: kuristus- ja

johtosiipisäätö, siipikulmansäätö sekä kierrosnopeussäätö. Kuristussäätö on teknisesti

yksinkertaisin, sillä virtausta kuristetaan säätöpellillä, joka sijaitsee kanavistossa puhal-

timen painepuolella. Investointikustannuksiltaan säätömenetelmistä pienintä kuristus-

säätöä tulee käyttää vain pienitehoisissa sovelluksissa, koska käyttökustannukset ovat

niin suuret. Johtosiipisäätö säästää energiaa merkittävästä kuristussäätöön nähden, mut-

ta sitä voidaan soveltaa vain radiaalipuhaltimilla. Säätötavoista taloudellisimmat ovat

4

siipikulmansäätö ja kierroslukusäätö. Siipikulmansäätö soveltuu käytettäväksi vain ak-

siaalipuhaltimilla. Kierrosnopeussäätö taajuusmuuttajalla soveltuu kaikkiin puhaltimiin

ja on hankintahinnaltaan kallein, mutta käyttö- ja ylläpitokustannuksiltaan halvin sää-

tömenetelmä. [2]

Pumpuille ja puhaltimille yhteinen säätömenetelmä, nopeussäätö taajuusmuuttajalla,

on valittu työssä tarkasteltavaksi säätömenetelmäksi. Pumput ja puhaltimet ovat tyypil-

lisiä neliöllisen momenttikäyrän sovelluksia. Se tarkoittaa sitä, että kuormitusmomentti

on verrannollinen nopeuden neliöön ja teho on verrannollinen nopeuden kuutioon. Ku-

vassa 2.2. on esitetty kuvaaja, josta nähdään pumppujen ja puhaltimien tyypilliset mo-

mentti- ja tehokäyrät pyörimisnopeuden funktiona. [3]

Kuva 2.2. Tyypilliset momentti- ja tehokäyrät neliöllisen momenttikäyrän sovelluksessa.

[3, s.20]

2.2. Sähkömoottorikäytön mitoitus

Sähkömoottorikäytön mitoitus on syytä tehdä harkiten ja huolella, sillä hyvän mitoituk-

sen seurauksena voidaan saavuttaa huomattavia kustannussäästöjä. Mitoitus edellyttää

järjestelmän tuntemusta. Käytettävän laitteen ominaisuudet ja prosessin vaatimukset on

huomioitava, samoin syöttöverkon jännite ja sen taajuus sekä ympäristöolosuhteet. [3]

Pumppu- ja puhallinkäyttöjen mitoituksen ensimmäinen vaihe on kierrosalueen tar-

kistaminen sekä tehon laskeminen korkeimmalla mahdollisella kierrosluvulla. Lisäksi

tarkistetaan mahdollinen käynnistysmomentin tarve. Moottorin koko riippuu tarvittavas-

ta vääntömomentista eli tehon ja pyörimisnopeuden suhteesta. Seuraava vaihe on moot-

torin napaluvun valitseminen. Tämän jälkeen valitaan moottoriteho niin, että teho on

käytettävissä maksimikierrosluvulla. Moottorin terminen kuormitettavuus on otettava

huomioon, sillä se määrittelee moottorin pitkäaikaisen maksimikuormitettavuuden. Kun

moottoria kuormitetaan alhaisilla kierrosluvuilla, kannattaa moottori varustaa erillisellä

jäähdytyksellä. Moottoritehon valinnan jälkeen valitaan taajuusmuuttaja. Taajuusmuut-

5

taja valitaan pumppu- ja puhallinarvoja käyttämällä, mutta mikäli edellä mainittuja ar-

voja ei ole saatavilla, taajuusmuuttaja valitaan moottorivirran mukaan. [3]

Esimerkki pumppukäytön moottorin ja taajuusmuuttajan valitsemi-sesta

Mitoitusesimerkki on esitetty ABB Oy:n laatimassa teknisessä oppaassa. [3]

Pumpulla on 150 kW kuormitus kierrosluvulla 2 000 rpm ja käynnistysmomenttia ei

tarvita. Moottorin mekaaninen teho P voidaan laskea momentin T ja kulmanopeuden ω

avulla

. (1)

Koska moottorin pyörimisnopeus annetaan yleensä kierroslukuna n, voidaan

käyttää yhtälön (1) sijaan yhtälöä

. (2)

Yhtälöstä (2) voidaan ratkaista momentti T ja laskea tarvittava momentti kierrosluvulla

2 000 rpm

716 Nm.

Pumppukäyttöön voidaan valita joko kaksi- tai nelinapainen moottori.

6

Kuvassa 2.3. esitellään moottorin kuormitettavuuskäyrät taajuusmuuttajaohjatuille

pumppu- ja puhallinkäytöille.

Kuva 2.3. Moottorin kuormitettavuuskäyrät pumppu- ja puhallinsovelluksessa. Vertai-

lussa 1) 2-napaiset ja 2) 4-napaiset moottorit. [3, s.25]

Kuvaa 2.3. hyödynnetään siten, että kaksinapaisen moottorin tapauksessa (P=2) vaaka-

akselilta nähdään kierrosluvun 2 000 rpm olevan kohdassa 33,3 Hz. Vaaka-akselin ol-

lessa 33,3 Hz, kaksinapaisen moottorin tapauksessa luetaan 1)-käyrältä kuormitettavuus,

joka on noin 95 prosenttia.

Kuormitettavuuden ollessa 95 prosenttia, moottorin nimellismomentin Tn on oltava

vähintään

," 754 .

Vastaavasti moottorin vaadittava teho Pkuorma voidaan laskea käyttämällä yhtälöä (2)

%&' ( ) * 237 *.

Valitaan nimellisteholtaan 250 kW (400 V, nimellisvirta In 431 A, 50 Hz, 2 975 rpm ja

0,87) moottori. Moottorin nimellismomentiksi Tn saadaan

" 803 .

7

Moottorivirta im kierrosluvulla 2 000 rpm (vakiovuoalue) on noin

0 1234567

8 9) 431 : 384 :

Taajuusmuuttajan jatkuva virta on silloin 384 A.

Nelinapaisen moottorin tapauksessa (P=4) kuvan 2.3. vaaka-akselilta nähdään kier-

rosluvun 2 000 rpm olevan kohdassa 66,7 Hz. Vaaka-akselin ollessa 66,7 Hz, nelinapai-

sen moottorin tapauksessa luetaan 2)-käyrältä kuormitettavuus, joka on noin 75 prosent-

tia. Kuormitettavuuden ollessa 75 prosenttia, moottorin nimellismomentin Tn on oltava

vähintään

, 955 .

Vastaavasti moottorilta vaadittava teho Pkuorma voidaan laskea käyttämällä yhtälöä (2)

%&' " * 150 *.

Valitaan nimellisteholtaan 160 kW (400 V, nimellisvirta In 305 A, 50 Hz, 1 480 rpm ja

0,81) moottori. Arvioitu moottorivirta kierrosluvulla 2 000 rpm (66,7 Hz) on noin

0 1234567

78 123456

78

304 : 286 :.

Tarkka virta tulisi laskea, jos valitun taajuusmuuttajan nimellisvirta on lähellä arvioitua

moottorivirtaa. Tässä tapauksessa 4-napainen moottori vaatii vähemmän virtaa pumpun

toimintapisteessä ja on siten luultavasti 2-napaista moottoria taloudellisempi valinta.

2.3. Investointivaihtoehdot

Tässä diplomityössä on tarkoitus vertailla erilaisia voimalaitosten suuritehoisten nope-

ussäädettyjen sähkökäyttöjen syöttävän puolen kokonaisuuksia sekä niiden komponent-

teja ja ominaisuuksia. Kuvassa 2.4. esitetään seitsemän nopeussäädettyä sähkömoottori-

käyttöä. Näistä vaihtoehdoista viisi ensimmäistä muodostavat työssä tarkemmin tarkas-

teltavat investointivaihtoehdot. Kuvan sähkömoottorikäyttöjen syöttöratkaisut ovat toi-

sistaan erilaisia, mutta kaikille vaihtoehdoille yhteistä on se, että prosessilaitteiden eli

pumppujen ja puhaltimien nopeussäätö on toteutettu taajuusmuuttajalla.

8

Kuva 2.4. Seitsemän erilaista nopeussäädetyn sähkömoottorikäytön toteutusta. [4]

Kuvan 2.4. mukaisesti vaihtoehdossa 1 keskijännitekojeiston lähtökentästä on kaa-

pelointi kolmikäämimuuntajalle. Muuntajan toisiopuolen kahdelta käämiltä on kaape-

lointi 12-pulssisella tasasuuntaussillalla varustetulle keskijännitetaajuusmuuttajalle, joka

yhdessä keskijännitemoottorin kanssa muodostaa keskijännitesähkömoottorikäytön.

Vaihtoehto 2 eroaa vaihtoehdosta 1 siten, että nopeussäädöstä vastaa 12-pulssisella

tasasuuntaussillalla varustettu pienjännitetaajuusmuuttaja. Toimilaitetta pyörittää pien-

jännitemoottori.

Vaihtoehdoissa 3 ja 4 nopeussäätö tapahtuu taajuusmuuttajalla, jonka tasasuuntaus-

silta on toiminnaltaan 6-pulssinen ja muuntaja kaksikääminen. Vaihtoehdon 3 sähkö-

moottorikäyttö on keskijännitteinen ja vaihtoehdon 4 sähkömoottorikäyttö pienjännit-

teinen.

Vaihtoehto 5 poikkeaa muista vaihtoehdoista siten, että yksi keskijännitelähtö syöt-

tää useaa pienjännitesähkömoottorikäyttöä. Keskijännite muunnetaan kaksikäämimuun-

tajalla kolmivaiheiseksi pienjännitteeksi ja johdetaan pienjännitekojeistoon. Pienjänni-

tekojeistossa on useita lähtökenttiä, joista voidaan syöttää pienjännitesähkömoottori-

käyttöjä. Nopeusohjaus tapahtuu taajuusmuuttajalla, jossa on 6-pulssinen tasasuuntaus-

silta.

Nopeussäädettyjä taajuusmuuttajaohjattuja sähkökäyttöjä voidaan toteuttaa edellä

esiteltyjen vaihtoehtojen lisäksi monella muullakin tavalla. Kuvassa 2.4. esitellään kaksi

vaihtoehtoa, vaihtoehdot 6 ja 7, joita ei kuitenkaan tarkempaan tarkasteluun valittu.

Vaihtoehdossa 6 koostuu keskijännitelähdöstä sekä kahdesta kaksikäämimuuntajasta,

9

taajuusmuuttajasta ja sähkömoottorista. Kuvan ylemmällä kaksikäämimuuntajalla

muunnetaan keskijännite pienjännitteeksi ja alemmalla nostetaan jännite takaisin keski-

jännitteeksi. Nopeussäätö tapahtuu pienjännitetaajuusmuuttajalla ja prosessilaitetta pyö-

ritetään keskijännitemoottorilla. Tällainen toteutus soveltuu erityisen hyvin sellaisiin

kohteisiin, joissa keskijännitekojeisto ja –moottori ovat kaukana toisistaan. Tällöin pit-

kät kaapeloinnit voidaan toteuttaa poikkipinnaltaan pienemmillä keskijännitekaapeleilla

ja nopeussäätö edullisemmalla pienjännitetaajuusmuuttajalla. Uudessa voimalaitosym-

päristössä välimatkat ovat niin pieniä, että kyseistä vaihtoehtoa ei kannata käyttää.

Tulevaisuudessa megawattiluokan nopeussäädettyjä käyttöjä voidaan toteuttaa myös

vaihtoehdon 7 tapaan käyttämällä keskijännitetaajuusmuuttajaa ja -moottoria ilman eril-

listä muuntajaa keskijännitekojeiston ja taajuusmuuttajan välissä.

Tämän työn tarkasteluun valittujen investointivaihtoehtojen 1 - 5 laitevalinnat ja

esimerkiksi taajuusmuuttajien tasa- ja vaihtosuuntaussiltojen rakenteet esitellään tar-

kemmin luvussa 4.

10

3. INVESTOINTIEN SUUNNITTELU

Investoinnilla tarkoitetaan suurehkon rahasumman sijoittamista johonkin kohteeseen

suhteellisen pitkän ajanjakson ajaksi. Investoinnit ovat yrityksille sellaisia menoja, jotka

ovat rahamäärältään suuria ja joissa tulon odotusaika on pitkä. Pitkän sitoutumisajan

takia jo investointia suunniteltaessa on tehtävä tarkkoja laskelmia eri ajanjaksojen kus-

tannuksista ja tuotoista. [5]

Investoinnin suunnittelu on luonteeltaan projektityötä. Investointiprojekti syntyy,

kun todetaan investointitarve, esimerkiksi tarve rakentaa voimalaitos. Seuraavaksi etsi-

tään investointi-ideoita, joita kehitetään edelleen investointivaihtoehdoiksi. Vaihtoeh-

doista tehdään laskelmia ja niitä verrataan keskenään. Vertailun perusteella vaihtoehtoja

karsitaan ja jäljelle jäävistä vaihtoehdoista pyritään määrittelemään epävarmuustekijät ja

riskit mahdollisimmat tarkasti. Tämän jälkeen tehdään päätös investoinnista ja voidaan

käynnistää investointihanke. Hankkeen etenemistä valvotaan ja jälkiseurannalla pyritään

saamaan tarkempia laskelmia tulevaisuuden päätöksentekojen pohjaksi. [5]

Investointilaskelmilla pyritään selvittämään investointihankkeen edullisuus koko pi-

toajalle. Laskelmien avulla pyritään asettamaan eri toteutusvaihtoehdot edullisuusjärjes-

tykseen. Neilimon ja Uusi-Rauvan [5, s. 214] mukaan investoinnin edullisuuteen vaikut-

tavat tekijät, jotka voidaan arvioida, mitata tai esittää kvantitatiivisesti, ovat

• perusinvestointi eli perushankintakustannus

• juoksevasti syntyvät tuotot

• juoksevasti syntyvät kustannukset

• laskentakorkokanta

• investointiajanjakso tai pitoaika

• investointikohteen jäännösarvo.

Edullisuutta arvioidessa on pidettävä mielessä myös sellaiset investoinnin kannalta

merkittävät tekijät, joita ei voida kvantitatiivisesti määrittää. [5]

Tässä työssä tutkittava investointi on yksi osa suuresta uuden voimalaitoksen inves-

tointihankkeesta. Suurien nopeusohjattujen sähkökäyttöjen investointia varten kehitel-

lään taulukkolaskentaa hyväksi käyttävä työkalu. Seuraavaksi esitellään investointilas-

kelmien kvantitatiivisesti määritettävissä olevat edullisuuteen vaikuttavat tekijät ja sel-

vitetään, kuinka niitä sovelletaan tutkittavien sähkökäyttöjen investointilaskelmissa.

11

3.1. Perusinvestointi

Perusinvestoinnilla eli perushankintakustannuksella tarkoitetaan suurta kertamenoerää,

joka ajoittuu lähelle investoinnin päätöksentekohetkeä. Ajoituksesta johtuen sen määrit-

tämiseen sisältyy vähemmän epävarmuustekijöitä kuin muihin investoinnin tuottoihin ja

kustannuksiin. Suurissa investoinneissa selvitystyö on kuitenkin merkittävän laaja. [5]

Perusinvestointi voidaan jakaa käyttöomaisuus- ja käyttöpääomainvestointiin. Käyt-

töomaisuusinvestoinnilla tarkoitetaan pitkävaikutteisiin tuotannontekijöihin sidottua

pääomaa. Tällaisia ovat esimerkiksi maa-alueiden hankinta ja käyttöönotto sekä raken-

nuskustannukset. Käyttöpääomainvestoinneilla tarkoitetaan lyhytvaikutteisiin tuotan-

nontekijöihin sidottua pääomaa, joka muodostuu raaka-aine- ja tuotevarastojen, kesken-

eräisen tuotannon sekä myyntisaamisten sitomasta pääomasta, josta on vähennetty osto-

velat. [5]

Suurten nopeussäädettyjen sähkökäyttöjen investointilaskelmia varten kehitelty tau-

lukkolaskentaan perustuva suunnittelutyökalu laskee perusinvestoinnin kertamenoerän

suuruuden. Kertamenoerä muodostuu aine- ja työkustannuksista. Ainekustannukset

muodostuvat prosessilaitetta pyörittävien taajuusmuuttajaohjattujen moottorilähtöjen

komponenttien sekä kaapelointien hankintakustannuksista. Työkustannuksia arvioidaan

aiempien kokemusten perusteella suunnittelu-, asennus- ja käyttöönottotyöhön kuluvan

ajan perusteella. Eri toteutusvaihtoehtojen erilaiset tilatarpeet huomioidaan rakennus-

kustannuksina neliöhintaan perustuen.

3.2. Juoksevasti syntyvät tuotot ja kustannukset

Perusinvestoinnin lisäksi tuottoja ja kustannuksia käsitellään vuositasolla investointi-

kohteen valmistumisen jälkeen. Investoinnin käytön aikana seurataan investoinnista

saatavan vuotuisen erillistuoton ja siitä aiheutuvan vuotuisen erilliskustannuksen erotus-

ta. Sitä kutsutaan vuotuiseksi nettotuotoksi. Tuottojen arvioinnissa voidaan ennakoida

myyntimääriä käyttämällä hyväksi markkinatutkimuksia ja kysyntäennusteita. Juokse-

vasti syntyvien tuottojen ennusteista voidaan johtaa niitä vastaavat juoksevasti syntyvät

kustannukset. [5]

Tämän työn tarkastelussa juoksevasti syntyvät kustannukset muodostuvat häviö- ja

jäähdytyskustannuksista. Suunnittelutyökalun avulla arvioidaan investointivaihtoehtojen

eri osissa syntyvien vuotuisten häviöenergioiden summaa sekä jäähdytykseen kuluvaa

energiamäärää. Vuotuisen häviö- ja jäähdytysenergian sekä teollisuusenergian hinnan

perusteella voidaan arvioida juoksevasti syntyviä kustannuksia tutkittavalta ajanjaksol-

ta.

Sähköä, lämpöä tai niitä molempia tuottavan voimalaitoksen juoksevasti syntyvät

tuotot arvioidaan yleensä vain koko voimalaitoksen osalta. Yksittäisten prosessilaittei-

den osuus tuotoista on vaikeasti määriteltävissä. Tarkasteltavan suuritehoisen nopeus-

säädetyn sähkömoottorikäytön tehtävä on investointivaihtoehdosta riippumatta sama,

12

joten syntyvissä tuotoissa ei ole eroa eri vaihtoehdoilla. Näistä syistä johtuen tämän

työn tarkasteluissa ei huomioida juoksevasti syntyviä tuottoja.

3.3. Laskentakorkokanta

Käsite korko tarkoittaa korvausta, joka maksetaan rahan käyttöön saamisesta. Lainan

myöntämä taho eli velkoja perii tietyn korvauksen myöntämästään luotosta. Investointi-

kustannukset katetaan usein osittain omalla, osittain vieraalla pääomalla, esimerkiksi

tulorahoituksella tai osakepääoman korotuksella. Eri investointivaihtoehtojen välinen

kannattavuusvertailu tehdään käyttämällä laskentakorkokantaa. [5]

Laskentakorkokannan avulla eri aikoina tapahtuvat suoritukset saatetaan vertailu-

kelpoisiksi, sillä investoinneissa tuotot ja kustannukset ajoittuvat useille eri vuosille.

Diskonttausta hyödyntävän vertailun avulla voidaan selvittää, kuinka paljon arvok-

kaampi tietty rahamäärä on tänään kuin tietyn ajan kuluttua. Menetelmä mahdollistaa

myös inflaation huomioimisen investointilaskelmissa. [5]

Laskentakorkokantaa ei sovelleta tämän työn tutkimuksissa. Oletetaan, että perusin-

vestoinnin kertamenoerän kustannukset hoidetaan kerralla investointihankkeen käynnis-

tyessä omalla pääomalla. Lisäksi oletetaan, että tietty rahamäärä arvoltaan yhtä suuri

koko tarkasteluajan.

3.4. Investoinnin pitoaika

Investoinnin pitoajalla eli investointiajanjaksolla tarkoitetaan investointihyödykkeen

taloudellista käyttöaikaa. Pitoaika voi periaatteessa tarkoittaa myös esimerkiksi koneen

tai laitteen fyysistä ikää eli sitä ajanjaksoa, jonka kone tai laite on käyttökelpoinen alku-

peräisessä tarkoituksessaan. Fyysiseen ikään voidaan kuitenkin vaikuttaa huoltotoimen-

piteillä ja modernisoinnilla, joten pitoaikatarkasteluissa on syytä turvautua arvioihin

koneen teknistaloudellisesta iästä. Teknistaloudellisella iällä tarkoitetaan ajanjaksoa,

jonka kuluttua arvioidaan markkinoille ilmestyväksi parempi kone, joka tekee aiemmin

hankitun koneen epätaloudellisena nopeammin vanhentuneeksi. Pitoaikatarkastelussa on

huomioitava, että investointihanke voi sisältää erilaisia pitoaikoja. [5]

Nopeussäädettyjen sähkökäyttöjen eri investointivaihtoehtojen pitoajat eivät merkit-

tävästi eroa toisistaan. Osa käytettävistä komponenteista on myös sen verran uusia, ettei

niiden fyysisestä käyttöiästä ole kokemusperäistä tietoa. Tästä syystä investoinnin pito-

aikaa ei tarkastella tämän työn suuritehoisten nopeussäädettyjen sähkökäyttöjen eri in-

vestointivaihtoehtojen vertailulaskelmissa.

3.5. Jäännösarvo

Jäännösarvolla eli romutusarvolla tarkoitetaan investointihyödykkeen sitä myyntituloa,

joka perusinvestoinnista arvioidaan saatavan pitoajan päättyessä. Usein jäännösarvoksi

arvioidaan nolla, sillä on vaikea arvioida myyntitulojen suuruutta kaukana tulevaisuu-

13

dessa. Jäännösarvo voi olla myös negatiivinen, mikäli on maksettava hyödykkeen jat-

kokäsittelystä. [5]

Voimalaitosympäristöstä ja teknisistä ominaisuuksista johtuen suurten nopeussää-

dettyjen sähkökäyttöjen syöttävän puolen komponenttien pitoajat ovat kymmeniä vuo-

sia. Laitteiden kehittymisen ja komponenttien pitkän pitoajan takia tämän työn inves-

tointilaskelmissa ei jäännösarvoa huomioida.

14

4. PERUSINVESTOINNIN KERTAMENOERÄ

Perusinvestoinnilla tarkoitetaan suurta kertamenoerää, joka ajoittuu lähelle investoinnin

päätöksentekohetkeä. Tässä työssä tarkasteltavien voimalaitosten suuritehoisten nopeus-

säädettyjen sähkökäyttöjen perusinvestoinnin kertamenoerän oletetaan muodostuvan

aine-, työ-, kaapelointi- ja rakennuskustannuksista. Tässä luvussa esitellään, miten nämä

kustannustekijät muodostuvat ja kuinka niiden laskenta on toteutettu suunnittelutyöka-

lussa.

4.1. Ainekustannukset

Tässä alaluvussa esitellään, mitä laitteita tarvitaan luvussa 2 esitettyjen investointivaih-

toehtojen toteutukseen. Lisäksi esitellään tarkasteluun valittujen laitteiden laitetyypit,

tärkeimmät ominaisuudet, hintatiedot ja suunnittelutyökalun laskentamenetelmät. Ala-

luvussa 4.5. esitellään, kuinka ainekustannukset Kaine lasketaan perusinvestoinnin ker-

tamenoerän Kperus kustannuksiin.

Keskijännitekojeisto

Tarkasteltavien pumppu- ja puhallinkäyttöjen eri syöttövaihtoehtojen tarkastelu lähtee

liikkeelle liittymisestä keskijännitekojeistoon. Oletuksena on, että jokaisessa voimalai-

toksessa on keskijännitekojeisto, joten perusinvestoinnin kertamenoerässä huomioidaan

tässä tarkastelussa vain lähtökentät. Yhteiset syöttö- ja mittauskentät ovat siis olemassa

joka tapauksessa.

Keskijännitekojeiston osalta tarkasteluun on valittu ABB:n valmistama UniGear-

kojeisto. Kojeisto on niin sanottu katkaisijakojeisto eli erillistä kuormanerotinta ei ole ja

katkaisijavaunu toimii erottimena. Katkaisijaksi voidaan valita sekä sf6- että tyhjökat-

kaisija. Valitaan tyhjökatkaisija, jotta vältetään kasvihuonekaasun, rikkiheksafluoridin,

käyttö. Virta-arvoltaan pienin katkaisijakoko on 630 A katkaisija, joka on riittävä tar-

kasteltavilla sähkökäytöillä. [6]

Yhden keskijännitekojeistolähdön perusinvestoinnin kertamenoerän ainekustannuk-

seksi Ka-kjkojeisto saadaan noin 21 000 euroa, kun käytössä on 12 kV keskijänniteliityntä.

Käytettävän tyhjökatkaisijan oikosulkukestoisuus on 25 kA. Suojausta varten kenno on

varustettu virta- ja kaapelivirtamuuntajalla sekä suojareleellä REF543 ja valokaariantu-

riyksiköllä REA107. [6]

15

Taajuusmuuttaja

Tarkasteltavien pumppu- ja puhallinkäyttöjen nopeussäätö toteutetaan taajuusmuuttajil-

la. Investointivaihtoehdosta riippuen taajuusmuuttajan syöttöjännite voi olla joko pien-

tai keskijännitteinen ja tasasuuntaussillalta vaadittava toiminta joko 6- tai 12-pulssinen.

Tästä syystä on tarkasteluun otettava useampi erilainen taajuusmuuttajatyyppi.

Pienjännitetaajuusmuuttajaksi on valittu useista kentistä koostuva kaappiin asennet-

tu ilmajäähdytteinen ABB:n valmistama taajuusmuuttaja, tyyppikoodiltaan ACS800-07.

Laitetta on saatavilla useassa eri teholuokassa ja kolmella eri jännitealueella. Alimmil-

laan käytettävä kolmivaiheinen syöttöjännite voi olla 380 V ja ylimmillään 690 V. [7]

Kuvassa 4.1. on piirikaavio yksiviivaesityksenä taajuusmuuttajasta, jossa on kaksi

jarrukatkoja/vastusyksikkö, mutta ei kuormakytkin-, ilmakatkaisija- eikä moottorilähtö-

kenttää.

Kuva 4.1. Taajuusmuuttajan ACS800-07 piirikaavio yksiviivaesityksenä. [8, s. 25]

Suuret, yli 500 kW:n ACS800-07 -taajuusmuuttajat koostuvat erillisistä tasa- ja vaih-

tosuuntaajamoduuleista. Kun moduulit kytketään rinnan kuvan 4.1. tapaan, taajuus-

muuttaja jatkaa toimintaa alennetulla teholla yhden moduulin ollessa vikatilassa.

Taajuusmuuttajassa tasasuuntaus tapahtuu DSU-moduuleissa, joita voi olla kokoon-

panossa tehosta ja runkokoosta riippuen yhdestä neljään. Kun keskijännite muunnetaan

kaksikäämimuuntajalla pienjännitteeksi, DSU-moduuli on toteutettu kolmella diodilla ja

16

kolmella tyristorilla. Kuvassa 4.2. on esitetty tasasuuntauksen toteutus 6-pulssisella

puoliksi ohjatulla sillalla.

Kuva 4.2. Kaksikäämimuuntaja ja 6-pulssinen puoliksi ohjattu tyristorisilta.

Kun keskijännite muunnetaan pienjännitteeksi kolmikäämimuuntajalla, on tasasuuntaus

toteutettu kahdella rinnan kytketyllä 6-pulssisella puoliksi ohjatulla tyristorisillalla. Kun

tasasuuntaussiltojen syöttöjännitteet ovat keskenään 30 asteen vaihesiirrossa, on toteu-

tus 12-pulssinen puoliksi ohjattu tyristorisilta. Kytkentä esitetään kuvassa 4.3.

Kuva 4.3. Kolmikäämimuuntaja ja 12-pulssinen puoliksi ohjattu tyristorisilta.

Syöttömoduulien ohjaus tapahtuu DSSB-kortin avulla. Taajuusmuuttajan vaihtosuunta-

us tapahtuu IGBT-vaihtosuuntaajamoduuleissa, joiden määrä kokoonpanossa on tehosta

ja runkokoosta riippuen kahdesta kuuteen. Kuvassa 4.4. on esitetty vaihtosuuntaussillan

kytkentä, kun kaksi IGBT-vaihtosuuntaajamoduulia on kytketty rinnan.

17

Kuva 4.4. Vaihtosuuntauksen toteutus kahdella rinnankytketyllä IGBT-

vaihtosuuntaajalla.

Vaihtosuuntaajamoduuleita ohjaa taajuusmuuttajan ohjausyksikkö RDCU. Moottorin

ohjaus perustuu DTC-ohjaukseen eli suoraan momentinsäätöön, jossa kahden vaiheen

virtaa sekä DC-jännitettä mitataan. Kolmas vaihevirta mitataan maasulkusuojausta var-

ten. [8]

Tässä tarkastelussa pienjännitetaajuusmuuttaja ACS800-07 varustetaan verk-

kosulakkeella, pääkuormanerottimella, ulkoisen ohjausjännitteen liittimillä, moottori-

lämmittimen liittimillä, moottorilähtökentällä, Profibus DP-väyläadapterilla, I/O-

lisäriviliittimillä sekä toiminto- ja turvareleellä. Varustuksen mukaisten taajuusmuutta-

jien projektihintatiedot esitetään kuvassa 4.5. Lineaarista regressiota hyödyntämällä on

laskettu pienjännitetaajuusmuuttajan hinta pätötehon funktiona. Kuvasta nähdään, että

taajuusmuuttajan ACS800-07 hinta kasvaa lähes lineaarisesti pätötehon kasvaessa. Taa-

juusmuuttajamallien maksimipätötehot ilman ylikuormitusta on saatu laitteen teknisistä

tiedoista.

Kuva 4.5. Taajuusmuuttajan ACS800-07 hinta pätötehon funktiona.

y = 38,703x - 1518,3

0

20 000

40 000

60 000

80 000

100 000

120 000

- 1 000 2 000 3 000

Hin

ta [

eu

ro]

Pätöteho [kW]

Taajuusmuuttajan ACS800-07 hinta pätötehon

funktiona

Sarja1

Lin. (Sarja1)

18

Keskijännitetaajuusmuuttajaksi on valittu ABB:n taajuusmuuttaja, tyyppikoodiltaan

ACS 1000. Laitetta valmistetaan ilmajäähdytteisenä 315 – 2 000 kW ja vesijäähdyttei-

senä 1 800 – 5 000 kW oikosulkumoottoreille. Kolmivaiheinen syöttöjännite voi olla

mikä tahansa keskijännite, kun syöttötaajuus on 50 tai 60 Hz. Vakiokokoonpanossa taa-

juusmuuttajan tasasuuntaussilta on toiminnaltaan 12-pulssinen, mutta lisävarustevalin-

noilla saadaan tasasuuntaussillan toiminta myös 24-pulssiseksi. Laitevalmistajan tiedon

mukaan kokonaishyötysuhde on vähintään 98 prosenttia nimellisteholla.

Taajuusmuuttajan ACS 1000 tyypillinen virtapiiri esitetään pelkistettynä yksivaihei-

seksi kuvassa 4.6. Käytännössä jännitevälipiirillinen taajuusmuuttaja on kuitenkin kol-

mitasoinen ja kolmivaiheinen. Sen tasasuuntaussillan komponentteina käytetään diodeja

ja vaihtosuuntauksessa käytettävät komponentit ovat puolestaan nopeita puolijohdete-

hokytkimiä. Nämä ABB:n kehittämät tehokytkimet tunnetaan lyhenteellä IGCT. Moot-

toria ohjataan DTC-ohjauksella. [9]

Kuva 4.6. Taajuusmuuttajan ACS 1000 pelkistetty piirikaavio.[9, s.15]

Tässä työssä tarkastellaan vakiokytkentäistä 12-pulssisella dioditasasuuntaussillalla

varustettua keskijännitetaajuusmuuttajaa. Varustuksen mukaiset projektihintatiedot esi-

tetään kuvassa 4.7. Kuvasta nähdään, että taajuusmuuttajan ACS 1000 hinta kasvaa lä-

hes lineaarisesti pätötehon kasvaessa. Taajuusmuuttajamallin pätötehojen maksimiarvot

ilman ylikuormitusta on saatu laitteen teknisistä tiedoista.

Kuva 4.7. Taajuusmuuttajan ACS 1000 hinta pätötehon funktiona.

y = 41,91x + 69509

0

50 000

100 000

150 000

200 000

250 000

300 000

- 2 000 4 000 6 000

Hin

ta [

eu

ro]

Pätöteho [kW]

Taajuusmuuttajan ACS 1000 hinta pätötehon

funktiona

Hinta

Lin. (Hinta)

19

Suunnittelutyökalu valitsee automaattisesti annetuista parametreista riippuen sopi-

van taajuusmuuttajatyypin eri investointivaihtoehdoille. Valinnassa hyödynnetään taa-

juusmuuttajatyypin laitekohtaisia kuormitustietoja sekä taulukkolaskentatyökaluun syö-

tettävää sähkökäytön mekaanisen nimellistehon arvoa. Valitun taajuusmuuttajatyypin

perusteella suunnittelutyökaluun syötetyistä laitetiedoista saadaan taajuusmuuttajan pe-

rusinvestoinnin kertamenoerän ainekustannukset Ka-tamu. Koska taajuusmuuttajaa ACS

1000 ei ole saatavilla 6-pulssisella tasasuuntaussillalla, investointivaihtoehdon 3 osalta

oletetaan taajuusmuuttajan kertamenokustannusten olevan yhtä suuret kuin 12-

pulssisella tasasuuntaussillalla varustettuna.

Muuntaja

Luvun 2 investointivaihtoehdoista nähdään, että muuntajan tyyppi on riippuvainen taa-

juusmuuttajasovelluksesta. Taajuusmuuttajan ja sen verkkosillan tyyppi vaikuttaa

muuntajan valintaan. Työn tarkasteluun on valittu ABB:n valmistama kolmivaiheinen

valuhartsieristeinen DTE-kuivamuuntaja, jota valmistetaan ACS 1000- ja ACS 800-

taajuusmuuttajasovelluksille, joissa käytetään joko 6- tai 12-pulssista tasasuuntaussiltaa.

Valuhartsisia jakelumuuntajia käytetään paikoissa, missä esimerkiksi palo- tai saas-

tumisvaaran takia nestetäytteisen muuntajan käyttö on joko kielletty tai edellyttäisi kal-

liita erikoistoimenpiteitä. Tällaisia paikkoja ovat muun muassa kerrostalot, sairaalat,

tavaratalot, teatterit ja kaivokset. Valuhartsieristeisiä muuntajia käytetään myös teolli-

suuslaitoksissa, mikäli ne voidaan asentaa lähelle kuormaa, koska silloin säästetään ala-

jännitepuolen kaapeloinnissa. [10]

Kun pienjännitetaajuusmuuttaja ACS800-07 on varustettu 6-pulssisella tasasuun-

taussillalla, käytetään kaksikäämistä DTE-muuntajaa, joka on tyyppikoodiltaan A8S.

Liitteessä 1 esitetään tietoja muuntajasta DTE 800 A8S, jonka näennäisteho on tyyppi-

koodin mukaisesti 800 kVA. Kuvassa 4.8. esitetään ACS 800-sovellukselle suunnitellun

kaksikäämimuuntajan projektihintatiedot tehoalueella 800 – 4 000 kVA. Laskennassa

on käytetty liitteen 1 mukaisia kokoonpanoja kotelointiluokalla IP 21.

Kuva 4.8. ACS 800-sovellukseen suunnitellun kaksikäämimuuntajan hinta näennäiste-

hon funktiona.

y = 13,951x + 5629,9

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

0 1000 2000 3000 4000 5000

Hin

ta [

€]

Näennäisteho [kVA]

Kaksikäämimuuntajan hinta näennäistehon

funktiona

Hinta

Lin. (Hinta)

20

Kun pienjännitetaajuusmuuttaja ACS800-7 on varustettu 12-pulssisella tasasuun-

taussillalla, käytetään kolmikäämistä DTE-muuntajaa, joka on tyyppikoodiltaan A8D.

Tämä muuntajatyyppi eroaa liitteen 1 mukaisesta kokoonpanosta siten, että se on suun-

niteltu käytettäväksi 12-pulssisella tasasuuntaussillalla varustetun taajuusmuuttajan

kanssa. Laitevalmistajan edustajalta saatujen projektihintatietojen perusteella on lineaa-

rista regressiota hyödyntämällä laskettu edellä mainitulle muuntajatyypille hinta näen-

näistehon funktiona. Kuvassa 4.9. esitetään ACS 800-sovellukselle suunnitellun kaksi-

käämimuuntajan projektihintatiedot tehoalueella 800 – 4 000 kVA. Kuvien 4.8. ja 4.9.

perusteella voidaan todeta, että tarkasteltavalla tehoalueella ACS800-sovellukselle

suunniteltujen muuntajien hinta kasvaa lähes lineaarisesti näennäistehon kasvaessa.

Kuva 4.9. ACS 800-sovellukseen suunnitellun kolmikäämimuuntajan hinta näennäiste-

hon funktiona.

Kuvassa 4.10. esitetään projektihintatiedot ACS 1000-sovellukselle suunnitellulle

kolmikäämimuuntajalle tehoalueella 780 – 4 760 kVA.

Kuva 4.10. ACS 1000-sovellukseen suunnitellun kolmikäämimuuntajan hinta näennäis-

tehon funktiona.

y = 15,32x + 7919,3

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

0 1000 2000 3000 4000 5000

Hin

ta [

eu

ro]

Näennäisteho [kVA]

Kolmikäämimuuntajan hinta näennäistehon

funktiona

Hinta

Lin. (Hinta)

y = 12,252x + 15951

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

0 1000 2000 3000 4000 5000

Hin

ta [

eu

ro]

Näennäisteho [kVA]

Kolmikäämimuuntajan hinta näennäistehon

funktiona

Hinta

Lin. (Hinta)

21

Suunnittelutyökalu valitsee automaattisesti annetuista parametreista riippuen sopi-

van muuntajatyypin eri investointivaihtoehdoille. Valinnassa hyödynnetään muuntaja-

tyypin laitekohtaisia kuormitustietoja sekä taulukkolaskentatyökaluun syötettävää säh-

kökäytön mekaanisen nimellistehon arvoa. Valitun muuntajatyypin perusteella suunnit-

telutyökaluun syötetyistä laitetiedoista saadaan muuntajan perusinvestoinnin kerta-

menoerän ainekustannukset Ka-muuntaja. Investointivaihtoehdossa 3 käytettävän kaksi-

käämimuuntajan projektihintatiedot on arvioita, koska taajuusmuuttajan ACS 1000 ta-

sasuuntaussiltaa ei ole saatavilla 6-pulssisena.

Pienjännitekojeisto

Luvussa 2 esitetty investointivaihtoehto 5 poikkeaa muista tarkasteltavista vaihtoehdois-

ta siten, että yksi keskijännitelähtö syöttää useaa pienjännitesähkömoottorikäyttöä. Jo-

kaisella sähkökäytöllä on oma pienjännitelähtö, joten investointilaskelmissa on huomi-

oitava myös pienjännitekojeisto.

Tarkasteluun on valittu ABB:n valmistama MNS-pienjännitekojeisto. Kojeiston

hankintahinta muodostuu syöttökentästä ja sen yhteyteen tulevasta mittauskentästä sekä

pienjännitetaajuusmuuttajan lähtökentästä. [11]

Syöttö- eli tulokenttä on tarkastelussa varustettu ulosvedettävällä ABB SACE

Emax-ilmakatkaisijalla ja oikosulkuvirran suuruudesta riippuen joko maadoituskytki-

mellä tai –erottimella. Syöttökentän hinta-arvio Ka-pjk-syöttö sisältää myös kojeiston run-

korakenteen sekä kolmivaihe- ja PE-virtakiskoston. Syöttökentän liityntä on mahdollista

sekä kaapeleilla että kiskosillalla. Katkaisijan väyläohjausmahdollisuus on rajattu tar-

kastelun ulkopuolelle. Syöttökentän hankintakustannukset on esitetty taulukossa 4.1.

[11]

Taulukko 4.1. Pienjännitekojeiston syöttökentän hankintakustannukset.

Kokoojakiskosto Katkaisija Kojeisto Materiaali Nimellisvirta [A] Tyyppi Nimellisvirta [A] Hinta [€]

ABB MNS Kupari 2800 ABB Sace Emax 3150 13400 ABB MNS Kupari 3800 ABB Sace Emax 4000 15400 ABB MNS Kupari 4600 ABB Sace Emax 5000 24500

Mittaus- eli apulaitekenttä on tarkastelussa varustettu kolmella virta- ja yhdellä jän-

nitemittarilla sekä valintakytkimellä. Lisäksi kenttään on sijoitettu ABB:n REA-

valokaarireleyksikkö ja ohjausjännitemuuntaja. Hinta-arvio sisältää myös kojeiston run-

korakenteen sekä kolmivaihe- ja PE-virtakiskoston. Mittauskentän hinta-arviona Ka-pjk-

mittaus käytetään 8 500 euroa. [11]

Taajuusmuuttajalähtökentässä on syöttökentän tapaan ulosvedettävä ABB SACE

Emax-ilmakatkaisijalla. Pienjännitekojeiston lähtökentän hinta-arvio Ka-pjk-lähtö sisältää

myös kojeiston runkorakenteen sekä kolmivaihe- ja PE-virtakiskoston. Katkaisijan väy-

22

läohjausmahdollisuus on rajattu tarkastelun ulkopuolelle. Kaapelikuiluja ei sisällytetä

tarkasteluun, joten kaapelointi on lähtökentässä mahdollista joko ylä- tai alakautta.

Pienjännitekojeiston taajuusmuuttajalähtökentän projektihintatiedot esitetään kuvassa

4.11. Hintatiedoissa pienjännitekojeiston kokoojakiskoston nimellisvirta on 2800 A.

Hintoihin on lisättävä 700 euroa, kun käytetään 3800 A kokoojakiskostoa ja 1000 euroa,

kun käytetään 4600 A kokoojakiskostoa.

Kuva 4.11. Pienjännitekojeiston taajuusmuuttajalähdön hinta katkaisijan nimellisvirran

funktiona.

Oikosulkumoottori

Oikosulkumoottori on ylivoimaisesti käytetyin moottorityyppi teollisuudessa. Niissä on

kaksi perusosaa, staattori sekä pyörivä roottori, ja niitä valmistetaan 1- ja 3-vaiheisille

sähköverkoille. Oikosulkumoottorin pyörimisnopeuteen voidaan vaikuttaa moottorin

napapariluvun valinnalla ja moottoriin syötettävän jännitteen taajuudella. Moottorin

kiihtyvyyttä käynnistyksissä ja pyörimisnopeutta käynnin aikana voidaan monipuolises-

ti säätää taajuusmuuttajalla. [12]

Tässä työssä tarkasteltavia prosessilaitteita eli pumppuja ja puhaltimia pyöritetään

taajuusmuuttajasäädetyillä moottoreilla. Moottorityypiksi on valittu ABB:n AM- ja

HXR-oikosulkumoottorit, joita valmistetaan käytettäväksi sekä keskijännitteellä että

pienjännitteellä. Nämä tyypit soveltuvat käytettäväksi yhdessä taajuusmuuttajien

ACS800-07 ja ACS 1000 kanssa. Keskijännitemoottoreiden käyttöjännitteeksi on valittu

3,3 kV ja pienjännitemoottoreiden käyttöjännitteeksi puolestaan 690 V. Liitteissä 2 ja 3

esitetään tarkemmin valittujen moottorityyppien ominaisuuksia ja teknisiä tietoja.

y = 2,0115x + 3457,5

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 1000 2000 3000 4000

Hin

ta [

eu

ro]

Nimellisvirta [A]

Taajuusmuuttajalähdön hinta katkaisijan

nimellisvirran funktiona

Hinta

Lin. (Hinta)

23

Keskijännitemoottorin projektihintatiedot tehoalueella 800 – 5 000 kW esitetään ku-

vassa 4.12 ja pienjännitemoottorin projektihintatiedot tehoalueella 800 – 2 500 kW esi-

tetään kuvassa 4.13. Kuvien perusteella voidaan todeta, että oikosulkumoottorin hinta

kasvaa lähes lineaarisesti pätötehon kasvaessa.

Kuva 4.12. Keskijännitemoottorin hinta pätötehon funktiona.

Kuva 4.13. Pienjännitemoottorin hinta pätötehon funktiona.

Suunnittelutyökaluun syötettyjen parametrien perusteella valitaan sopiva moottori-

tyyppi eri investointivaihtoehdoille. Valinnassa hyödynnetään moottorityypin laitekoh-

taisia tehoarvoja sekä työkaluun syötettävää sähkömoottorikäytöltä vaaditun mekaani-

sen nimellistehon arvoa. Valitun moottorityypin perusteella suunnittelutyökaluun syöte-

tyistä laitetiedoista saadaan moottorin perusinvestoinnin kertamenoerän ainekustannuk-

set Ka-moottori.

y = 27,784x + 19162

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

0 2000 4000 6000

Hin

ta [

eu

ro]

Pätöteho [kW]

Keskijännitemoottorin hinta pätötehon funktiona

Hinta

Lin. (Hinta)

y = 20,406x + 28367

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

0 1000 2000 3000

Hin

ta [

eu

ro]

Pätöteho [kW]

Pienjännitemoottorin hinta pätötehon funktiona

Hinta

Lin. (Hinta)

24

Loistehon kompensointi ja yliaaltosuodatus

Loistehon siirto lisää johtojen ja muuntajien jännite-, teho- ja energiahäviöitä. Siirron

aiheuttamien häviöiden kasvu ja johtojen suuremmat poikkipinnat aiheuttavat siten lisä-

kustannuksia pelkkään pätötehon siirtoon verrattuna. Loistehoa kompensoidaan laitteil-

la, joilla voidaan samalla vaikuttaa myös yliaaltoihin. Tasa- ja vaihtosuuntaajakäyttöjen

ja monien muiden elektronisten laitteiden aiheuttamat yliaallot aiheuttavat sähköverk-

koon jännitteen ja virran säröytymistä. Yliaallot lisäävät verkkokomponenttien häviöitä

ja aiheuttavat myös mittareiden virhenäyttämiä sekä automaatiolaitteiden ja suojarelei-

den virhetoimintoja. [13]

Loistehon kompensointi voidaan toteuttaa verkon eri osissa sen mukaan, mikä tekni-

sesti ja taloudellisesti on tarpeellista. Tässä diplomityössä tarkasteltavien investointi-

vaihtoehtojen kompensointi voitaisiin toteuttaa keskitetysti joko keski- tai pienjännite-

puolella. Kompensointi suoritetaan esimerkiksi loistehosäätimillä varustetuilla estokela-

paristoilla tai yliaaltosuodattimilla. Sähkön laatua voidaan parantaa myös esimerkiksi

käyttämällä tavallisten taajuusmuuttajien sijaan pienten yliaaltojen taajuusmuuttajia.

Investointikustannusten tarkastelussa loistehon kompensointia ja yliaaltosuodatusta ei

huomioida.

4.2. Työkustannukset

Perusinvestoinnin kertamenoerä sisältää eri investointivaihtoehtojen työkustannukset

Ktyö. Työkustannuksia arvioidaan suunnittelu-, asennus- ja käyttöönottotyöhön tarvitta-

villa tunneilla sekä tuntiveloitushinnoilla. Tässä luvussa esiintyvät tuntimäärät ovat

miestyötunteja eli niissä on huomioitu se, että työvaiheet saattavat vaatia useamman

henkilön työpanoksen yhtä aikaa. Seuraavaksi esitellään tarkemmin työkustannusten

muodostuminen.

Suunnittelu

Suunnittelutyön oletetaan tapahtuvat niin sanotulla kotikonttorilla, joten tuntiveloitus-

hinta ei sisällä ylimääräisiä kustannuksia päivärahoista, matkustuksesta tai majoittumi-

sesta. Työpäivän pituus arvioidaan normaaliksi. Suunnittelutyökaluun voidaan syöttää

parametri, joka määrittelee suunnittelutyön tuntiveloitushinnan. Kun työkalun lähtötie-

toihin on sen lisäksi syötetty tuntimääräarviot eri suunnittelutyövaiheista, saadaan työ-

kalusta automaattisesti arviot investoinnin kertamenoerän suunnittelutöiden kustannuk-

sista Ksuunnittelu.

Keskijännitekojeiston yhden katkaisijakennon suunnittelutöiden tuntimäärän arvioi-

daan olevan 30 tuntia. Arvio sisältää kojeiston liitäntöjen ja ohjaus- sekä lukituskaape-

leiden suunnittelun, suojareleiden asettelut, lähtevän kaapelin mitoituksen ja reitityksen

sekä tarvittavan dokumentaation mukaan lukien loppudokumentointi. [14]

Muuntajaan liittyvien suunnittelutöiden tuntimäärän arvioidaan vaihtelevan välillä

15 – 30 tuntia tehosta ja toisiokäämien lukumäärästä riippuen. Arvio sisältää muuntajan

25

ja siitä lähtevän kaapeloinnin suunnittelun ja mitoituksen, layout-suunnittelun sekä tar-

vittavan dokumentaation. [14]

Pienjännitekojeiston suunnitteluun arvioidaan tarvittavan 24 – 30 tuntia. Tämä sisäl-

tää syöttö-, mittaus- ja lähtökentän suunnittelun ja tarvittavien komponenttien valinnan

sekä taajuusmuuttajalle lähtevän kaapeloinnin mitoituksen ja reitityksen. Myös doku-

mentointi on laskettu arvioon. [14]

Moottorin ja taajuusmuuttajan mitoitukseen ja valintaan liittyvän suunnittelutöiden

tuntimäärän arvioidaan olevan sähkökäytön tehosta riippuen 35 – 50 tuntia keskijänni-

tevaihtoehdoilla ja 15 – 20 tuntia pienjännitevaihtoehdoilla. [14]

Asennus

Asennustyön tuntiveloitushinta arvioidaan siten, että se sisältää ylimääräiset kustannuk-

set päivärahoista, matkustuksesta ja majoittumisesta. Lisäksi työpäivän keskimääräisek-

si pituudeksi arvioidaan 10 tuntia, joten ylitöiden osuuskin on huomioitu. Asennustöi-

den tuntiveloitushinnan ja tuntimääräarvioiden perusteella suunnittelutyökalusta saa-

daan arviot investoinnin kertamenoerän asennustöiden kustannuksista Kasennus.

Tarkasteltavien laitteiden asennustöiden tuntimääräarviot sisältävät siirron rahtikul-

kuneuvon kyydistä laitteen lopulliseen toimintapisteeseen ja paikalleen asennuksen sekä

tarvittavat muut kytkennät. Keskijännitekojeiston yhden katkaisijakennon asennustöiden

tuntimäärän arvioidaan olevan 10 tuntia ja muuntajan asennustöiden arvioidaan vaihte-

levan välillä 20 – 30 tuntia tehosta riippuen. Pienjännitekojeiston asennukseen arvioi-

daan tarvittavan 17 – 24 tuntia ja taajuusmuuttajan asennustöihin keskijännitetaajuus-

muuttajalla 20 – 30 tuntia ja pienjännitetaajuusmuuttajalla 8 – 12 tuntia. Moottorin

asennustyön oletetaan sisältyvän pumppu- tai puhallintoimittajan asennuksiin. [14]

Käyttöönotto

Käyttöönottotyön tuntiveloitushinta arvioidaan siten, että se sisältää ylimääräiset kus-

tannukset päivärahoista, matkustuksesta ja majoittumisesta. Lisäksi työpäivän keski-

määräiseksi pituudeksi arvioidaan 10 tuntia, joten ylitöiden osuus on huomioitu. Suun-

nittelutyökaluun syötettävä parametri määrittelee käyttöönottotyön tuntiveloitushinnan.

Kun työkalun lähtötietoihin on sen lisäksi syötetty tuntimääräarviot eri käyttöönottotöi-

den vaiheista, saadaan työkalusta automaattisesti arviot investoinnin kertamenoerän

käyttöönottotöiden kustannuksista Kkäyttöönotto.

Keskijännitekojeiston yhden katkaisijakennon käyttöönottotöiden tuntimäärän arvi-

oidaan olevan 15 tuntia. Arvio sisältää kojeiston, siitä lähtevän kaapeloinnin ja muunta-

jan käyttöönottotehtävät. Käytännössä tämä tarkoittaa esimerkiksi ohjauksien, lukitus-

ten, suojareleiden ja valokaarisuojien toimintojen tarkastamista sekä pöytäkirjojen te-

koa. Muuntajan käyttöönottotyöt sisältyvät keskijännitekojeiston tuntimääräarvioon.

Pienjännitekojeiston käyttöönottoon arvioidaan tarvittavan 14 – 20 tuntia. Tämä si-

sältää ohjauspiirien ja mittalaitteiden sekä kaapelointien testauksen. Sähkömoottorikäy-

tön eli moottorin ja taajuusmuuttajan käyttöönoton tuntimäärän arvioidaan olevan käy-

26

tön tehosta riippuen 80 – 100 tuntia keskijännitevaihtoehdoilla ja 20 – 30 tuntia pien-

jännitevaihtoehdoilla. Arviot sisältävät toimenpiteet sähkömoottorikäytön toimintakun-

toon saattamiseksi, esimerkiksi parametroinnin. [14]

4.3. Kaapelointikustannukset

Nimitystä johtojärjestelmä käytetään kokonaisuudesta, joka muodostuu kaapeleista,

johtimista ja virtakiskoista. Johtojärjestelmään kuuluvat myös ne osat, joita käytetään

kaapeleiden, johtimien sekä virtakiskojen kiinnittämiseen ja tarvittaessa myös koteloin-

nilla suojaamiseen. Kaapeleita voidaan tarkastella ja ryhmitellä monin eri tavoin. Ryh-

mittely voidaan tehdä muun muassa käyttöjännitteen, asennustavan ja johdin- tai vaip-

parakenteen mukaan. [12]

Tämän työn investointilaskelmissa perusinvestoinnin kertamenoerä ottaa huomioon

johtojärjestelmän kustannukset materiaaleista ja asennustyöstä. Materiaalien osalta ole-

tetaan, että laitteiden välinen virransiirto toteutetaan kaapeleilla. Virtakiskoja käytetään

siis vain kojeistojen sisällä tapahtuvassa virransiirrossa. Tarkastelussa käytettäviksi

kaapelityypeiksi on valittu erään kaapelinvalmistajan keskijännitekaapeli AHXAMK-W

sekä pienjännitekaapeli MCMK. Keskijännitekaapelointien kustannusarvioinnissa käy-

tetään valitun kaapelityypin kokoja

• AHXAMK-W 3x70Al+35Cu

• AHXAMK-W 3x120Al+35Cu

• AHXAMK-W 3x185Al+35Cu

• AHXAMK-W 3x240Al+35Cu

• AHXAMK-W 3x300Al+35Cu

ja pienjännitekaapeloinnissa valitun kaapelityypin kokoja

• MCMK 3x185/95 AN

• MCMK 3x240/120 AN

• MCMK 3x300/150 AN.

27

Tarkastelussa hyödynnettävä suunnittelutyökalu laskee perusinvestoinnin kerta-

menoerän kaapelointikustannukset Kkaapelointi kaapeleiden kuormitusvirtojen avulla.

Keskijännitekaapeloinnin kustannusarviot esitetään taulukossa 4.2. ja pienjännitekaape-

loinnin kustannukset esitetään taulukossa 4.3. Taulukoissa esitetyt kustannusarviot pe-

rustuvat aiemmin toteutettuihin investointihankkeisiin. Kaapeloinnin materiaalikustan-

nukset muodostuvat kaapeleiden, kaapelihyllyjen, läpivientien, merkintä- ja kiinnitys-

tarvikkeiden arvioidusta yhteenlasketusta summasta metriä kohti. Työkustannusarviot

sisältävät kaapeleiden vetämisen asennuspaikalla, kiinnittämisen, merkitsemisen, liittä-

misen sekä päättämisen.

Taulukko 4.2. Kaapelointikustannukset keskijännitekaapelia käytettäessä.

Kaapeli Kytkentä Kuormitusvirta Materiaali Työ Materiaali Työ

A €/m €/m €/kaapeli €/kaapeli

- 150 20 12 150 900 151 - 200 24 14 200 1200 201 - 300 28 16 250 1500 301 - 350 32 18 300 1800 351 - 400 36 20 350 2000 401 - 475 48 28 400 2400 476 - 550 56 32 500 3000 551 - 650 64 36 600 3600 651 - 750 72 40 700 4000 751 - 850 96 54 900 5400

851 - 1000 108 60 1050 6000 1001 - 1300 144 80 1400 8000 1301 - 1600 180 100 1750 10000 1601 - 1900 216 120 2100 12000 1901 - 2200 254 140 2450 14000

28

Taulukko 4.3. Kaapelointikustannukset pienjännitekaapelia käytettäessä.

Kaapeli Kytkentä

Kuormitusvirta Materiaali Työ Materiaali Työ A €/m €/m €/kaapeli €/kaapeli

0 - 300 75 12 30 450 301 - 400 100 14 35 500 401 - 450 125 16 40 550 451 - 600 150 24 60 900 601 - 700 200 28 70 1000 701 - 850 250 32 80 1100

851 - 1050 300 42 105 1500 1051 - 1300 375 48 120 1650 1301 - 1650 450 64 160 2200 1651 - 2000 525 80 200 2750 2001 - 2350 600 96 240 3300 2351 - 2700 675 112 280 3850 2701 - 3050 750 128 320 4400 3051 - 3400 825 144 360 4950 3401 - 3750 900 160 400 5500 3751 - 4100 975 176 440 6050 4101 - 4450 1050 192 480 6600 4451 - 4800 1125 208 520 7150 4801 - 5150 1200 224 560 7700 5151 - 5500 1275 240 600 8250 5501 - 5850 1350 256 640 8800 5851 - 6200 1425 272 680 9350 6201 - 6550 1500 288 720 9900 6551 - 6900 1575 304 760 10450 6901 - 7250 1650 320 800 11000

4.4. Rakennuskustannukset

Erilaiset pumppu- ja puhallinkäyttöjen syöttävän puolen vaihtoehdot poikkeavat toisis-

taan tilatarpeeltaan. Esimerkiksi pienjännitetaajuusmuuttaja on ulkoisilta mitoiltaan pie-

nempi kuin keskijännitetaajuusmuuttaja. Keskijännitelähdön ja muuntajan tilantarve

yhtä sähkömoottorikäyttöä kohti pienenee, kun yksi keskijännitelähtö syöttää useaa

pienjännitesähkömoottorikäyttöä.

Tämän työn investointilaskelmissa perusinvestoinnin kertamenoerä ottaa huomioon

eri toteutusvaihtoehtojen vaatiman pinta-alan rakennuskustannukset Krakennus. Raken-

nuskustannuksia arvioidaan sähkö- ja laitetilojen muutoskustannuksella, jolla tarkoite-

taan yhteenlaskettuja kuluja perustuksista lähtien sähkötilan pinta-alaa kasvatettaessa.

Oikosulkumoottoria ei huomioida rakennuskustannusten tarkastelussa, koska se on pro-

sessitilassa. Moottorille varataan prosessitilan layout-suunnittelussa riittävä tila pumpun

tai puhaltimen yhteyteen. Muutoskustannusten neliöhinta on yksi suunnittelutyökaluun

syötettävistä parametreista. Toinen rakennuskustannuksiin liittyvä parametri on kerroin,

29

jota käytetään arvioidessa laitteiden fyysisten ulkomittojen lisäksi tarvittavaa alaa esi-

merkiksi huoltotöitä varten.

4.5. Laskentamenetelmät

Perusinvestoinnin kertamenoerän suunnittelutyökalussa käytetyt laskentamenetelmät

esitetään yhtälöiden (3) – (21) avulla. Yhtälöissä käytettyjen merkintöjen selitykset löy-

tyvät kohdasta Merkinnät ja termit.

Perusinvestoinnin kertamenoerän kustannukset Kperus lasketaan menoerän ainekus-

tannusten Kaine, työkustannusten Ktyö, kaapelointikustannusten Kkaapelointi ja rakennuskus-

tannusten Krakennus summana ja edelleen työkustannukset suunnittelukustannusten

Ksuunnittelu, asennuskustannusten Kasennus ja käyttöönottokustannusten Kkäyttöönotto summana

yhtälöiden (3) ja (4) mukaisesti.

<=& <>= ?<@Aö ? <%=C'>@> ?<%=& (3)

<@Aö <&&>@@=C& ?<=& ?<%äA@@öö'@@' (4)

Investointivaihtoehtojen 1 – 4 tapauksessa aine-, kaapelointi-, rakennus-, suunnitte-

lu-, asennus- ja käyttöönottokustannukset voidaan laskea vastaavista keskijännitekojeis-

to-, muuntaja-, taajuusmuuttaja- ja moottorikohtaisista kustannuksista yhtälöiden (5) –

(10) mukaisesti.

<>= <E%F%'F=>@' ? <E&&@F ? <E@& ?<E''@@'> (5)

<%=C'>@> <%E&&@F ?<%E@& ?<%E''@@'> (6)

<%=& <E%F%'F=>@' ?<E&&@F ? <E@& (7)

<&&>@@=C& <E%F%'F=>@' ?<E&&@F ? <E@& ? <E''@@'> (8)

<=& <E%F%'F=>@' ?<E&&@F ?<E@& (9)

<%äA@@öö'@@' <%'E%F%'F=>@' ? <%'E@& ? <%'E''@@'> (10)

30

Investointivaihtoehdon 5 tapauksessa aine-, kaapelointi-, rakennus-, suunnittelu-,

asennus- ja käyttöönottokustannusten laskennassa huomioidaan myös pienjännitekojeis-

ton kustannukset yhtälöiden (11) – (16) mukaisesti. Useasta pienjännitekäytöstä johtuen

on keskijännitekojeiston, muuntajan sekä pienjännitekojeiston syöttö- ja mittauskentän

kustannuksille laskettava yhdelle sähkökäytölle aiheutuvat suhteelliset kustannukset.

<>= GäHIöGäHJöI

K<E%F%'F=>@' ?<E&&@F?<EF%EAö@@ö ? <EF%E>@@&L ? <EF%ECäM@ö ?<E@& ? <E''@@'> (11)

<%=C'>@> GäHIöGäHJöI

K<%E&&@F?<%EF%'F=>@'L ? <%E@& ? <%E''@@'> (12)

<%=& GäHIöGäHJöI

K<E%F%'F=>@' ?<E&&@F? <EF%EAö@@ö ?<EF%E>@@&L ? <EF%ECäM@ö ?<E@& (13)

<&&>@@=C& GäHIöGäHJöI

K<E%F%'F=>@' ?<E&&@F? <EF%EAö@@ö ? <EF%E>@@&L ? <EF%ECäM@ö ? <E@& ? <E''@@'> (14)

<=& GäHIöGäHJöI

K<E%F%'F=>@' ? <E&&@F ? <EF%EAö@@ö ? <EF%E>@@&L ? <EF%ECäM@ö ? <E@& (15)

<%äA@@öö'@@' GäHIöGäHJöI

K<%'E%F%'F=>@'? <%'EF%EAö@@ö ? <%'EF%E>@@&L ? <%'EF%ECäM@ö ? <%'E@& ?<%'E''@@'> (16)

Laitteen suunnittelukustannukset Ks-laite, asennuskustannukset Kas-laite, ja käyttöönot-

tokustannukset Kko-laite muodostuvat työhön käytetyn ajan ja vastaavan tuntiveloitushin-

nan tulona:

<EC>@= NEC>@= O (17)

<EC>@= NEC>@= O (18)

<%'EC>@= N%'EC>@= O%' . (19)

31

Laitteen kaapelointikustannukset Kk-kaapeli voidaan laskea kaapelikytkentöjen materi-

aali- ja työkustannusten Kkm ja Kkt sekä kaapelivedon metrikohtaisten materiaali- ja työ-

kustannusten Kvm ja Kvt perusteella:

<%E%=C> P%=C> K<Q ? <Q@L ? <%?<%@. (20)

Vastaavasti laitteeseen kohdistuvat rakennuskustannukset Kr-laite saadaan laitepinta-

alan Alaite, muutosrakennuskustannusten neliöhinnan HA sekä tarvittavan ylimääräisen

pinta-alan kertoimen kA avulla:

<EC>@= :C>@= *R OR. (21)

32

5. JUOKSEVASTI SYNTYVÄT KUSTANNUKSET

5.1. Energian hinta

Investointilaskelman juoksevasti syntyviä kustannuksia arvioidaan häviö- ja jäähdy-

tysenergian kautta. Jotta häviöiden ja jäähdytyksen osuutta voidaan vertailla investointi-

laskelmassa, on sähköenergialle annettava hinta euroina kilowattituntia kohti. Investoin-

tilaskelmassa sähköenergian hinta on yksi suunnittelutyökaluun syötettävistä paramet-

reista, joten se on helposti muokattavissa kohdemaahan soveltuvaksi. Sähköenergian

hinnan muuttumista tulevaisuudessa voidaan myös arvioida, sillä työkalussa on para-

metri, johon voidaan syöttää sähköenergian hinnan arvioitu vuotuinen muutos prosent-

teina.

Teollisuuden sähköenergian hintakehitystä Euroopassa tarkkailee Euroopan unionin

tilastovirasto Eurostat. Esimerkiksi Suomessa teollisuusasiakkaan sähköenergiasta ja

sen siirrosta aiheutuvat kustannukset veroineen ovat vuoden 2007 jälkipuoliskolla olleet

5,86 euroa 100 kWh kohti ja vuoden 2009 jälkipuoliskolla 6,83 euroa. [15]

5.2. Häviökustannukset

Häviöt ovat merkittävässä osassa tässä työssä tarkasteltavien eri vaihtoehtojen inves-

tointilaskelmien osalta. Häviöenergian laskentamenetelmiä on pelkistetty, joten saadut

häviöenergiat ovat suuntaa antavia, mutta suuruusluokaltaan riittävän tarkkoja. Nopeus-

säädöstä johtuen laitteiden kuormitukset vaihtelevat ja laitteiden mahdollisen ylimitoi-

tuksen takia häviölaskennassa oletetaan, että kuormitus on keskimäärin 75 prosenttia

sähkökäytön mitoitetusta tehosta.

Suunnittelutyökalussa on parametri laskettavan sähkökäytön vuotuiselle käyttöas-

teelle, jotta voidaan arvioida häviöiden huipunkäyttöaikaa. Oletetaan, että sähkökäytön

virransyöttö katkaistaan muuntajalta eteenpäin, kun toimilaite eli pumppu tai puhallin ei

pyöri. Työkalu laskee arviot vuotuisista häviökustannuksista kaapeleissa, muuntajassa,

taajuusmuuttajassa ja moottorissa huomioiden tarvittaessa sähköenergian hinnan muu-

toksen tulevaisuudessa.

Kaapelihäviöt

Kaapelirakenteessa syntyy tehohäviöitä, kun kaapelissa siirretään sähkötehoa. Nämä

häviöt syntyvät kaapelin eri osissa ja aiheuttavat kaapelin lämpötilan nousun. Kaapelin

käytönaikaiset häviöt virtajohtimissa ovat resistiivisiä häviöitä. Lisäksi kaapelin eriste-

materiaalissa syntyy dielektrisiä häviöitä sekä kaapelin kosketussuojassa ja muissa me-

tallikerroksissa resistiivisiä häviöitä. Kaapelin häviöistä suurin osa syntyy kaapelin joh-

timissa.

33

Johtimen häviöteho Ph on Ohmin lain mukaisesti riippuvainen virrasta ja resistans-

sista, joten se voidaan esittää

M S8, (22)

missä R johtimen resistanssi ja

I yhden johtimen virran tehollisarvo.

Koska resistiivisyys on riippuvainen materiaalin lämpötilasta, tarvitaan yhtälö resistiivi-

syyden lämpötilariippuvuudelle. Kaapelin tasavirtaresistanssi toimintalämpötilassa R'

voidaan laskea

ST S1 ? UK V L, (23)

missä R0 on resistanssin arvo lämpötilassa 20 °C

α resistiivisyyden lämpötilakerroin

T toimintalämpötila ja

T0 referenssilämpötila 20 °C. [16]

Tämän työn tarkastelussa kaapelihäviöiden osalta lasketaan käytönaikaiset resistiivi-

set häviöt kaapeleiden johtimissa yhtälön (22) mukaisesti. Koska tarkastelussa käyte-

tään kolmivaiheisia kaapeleita, suunnittelutyökalussa lasketaan häviöteho

M 3S8. (24)

Resistanssi R on kullekin kaapelille laskettu kaapelivalmistajien ilmoittamien tasavirta-

resistanssien avulla hyödyntämällä yhtälöä (23). Toimintalämpötilaksi on valittu 70 °C.

Koska tasavirtaresistanssien arvot on annettu kilometriä kohden, täytyy toimintalämpö-

tilan perusteella lasketut resistanssiarvot vielä kertoa vedon pituudella. Tästä syystä

suunnittelutyökaluun on annettu parametrit, joihin täytetään kaapelivedon pituus.

Kaapelin kuormitusvirta I on laskettu siten, että oletetaan kuormituksen olevan 75

prosenttia sähkökäytön nimellisestä tehosta. Saatu häviöteho saadaan muutettua vuotui-

seksi häviöenergiaksi, kun kerrotaan häviöiden huipunkäyttöajalla. Häviöiden huipun-

käyttöajalla tarkoitetaan tämän työn tarkasteluissa sitä vuotuista tuntimäärää, jolloin

häviöitä syntyy. Kaapeloinnin yhteydessä se tarkoittaa vuotuista tuntimäärää, jolloin

kaapelissa siirretään sähkötehoa. Häviöenergiasta päästään häviökustannuksiin kerto-

malla edelleen teollisuusenergian hinnalla, joka on yksi työkaluun syötettävistä para-

metreista.

34

Suunnittelutyökalussa yhden kaapeloinnin vuotuiset häviökustannukset Kkh laske-

taan

<%M 3WP%=C> SX °C[8% N% O= , (25)

missä lkaapeli on kaapelivedon pituus

R'70 °C kaapelin tasavirtaresistanssin arvo lämpötilassa 70 °C

Ik kuormitusvirta 75 prosentin kuormituksella

tk häviöiden huipunkäyttöaika ja

He teollisuusenergian hinta.

Muuntajahäviöt

Muuntajassa syntyvät häviöt voidaan jakaa kahteen osatekijään, tyhjäkäynti- ja kuormi-

tushäviöihin. Tyhjäkäyntihäviöitä syntyy muuntajassa aina, kun se on kytkettynä sähkö-

verkkoon, ja ne ovat riippumattomia muuntajan kuormituksesta. Tyhjäkäyntihäviöt ovat

seurausta lähinnä tyhjäkäyntivirran aiheuttamista resistiivisistä häviöistä ensiökäämi-

tyksessä. Kuormitushäviöt ovat riippuvaisia muuntajan kuormituksesta, sillä ne muo-

dostuvat käämityksissä syntyvistä kuparihäviöistä ja hajavuon aiheuttamista häviöistä.

[17]

Muuntajien valmistajien ilmoittamia tyhjäkäynti- ja nimelliskuormitushäviöitä hyö-

dyntämällä voidaan riittävällä tarkkuudella määrittää muuntajien häviöt. Tyhjäkäyntihä-

viöt P0 ovat ensisijaisesti riippuvaisia muuntajan jännitteestä ja se voidaan esittää

\]^]7_ , (26)

missä U1 on muuntajan ensiöjännite

Un muuntajan nimellisjännite ja

P0n muuntajan nimellistyhjäkäyntihäviöt.

Yhtälöä (26) käyttämällä saadaan tarkat arvot, kun jännite on sinimuotoista. Säröytymi-

nen tai käyrämuodon muuttaminen lisäävät muuntajan tyhjäkäyntihäviöitä. [17]

Kun toimitaan verkkotaajuudella, muuntajan kuormitushäviöt Pk voidaan laskea

% \ `a`a7_% , (27)

missä I2 on toision kuormitusvirran tehollisarvo

I2n toision nimellinen kuormitusvirta ja

Pkn muuntajan nimelliskuormitushäviöt. [17]

Tässä diplomityössä tarkasteltavassa suunnittelutyökalussa muuntajahäviöt on jaettu

myös tyhjäkäynti- ja kuormitushäviöihin. Tyhjäkäyntihäviöiden osalta oletetaan, että

35

muuntajan jännite pysyy vakiona, jolloin tyhjäkäyntihäviöiden oletetaan myös pysyvän

vakiona. Työkaluun on syötetty laitevalmistajan antamat tiedot muuntajakohtaisista

tyhjäkäyntihäviöistä. Tyhjäkäyntihäviöiden huipunkäyttöaika on koko vuosi eli 8760

tuntia, koska oletetaan muuntajan olevan aina kytkettynä sähköverkkoon.

Kuormitushäviöt lasketaan hyödyntämällä laitevalmistajan ilmoittamia nimellis-

kuormitushäviöitä ja yhtälöä (27). Oletetaan, että toision hetkellisen kuormitusvirran

tehollisarvo on keskimäärin 75 prosenttia toision nimellisestä kuormitusvirrasta, jolloin

kuormitushäviöt lasketaan

%_ K0,75L% . (28)

Muuntajan vuotuiset häviökustannukset Kmh lasketaan suunnittelutyökalussa

<M K8760 ? %_ N%L O= . (29)

Yhtälön (29) mukaisesti vuotuinen muuntajahäviöenergia saadaan laskemalla yhteen

laitevalmistajan ilmoittamat tyhjäkäyntihäviöt P0 kerrottuna koko vuoden tuntimäärällä

8760 tuntia ja yhtälön (28) avulla lasketut kuormitushäviöt Pk_75 kerrottuna häviöiden

huipunkäyttöajalla tk, joka vastaa vuotuisen käyttöasteen perusteella laskettua sähkökäy-

tön vuotuista käyttöaikaa. Häviöenergiasta päästään häviökustannuksiin kertomalla

edelleen teollisuusenergian hinnalla He.

Häviöt taajuusmuuttajassa ja moottorissa

Taajuusmuuttajan häviöt syntyvät laitteen eri osassa, kuten esimerkiksi vaihto- ja ta-

sasuuntaussillassa sekä välipiirissä. Taajuusmuuttajaohjatun oikosulkumoottorikäytön

suuren kytkentätaajuuden ansiosta moottorin syötössä päästään suhteellisen lähelle si-

nimuotoista jännitettä. Tästä huolimatta jännite sisältää kuitenkin suuritaajuuksisia hä-

viökomponentteja. Oikosulkumoottorissa häviöitä syntyy, kun suuritaajuiset häviökom-

ponentit kohtaavat moottorikäämityksen. Päävuon suuritaajuiset komponentit kasvatta-

vat rautahäviöitä ja suuritaajuinen hajavuo aiheuttaa päävuon huojuntaa. Nykyisin

moottorivalmistajat huomioivat käyttötarkoituksen, tässä tapauksessa taajuusmuuttaja-

käytön, jo suunnitteluvaiheessa, jotta moottorit soveltuvat paremmin taajuusmuuttajaoh-

jattuihin sähkökäyttöihin. [18]

Tässä työssä tarkasteltavassa taulukkolaskentapohjaisessa suunnittelutyökalussa se-

kä taajuusmuuttajan että oikosulkumoottorin häviöitä arvioidaan suoraan hyötysuhteen

perusteella. Työkalun laitetietoihin on syötetty laitevalmistajan arviot laitteiden hyö-

tysuhteessa 75 prosenttia kuormituksessa. Häviöitä laskiessa oletetaan moottorikuorman

olevan 75 prosenttia sähkökäytön mekaanisesta nimellistehosta Plähtö.

36

Taajuusmuuttajan vuotuiset häviökustannukset Kth lasketaan

<@M K1 V ηdL %&' N% O= , (30)

missä ηt on taajuusmuuttajan hyötysuhde 75 prosentin kuormituksella

Pkuorma 75 prosenttia sähkökäytön mekaanisesta nimellistehosta

tk häviöiden huipunkäyttöaika ja

He teollisuusenergian hinta.

Oikosulkumoottorin vuotuiset häviökustannukset Kmoh lasketaan

<'M K1 V ηeL %&' N% O= , (31)

missä ηm on oikosulkumoottorin hyötysuhde 75 prosentin kuormituksella.

5.3. Jäähdytyskustannukset

Edellisessä luvussa käsiteltiin häviöenergiaa ja kuinka tämän työn tarkastelussa häviöitä

arvioidaan. Suurin osa laite- ja kaapelihäviöenergiasta muuttuu lämmöksi. Tästä syystä

suunnittelutyökalussa arvioidaan myös sitä, kuinka paljon eri investointivaihtoehdoissa

kuluu vuosittain energiaa jäähdytykseen. Tämä energiamäärä on muutettava jäähdytys-

kustannukseksi, jotta jäähdytyksen synnyttämät juoksevat kustannukset ovat vertailta-

vissa.

Jäähdytyskustannuksia arvioidessa oletetaan, että kaikki syntyvät häviöt ovat läm-

pöhäviöitä ja, että 3 kW häviötehon jäähdytykseen tarvitaan 1 kW jäähdytysteho eli

jäähdytysenergia on yksi kolmannes arvioidusta häviöenergiasta. Lisäksi häviötehoista

huomioidaan vain sähkö- ja laitetiloissa syntyvät häviöt. Suunnittelutyökalu laskee yh-

teen häviöt, jotka syntyvät muuntajassa, taajuusmuuttajassa sekä kaapeleissa lukuun

ottamatta moottorin syöttökaapelia. Häviöenergian laskenta on esitetty edellisessä lu-

vussa, joten vuotuisiin jäähdytyskustannuksiin päästään, kun yhteenlaskettu jäähdy-

tysenergia kerrotaan teollisuusenergian hinnalla.

5.4. Investoinnin pitoaika

Investointilaskelman juoksevasti syntyvistä kustannuksista, häviö- ja jäähdytyskustan-

nuksista, lasketaan edellisten lukujen mukaisesti vuotuiset arviot. Sähköenergian hinnan

muutosta voidaan arvioida parametrilla, johon voidaan syöttää sähköenergian hinnan

vuotuinen muutos prosentteina. Suunnittelutyökalu laskee edellä mainitut tekijät huo-

mioiden investointikustannuksiin juoksevasti syntyvät kustannukset ensimmäisen

kymmenen vuoden ajalta ja tämän jälkeen viiden vuoden välein 40 vuoteen asti.

37

6. KUSTANNUSTARKASTELU

Tässä luvussa tarkastellaan voimalaitosten suuritehoisten nopeussäädettyjen sähkökäyt-

töjen investointikustannusten muodostumista eri osatekijöistä. Perusinvestoinnin kerta-

menoerän osalta tarkastellaan eri tekijöiden kustannusten muuttumista sähkökäytön ni-

mellistehon kasvaessa. Juoksevien kustannusten osalta tarkastellaan häviöiden jakautu-

mista eri laitteiden ja kaapeloinnin kesken sekä kokonaishäviökustannuksia sähkökäy-

tön nimellistehon ja vuotuisen käyttöasteen muuttuessa. Juoksevien kustannusten las-

kentaan liittyvistä olettamuksista johtuen jäähdytyskustannukset ovat suoraan riippuvai-

sia häviökustannuksista, joten niitä ei tarkastella erikseen. Eri investointivaihtoehtojen

kokonaiskustannusten tarkasteluissa jäähdytyskustannusten vaikutus kuitenkin huomi-

oidaan ja esitetään.

Kustannusten laskemisessa on hyödynnetty taulukkolaskentaan pohjautuvaa suun-

nittelutyökalua, joka sisältää monia muokattavia parametreja. Parametrit, jotka pidetään

muuttumattomina tämän luvun tarkasteluissa, esitetään taulukossa 6.1. Taulukossa esi-

tettyjä syöttökaapeleiden pääjännite -parametreja käytetään määriteltäessä käytettäviä

kaapeleiden poikkipintoja sekä kaapelihäviöitä. Kaapeleiden poikkipinnan määritykses-

sä käytetään myös parametria, jolla arvioidaan kaapeliasennuksen korjauskerroin. Syöt-

tökaapeleiden pituus vaikuttaa sekä perusinvestoinnin kertamenoerään kaapelointikus-

tannusten osalta että juoksevien kustannusten syntyyn häviöiden kautta.

Lisäksi myös parametrien muutosrakennuskustannukset, keskimääräinen kuormitus,

ylimääräisen pinta-alan kerroin, kaapelin toimintalämpötila, muuntajan IP-luokitus, te-

ollisuusenergian hinta sekä suunnittelu-, asennus- ja käyttöönottotyön tuntiveloitushinta

arvot ovat vakioituja kustannustarkastelu-osassa.

38

Taulukko 6.1. Kustannustarkastelun kiinteät parametrit.

Muuntajan syöttökaapelin pääjännite 12 000 V Kaikki vaihtoehdot

PJ-kojeiston syöttökaapelin pääjännite 690 V Vaihtoehto 5

Taajuusmuuttajan syöttökaapelin pääjännite 3 300 V Vaihtoehdot 1 ja 3

Taajuusmuuttajan syöttökaapelin pääjännite 690 V Vaihtoehdot 2, 4 ja 5

Moottorin syöttökaapelin pääjännite 3 300 V Vaihtoehdot 1 ja 3

Moottorin syöttökaapelin pääjännite 690 V Vaihtoehdot 2, 4 ja 5

Kaapeliasennuksen korjauskerroin 0,7 Kaikki vaihtoehdot

Kaapelin toimintalämpötila 70 °C Kaikki vaihtoehdot

Muuntajan syöttökaapelin pituus 15 m Kaikki vaihtoehdot

PJ-kojeiston syöttökaapelin pituus 5 m Vaihtoehto 5

Taajuusmuuttajan syöttökaapelin pituus 15 m Kaikki vaihtoehdot

Moottorin syöttökaapelin pituus 50 m Kaikki vaihtoehdot

Muutosrakennuskustannus 1 250 € / m2 Kaikki vaihtoehdot

Keskimääräinen kuormitus (nimellisestä) 75 % Kaikki vaihtoehdot

Ylimääräisen pinta-alan kerroin 2 Kaikki vaihtoehdot

Muuntajan IP-luokitus IP21 Kaikki vaihtoehdot

Teollisuusenergian hinta 0,08 € / kWh Kaikki vaihtoehdot

Teollisuusenergian hinnan arvioitu muutos 0 % / a Kaikki vaihtoehdot

Suunnittelutyön tuntiveloitushinta 55 € / h Kaikki vaihtoehdot

Asennustyön tuntiveloitushinta 48 € / h Kaikki vaihtoehdot

Käyttöönottotyön tuntiveloitushinta 75 € / h Kaikki vaihtoehdot

6.1. Aine- ja työkustannusten tarkastelu

Tässä alaluvussa tarkastellaan perusinvestoinnin kertamenoerän aine- ja työkustannus-

ten muuttumista eri investointivaihtoehdoilla, kun sähkökäytön tehoa kasvatetaan. Aine-

ja työkustannukset muodostuvat kaikissa vaihtoehdoissa keskijännitekojeiston, muunta-

jan, taajuusmuuttajan sekä oikosulkumoottorin materiaali-, asennus- ja suunnittelukus-

tannuksista.

Vaihtoehdon 5 kustannusrakenne poikkeaa hieman muista vaihtoehdoista. Useasta

pienjännitelähdöstä johtuen keskijännitekojeiston ja muuntajan kustannukset lasketaan

yhden pienjännitekäytön suhteellisena osuutena ja muista vaihtoehdoista poiketen kus-

tannukset sisältävät myös pienjännitekojeiston syöttö-, mittaus- ja taajuusmuuttajaläh-

tökentän kustannukset. Tässä tarkastelussa oletetaan, että vaihtoehdon 5 keskijännite-

lähtö syöttää kolmea sähköteholtaan yhtä suurta pienjännitekäyttöä.

Suunnittelutyökalu laskee aine- ja työkustannukset laitevalmistajalta saatujen hinta-

tietojen ja kokemusperäisten työkustannusarvioiden perusteella. Taulukossa 6.1. esitet-

tyjen parametrien lisäksi aine- ja työkustannusten laskemiseen tarvitaan vain parametria,

jolla määritetään sähkökäytön nimellinen teho kilowatteina. Kuvassa 6.1. esitetään aine-

ja työkustannukset nimellistehosta 500 kW nimellistehoon 4 500 kW. Kustannukset on

laskettu 100 kW:n portain 2 000 kW:iin asti. Tämän jälkeen kustannukset on laskettu

500 kW:n välein 4 500 kW:iin asti.

39

Kuvasta 6.1. nähdään, että aine- ja työkustannukset on laskettu koko tarkasteltavalle

välille vain vaihtoehdoilla 1 ja 3, joissa käytetään keskijännitemoottoria. Muissa vaihto-

ehdoissa oletetaan, että pienjännitemoottoreita ei käytetä, kun sähkökäytön nimellisteho

ylittää 2 000 kW. Vaihtoehdon 5 osalta kustannuskäyrä päättyy nimellistehon ollessa 1

800 kW, koska kolmelle 1 900 kW sähkökäytölle tarvittaisiin suurempi muuntaja kuin

suurin tähän tarkasteluun otetuista muuntajista. Kaikki investointivaihtoehdot ovat ver-

tailukelpoisia 1 800 kW:iin asti, joten kuvassa 6.2. esitetään kustannukset sähkökäytön

nimellistehon ollessa enintään 1 800 kW.

Kuva 6.1. Aine- ja työkustannukset 500 kW – 4 500 kW sähkökäytöillä.

Kuva 6.2. Aine- ja työkustannukset 500 – 1 800 kW sähkökäytöillä.

0

100 000

200 000

300 000

400 000

500 000

600 000

50

0

80

0

11

00

14

00

17

00

20

00

23

00

26

00

29

00

32

00

35

00

38

00

41

00

44

00

Ku

sta

nn

uk

set

[€]

Sähkökäytön nimellisteho [kW]

Aine- ja työkustannukset

500 kW - 4 500 kW

Vaihtoehto 1

Vaihtoehto 2

Vaihtoehto 3

Vaihtoehto 4

Vaihtoehto 5

0

50 000

100 000

150 000

200 000

250 000

300 000

350 000

50

0

60

0

70

0

80

0

90

0

10

00

11

00

12

00

13

00

14

00

15

00

16

00

17

00

18

00

Ku

sta

nn

uk

set

[€]

Sähkökäytön nimellisteho [kW]

Aine- ja työkustannukset

500 kW - 1800 kW

Vaihtoehto 1

Vaihtoehto 2

Vaihtoehto 3

Vaihtoehto 4

Vaihtoehto 5

40

Kuvien 6.1 ja 6.2. mukaisesti investointivaihtoehtojen 1 ja 3 aine- ja työkustannuk-

set ovat selvästi korkeammat kuin vaihtoehtojen 2, 4 ja 5. Keskijännitetaajuusmuuttajaa

ja –moottoria käytettäessä perusinvestoinnin kertamenoerään tulee sähkökäytön tehosta

riippuen noin 70 000 – 130 000 euroa enemmän aine- ja työkustannuksia kuin käytettä-

essä pienjännitetaajuusmuuttajaa ja – moottoria.

Pienjännitevaihtoehdot 2, 4 ja 5 eivät keskijännitevaihtoehtojen tapaan poikkea toi-

sistaan kovin paljoa. Vaihtoehto 2 on työ- ja ainekustannuksiltaan niukasti kahta muuta

vaihtoehtoa kalliimpi koko tehoalueella. Vaihtoehto 5, ainoa pienjännitekojeistollinen

vaihtoehto, on työ- ja ainekustannuksiltaan halvin vaihtoehto nimellistehon ollessa vä-

lillä 500 kW – 1 100 kW. Vaihtoehto 4, jossa on kaksikäämimuuntaja sekä 6-pulssisella

tasasuuntaussillalla varustettu taajuusmuuttaja, on halvin vaihtoehto tehon kasvaessa

sitä suuremmaksi.

6.2. Kaapelointikustannusten tarkastelu

Tässä alaluvussa tarkastellaan perusinvestoinnin kertamenoerän kaapelointikustannus-

ten muuttumista eri investointivaihtoehdoilla, kun sähkökäytön tehoa kasvatetaan. Kaa-

pelointikustannukset koostuvat kaikissa vaihtoehdoissa kaapelinvedon ja kytkennän

materiaali- ja työkustannuksista. Suunnittelutyökalu laskee annettujen parametrien pe-

rusteella eri investointivaihtoehtojen kaikilta kaapeleilta vaaditut kuormitettuvuudet ja

valitsee käytettävän, poikkipinnaltaan riittävän suuren, kaapelin poikkipinnan. Taulu-

kossa 6.1. esitettyjen parametrien lisäksi kaapelointikustannusten laskemiseen tarvitaan

vain parametria, jolla määritetään sähkökäytön nimellinen teho kilowatteina.

Kuvassa 6.3. esitetään kaapelointikustannukset nimellistehosta 500 kW nimelliste-

hoon 4 500 kW ja kuvassa 6.4. nimellistehon ollessa enintään 1 800 kW.

Kuva 6.3. Kaapelointikustannukset 500 kW – 4 500 kW sähkökäytöillä.

0

10 000

20 000

30 000

40 000

50 000

60 000

70 000

50

0

80

0

11

00

14

00

17

00

20

00

23

00

26

00

29

00

32

00

35

00

38

00

41

00

44

00

Ku

sta

nn

uk

set

[€]

Sähkökäytön nimellisteho [kW]

Kaapelointikustannukset

500 kW - 4 500 kW

Vaihtoehto 1

Vaihtoehto 2

Vaihtoehto 3

Vaihtoehto 4

Vaihtoehto 5

41

Kuva 6.4. Kaapelointikustannukset 500 – 1 800 kW sähkökäytöillä.

Kuvista 6.3. ja 6.4. nähdään, että investointivaihtoehtojen 1 ja 3 kaapelointikustan-

nukset ovat selvästi pienemmät kuin vaihtoehtojen 2, 4 ja 5. Keskijännitetaajuusmuutta-

jaa ja –moottoria käytettäessä perusinvestoinnin kertamenoerän kustannuksista sääste-

tään 500 kW nimellisteholla hieman alle 10 000 euroa. Säästöä tulee yhä enemmän,

kun sähkökäytön nimellistehoa kasvatetaan. Kun nimellisteho on 1 800 kW, säästöä

tulee jo yli 40 000 euroa yhtä sähkökäyttöä kohti.

Keskijännitevaihtoehtojen 1 ja 3 kaapelointikustannukset ovat koko tarkasteltavalla

tehoalueella lähes yhtä suuret. Pienet erot näiden vaihtoehtojen kustannuksista johtuvat

muuntajan ja taajuusmuuttajan rakenteellisista eroista. Vaihtoehdossa 1 muuntajan toi-

siopuolella on kaksi käämitystä taajuusmuuttajan 12-pulssisesta verkkosillasta johtuen.

Tästä syystä vaihtoehdon 1 taajuusmuuttajan syöttökaapelointi on kaapeleiden lukumää-

rältä kaksinkertainen. Kaapeloinnin kuormitusvirta on yhtä toisiokäämiä kohti sen si-

jaan pienempi kuin vaihtoehdossa 3, joten vaihtoehdon 1 kaapelit voivat sähkökäytön

tehosta riippuen olla poikkipinnaltaan pienempiä.

Pienjännitevaihtoehtojen 2 ja 4 kaapelointikustannukset ovat myös lähes yhtä suuria

koko tarkasteltavan tehoalueen. Pienet erot näiden vaihtoehtojen kustannuksissa johtu-

vat muuntajan ja taajuusmuuttajan rakenteellisista eroista samalla tavalla kuin keskijän-

nitevaihtoehdoilla 1 ja 3. Investointivaihtoehto 5 on kaapelointikustannuksiltaan tarkas-

teltavista vaihtoehdoista kallein. Vaihtoehdon 5 kaapelointikustannukset ovat noin 8

prosenttia suuremmat kuin kahdella muulla pienjännitevaihtoehdolla. Tämä ero johtuu

siitä, että vaihtoehdolla 5 on yksi kaapelointi enemmän kuin muilla vaihtoehdoilla.

Pienjännitekojeistosta johtuen kaapelointia ei vedetä muuntajalta suoraan taajuusmuut-

tajalle vaan muuntajalta kaapeloidaan ensin pienjännitekojeistolle ja kojeiston lähtöken-

tästä taajuusmuuttajalle.

0

10 000

20 000

30 000

40 000

50 000

60 000

70 000

50

0

60

0

70

0

80

0

90

0

10

00

11

00

12

00

13

00

14

00

15

00

16

00

17

00

18

00

Ku

sta

nn

uk

set

[€]

Sähkökäytön nimellisteho [kW]

Kaapelointikustannukset

500 kW - 1800 kW

Vaihtoehto 1

Vaihtoehto 2

Vaihtoehto 3

Vaihtoehto 4

Vaihtoehto 5

42

Pienjännitetaajuusmuuttajaa ja –moottoria käytettäessä kuormitusvirrat ovat paljon

suurempia, koska jännite on pienempi. Tästä syystä pienjännitevaihtoehdoissa tarvitaan

suurempia kaapeleiden poikkipintoja verrattuna keskijännitevaihtoehtoihin. Sen lisäksi

tässä tarkastelussa pienjännitekaapeleiden johdinmateriaalina käytetään kuparia, joka on

kalliimpi materiaali kuin keskijännitekaapeleiden johdinmateriaalina käytetty alumiini.

Kuparikaapelin suurempi kuormitettavuus poikkipinnaltaan vastaavaan alumiinikaape-

liin verrattuna kompensoi hieman kuparikaapelin korkeampaa hintaa.

6.3. Rakennuskustannusten tarkastelu

Tässä alaluvussa tarkastellaan perusinvestoinnin kertamenoerän rakennuskustannusten

muuttumista eri investointivaihtoehdoilla, kun sähkökäytön tehoa kasvatetaan. Raken-

nuskustannuksiin huomioidaan vain sähkö- ja laitetiloissa olevat laitteet. Tällöin toimi-

laitetta pyörittävä moottori on laitteista ainoa, joka on tarkastelun ulkopuolella.

Suunnittelutyökalu valitsee annettujen parametrien perusteella eri investointivaih-

toehdoissa käytettävät laitekokoonpanot. Työkaluun on syötetty laitevalmistajan ilmoit-

tamat laitteiden ulkomitat, jonka perusteella työkalu laskee laitekohtaisesti tarvittavan

pinta-alan. Huoltoa ja muita toimenpiteitä varten laitteiden ympärille tarvitaan ylimää-

räistä pinta-alaa. Tämä pinta-ala huomioidaan taulukossa 6.1. esiintyvän parametrin

avulla. Kuvassa 6.5. esitetään rakennuskustannukset nimellistehosta 500 kW nimelliste-

hoon 4 500 kW ja kuvassa 6.6 nimellistehon ollessa enintään 1 800 kW.

Kuva 6.5. Rakennuskustannukset 500 kW – 4 500 kW sähkökäytöillä.

0

5 000

10 000

15 000

20 000

25 000

30 000

35 000

50

0

80

0

11

00

14

00

17

00

20

00

23

00

26

00

29

00

32

00

35

00

38

00

41

00

44

00

Ku

sta

nn

uk

set

[€]

Sähkökäytön nimellisteho [kW]

Rakennuskustannukset

500 kW - 4 500 kW

Vaihtoehto 1

Vaihtoehto 2

Vaihtoehto 3

Vaihtoehto 4

Vaihtoehto 5

43

Kuva 6.6. Rakennuskustannukset 500 kW – 1 800 kW sähkökäytöillä.

Kuvista 6.5. ja 6.6. nähdään, että rakennuskustannukset ovat vaihtoehdon 5 tapauk-

sessa selvästi pienemmät kuin muilla investointivaihtoehdoilla sähkökäytön nimelliste-

hon ollessa välillä 500 kW – 1 800 kW. Kaksi muuta pienjännitevaihtoehtoa, vaihtoeh-

dot 2 ja 4, ovat rakennuskustannuksiltaan seuraavaksi pienimmät sähkökäytön nimellis-

tehon ollessa alle 1 600 kW. Sitä suuremmilla sähkökäytöillä vaihtoehtojen 1 – 4 raken-

nuskustannukset ovat melko lähellä toisiaan.

Keskijännitevaihtoehtojen 1 ja 3 rakennuskustannukset kasvavat noin 15 000 euros-

ta noin 30 000 euroon, kun sähkökäytön nimellistehoa kasvatetaan 500 kW:sta 4 500

kW:n. Vaihtoehdon 1 rakennuskustannukset ovat sähkökäytön tehosta riippumatta hie-

man suurempia kuin vaihtoehdolla 3. Tämä johtuu siitä, että vaihtoehdon 1 kolmikää-

mimuuntaja on fyysisiltä mitoiltaan hieman suurempi kuin vaihtoehdon 3 kaksikäämi-

muuntaja. Sama ilmiö on nähtävissä myös vertailtaessa pienjännitevaihtoehtoja 2 ja 4.

Vaihtoehdon 5 rakennuskustannukset ovat muita vaihtoehtoja pienemmät, koska

keskijännitekojeiston ja muuntajan rakennuskustannukset jäävät muita vaihtoehtoja sel-

västi pienemmäksi. Keskijännitelähdön ja muuntajan kustannukset jakautuvat tasan use-

an, tässä tarkastelussa kolmen, sähkömoottorikäytön kesken.

6.4. Häviökustannusten tarkastelu

Tässä alaluvussa tarkastellaan investointikustannusten juoksevasti syntyviä kustannuk-

sia häviöiden osalta. Häviökustannusten arvioidaan syntyvän luvun 5.2. mukaisesti

muuntajassa, taajuusmuuttajassa, moottorissa ja kaapeloinnissa.

Suunnittelutyökalu laskee annettujen parametrien perusteella eri investointivaihtoeh-

tojen häviökustannukset. Seuraavaksi tarkastellaan, kuinka häviöt jakautuvat eri laittei-

den ja kaapeloinnin kesken. Lisäksi tarkastellaan häviöiden muuttumista sähkökäytön

tehoa ja vuotuista käyttöastetta kasvatettaessa. Tehtyjen oletusten perusteella jäähdytys-

0

5 000

10 000

15 000

20 000

25 000

50

0

60

0

70

0

80

0

90

0

10

00

11

00

12

00

13

00

14

00

15

00

16

00

17

00

18

00

Ku

sta

nn

uk

set

[€]

Sähkökäytön nimellisteho [kW]

Rakennuskustannukset

500 kW - 1800 kW

Vaihtoehto 1

Vaihtoehto 2

Vaihtoehto 3

Vaihtoehto 4

Vaihtoehto 5

44

kustannuksia voidaan arvioida tarkasteltavien häviökustannuksien perusteella siten, että

jäähdytyskustannukset ovat suuruudeltaan yhden kolmasosan häviökustannuksista.

Häviöiden jakautuminen

Taulukkolaskentapohjainen suunnittelutyökalu laskee laite- ja kaapelikohtaiset hä-

viöt, kun tarvittavat parametrit on syötetty. Taulukon 6.1. parametrien lisäksi vuotuisten

häviöiden laskennassa käytetään parametria, jolla määritetään sähkökäytön vuotuinen

käyttöaste. Voimalaitosten seurantaohjelmien keräämän tiedon perusteella voidaan tode-

ta, että monilla tarkasteltavilla pumppu- ja puhallinkäytöillä vuotuinen käyttöaste on

noin 80 prosenttia.

Kuvissa 6.7. – 6.9. esitetään häviöiden vuotuinen jakautuminen eri laitteiden ja kaa-

peloinnin kesken, kun vuotuinen käyttöaste on 80 prosenttia ja sähkökäytön nimelliste-

ho 500, 1 000 ja 1 800 kW. Kuvasta 6.7. nähdään, että 80 prosentin vuotuisella käyttö-

asteella sähkökäytön nimellistehon ollessa 500 kW eri investointivaihtoehtojen häviöt

eivät jakaudu prosentuaalisesti samalla tavalla. Yhteistä kaikille vaihtoehdoille on se,

että moottorissa syntyvien häviöiden osuus kokonaishäviöistä on hieman yli 40 prosent-

tia. Taajuusmuuttajassa syntyvien häviöiden osuus kokonaishäviöistä vaihtelee eri vaih-

toehdoilla noin 23 - 33 prosentin välillä.

Muuntajan tyhjäkäynti- ja kuormitushäviöiden osuus kokonaishäviöistä on pienin

vaihtoehdolla 5, noin 9 prosenttia. Tämä johtuu siitä, että yhden muuntajan alla on usea

pienjännitelähtö. Muuntajassa syntyvien häviöiden arvioidaan tässä tarkastelussa jakau-

tuvan tasan kolmen pienjännitelähdön kesken. Enimmillään muuntajahäviöiden osuus

kokonaishäviöistä on keskijännitevaihtoehdoilla 1 ja 3, noin 22 prosenttia. Sen sijaan

kaapelihäviöt ovat pienistä kuormitusvirroista johtuen näillä keskijännitevaihtoehdoilla

vain noin 2 prosenttia kaikista häviöistä. Pienjännitevaihtoehdoilla kaapelihäviöiden

suhteellinen osuus kokonaishäviöistä on vähintään 16 prosenttia, vaihtoehdolla 5 jopa

26 prosenttia.

Kuva 6.7. Häviöiden vuotuinen jakautuminen sähkökäytön nimellisteholla 500 kW.

0 %

10 %

20 %

30 %

40 %

50 %

60 %

70 %

80 %

90 %

100 %

Vaihtoehto 1

Vaihtoehto 2

Vaihtoehto 3

Vaihtoehto 4

Vaihtoehto 5

Häviöiden jakautuminen

sähkökäytön nimellisteholla 500 kW

Moottori

Taajuusmuuttaja

Muuntaja

Kaapelointi

45

Kuvasta 6.8. havaitaan, että 80 prosentin vuotuisella käyttöasteella sähkökäytön ni-

mellistehon ollessa 1 000 kW häviöt jakautuvat hieman eri tavalla kuin kuvassa 6.7.

esitetyt häviöt sähkökäytön nimellisteholla 500 kW.

Moottorissa syntyvien häviöiden osuus kokonaishäviöistä laskee 5-10 prosenttiyk-

sikköä pienjännitevaihtoehdoilla 2, 4 ja 5. Keskijännitevaihtoehdoilla 1 ja 3 moottorihä-

viöiden osuus puolestaan kasvaa noin 8 prosenttiyksikön verran 50 prosenttiin.

Taajuusmuuttajassa syntyvien häviöiden osuus kokonaishäviöistä pysyy likimain

ennallaan vaihtoehdoilla 1 ja 3. Pienjännitevaihtoehdoilla taajuusmuuttajassa syntyvien

häviöiden osuus kokonaishäviöistä hieman laskee, kun sähkökäytön nimellisteho kak-

sinkertaistuu.

Muuntajan tyhjäkäynti- ja kuormitushäviöiden osuus kokonaishäviöistä laskee kai-

killa investointivaihtoehdoilla. Vaihtoehdon 5 osalta muuntajassa syntyvien häviöiden

osuus on vain noin 3 prosenttia kaikista häviöistä.

Kaapelihäviöiden osuus pysyy lähes muuttumattomana keskijännitevaihtoehdoilla 1

ja 3. Pienjännitevaihtoehdoilla kaapelihäviöiden suhteellinen osuus kokonaishäviöistä

kasvaa lähes kaksinkertaiseksi sähkökäytön nimellistehon kasvaessa 500 kW:sta 1000

kW:iin. Vaihtoehdolla 5 kaapelihäviöiden osuus on jo lähes 50 prosenttia kaikista hävi-

öistä.

Kuva 6.8. Häviöiden vuotuinen jakautuminen sähkökäytön nimellisteholla 1 000 kW.

0 %

10 %

20 %

30 %

40 %

50 %

60 %

70 %

80 %

90 %

100 %

Vaihtoehto 1

Vaihtoehto 2

Vaihtoehto 3

Vaihtoehto 4

Vaihtoehto 5

Häviöiden jakautuminen

sähkökäytön nimellisteholla 1 000 kW

Moottori

Taajuusmuuttaja

Muuntaja

Kaapelointi

46

Kuvasta 6.9. havaitaan, että sähkökäytön nimellistehon kasvaessa 1 800 kW:iin kes-

kijännitevaihtoehtojen 1 ja 3 häviöt jakautuvat lähes samalla tavalla kuin nimellistehon

ollessa 1 000 kW. Kaapelihäviöiden osuus kuitenkin kasvaa noin seitsemän prosenttiyk-

sikön verran, ja sen myötä moottori- ja muuntajahäviöiden osuus hieman pienenee. Taa-

juusmuuttajassa syntyvien häviöiden osuus pysyy ennallaan.

Pienjännitevaihtoehdoilla 2, 4 ja 5 häviöiden jakautumisesta huomataan kuvien 6.7.

– 6.9. perusteella, että sähkökäytön nimellistehon kasvaessa kaapelihäviöiden suhteelli-

nen osuus kokonaishäviöistä kasvaa merkittävästi ja moottorissa, taajuusmuuttajassa

sekä muuntajassa syntyvien häviöiden osuus pienenee. Sähkökäytön nimellistehon ol-

lessa 1 800 kW kaapelihäviöiden osuus on peräti 80 prosenttia vuotuisista kokonaishä-

viöistä investointivaihtoehdolla 5.

Kuva 6.9. Häviöiden vuotuinen jakautuminen sähkökäytön nimellisteholla 1 800 kW.

0 %

10 %

20 %

30 %

40 %

50 %

60 %

70 %

80 %

90 %

100 %

Vaihtoehto 1

Vaihtoehto 2

Vaihtoehto 3

Vaihtoehto 4

Vaihtoehto 5

Häviöiden jakautuminen

sähkökäytön nimellisteholla 1 800 kW

Moottori

Taajuusmuuttaja

Muuntaja

Kaapelointi

47

Sähkökäytön tehon kasvattaminen

Kuvassa 6.10. esitetään vuotuiset kokonaishäviöt eri investointivaihtoehdoilla säh-

kökäytön nimellisteholla 500 – 4 500 kW. Kuvasta havaitaan, että pienjännitemoottoria

ja –taajuusmuuttajaa käyttävien vaihtoehtojen 2, 4 ja 5 häviökustannukset kasvavat hy-

vin nopeasti sähkökäytön nimellistehon kasvaessa.

Pienjännitekojeistoa syöttävien kaapeleiden häviöistä johtuen vaihtoehto 5 on hä-

viökustannuksiltaan kallein vaihtoehto tehosta riippumatta. Keskijännitemoottoria ja –

taajuusmuuttajaa käyttävät vaihtoehdot 1 ja 3 ovat häviökustannuksiltaan edullisempia

kuin pienjännitevaihtoehdot. Niiden häviökustannukset kasvavat lähes lineaarisesti säh-

kökäytön nimellistehon kasvaessa. Merkittävin tekijä keskijännitevaihtoehtojen pie-

nempiin häviökustannuksiin on suuremmasta jännitteestä aiheutuvat pienemmät kaape-

loinnin kuormitusvirrat verrattuna pienjännitevaihtoehtoihin. Pienemmistä kuormitus-

virroista seuraa pienemmät kaapelihäviöt. Tämä kaapelihäviöiden osuuden kehittyminen

sähkökäytön tehon kasvaessa nähdään myös kuvista 6.7. – 6.9.

Kuva 6.10. Häviökustannukset 500 kW – 4 500 kW sähkökäytöillä.

Vuotuisen käyttöasteen vaikutus

Sähkökäytön vuotuinen käyttöaste on yksi suunnittelutyökaluun syötettävistä paramet-

reista. Sähkökäytön vuotuisen käyttöasteen perusteella työkalu laskee käytön vuosittai-

set käyttötunnit. Samalla saadaan häviöiden huipunkäyttöaika, joka osaltaan vaikuttaa

vuotuisiin häviökustannuksiin. Muuntajan tyhjäkäyntihäviöitä syntyy tehtyjen oletusten

mukaisesti vuoden jokaisena tuntina.

Tarkastellaan vuotuisen käyttöasteen vaikutusta häviöiden jakautumiseen eri laittei-

den ja kaapeloinnin kesken sekä kokonaishäviökustannuksiin. Kuvassa 6.11. esitetään

0

50 000

100 000

150 000

200 000

250 000

300 000

50

0

80

0

11

00

14

00

17

00

20

00

23

00

26

00

29

00

32

00

35

00

38

00

41

00

44

00

Ku

sta

nn

uk

set

[€/

a]

Sähkökäytön nimellisteho [kW]

Häviökustannukset

500 kW - 4 500 kW

Vaihtoehto 1

Vaihtoehto 2

Vaihtoehto 3

Vaihtoehto 4

Vaihtoehto 5

48

häviöiden jakautuminen sähkökäytön nimellisteholla 500 kW, kun vuotuinen käyttöaste

on 80, 50 ja 20 prosenttia.

Kuva 6.11. Häviöiden jakautuminen vuotuisilla käyttöasteilla 80, 50 ja 20 prosenttia

sähkökäytön nimellisteholla 500 kW.

Kuvasta 6.11. havaitaan sama ilmiö kaikilla eri investointivaihtoehdoilla vuotuisen

käyttöasteen muuttuessa. Kun vuotuinen käyttöaste pienenee, muuntajassa syntyvien

häviöiden osuus kasvaa ja kaikkien muiden häviöiden osuus pienenee. Tämä ilmiö on

selitettävissä häviöiden huipunkäyttöajalla. Kun toimilaite eli pumppu tai puhallin ei

pyöri, oletusten perusteella vain muuntaja on kiinni sähköverkossa. Tämä tarkoittaa sitä,

että silloin häviöitä ei synny taajuusmuuttajassa, moottorissa ja kaapeloinnissa lukuun

ottamatta muuntajan syöttökaapelointia.

Muuntajassa sen sijaan tyhjäkäyntihäviöiden huipunkäyttöaika on koko vuosi, mutta

kuormitushäviöiden huipunkäyttöaika vuotuisen käyttöasteen mukainen. Tyhjäkäynti-

häviöistä johtuen muuntajassa syntyvien häviöiden osuus kokonaishäviöistä kasvaa, kun

sähkökäytön vuotuinen käyttöaste pienenee. Ilmiö ei ole riippuvainen sähkökäytön te-

hosta, joten muuntajassa syntyvien häviöiden osuus kasvaisi vuotuisen käyttöasteen

pienentyessä, vaikka sähkökäytön nimellisteho olisi suurempi.

Sähkökäytön vuotuinen käyttöaste vaikuttaa investointikustannusten kokonaishä-

viökustannuksiin. Kuvien 6.10. ja 6.11. perusteella voidaan olettaa, että vaihtoehtojen 1

ja 3 sekä 2 ja 4 kokonaishäviökustannukset eri käyttöasteilla vastaavat toisiaan riittäväl-

lä tarkkuudella. Siitä syystä kuvissa 6.12. – 6.14. esitetään vain investointivaihtoehto-

jen 3 – 5 vuotuisia häviökustannuksia, kun vuotuinen käyttöaste on 80, 50 ja 20 prosent-

tia.

0 %10 %20 %30 %40 %50 %60 %70 %80 %90 %

100 %

Va

ihto

eh

to 1

-8

0 %

Va

ihto

eh

to 1

-5

0 %

Va

ihto

eh

to 1

-2

0 %

Va

ihto

eh

to 2

-8

0 %

Va

ihto

eh

to 2

-5

0 %

Va

ihto

eh

to 2

-2

0 %

Va

ihto

eh

to 3

-8

0 %

Va

ihto

eh

to 3

-5

0 %

Va

ihto

eh

to 3

-2

0 %

Va

ihto

eh

to 4

-8

0 %

Va

ihto

eh

to 4

-5

0 %

Va

ihto

eh

to 4

-2

0 %

Va

ihto

eh

to 5

-8

0 %

Va

ihto

eh

to 5

-5

0 %

Va

ihto

eh

to 5

-2

0 %

Häviöiden jakautuminen

sähkökäytön nimellisteholla 500 kW

Moottori

Taajuusmuuttaja

Muuntaja

Kaapelointi

49

Havaitaan, että käyrämuodot eri käyttöasteilla ovat samankaltaiset. Sähkökäytön

nimellistehon kasvaessa vuotuiset häviökustannukset nousevat sitä nopeammin mitä

suurempi käytön vuotuinen käyttöaste on. Vaihtoehdon 3 tapauksessa käyttöasteen ol-

lessa 50 prosenttia, vuotuiset häviöt ovat 34 – 36 prosenttia pienemmät kuin käyttöas-

teella 80 prosenttia. Kun käyttöaste on 20 prosenttia, on vuotuiset häviökustannukset 68

– 72 prosenttia pienemmät kuin käyttöasteen ollessa 80 prosenttia.

Investointivaihtoehdolla 4 käyttöasteen ollessa 50 prosenttia, vuotuiset häviöt ovat

35 – 37 prosenttia pienemmät kuin käyttöasteella 80 prosenttia. 20 prosentin vuotuisella

käyttöasteella häviökustannukset ovat 71 – 74 prosenttia pienemmät kuin käyttöasteen

ollessa 80 prosenttia.

Investointivaihtoehdon 5 vuotuisella käyttöasteella 50 prosenttia, häviöt ovat 36 –

37 prosenttia pienemmät kuin käyttöasteella 80 prosenttia. 20 prosentin käyttöasteella

vuotuiset häviökustannukset ovat 73 – 75 prosenttia pienemmät kuin 80 prosentin käyt-

töasteella.

Kuva 6.12. Vaihtoehdon 3 häviökustannukset 80, 50 ja 20 prosentin vuotuisella käyttö-

asteella.

0

20 000

40 000

60 000

80 000

100 000

120 000

140 000

160 000

180 000

200 000

50

0

80

0

11

00

14

00

17

00

20

00

23

00

26

00

29

00

32

00

35

00

38

00

41

00

44

00

Ku

sta

nn

uk

set

[€/

a]

Sähkökäytön nimellisteho [kW]

Häviökustannukset vaihtoehto 3

500 kW - 4 500 kW

Käyttöaste 80 %

Käyttöaste 50 %

Käyttöaste 20 %

50

Kuva 6.13. Vaihtoehdon 4 häviökustannukset 80, 50 ja 20 prosentin vuotuisella käyttö-

asteella.

Kuva 6.14. Vaihtoehdon 5 häviökustannukset 80, 50 ja 20 prosentin vuotuisella käyttö-

asteella.

6.5. Investointikustannusten tarkastelu

Alaluvuissa 6.1. – 6.3. tarkasteltiin eri investointivaihtoehtojen perusinvestoinnin ker-

tamenoerän eri tekijöiden kustannusten muuttumista, kun sähkökäytön nimellistehoa

kasvatetaan. Kuvissa 6.15. – 6.19. esitetään eri investointivaihtoehtojen perusinvestoin-

nin kertamenoerän kustannukset, kun työkaluun syötetyt parametrit ovat taulukon 6.1.

mukaiset.

0

50 000

100 000

150 000

200 000

250 000

300 000

50

0

60

0

70

0

80

0

90

0

10

00

11

00

12

00

13

00

14

00

15

00

16

00

17

00

18

00

19

00

20

00

Ku

sta

nn

uk

set

[€/

a]

Sähkökäytön nimellisteho [kW]

Häviökustannukset vaihtoehto 4

500 kW - 2 000 kW

Käyttöaste 80 %

Käyttöaste 50 %

Käyttöaste 20 %

0

50 000

100 000

150 000

200 000

250 000

300 000

50

0

60

0

70

0

80

0

90

0

10

00

11

00

12

00

13

00

14

00

15

00

16

00

17

00

18

00

Ku

sta

nn

uk

set

[€/

a]

Sähkökäytön nimellisteho [kW]

Häviökustannukset vaihtoehto 5

500 kW - 1 800 kW

Käyttöaste 80 %

Käyttöaste 50 %

Käyttöaste 20 %

51

Kuvassa 6.15. esitetään vaihtoehdon 1 perusinvestoinnin kertamenoerän kustannuk-

set sähkökäytön nimellistehon ollessa välillä 500 – 1 800 kW. Kustannukset kasvavat

tarkasteltavalla tehoalueella noin 220 000 eurosta hieman yli 350 000 euroon. Aine- ja

työkustannusten osuus perusinvestoinnin kertamenoerän kustannuksista on koko teho-

alueella noin 90 prosenttia. Sähkökäytön nimellistehon kasvaessa 500 kW:sta 1 800

kW:iin osuus kasvaa noin kahden prosenttiyksikön verran. Vaihtoehdon 1 tapauksessa

rakennus- ja kaapelointikustannusten vaikutus kokonaiskustannuksiin on siis suhteelli-

sen pieni.

Kuva 6.15. Vaihtoehdon 1 perusinvestoinnin kertamenoerän kustannusten jakautumi-

nen.

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

50

0

60

0

70

0

80

0

90

0

10

00

11

00

12

00

13

00

14

00

15

00

16

00

17

00

18

00

Ku

sta

nn

uk

set

[€

]

Sähkökäytön nimellisteho [kW]

Perusinvestoinnin kertamenoerän kustannukset

Vaihtoehto 1

Rakennuskustannukset

Kaapelointikustannukset

Aine- ja työkustannukset

52

Kuvassa 6.16. esitetään vaihtoehdon 2 perusinvestoinnin kertamenoerän kustannuk-

set sähkökäytön nimellistehon ollessa välillä 500 – 1 800 kW. Kustannukset kasvavat

tarkasteltavalla tehoalueella noin 140 000 eurosta noin 330 000 euroon. Aine- ja työkus-

tannusten osuus perusinvestoinnin kertamenoerän kustannuksista on selvästi suurempi

kuin rakennus- ja kaapelointikustannusten. Nimellistehon kasvaessa aine- ja työkustan-

nusten osuus pienenee, sillä etenkin kaapelointikustannusten osuus kasvaa. Aine- ja

työkustannusten osuus perusinvestoinnin kertamenoerän kustannuksista on noin 82 pro-

senttia, kun sähkökäytön nimellisteho on 500 kW. Kun nimellisteho on 1 800 kW, on

aine- ja työkustannusten osuus enää noin 76 %.

Kuva 6.16. Vaihtoehdon 2 perusinvestoinnin kertamenoerän kustannusten jakautumi-

nen.

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

50

0

60

0

70

0

80

0

90

0

10

00

11

00

12

00

13

00

14

00

15

00

16

00

17

00

18

00

Ku

sta

nn

uk

set

[€

]

Sähkökäytön nimellisteho [kW]

Perusinvestoinnin kertamenoerän kustannukset

Vaihtoehto 2

Rakennuskustannukset

Kaapelointikustannukset

Aine- ja työkustannukset

53

Kuvissa 6.17. ja 6.18. esitetään vaihtoehtojen 3 ja 4 perusinvestoinnin kerta-

menoerän kustannukset sähkökäytön nimellistehon ollessa välillä 500 – 1 800 kW. Kus-

tannukset kasvavat tarkasteltavalla tehoalueella vaihtoehdon 3 tapauksessa lähes samal-

la tavalla kuin vaihtoehdon 1 tapauksessa. Vaihtoehdon 4 kustannukset vastaavat lähes

vaihtoehdon 3 kustannuksia.

Kuva 6.17. Vaihtoehdon 3 perusinvestoinnin kertamenoerän kustannusten jakautumi-

nen.

Kuva 6.18. Vaihtoehdon 4 perusinvestoinnin kertamenoerän kustannusten jakautumi-

nen.

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

50

0

60

0

70

0

80

0

90

0

10

00

11

00

12

00

13

00

14

00

15

00

16

00

17

00

18

00

Ku

sta

nn

uk

set

[€

]

Sähkökäytön nimellisteho [kW]

Perusinvestoinnin kertamenoerän kustannukset

Vaihtoehto 3

Rakennuskustannukset

Kaapelointikustannukset

Aine- ja työkustannukset

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

50

0

60

0

70

0

80

0

90

0

10

00

11

00

12

00

13

00

14

00

15

00

16

00

17

00

18

00

Ku

sta

nn

uk

set

[€

]

Sähkökäytön nimellisteho [kW]

Perusinvestoinnin kertamenoerän kustannukset

Vaihtoehto 4

Rakennuskustannukset

Kaapelointikustannukset

Aine- ja työkustannukset

54

Kuvassa 6.19. esitetään vaihtoehdon 5 perusinvestoinnin kertamenoerän kustannuk-

set sähkökäytön nimellistehon ollessa välillä 500 – 1 800 kW. Kustannukset kasvavat

tarkasteltavalla tehoalueella noin 130 000 eurosta noin 310 000 euroon. Myös vaihtoeh-

dolla 5 nimellistehon kasvaessa aine- ja työkustannusten osuus pienenee, sillä kaape-

lointikustannusten osuus kasvaa. Aine- ja työkustannusten osuus perusinvestoinnin ker-

tamenoerän kustannuksista on noin 82 prosenttia, kun sähkökäytön nimellisteho on 500

kW. Kun nimellisteho on 1 800 kW, on aine- ja työkustannusten osuus noin 76 %.

Kuva 6.19. Vaihtoehdon 5 perusinvestoinnin kertamenoerän kustannusten jakautumi-

nen.

Kuvista 6.15. – 6.19. nähdään, että pienjännitevaihtoehdoilla 2, 4 ja 5 ovat perusin-

vestoinnin kertamenoerän kustannukset pienemmät kuin keskijännitevaihtoehdoilla 1 ja

3. Kaapelointikustannusten nopeammasta kasvusta johtuen ero pien- ja keskijännite-

vaihtoehtojen välillä pienenee sähkökäytön tehon kasvaessa. Vaihtoehto 5 on perusin-

vestoinnin kertamenoerän kustannuksiltaan halvin, kun sähkökäytön nimellisteho on

alle 1 000 kW.

Kun perusinvestoinnin kertamenoerän kustannuksiin lisätään juoksevasti syntyvät

kustannukset tietyltä ajalta, saadaan eri vaihtoehtojen kokonaisinvestointikustannukset.

Tarkastellaan investointikustannuksia taulukon 6.1. mukaisilla parametreilla, kun säh-

kökäytön nimellisteho on 500, 1 000 ja 1 800 kW sekä sähkökäytön vuotuinen käyttöas-

te 80, 50 ja 20 prosenttia. Juoksevien kustannusten tarkasteluajaksi on valittu 20 vuotta

ja teollisuusenergian oletetaan pysyvän muuttumattomana eli tässä tapauksessa 0,08

euroa yhtä kilowattituntia kohti.

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

50

0

60

0

70

0

80

0

90

0

10

00

11

00

12

00

13

00

14

00

15

00

16

00

17

00

18

00

Ku

sta

nn

uk

set

[€

]

Sähkökäytön nimellisteho [kW]

Perusinvestoinnin kertamenoerän kustannukset

Vaihtoehto 5

Rakennuskustannukset

Kaapelointikustannukset

Aine- ja työkustannukset

55

Kuvassa 6.20. esitetään eri investointivaihtoehtojen investointikustannukset, kun

sähkökäytön teho on 500 kW ja vuotuinen käyttöaste 80 prosenttia. Kun kustannus-

käyrät leikkaavat pystyakselin, on tarkasteluaika 0 vuotta ja investointikustannukset

muodostuvat vain perusinvestoinnin kertamenoerästä. Tarkasteltavilla parametreilla

pienjännitevaihtoehtojen 2, 4 ja 5 kertamenoerän kustannukset ovat noin 130 000 – 145

000 euroa ja keskijännitevaihtoehtojen 1 ja 3 kertamenoerän kustannukset hieman yli

210 000 euroa.

Kuvasta havaitaan, että vaihtoehdon 5 perusinvestoinnin kertamenoerä on muita

vaihtoehtoja pienempi, mutta jo yhdeksän vuoden kuluttua suuremmat häviö- ja jäähdy-

tyskustannukset nostavat sen kumulatiiviset kustannukset muita vaihtoehtoja suurem-

miksi. Tarkasteluajan ollessa noin yhdeksän vuotta, pienjännite- ja keskijännitevaih-

toehtojen kustannuskäyrät leikkaavat toisensa. Kun tarkasteluajan on sitä suurempi, ovat

keskijännitevaihtoehdot 1 ja 3 kumulatiivisilta investointikustannuksiltaan pienjännite-

vaihtoehtoja edullisempia.

Kuva 6.20. Investointikustannukset eri investointivaihtoehdoilla, kun sähkökäytön teho

on 500 kW ja vuotuinen käyttöaste 80 prosenttia.

0

100 000

200 000

300 000

400 000

500 000

600 000

700 000

800 000

900 000

0 v

+ 1

v

+ 2

v

+ 3

v

+ 4

v

+ 5

v

+ 6

v

+ 7

v

+ 8

v

+ 9

v

+ 1

0 v

+ 1

1 v

+ 1

2 v

+ 1

3 v

+ 1

4 v

+ 1

5 v

+ 1

6 v

+ 1

7 v

+ 1

8 v

+ 1

9 v

+ 2

0 v

Ku

sta

nn

uk

set

[€]

Investointikustannusten tarkasteluaika

Investointikustannukset eri vaihtoehdoilla

Sähkökäytön teho 500 kW

Vuotuinen käyttöaste 80 %

Vaihtoehto 1

Vaihtoehto 2

Vaihtoehto 3

Vaihtoehto 4

Vaihtoehto 5

56

Kuvassa 6.21. esitetään eri investointivaihtoehtojen investointikustannukset, kun

sähkökäytön teho on 1 000 kW ja vuotuinen käyttöaste 80 prosenttia. Tarkasteltavilla

parametreilla pienjännitevaihtoehtojen 2, 4 ja 5 kertamenoerän kustannukset ovat noin

200 000 euroa ja keskijännitevaihtoehtojen 1 ja 3 kertamenoerän kustannukset hieman

yli 280 000 euroa.

Vaihtoehdon 5 perusinvestoinnin kertamenoerä on hieman muita pienjännitevaih-

toehtoja pienempi, mutta jo kahden vuoden kuluttua suuremmat häviö- ja jäähdytyskus-

tannukset nostavat sen kumulatiiviset kustannukset kaikkia muita vaihtoehtoja suurem-

miksi. Tarkasteluajan ollessa suurempi kuin viisi vuotta, ovat keskijännitevaihtoehdot 1

ja 3 kumulatiivisilta investointikustannuksiltaan pienjännitevaihtoehtoja edullisempia.

Keskijännitevaihtoehtojen 1 ja 3 välille ei annetuilla parametreilla synny huomattavaa

eroa investointikustannuksissa.

Kuva 6.21. Investointikustannukset eri investointivaihtoehdoilla, kun sähkökäytön teho

on 1 000 kW ja vuotuinen käyttöaste 80 prosenttia.

0

500 000

1 000 000

1 500 000

2 000 000

2 500 000

0 v

+ 1

v

+ 2

v

+ 3

v

+ 4

v

+ 5

v

+ 6

v

+ 7

v

+ 8

v

+ 9

v

+ 1

0 v

+ 1

1 v

+ 1

2 v

+ 1

3 v

+ 1

4 v

+ 1

5 v

+ 1

6 v

+ 1

7 v

+ 1

8 v

+ 1

9 v

+ 2

0 v

Ku

sta

nn

uk

set

[€]

Investointikustannusten tarkasteluaika

Investointikustannukset eri vaihtoehdoilla

Sähkökäytön teho 1 000 kW

Vuotuinen käyttöaste 80 %

Vaihtoehto 1

Vaihtoehto 2

Vaihtoehto 3

Vaihtoehto 4

Vaihtoehto 5

57

Kuvassa 6.22. esitetään eri investointivaihtoehtojen investointikustannukset, kun

sähkökäytön teho on 1 800 kW ja vuotuinen käyttöaste 80 prosenttia. Tarkasteltavilla

parametreilla investointivaihtoehtojen kertamenoerän kustannukset ovat välillä 310 000

– 360 000 euroa. Pienjännitevaihtoehdoilla ne ovat yhä pienemmät kuin keskijännite-

vaihtoehdoilla.

Sähkökäytön tehon ollessa 1 800 kW, ovat keskijännitevaihtoehdot 1 ja 3 kumulatii-

visilta investointikustannuksiltaan pienjännitevaihtoehtoja edullisempia jo siinä vai-

heessa, kun ensimmäisen vuoden juoksevasti syntyvät kustannukset huomioidaan. Kes-

kijännitevaihtoehtojen 1 ja 3 välille ei annetuilla parametreilla synny huomattavaa eroa

investointikustannuksissa.

Kun tarkasteluaika on 20 vuotta, on pienjännitevaihtoehtojen 2 ja 4 kumulatiiviset

investointikustannukset kaksinkertaiset verrattuna pienjännitevaihtoehtoihin 1 ja 3.

Vaihtoehdon 5 investointikustannukset ovat siihen mennessä jo lähes nelinkertaiset.

Kuva 6.22. Investointikustannukset eri investointivaihtoehdoilla, kun sähkökäytön teho

on 1 800 kW ja vuotuinen käyttöaste 80 prosenttia.

0

1 000 000

2 000 000

3 000 000

4 000 000

5 000 000

6 000 000

7 000 000

8 000 000

0 v

+ 1

v

+ 2

v

+ 3

v

+ 4

v

+ 5

v

+ 6

v

+ 7

v

+ 8

v

+ 9

v

+ 1

0 v

+ 1

1 v

+ 1

2 v

+ 1

3 v

+ 1

4 v

+ 1

5 v

+ 1

6 v

+ 1

7 v

+ 1

8 v

+ 1

9 v

+ 2

0 v

Ku

sta

nn

uk

set

[€]

Investointikustannusten tarkasteluaika

Investointikustannukset eri vaihtoehdoilla

Sähkökäytön teho 1 800 kW

Vuotuinen käyttöaste 80 %

Vaihtoehto 1

Vaihtoehto 2

Vaihtoehto 3

Vaihtoehto 4

Vaihtoehto 5

58

Kuvissa 6.23. – 6.25. esitetään eri investointivaihtoehtojen investointikustannukset,

vuotuinen käyttöaste 50 prosenttia. Kuvasta 6.23. havaitaan, että sähkökäytön nimellis-

teholla 500 kW vaihtoehdon 5 kumulatiiviset investointikustannukset nousevat muita

investointivaihtoehtoja korkeammaksi tarkasteluajan ollessa noin 15 vuotta, kun se

käyttöasteella 80 prosenttia tapahtui noin yhdeksän vuoden kohdalla. Kun tarkasteluaika

on suurempi kuin 15 vuotta, ovat keskijännitevaihtoehdot 1 ja 3 kumulatiivisilta inves-

tointikustannuksiltaan pienjännitevaihtoehtoja edullisempia.

Kuvassa 6.24. esitetään eri investointivaihtoehtojen investointikustannukset, kun

sähkökäytön teho on 1 000 kW. Vaihtoehdon 5 kumulatiiviset investointikustannukset

ovat noin neljän vuoden kuluttua suuremmat kuin kaikilla muilla vaihtoehdoilla. Tar-

kasteluajan ollessa suurempi kuin seitsemän vuotta, ovat keskijännitevaihtoehdot 1 ja 3

kumulatiivisilta investointikustannuksiltaan pienjännitevaihtoehtoja 2 ja 4 edullisempia.

Kuvan 6.25. perusteella voidaan todeta, että sähkökäytön tehon ollessa 1 800 kW,

ovat keskijännitevaihtoehdot 1 ja 3 kumulatiivisilta investointikustannuksiltaan pienjän-

nitevaihtoehtoja edullisempia jo siinä vaiheessa, kun ensimmäisen vuoden juoksevasti

syntyvät kustannukset lasketaan mukaan.

Kun tarkasteluaika on 20 vuotta, ovat pienjännitevaihtoehtojen 2 ja 4 kumulatiiviset

investointikustannukset kaksinkertaiset verrattuna pienjännitevaihtoehtoihin 1 ja 3.

Vaihtoehdon 5 investointikustannukset ovat siihen mennessä jo lähes nelinkertaiset.

Kuva 6.23. Investointikustannukset eri investointivaihtoehdoilla, kun sähkökäytön teho

on 500 kW ja vuotuinen käyttöaste 50 prosenttia.

0

100 000

200 000

300 000

400 000

500 000

600 000

0 v

+ 1

v

+ 2

v

+ 3

v

+ 4

v

+ 5

v

+ 6

v

+ 7

v

+ 8

v

+ 9

v

+ 1

0 v

+ 1

1 v

+ 1

2 v

+ 1

3 v

+ 1

4 v

+ 1

5 v

+ 1

6 v

+ 1

7 v

+ 1

8 v

+ 1

9 v

+ 2

0 v

Ku

sta

nn

uk

set

[€]

Investointikustannusten tarkasteluaika

Investointikustannukset eri vaihtoehdoilla

Sähkökäytön teho 500 kW

Vuotuinen käyttöaste 50 %

Vaihtoehto 1

Vaihtoehto 2

Vaihtoehto 3

Vaihtoehto 4

Vaihtoehto 5

59

Kuva 6.24. Investointikustannukset eri investointivaihtoehdoilla, kun sähkökäytön teho

on 1 000 kW ja vuotuinen käyttöaste 50 prosenttia.

Kuva 6.25. Investointikustannukset eri investointivaihtoehdoilla, kun sähkökäytön teho

on 1 800 kW ja vuotuinen käyttöaste 50 prosenttia.

0

200 000

400 000

600 000

800 000

1 000 000

1 200 000

1 400 000

0 v

+ 1

v

+ 2

v

+ 3

v

+ 4

v

+ 5

v

+ 6

v

+ 7

v

+ 8

v

+ 9

v

+ 1

0 v

+ 1

1 v

+ 1

2 v

+ 1

3 v

+ 1

4 v

+ 1

5 v

+ 1

6 v

+ 1

7 v

+ 1

8 v

+ 1

9 v

+ 2

0 v

Ku

sta

nn

uk

set

[€]

Investointikustannusten tarkasteluaika

Investointikustannukset eri vaihtoehdoilla

Sähkökäytön teho 1 000 kW

Vuotuinen käyttöaste 50 %

Vaihtoehto 1

Vaihtoehto 2

Vaihtoehto 3

Vaihtoehto 4

Vaihtoehto 5

0

1 000 000

2 000 000

3 000 000

4 000 000

5 000 000

6 000 000

0 v

+ 1

v

+ 2

v

+ 3

v

+ 4

v

+ 5

v

+ 6

v

+ 7

v

+ 8

v

+ 9

v

+ 1

0 v

+ 1

1 v

+ 1

2 v

+ 1

3 v

+ 1

4 v

+ 1

5 v

+ 1

6 v

+ 1

7 v

+ 1

8 v

+ 1

9 v

+ 2

0 v

Ku

sta

nn

uk

set

[€]

Investointikustannusten tarkasteluaika

Investointikustannukset eri vaihtoehdoilla

Sähkökäytön teho 1 800 kW

Vuotuinen käyttöaste 50 %

Vaihtoehto 1

Vaihtoehto 2

Vaihtoehto 3

Vaihtoehto 4

Vaihtoehto 5

60

Kuvissa 6.26. – 6.28. esitetään eri investointivaihtoehtojen investointikustannukset,

kun vuotuinen käyttöaste 20 prosenttia. Kuvasta 6.26. havaitaan, että vaihtoehtojen ku-

mulatiiviset investointikustannukset lähestyvät toisiaan hieman, kun tarkasteluaikaa

kasvatetaan. Kustannuskäyrät eivät leikkaa toisiaan koko tarkasteluajalla, joten juokse-

vasti syntyvät kustannukset eivät tässä tapauksessa muuta investointivaihtoehtojen kus-

tannusperusteista järjestystä. Vaihtoehto 5 on investointikustannuksiltaan edullisin vaih-

toehto annetuilla parametreilla ja keskijännitevaihtoehdot 1 ja 3 ovat kalleimmat.

Kuvasta 6.27 havaitaan, että sähkökäytön tehon ollessa 1 000 kW vaihtoehdon 5

kumulatiiviset investointikustannukset ovat muita vaihtoehtoja korkeammat, kun tarkas-

teluaika on suurempi kuin kymmenen vuotta. Kaksi muuta pienjännitevaihtoehtoa sen

sijaan on keskijännitevaihtoehtoja edullisempia lähes koko 20 vuoden tarkasteluajan.

Kustannuskäyrät lähestyvät tarkasteluajan kasvaessa tasaisesti ja leikkaavat noin 18

vuoden kohdalla.

Kuvan 6.28. perusteella voidaan todeta, että sähkökäytön tehon ollessa 1 800 kW

vaihtoehdon 5 kumulatiiviset investointikustannukset nousevat muita vaihtoehtoja suu-

remmiksi, kun juoksevasti syntyvät kustannukset huomioidaan yhden vuoden ajalta.

Kaksi muuta pienjännitevaihtoehtoa ovat keskijännitevaihtoehtoja kalliimpia siinä vai-

heessa, kun tarkasteluaika on kaksi vuotta. Tarkasteluajan ollessa 20 vuotta, on pienjän-

nitevaihtoehtojen 2 ja 4 kumulatiiviset investointikustannukset lähes kaksinkertaiset ja

vaihtoehdon 5 lähes kolminkertaiset verrattuna keskijännitevaihtoehtoihin 1 ja 3.

Voidaan todeta, että sähkökäytön vuotuisen käyttöasteen pienentyessä, häviö- ja

jäähdytyskustannusten vaikutus kumulatiivisiin investointikustannuksiin pienenee.

Kuva 6.26. Investointikustannukset eri investointivaihtoehdoilla, kun sähkökäytön teho

on 500 kW ja vuotuinen käyttöaste 20 prosenttia.

0

50 000

100 000

150 000

200 000

250 000

300 000

350 000

400 000

0 v

+ 1

v

+ 2

v

+ 3

v

+ 4

v

+ 5

v

+ 6

v

+ 7

v

+ 8

v

+ 9

v

+ 1

0 v

+ 1

1 v

+ 1

2 v

+ 1

3 v

+ 1

4 v

+ 1

5 v

+ 1

6 v

+ 1

7 v

+ 1

8 v

+ 1

9 v

+ 2

0 v

Ku

sta

nn

uk

set

[€]

Investointikustannusten tarkasteluaika

Investointikustannukset eri vaihtoehdoilla

Sähkökäytön teho 500 kW

Vuotuinen käyttöaste 20 %

Vaihtoehto 1

Vaihtoehto 2

Vaihtoehto 3

Vaihtoehto 4

Vaihtoehto 5

61

Kuva 6.27. Investointikustannukset eri investointivaihtoehdoilla, kun sähkökäytön teho

on 1 000 kW ja vuotuinen käyttöaste 20 prosenttia.

Kuva 6.28. Investointikustannukset eri investointivaihtoehdoilla, kun sähkökäytön teho

on 1 800 kW ja vuotuinen käyttöaste 20 prosenttia.

0

100 000

200 000

300 000

400 000

500 000

600 000

700 000

800 000

0 v

+ 1

v

+ 2

v

+ 3

v

+ 4

v

+ 5

v

+ 6

v

+ 7

v

+ 8

v

+ 9

v

+ 1

0 v

+ 1

1 v

+ 1

2 v

+ 1

3 v

+ 1

4 v

+ 1

5 v

+ 1

6 v

+ 1

7 v

+ 1

8 v

+ 1

9 v

+ 2

0 v

Ku

sta

nn

uk

set

[€]

Investointikustannusten tarkasteluaika

Investointikustannukset eri vaihtoehdoilla

Sähkökäytön teho 1 000 kW

Vuotuinen käyttöaste 20 %

Vaihtoehto 1

Vaihtoehto 2

Vaihtoehto 3

Vaihtoehto 4

Vaihtoehto 5

0

500 000

1 000 000

1 500 000

2 000 000

2 500 000

0 v

+ 1

v

+ 2

v

+ 3

v

+ 4

v

+ 5

v

+ 6

v

+ 7

v

+ 8

v

+ 9

v

+ 1

0 v

+ 1

1 v

+ 1

2 v

+ 1

3 v

+ 1

4 v

+ 1

5 v

+ 1

6 v

+ 1

7 v

+ 1

8 v

+ 1

9 v

+ 2

0 v

Ku

sta

nn

uk

set

[€]

Investointikustannusten tarkasteluaika

Investointikustannukset eri vaihtoehdoilla

Sähkökäytön teho 1 800 kW

Vuotuinen käyttöaste 20 %

Vaihtoehto 1

Vaihtoehto 2

Vaihtoehto 3

Vaihtoehto 4

Vaihtoehto 5

62

7. JOHTOPÄÄTÖKSET

Voimalaitosten suuritehoisten nopeussäädettyjen sähkömoottorikäyttöjen investointi-

kustannukset muodostuvat monista eri tekijöistä. Kustannustekijät voidaan jakaa han-

kintakustannuksiin eli perusinvestoinnin kertamenoerän kustannuksiin sekä elinkaari-

kustannuksiin eli juoksevasti syntyviin kustannuksiin. Tämän työn tarkasteluissa perus-

investoinnin kertamenoerän kustannukset muodostuvat aine-, työ-, kaapelointi- ja ra-

kennuskustannuksista sekä juoksevasti syntyvät kustannukset häviö- ja jäähdytyskus-

tannuksista.

Investointikustannuksia tarkasteltiin viidellä eri investointivaihtoehdolla taulukko-

laskentapohjaisen suunnittelutyökalun avulla. Eri vaihtoehtojen edullisuutta tarkasteltiin

esimerkiksi muuttamalla sähkömoottorikäytöltä vaadittavaa nimellistehoa sekä vuotuis-

ta käyttöastetta.

Tarkasteluista voidaan havaita, että huomattavimmat erot eri investointivaihtoehto-

jen kesken riippuvat siitä, käytetäänkö tarkasteltavan vaihtoehdon taajuusmuuttajaa ja

oikosulkumoottoria keski- vai pienjännitteellä. Perusinvestoinnin kertamenoerän osalta

keskijännitevaihtoehtojen kustannukset ovat pienjännitevaihtoehtoja suuremmat, kun

sähkökäytön nimellisteho on kaikkien vaihtoehtojen osalta vertailtavissa eli 500 – 1 800

kW. Tämä selittyy sillä, että keskijännitevaihtoehtojen aine-, työ- ja rakennuskustan-

nukset ovat pienjännitevaihtoehtoja selvästi suuremmat. Kaapelointikustannukset sen

sijaan ovat pienjännitevaihtoehdoilla suuremmat kuin keskijännitevaihtoehdoilla. Jos

halutaan tarkastella vain investoinnin välittömiä kustannuksia eli perusinvestoinnin ker-

tamenoerän kustannuksia, on pienjännitevaihtoehto edullisempi.

Juoksevasti syntyvien kustannusten eli häviö- ja jäähdytyskustannusten vaikutus

kumulatiivisiin investointikustannuksiin on erittäin merkittävä. Vaikutus on sitä suu-

rempi, mitä suurempi on sähkökäytön vuotuinen käyttöaste. Pienjännitevaihtoehtojen

juoksevasti syntyvät kustannukset kasvavat huomattavasti nopeammin kuin keskijänni-

tevaihtoehdoilla, kun sähkökäytön nimellistehoa kasvatetaan.

Tarkasteluun valittujen parametrien arvoilla suunnittelutyökalua hyödyntämällä voi-

daan osoittaa, että voimalaitosten suuritehoisten nopeussäädettyjen sähkökäyttöjen vaa-

timuksista riippuen on syytä käyttää erilaisia investointivaihtoehtoja eri tilanteissa. Kun

sähkökäytön vuotuinen käyttöaste on noin 80 prosenttia ja juoksevien kustannusten tar-

kasteluaika 20 vuotta, on keskijännitevaihtoehtojen kumulatiiviset investointikustan-

nukset pienemmät kuin pienjännitevaihtoehdoilla. Ero kumulatiivisten investointikus-

tannusten välillä on sitä suurempi, mitä suurempi sähkökäytön nimellisteho on.

Kun sähkökäytön vuotuinen käyttöaste on noin 50 prosenttia ja juoksevien kustan-

nusten tarkasteluaika on 20 vuotta, on keskijännitevaihtoehtojen kumulatiiviset inves-

tointikustannukset edelleen pienemmät kuin pienjännitevaihtoehdoilla. Ero ei kuiten-

kaan ole merkittävä, kun sähkökäytön nimellisteho on 500 kW. Tarkasteluajan ollessa

63

pienempi, esimerkiksi 10 vuotta, on pienjännitevaihtoehtojen kumulatiiviset investointi-

kustannukset pienemmät kuin keskijännitevaihtoehdoilla.

Pienjännitevaihtoehdot ovat kumulatiivisilta investointikustannuksiltaan keskijänni-

tevaihtoehtoja edullisempia, kun sähkökäytön vuotuinen käyttöaste on 20 prosenttia,

sähkökäytön nimellisteho on alle 1 000 kW ja juoksevien kustannusten tarkasteluaika

on 20 vuotta. Kun sähkökäytön nimellisteho on sitä suurempia, on keskijännitevaihto

kumulatiivisilta investointikustannuksiltaan edullisempi.

Vaihtoehto 5, joka on ainoa pienjännitekojeistollinen vaihtoehto, on kumulatiivisilta

investointikustannuksiltaan edullisin vaihtoehto, kun sähkökäytön nimellisteho on 500

kW ja sähkökäytön vuotuinen käyttöaste on 20 prosenttia. Kun sähkökäytön nimelliste-

hoa ja vuotuista käyttöastetta kasvatetaan, nousee vaihtoehdon juoksevasti syntyvät kus-

tannukset muita vaihtoehtoja nopeammin.

Investointivaihtoehdoista kannattaa valita vaihtoehto 5, kun sähkökäytön nimelliste-

ho ei ole paljoa suurempi kuin 500 kW ja vuotuinen käyttöaste on noin 20 prosenttia.

Muiden pienjännitevaihtoehtojen valintaa kannattaa harkita, kun sähkökäytön nimellis-

teho on alle 1 000 kW ja vuotuinen käyttöaste alle 50 prosenttia. Kun sähkökäytön ni-

mellisteho on yli 1 000 kW tai vuotuinen käyttöaste vähintään 50 prosenttia, on keski-

jännitevaihtoehdot kumulatiivisilta investointikustannuksiltaan pienjännitevaihtoehtoja

edullisempia.

Käytännössä suunnittelutyökaluun syötettävien parametrien arvot vaihtelevat ta-

pauskohtaisesti. Esimerkiksi syöttökaapeleiden pituus vaikuttaa sekä kaapelointikustan-

nuksiin että juoksevasti syntyviin kustannuksiin. Jos kaapelointietäisyys taajuusmuutta-

jalle tai moottorille kasvaa, pienjännitevaihtoehtojen kustannukset kasvavat keskijänni-

tevaihtoehtoja nopeammin. Jos taas etäisyys keskijännitelähdöstä muuntajalle on mer-

kittävän suuri, on vaihtoehdon 5 kaapelointikustannukset ja muuntajan syöttökaapelin

häviökustannukset muihin vaihtoehtoihin verrattuna pienemmät, koska kustannukset

jakautuvat useamman pienjännitelähdön kesken.

Muutokset teollisuusenergian hinnassa vaikuttavat voimakkaasti juoksevien kustan-

nusten syntyyn. Jos energian hinta on korkeampi, juoksevasti syntyvien kustannusten

osuus investointikustannuksissa korostuu ja päinvastoin.

Diplomityön oheistuotteena laadittiin taulukkolaskentaan perustuva suunnittelutyö-

kalu voimalaitosten suuritehoisten nopeussäädettyjen sähkökäyttöjen investointikustan-

nusten optimointiin. Työkalun käyttöliittymä on selkeä ja käyttö helppoa, sillä siihen

syötetään vain tarvittavien parametrien tapauskohtaiset arvot. Suunnittelutyökalu laskee

ja erittelee automaattisesti perusinvestoinnin kertamenoerän kustannukset ja juoksevasti

syntyvät kustannukset. Laskennassa käytettävien laitteiden teknisiä tietoja sekä hintatie-

toja voidaan myös tarvittaessa muuttaa.

Suunnittelutyökalun esittämän kustannusarviot eri investointivaihtoehdoilla ovat

suuntaa antavia, koska tarkasteluun on otettu rajallinen määrä eri laitteita sekä laiteko-

koja. Sen lisäksi laskennassa, on tehty useita oletuksia, jotka osaltaan vaikuttavat loppu-

tulokseen. Tämä korostuu etenkin häviökustannusten laskennassa.

64

Suunnittelutyökalua voidaan hyödyntää voimalaitosten pumppu- ja puhallinkäyttö-

jen suunnittelutyössä. Kun työkaluun syötetään tapauskohtaiset parametrien arvot, voi-

daan arvioida etenkin sitä, kannattaako käyttää keskijännite- vai pienjännitetaajuus-

muuttajaa ja –moottoria. Suunnittelutyökalu voidaan suhteellisen helposti pitää ajan

tasalla hintojen ja muiden laitetietojen osalta, joten sen käyttö on mahdollista eri toimin-

taympäristössä nyt ja tulevaisuudessa. Käytön aikaisten havaintojen ja kokemusten pe-

rusteella työkalua voidaan edelleen jalostaa paremmaksi.

65

LÄHTEET

[1] ABB Oy, Tekninen opas nro 4 – Nopeussäädettyjen käyttöjen opas. 2001,

ABB Automation Group Ltd. 43 s.

[2] Voimalaitosautomaatio. 2. painos. Helsinki 2007, Suomen automaatioseu-

ra ry. 276 s.

[3] ABB Oy, Tekninen opas nro 7 – Sähkökäytön mitoitus. 2001, ABB Au-

tomation Group Ltd. 39 s.

[4] Vesa Hytönen. Diplomityöpalaveri 16.3.2010, Abb Oy Pitäjänmäki. Hel-

sinki, ABB Oy. Sisäinen muistio. 3 s.

[5] Neilimo, K & Uusi-Rauva, E. Johdon laskentatoimi. 6., uudistettu painos.

Helsinki 2005, Edita Prima Oy. 366 s.

[6] Heiska, V. Kotimaan myynti, ABB Oy. Vaasa. Puhelin- ja sähköpostikes-

kustelut 19.7.-21.9.2010.

[7] ABB industrial drives - ACS800, single drives 0.55 to 5600 kW Catalog.

2009, Abb Oy. Tuoteluettelo. 67 s.

[8] ACS800-07-taajuusmuuttajat 500…2800 kW. Helsinki 2008, Abb Oy

Kotimaan tuotemyynti. Laiteopas. 186 s.

[9] Medium voltage AC drive - ACS1000, ACS1000i 315 kW – 5 MW, 2.3 –

4.16 kV. 2009, Abb Switzerland Ltd. Laite-esite. 15 s.

[10] Aura, L. & Tonteri, A.J. Teoreettinen sähkötekniikka ja sähkökoneiden

perusteet. 3.-4. painos. Vantaa 2002, Raimo Kallio, MJJMäkinen ja Kus-

tannusosakeyhtiö Otava. 239 s.

[11] Majamäki, R. Markkinointi ja myynti, ABB Oy Pienjännitejärjestelmät.

Vaasa. Puhelin- ja sähköpostikeskustelut 19.7.-25.8.2010.

66

[12] Mäkinen, M.J.J. & Kallio, R. Teollisuuden sähköasennukset. Keuruu

2004, Kustannusosakeyhtiö Otava. 239 s.

[13] Yliaallot ja kompensointi. Espoo 2006, Sähkö- ja teleurakoitsijaliitto

STUL ry. 120 s.

[14] Vesa Hytönen. Diplomityöpalaveri 12.10.2010, Ramboll Finland Oy. Var-

kaus. Sisäinen muistio. 3 s.

[15] Goerten, J. & Ganea, D.C. Electricity prices for second semester 2009

[PDF]. Catalogue number: KS-QA-10-022-EN-N. European Union. 2010.

[viitattu 27.9.2010]. Saatavissa: http://epp.eurostat.ec.europa.eu/cache/

ITY_OFFPUB/KS-QA-10-022/EN/KS-QA-10-022-EN.PDF.

[16] Simonen, V.-M. Keskijännitekaapeleiden terminen kuormitettavuus. Dip-

lomityö. Tampere 2009. Tampereen teknillinen yliopisto, tieto- ja sähkö-

tekniikan tiedekunta. 89 s.

[17] Kaipia, T. 1000 V sähkönjakelujärjestelmän teknistaloudellisen kannatta-

vuuden tarkastelu. Diplomityö. Lappeenranta 2004. Lappeenrannan teknil-

linen yliopisto, sähkötekniikan osasto. 116 s.

[18] Varttinen, S. Taajuusmuuttajat voimalaitosten pumppauksissa, erityisesti

syöttöveden pyörimisnopeussäädön vaikutus ruiskuvesijärjestelmiin. Dip-

lomityö. Lappeenranta 2004. Lappeenrannan teknillinen yliopisto, ener-

giatekniikan osasto. 69 s.

67

LIITE 1: KUIVAMUUNTAJA DTE800A8S

68

69

LIITE 2: KESKIJÄNNITEMOOTTORI

Technical Specification

Position 800kW/3,3kV/ACS1000

Description AC Induction Machine

Type HXR 450LG6

Machine Category Process Performance

Quantity of identical units 1

Manufacturing location FIDRI

Standards IEC

Potentially Hazardous Atmosphere No

Max. Ambient Temperature 40 °C

Max. Altitude 1 000 m a.s.l.

Supply Type ACS1000

Load TL/Tn @ n/nn; J(WR2) TL = 0 p.u., 0 p.u., 0 p.u. @ n = 0%, 50%,

100%; J = 0 kgm²

Output 800 kW

Speed 1 500 rpm

Supply 3 300 V / 3 ph / 75,3 Hz

Temperature Rise Class B-class

Duty Type S1

Mounting / Protection / Cooling IM 1001 / IP 55 / IC 411

Insulation Class F, vacuum pressure impregnated

Direction of Rotation Bi-directional

Bearings Standard ball bearings

Bearing Insulation Insulated NDE only

Terminal Box Standard air insulated IEC main terminal box

Quality Assurance ISO 9001 and ISO 14001

Color Standard blue Munsell 8B 4.5/3,25

Documentation

- Connection diagram (main and auxiliary)

- Dimension drawing of machine

- Manual for Induction Motors and Generators (delivered with motor)

- Performance data & Current and torque in function of speed

- Test report

70

Tests and Certificates

- Routine test according to ABB standard procedure

Painting and corrosion protection

- Surface treatment C3 - Standard industrial environment

Accessories

- Design for ACS1000 converter drive

- Standard vibration acc. to IEC 60034-14 Grade A

- Bidirectional fan

- Standard air insulated IEC main terminal box

- RTD's (Pt-100) in stator windings, 6 pcs, 3-wire, unshielded, safe and hazardous areas

- Location of ATB for instrumentation: Acc. To MDD

- SPM nipple for shock pulse measuring in each antifriction bearing

- Fabricated copper rotor

- Documentation in English language

- Only final version of documents in defined language

- Safety instructions and warning labels in English

- Rating and Lubrication plates in English

Notes, comments and deviations:

Due to total width and height of machine main terminal box and cooler unit might be

shipped as loose items (and to be mounted by others).

Driven equipment: Not known

Motor type code HXR 450LG6

Motor type Squirrel cage motor

Mounting designation IM 1001

Protected by enclosure IP 55

Method of cooling IC 411

Insulation Class F

Standards IEC

Ambient temperature, max . 40 °C

Altitude, max. 1000 m.a.s.l.

Converter supply ACS 1000

Duty type S1

Temp. rise Class B (RES)

Connection of stator winding Star

Rated output 0 -800 kW

Voltage 0 -3300 V

Frequency 0 -75,3 Hz

Speed 0 -1499,9 rpm

71

Current 0 -167 A

Power Factor 0 -0,87

Efficiency 0 -96,7 %

Relat. maximum torque 0 -1,9

Rated torque 0 -5093 Nm

Direction of rotation Bi-directional

Weight of rotor 1260 kg

Total weight of motor 4150 kg

Inertia rotor Approx. 38 kgm²

Bearings Standard ball bearings

All motor data is subject to tolerances in accordance with IEC.

Efficiency based on typical additional load losses acc. measurements.

nom load max load nom motor max motor

n [rpm]

1 5001 4001 3001 2001 1001 0009008007006005004003002001000

T/T

bas

e

1,5

1,0

0,5

0,0

max motor

nom motormax load

nom load

72

LIITE 3: PIENJÄNNITEMOOTTORI

Technical Specification

Position 800kW/690V

Description AC Induction Machine

Type AMA 400L4A BAF

Machine Category Industrial Performance

Quantity of identical units 1

Manufacturing location Not specified

Standards IEC

Potentially Hazardous Atmosphere No

Max. Ambient Temperature 40 °C

Max. Altitude 1 000 m a.s.l.

Supply Type ACS800 -type converter

Load TL/Tn @ n/nn; J(WR2) TL = 0 p.u., 0 p.u., 0 p.u. @ n = 0%, 50%,

100%; J = 0 kgm²

Output 800 kW

Speed 1 500 rpm

Supply 690 V / 3 ph / 50,5 Hz

Temperature Rise Class B-class

Duty Type S1

Mounting / Protection / Cooling IM 1001 / IP 55 / IC 611

Insulation Class F, vacuum pressure impregnated

Direction of Rotation Clockwise

Bearings Standard ball bearings

Bearing Insulation Insulated NDE only

Terminal Box Standard air insulated IEC main terminal box

Quality Assurance ISO 9001 and ISO 14001

Color Standard blue Munsell 8B 4.5/3,25

Documentation

- Connection diagram (main and auxiliary)

- Dimension drawing of machin0065

- Manual for Induction Motors and Generators (delivered with motor)

- Performance data & Current and torque in function of speed

- Test report

73

Tests and Certificates

- Routine test according to ABB standard procedure

Painting and corrosion protection

- Surface treatment C3 - Standard industrial environment

Accessories

- EMC designed low voltage machine, cable glands (e.g. ROXTEC) not included

- Design for ACS converter drive

- Standard vibration acc. to IEC 60034-14 Grade A

- Air-to-air cooler with aluminium tubes

- Insulated antifriction bearing construction, NDE only

- Standard air insulated IEC main terminal box

- RTD's (Pt-100) in stator windings, 6 pcs, 3-wire, unshielded, safe and hazardous areas

- Location of ATB for instrumentation: Acc. To MDD

- SPM nipple for shock pulse measuring in each antifriction bearing

- Fabricated copper rotor

- Documentation in English language

- Only final version of documents in defined language

- Safety instructions and warning labels in English

- Rating and Lubrication plates in English

Notes, comments and deviations:

Due to total width and height of machine main terminal box and cooler unit might be

shipped as loose items (and to be mounted by others).

Driven equipment: Not known

Motor type code AMA 400L4A BAF

Motor type Squirrel cage motor

Mounting designation IM 1001

Protected by enclosure IP 55

Method of cooling IC 611

Insulation Class F

Standards IEC

Ambient temperature, max. 40 °C

Altitude, max. 1000 m.a.s.l.

Converter supply ACS 800

Duty type S1

Temp. rise Class B (RES)

Connection of stator winding Delta

Rated output 0 -800 kW

Voltage 0 -690 V

74

Frequency 0 -50,5 Hz

Speed 0 -1500,1 rpm

Current 0 -785 A

Power Factor 0 -0,89

Efficiency 0 -95,3 %

Relat. maximum torque 0 -1,9

Rated torque 0 -5093 Nm

Direction of rotation Clockwise

Weight of rotor 840 kg

Total weight of motor 3450 kg

Inertia rotor Approx. 20 kgm²

Bearings Standard ball bearings

All motor data is subject to tolerances in accordance with IEC.

Efficiency based on typical additional load losses acc. measurements.

nom load max load nom motor max motor

n [rpm]

1 5001 4001 3001 2001 1001 0009008007006005004003002001000

T/T

bas

e

1,5

1,0

0,5

0,0

max motor

nom motormax load

nom load