Optimization of mechanical mass production and energy management for a paper mill with an integrated CHP plant

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2015-12-14
Department
Major/Subject
Energiatekniikka
Mcode
K3007
Degree programme
Energia- ja LVI-tekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
46
Series
Abstract
The pulp and paper industry is facing global competition, where companies are working to lower their production costs. Energy consumption plays an important role in these costs. There is much interest into lowering the electricity costs of mills through demand side management. This Thesis is a case study of a mechanical pulp and paper mill with integrated CHP production. The case site is modeled with focus on the critical dependencies between pulp, paper, and CHP production. The purpose of the model is to analyze the mill’s capacity of demand side management, and the total costs of executing regulating power bids in the mill site. The production scheduling of mechanical mass is studied through a mixed integer linear model. The model is based on the processes of the mill site, considering the balances of steam, electricity, heat, and mechanical mass. Paper production scheduling is not in the scope of the model. The model is utilized to calculate the increase of production costs in case a regulating power trade is made. The model creates an optimal mechanical mass production schedule for a 24 hour period. It is then used to modify that schedule based on a hypothetical regulating power bid that is accepted on the first hour of the modeling period. The cost difference between the resulting two schedules is calculated, denoting the real cost of regulating in that scenario. This analysis is repeated for a number of real periods in terms of electricity price and district heating demand. The model generates realistic production schedules of mechanical mass. Upregulating power trades are found to cause moderate costs, but there is significant variation. It is noted that the co-planning of the mill and power plant plays an important role in the results. Its design allows the model to be used for various purposes in addition to what is presented in this Thesis.

Sellu- ja paperiteollisuus on globaalissa kilpailutilanteessa, jossa yritykset pyrkivät alentamaan tuotantokustannuksiaan. Energian kulutuksella on suuri rooli näissä kustannuksissa. Sähköenergiakustannusten alentaminen kulutusjouston avulla herättää paljon kiinnostusta. Tässä diplomityössä esitellään case-tutkimus mekaanista massaa ja paperia valmistavasta tehtaasta, jolla on integroitu CHP-voimalaitos. Kohteena oleva tehdas voimalaitoksineen mallinnetaan, keskittyen tärkeimpiin riippuvuuksiin massan, paperin ja energian tuotantoprosessien välillä. Tavoitteena on analysoida tehdaskokonaisuuden kapasiteettia kulutusjouston tekemiseen sekä säätösähkötarjousten toteuttamisen kustannuksia. Mekaanisen massan valmistuksen aikataulutusta tutkitaan lineaarisen sekalukuoptimointimallin avulla. Malli perustuu tehdaskokonaisuuden prosesseihin, joista huomioidaan taseet höyrylle, sähkölle, lämmölle ja mekaaniselle massalle. Paperintuotannon aikataulutus ei kuulu mallin piiriin. Työssä esitetään, miten mallia voi käyttää säätökaupan aiheuttamien lisäkustannusten laskemiseksi. Mallin avulla luodaan optimaalinen mekaanisen massan tunneittainen tuotantoaikataulu vuorokauden jaksolle. Tätä aikataulua muokataan edelleen mallin avulla kuvitteellisen säätösähkötarjouksen perusteella, joka hyväksytään mallinnusjakson ensimmäisellä tunnilla. Vertaamalla tuloksina saatujen kahden aikataulun kustannuksia voidaan arvioida säädön todellinen kustannus. Tämä analyysi toistetaan useissa eri tilanteissa todellisilla sähkön hinnoilla ja kaukolämmön tarpeilla. Malli tuottaa realistisia aikatauluja mekaanisen massan tuotannolle. Ylössäätökauppojen todetaan aiheuttavan kohtuullisia kustannuksia, mutta vaihtelu on suurta. Huomataan, että paperitehtaan ja voimalaitoksen yhteissuunnittelu on tärkeässä roolissa tuloksissa. Mallin rakenne mahdollistaa sen käyttämisen tässä työssä esitettyjen lisäksi myös muihin tarkoituksiin.
Description
Supervisor
Lahdelma, Risto
Thesis advisor
Käki, Anssi
Keywords
energy management, paper production, pulp mill, mixed-integer optimization, scheduling, CHP
Other note
Citation