Advanced

A case study of the possibility, consequences and synergies for Södra Cell Mörrum to invest in a steam turbine

Svensson, Mattias LU (2018) MVKM01 20182
Department of Energy Sciences
Abstract
The purpose of this study was to investigate whether Södra Cell Mörrum, SCM, could invest in a steam turbine to produce profitable electricity from excess steam, which is currently being released into the atmosphere. Furthermore, this study investigated the potential side effects from this installation and suggests solutions. This study was conducted in two phases: collecting data which was then sent to a range of suppliers for budget offers and performance estimates. The next phase was to evaluate and quantify the profitability of the potential investment. Results of the study proved that a normal Rankine Cycle turbine was more profitable for SCM than an Organic Rankine Cycle, ORC. This was mainly believed to be because of heat losses... (More)
The purpose of this study was to investigate whether Södra Cell Mörrum, SCM, could invest in a steam turbine to produce profitable electricity from excess steam, which is currently being released into the atmosphere. Furthermore, this study investigated the potential side effects from this installation and suggests solutions. This study was conducted in two phases: collecting data which was then sent to a range of suppliers for budget offers and performance estimates. The next phase was to evaluate and quantify the profitability of the potential investment. Results of the study proved that a normal Rankine Cycle turbine was more profitable for SCM than an Organic Rankine Cycle, ORC. This was mainly believed to be because of heat losses occuring when the steam is used to heat the organic medium used in the ORC turbine. The overall electricity produced by the steam turbine, will, according to the analysis, vary between 13 992 500-42 251 600 kWh/ year. While the financial key values considered varied significantly with modified variables, an investment is believed to be profitable within a realistic time perspective of 10 years. Conclusions made from this study suggests that approximately 186,1 - 13 098 ton CO2 emissions can be prevented by installing this turbine, dependant on which reference country is used. The potential production of electricity is equivalent to % of SCM’s production and consumption, respectively. Furthermore, a synergy is quantified from the installation which will either generate more electricity or enable a larger amount of bark to be made available for sale. A mix between the two will most likely occur in the future, whereas the latter is proven to be most profitable. This, as well as the future profitability, will depend on the spot price and the certificate price of electricity. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Med ett ökat överskott av 3-bars ånga, som i dagsläget släpps ut i luften, har detta examensarbetet syftat till att undersöka möjligheterna, konsekvenserna och synergierna som uppstår ifall pappersbruket Södra Cell i Mörrum, SCM, investerar i en kondensturbin.

Hösten 2017 investerade SCM i en ny indunstning vilket resulterade i ett ökat överskott av 3-bars ånga. Överskottet motiverade detta arbete. Arbetet kommer fram till att Sveriges årliga emissioner av CO2 kan minska med ca 186,1 – 562 ton och att årsproduktionen kan motsvara ca 4,4 – 13,4 % av fabrikens nuvarande elanvändning.
Turbinen är tänkt kunna producera el från 3-bars ångan. För att kondensera ångan efter att den expanderat i turbinen föreslås att internt processvatten kan... (More)
Med ett ökat överskott av 3-bars ånga, som i dagsläget släpps ut i luften, har detta examensarbetet syftat till att undersöka möjligheterna, konsekvenserna och synergierna som uppstår ifall pappersbruket Södra Cell i Mörrum, SCM, investerar i en kondensturbin.

Hösten 2017 investerade SCM i en ny indunstning vilket resulterade i ett ökat överskott av 3-bars ånga. Överskottet motiverade detta arbete. Arbetet kommer fram till att Sveriges årliga emissioner av CO2 kan minska med ca 186,1 – 562 ton och att årsproduktionen kan motsvara ca 4,4 – 13,4 % av fabrikens nuvarande elanvändning.
Turbinen är tänkt kunna producera el från 3-bars ångan. För att kondensera ångan efter att den expanderat i turbinen föreslås att internt processvatten kan användas. Detta vatten kommer därför att värmas upp, från dagens 25°C, till 35°C. En stor del av arbetet var att analysera processcheman och historisk data för att förstå varför ångöverskottet idag existerar, vilka konsekvenser det varmare processvattnet kan tänkas få, föreslå lösningar för dessa konsekvenser och utvärdera eventuella synergier som kan uppstå på grund av denna temperaturhöjning. För att utreda eventuella kritiska processer vid ett varmare processvatten utreddes först vilka processer som idag använder vattnet. Sedan identifierades temperaturkriterierna för varje process för att utvärdera ifall 35°C är för varmt. Nio processer identifierades som kritiska. De lösningar som föreslogs var att byta till ett annat typ av processvatten, som är opåverkat av temperaturhöjningen i kondensorn, och 3 värmeväxlare. Som en del av arbetet behövdes därför de genomsnittliga flödena till processer analyseras, samtidigt som temperaturkriterierna togs hänsyn till, för att uppskatta värmeväxlarnas storlek och kostnad.
Efter att ha uppskattat det genomsnittliga ångöverskottet, 7,02kg/s, och det tillgängliga processvattnet, 378 l/s, skickades detta till turbinleverantörer för offert och elproduktionsuppskattning. Två turbiner har undersökts och en översikt av turbiner är därför en del av arbetet för förståelsen av denna undersökning. En Organic Rankine Cycle, ORC, turbin och en konventionell turbin jämfördes där produktionen från den konventionella turbinen var högst. Detta tros vara en konsekvens av värmeförluster i ORC turbinen.
Då processvattnet som ska användas i kondensorn i dagsläget värms upp till 125°C, efter att det använts i produktion, erhålls en synergi om vattnet är 10 °C varmare. Synergin uppstår eftersom vattnet värms upp med 3-bars ångan. Den sparade mängden ånga räknades ut till 2,65 kg/s vilket innebär ett 37,7% högre ångflöde som tillförs turbinen och således en högre elproduktion. Alternativt kan den sparade mängden innebära besparingar av bark i barkpannan då mindre bark krävs för att klara ångbalansen. Detta beror på vilket bränsle som används i fabriken. En översikt av fabrikens produktionsprocess är därför en del av arbetet för att förstå detta samband.
Som en del av arbetet utfördes en lönsamhetskalkyl där kostnaderna för de 9 föreslagna lösningarna, turbinens kostnad och årlig produktion, och anläggningsbaserade kostnader, uppskattade av anställda på fabriken, togs hänsyn till. Som en del av analysen användes fyra scenarier så att ett möjligt utfallsrum, där lönsamhetspotentialen kan finnas, erhölls. Dessa scenarier var; varierat ångflöde; varierat processvattenflöde; varierat spot och certifikatpris på el; varierat ångöverskott tillgodosett av barkpannan. Olika nyckeltal togs hänsyn till där majoriteten av uträkningarna resulterade i en lönsam investering. I analysen kunde det även påpekas att det är bättre för SCM att spara bark än att producera el vid den erhållna synergin och dagens spotpriser.

Mattias Svensson (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Svensson, Mattias LU
supervisor
organization
course
MVKM01 20182
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Paper pulp mill, Turbine, Financial analysis
report number
LUTMDN/TMHP-18/5428-SE
ISSN
0282-1990
language
English
id
8964438
date added to LUP
2019-01-08 14:38:53
date last changed
2019-01-08 14:38:53
@misc{8964438,
  abstract     = {The purpose of this study was to investigate whether Södra Cell Mörrum, SCM, could invest in a steam turbine to produce profitable electricity from excess steam, which is currently being released into the atmosphere. Furthermore, this study investigated the potential side effects from this installation and suggests solutions. This study was conducted in two phases: collecting data which was then sent to a range of suppliers for budget offers and performance estimates. The next phase was to evaluate and quantify the profitability of the potential investment. Results of the study proved that a normal Rankine Cycle turbine was more profitable for SCM than an Organic Rankine Cycle, ORC. This was mainly believed to be because of heat losses occuring when the steam is used to heat the organic medium used in the ORC turbine. The overall electricity produced by the steam turbine, will, according to the analysis, vary between 13 992 500-42 251 600 kWh/ year. While the financial key values considered varied significantly with modified variables, an investment is believed to be profitable within a realistic time perspective of 10 years. Conclusions made from this study suggests that approximately 186,1 - 13 098 ton CO2 emissions can be prevented by installing this turbine, dependant on which reference country is used. The potential production of electricity is equivalent to % of SCM’s production and consumption, respectively. Furthermore, a synergy is quantified from the installation which will either generate more electricity or enable a larger amount of bark to be made available for sale. A mix between the two will most likely occur in the future, whereas the latter is proven to be most profitable. This, as well as the future profitability, will depend on the spot price and the certificate price of electricity.},
  author       = {Svensson, Mattias},
  issn         = {0282-1990},
  keyword      = {Paper pulp mill,Turbine,Financial analysis},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {A case study of the possibility, consequences and synergies for Södra Cell Mörrum to invest in a steam turbine},
  year         = {2018},
}