Kaukolämpöveden jäähdytyksen parantaminen

Kaukolämpöverkoston lämpötilatason alentaminen kasvattaa sähkösaalista sähkön ja lämmön yhteistuotannossa, pienentää kaukolämpöverkon lämpöhäviöitä ja lisäksi hyvä jäähdytys tuo säästöjä kaukolämpöveden pumppausenergian kulutuksessa. Työssä selvitettiin laskennallisesti kaukolämpöveden lämpötilojen alentamisen vaikutuksia ja niiden tuomia säästöjä Kuopion Energian kaukolämpöjärjestelmässä. Tulokseksi saatiin, että laskemalla paluulämpötilaa yhdellä asteella nousee vuotuinen sähköntuotanto 0,1 %, pienenevät lämpöhäviöt 0,88 % ja pumppausenergian kulutus 7,7 %. Menolämpötilaa laskemalla vaikutukseksi saatiin 0,4 % lisää sähköä ja 0,79 % pienemmät lämpöhäviöt. Työssä käytetyillä sähkön hinnalla 92 mk/MWh ja lämmön hinnalla 61 mk/MWh saatiin tulokseksi, että alentamalla paluulämpötilaa asteella on kokonaishyöty noin 68 700 mk vuodessa ja menolämpötilaa alentamalla 71 500 mk. Asiakkaiden lämmönjakojärjestelmät aikaansaavat jäähdytyksen. Ongelmana on, etteivät nykyiset yleisesti käytössä olevat kaukolämpötariffit ohjaa asiakkaita riittävästi hyvään jäähdytykseen. Asiakkaan jäähdytysmotivaation parantamiseksi tulisi kehittää tariffijärjestelmä, joka selkeästi palkitsisi hyvästä jäähdytyksestä. Työssä selvitettiin asiakaskyselyllä asiakkaiden näkemyksiä nykyisestä kaukolämpötariffista ja mielenkiintoa uusiin tariffivaihtoehtoihin. Kyselyn perustella asiakkaat olisivat motivoituneita jäähdytyksen parantamiseen, jos lämmityskustannusten alennus olisi vähintään 10 %. Meno- ja paluulämpötilan alentamisen taloudellisia hyötyjä asiakasta kohti selvitettiin esimerkkitapauksella. Vertaamalla asiakkaan aikaansaamia taloudellisia hyötyjä hänen lämmityskustannuksiinsa, selvitettiin kuinka suuri alennusprosentti jäähdytyksestä palkitsevassa tariffissa voitaisiin tarjota. Työssä käytetyillä energian hinnoilla ja lämpötilojen alentamistapauksilla asiakkaalle voitaisiin tarjota jäähdytyksestä palkitsevassa tariffissa 1-2 % alennus lämmityskustannuksista.

Sähköntuotannon kannattavuus pienissä biopolttoainekattilalaitoksissa

Tässä diplomityössä selvitettiin sähköntuotannon kannattavuus pienissä biopolttoaineita käyttävissä laitoksissa. Työ jaettiin kahteen osaan. Ensimmäisessä osassa tarkasteltiin turbiini-investoinnin kannattavuutta Punkavoima Oy:n kattilalaitoksella. Toisessa osassa tutkittiin sähkön ja lämmön yhteistuotannon mahdollisuutta pienillä laitoksilla, joissa lämpökuorma muodostuu pienen kunnan kaukolämpöverkon mukaan. Punkavoima Oy tuottaa prosessihöyryä Finnforest Oyj:n Punkaharjun tehtaille ja kaukolämpöä Punkaharjun taajamaan. Uusi 30 MWth tehoinen kattilalaitos, jota ei varustettu turbiinilaitoksella, otettiin kaupalliseen käyttöön toukokuussa 2002.Tarkastelun kohteena oli 3 erilaista turbiinivaihtoehtoa. Mahdollinen tehtaiden höyrykuorman muutos otettiin myös huomioon. Toisessa osassa tutkittiin pienten laitosten soveltuvuutta lämmön ja sähkön yhteistuotantoon. Tarkastelun kohteena olleet vaihtoehdot olivat: ORC- prosessi (Organic Rankine Cycle), Novel- voimalaitos (puun kaasutus), Wärtsilä BioGrate- voimalaitos sekä höyrykone.

Tasasähköjakelu ja kiinteistöjen tasasähköverkot

Perinteisesti sähkönjakelu on toteutettu vaihtosähköjärjestelmänä, mutta varsinkin tehoelektroniikan kehittymisen ja halpenemisen myötä on paljon keskusteltu tasasähköisistä jakelujärjestelmistä. Tässä työssä on tutkittu ja koetettu tuoda esille tasasähkön hyödyntämismahdollisuuksia sähkönjakelussa, sekä erityisesti kiinteistöjen kuten kotien ja toimistojen sähköverkoissa. DC-verkko parantaa mm. järjestelmän luotettavuutta ja jännitteenlaatua. Myös hajautetun energiantuotannon ja energiavarastojen lisääminen sähkövoimajärjestelmään olisi yksinkertaisempaa tasasähköiseen verkkoon. Monet nykyajan kotien ja toimistojen sähkölaitteista olisi nykyiselläänkin ilman modifikaatioita liitettävissä DC-verkkoon. Monien laitteiden sisäinen käyttöjännite on nykyään tasajännitettä kuten esimerkiksi tietokoneiden ja viihde-elektroniikan. Näiden laitteiden tarvitsemissa lukuisissa tasasuuntaajissa hukataan paljon energiaa. Yhdistämällä laitteet DC-verkkoon voitaisiin suuntauksista luopua, jolloin järjestelmän kokonaishyötysuhde paranisi. Lisäksi kiinteistöissä tasajännitteellä voitaisiin hyödyntää entistä paremmin muun muassa aurinkoenergiaa, polttokennoja ja energiavarastoja eli uusiutuvia ja ympäristöystävällisiä energialähteitä.

Drag force and frictional resistances in vertically vibrated dense granular media

The objective of this thesis is to shed light on the vertical vibration of granular materials for potential interest in the power generation industry. The main focus is investigating the drag force and frictional resistance that influence the movement of a granular material (in the form of glass beads) contained in a vessel, which is subjected to sinusoidal oscillation. The thesis is divided into three parts: theoretical analysis, experiments and computer simulations. The theoretical part of this study presents the underlying physical phenomena of the vibration of granular materials. Experiments are designed to determine fundamental parameters that contribute to the behavior of vibrating granular media. Numerical simulations include the use of three different software applications: FLUENT, LS-DYNA and ANSYS Workbench. The goal of these simulations is to test theoretical and semiempirical models for granular materials in order to validate their compatibility with the experimental findings, to assist in predicting their behavior, and to estimate quantities that are hard to measure in laboratory.

Optimization of energy in a pulp mill

This study presents examination of ways to increase power generation in pulp mills. The main purpose was to identify and verify the best ways of power generation growth. The literature part of this study presented operation of energy pulp mill departments, energy consumption and generation by the recovery and power boilers. The second chapter of this part described the main directions for increase of electricity generation rise of black liquor dry solid content, increase of main steam parameters, flue gas heat recovery technologies, feed water and combustion air preheating. The third chapter of the literature part presented possible technical, environment and corrosion risks appeared from described alternatives. In the experimental part of this study, calculations and results of possible models with alternatives was presented. The possible combinations of alternatives were generated in 44 `models of energy pulp mill. The target of this part was define extra electricity generation after alternatives using and estimate profitability of generated models. The calculations were made by computer programme PROSIM. In the conclusions, the results were estimated on the basis of extra electricity generation and equipment design data of models. The profitability of cases was verified by their payback periods and additional incomes.

Täystehokonvertterin tehohäviöt ja hyötysuhde

Diplomityössä perehdytään tuuliturbineissa käytettyjen täystehokonvertterien tehohäviöihin ja hyötysuhteeseen. Täystehokonvertterissa generaattorin tuottama sähköteho tasasuunnataan hyvällä hyötysuhteella aktiivisella geenraattorisillalla konvertterin välipiiriin ja edelleen vaihtosuunnataan aktiivisella verkkovaihtosuuntaajasillalla siirtoverkkoon. Työn tarkoituksena on antaa yleiskuva tehohäviöiden jakautumisesta ja yksinkertaistaa niiden laskentaa. Häviömekanismit ja häviöiden määräytyminen esitellään pääkomponenttitasolla. Tehohäviöiden osalta keskitytään erityisesti muuntajateräksestä valmistettujen sinisuotimien ja du/dt-suotimien rautahäviöihin. Ongelmana rautahäviöiden määrittämisessä on korkeilla taajuuksilla tapahtuvat häviöt, joiden laskentaan ei ole yleensä saatavilla tarvittavia materiaaliparametrejä. Tehohäviöiden laskentaa varten toteutettu laskentasovellus on esitelty periaatteellisina vuokaavioina ja sovelluksella saatavia tuloksia on esitetty ja vertailtu mitattuihin tuloksiin.

Parallel-Operating Three-Phase Voltage Source Inverters – Circulating CurrentModeling, Analysis and Mitigation

The maximum realizable power throughput of power electronic converters may be limited or constrained by technical or economical considerations. One solution to this problemis to connect several power converter units in parallel. The parallel connection can be used to increase the current carrying capacity of the overall system beyond the ratings of individual power converter units. Thus, it is possible to use several lower-power converter units, produced in large quantities, as building blocks to construct high-power converters in a modular manner. High-power converters realized by using parallel connection are needed for example in multimegawatt wind power generation systems. Parallel connection of power converter units is also required in emerging applications such as photovoltaic and fuel cell power conversion. The parallel operation of power converter units is not, however, problem free. This is because parallel-operating units are subject to overcurrent stresses, which are caused by unequal load current sharing or currents that flow between the units. Commonly, the term ’circulatingcurrent’ is used to describe both the unequal load current sharing and the currents flowing between the units. Circulating currents, again, are caused by component tolerances and asynchronous operation of the parallel units. Parallel-operating units are also subject to stresses caused by unequal thermal stress distribution. Both of these problemscan, nevertheless, be handled with a proper circulating current control. To design an effective circulating current control system, we need information about circulating current dynamics. The dynamics of the circulating currents can be investigated by developing appropriate mathematical models. In this dissertation, circulating current models aredeveloped for two different types of parallel two-level three-phase inverter configurations. Themodels, which are developed for an arbitrary number of parallel units, provide a framework for analyzing circulating current generation mechanisms and developing circulating current control systems. In addition to developing circulating current models, modulation of parallel inverters is considered. It is illustrated that depending on the parallel inverter configuration and the modulation method applied, common-mode circulating currents may be excited as a consequence of the differential-mode circulating current control. To prevent the common-mode circulating currents that are caused by the modulation, a dual modulator method is introduced. The dual modulator basically consists of two independently operating modulators, the outputs of which eventually constitute the switching commands of the inverter. The two independently operating modulators are referred to as primary and secondary modulators. In its intended usage, the same voltage vector is fed to the primary modulators of each parallel unit, and the inputs of the secondary modulators are obtained from the circulating current controllers. To ensure that voltage commands obtained from the circulating current controllers are realizable, it must be guaranteed that the inverter is not driven into saturation by the primary modulator. The inverter saturation can be prevented by limiting the inputs of the primary and secondary modulators. Because of this, also a limitation algorithm is proposed. The operation of both the proposed dual modulator and the limitation algorithm is verified experimentally.

Assessment of Coals from Russia and Countries of Former Soviet Union for Utility Fluidized Bed Boilers

With the occurrence of fossil fuels such as oil, gas and coal we found new sources of energy that have played a critical role in the progress of our modern society. Coal is very ample compared to the other two fossil fuels. Global coal reserves at the end of 2005 were estimated at 847,5 billion tones. Along with the major energy sources, coal is the most fast growing fuel on a global basis, it provides 26% of primary energy needs and remains essential to the economies of many developed and developing countries. Coal-fired power generation accounts for 41% of the world‘s total electricity production and in some countries, such as South Africa, Poland, China, Australia, Kazakhstan and India is on very high level. Still, coal utilization represents challenges related to high emissions of air pollutants such as sulphur and nitrogen dioxides, particulate matter, mercury and carbon dioxide. In relation to these a number of technologies have been developed and are in marketable use, with further potential developments towards ―Near Zero Emission‖ coal plants. In present work, coals mined in Russia and countries of Former Soviet Union were reviewed. Distribution of coal reserves on the territory of Russia and the potential for power generation from coal-fired plants across Russia was shown. Physical and chemical properties of coals produced were listed and examined, as main factor influencing on design of the combustion facility and incineration process performance. The ash-related problems in coal-fired boilers were described. The analysis of coal ash of Russia and countries of Former Soviet Union were prepared. Feasible combustion technologies also were reviewed.

Aurinkopaneeleihin liitettävien vaihtosuuntaajien testaussuunnitelman laadinta ja toteutus

Aurinkoenergia on yksi monista uusiutuvan energian muodoista, joiden suosio on viimeisten vuosien aikana kasvanut fossiilisten polttoaineiden kallistumisen sekä ilmaston lämpenemisen vuoksi. Auringon säteilyn energiaa voidaan muuttaa sähköenergiaksi mm. aurinkopaneeleiden avulla. Aurinkopaneeleihin liitetään usein vaihtosuuntaaja, jolla tuotettu teho voidaan muokata sähköverkkoon tai kotitalouden sähköjärjestelmään sopivaksi. Tässä työssä on esitelty aurinkopaneelilla tuotettavan sähköenergian perusperiaatteet sekä tehoa tuottavan järjestelmän reunaehdot. Tutkimuksessa on perehdytty keskeisiin, aurinkopaneeleihin liitettäville vaihtosuuntaajille laadittuihin standardeihin, hyötysuhteen mittaamisen sekä sähkön laadun näkökulmista. Selvityksen avulla järjestelmän hyötysuhteen sekä lähtötehon laadun määrittämiseksi voidaan laatia standardien mukainen mittaussuunnitelma vaihtosuuntaajan nimellistehosta riippumatta. Standardien avulla on laadittu mittaussuunnitelma Global Inversonne, 100 kW - verkkovaihtosuuntaajayksikölle. Suunnitelman mukaisissa mittauksissa on tutkittu yksikön muunnoshyötysuhdetta sekä lähtöjännitteen- ja virran laatua. Lisäksi työssä on analysoitu mittaustulosten mittausepävarmuuksia ja niitä aiheuttavia tekijöitä.

Sähkön ja lämmön yhteistuotannon mahdollisuudet vaneritehtaan yhteydessä

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tehdä sähkön ja lämmöntuotannon kannattavuustarkastelu erään esimerkkitehtaan näkökulmasta. Tarkoitus oli selvittää onko vaneritehtaalla edellytyksiä investoida sähköä ja lämpöä tuottavaan yhteistuotantolaitokseen, vai onko edullisempaa tuottaa itse ainoastaan valmistusprosessin kannalta välttämätön lämpöenergia ja ostaa tarvittava sähköenergia ulkoiselta toimijalta. Johdantona on tarkasteltu ensin vanerin valmistusprosessia ja prosessissa syntyviä sivutuotteita. Toisena osiona on pyritty hahmottamaan vanerinvalmistuksessa syntyvien sivutuotteiden määriä ja ominaisuuksia niiden polttoainekäyttöä silmällä pitäen. Lopuksi johdannossa on perehdytty mahdollisiin tekniikoihin, joilla sähkön ja lämmön yhteistuotanto vaneritehtaan yhteydessä olisi mahdollista. Johdannossa käsiteltävät asiat perustuvat teorialähteisiin. Aineisto ja menetelmät osiossa on tarkasteltu esimerkkitehdasta voimalaitoksen sijoituskohteena. Osiossa on perehdytty prosessin sivutuotteiden määrään ja energian kulutukseen. Näiden seikkojen perusteella on tehtaan yhteyteen mitoitettu sähköä ja lämpöä tuottavia yhteistuotantolaitosesimerkkejä. Lopuksi tuloksissa on tarkasteltu yhteistuotantolaitoksien kannattavuutta vaneritehtaan yhteydessä ja tutkittu kannattavuuteen vaikuttavia tekijöitä.

Integration in project business : mechanisms for integrating customers and the project network during the life-cycle of industrial projects

This thesis focuses on integration in project business, i.e. how projectbased companies organize their product and process structures when they deliver industrial solutions to their customers. The customers that invest in these solutions run their businesses in different geographical, political and economical environments, which should be acknowledged by the supplier when providing solutions comprising of larger and more complex scopes than previously supplied to these customers. This means that the suppliers are increasing their supply range by taking over some of the activities in the value chain that have traditionally been handled by the customer. In order to be able to provide the functioning solutions, including more engineering hours, technical equipment and a wider project network, a change is needed in the mindset in order to be able to carry out and take the required responsibility that these new approaches bring. For the supplier it is important to be able to integrate technical products, systems and services, but the supplier also needs to have the capabilities to integrate the cross-functional organizations and departments in the project network, the knowledge and information between and within these organizations and departments, along with inputs from the customer into the product and process structures during the lifecycle of the project under development. Hence, the main objective of this thesis is to explore the challenges of integration that industrial projects meet, and based on that, to suggest a concept of how to manage integration in project business by making use of integration mechanisms. Integration is considered the essential process for accomplishing an industrial project, whereas the accomplishment of the industrial project is considered to be the result of the integration. The thesis consists of an extended summary and four papers, that are based on three studies in which integration mechanisms for value creation in industrial project networks and the management of integration in project business have been explored. The research is based on an inductive approach where in particular the design, commissioning and operations functions of industrial projects have been studied, addressing entire project life-cycles. The studies have been conducted in the shipbuilding and power generation industries where the scopes of supply consist of stand-alone equipment, equipment and engineering, and turnkey solutions. These industrial solutions include demanding efforts in engineering and organization. Addressing the calls for more studies on the evolving value chains of integrated solutions, mechanisms for inter- and intra-organizational integration and subsequent value creation in project networks have been explored. The research results in thirteen integration mechanisms and a typology for integration is proposed. Managing integration consists of integrating the project network (the supplier and the sub-suppliers) and the customer (the customer’s business purpose, operations environment and the end-user) into the project by making use of integration mechanisms. The findings bring new insight into research on industrial project business by proposing integration of technology and engineering related elements with elements related to customer oriented business performance in contemporary project environments. Thirteen mechanisms for combining products and the processes needed to deliver projects are described and categorized according to the impact that they have on the management of knowledge and information. These mechanisms directly relate to the performance of the supplier, and consequently to the functioning of the solution that the project provides. This thesis offers ways to promote integration of knowledge and information during the lifecycle of industrial projects, enhancing the development towards innovative solutions in project business.

Design and testing of an armature-reaction-compensated permanent magnet synchronous generator for island operation

At present, permanent magnet synchronous generators (PMSGs) are of great interest. Since they do not have electrical excitation losses, the highly efficient, lightweight and compact PMSGs equipped with damper windings work perfectly when connected to a network. However, in island operation, the generator (or parallel generators) alone is responsible for the building up of the network and maintaining its voltage and reactive power level. Thus, in island operation, a PMSG faces very tight constraints, which are difficult to meet, because the flux produced by the permanent magnets (PMs) is constant and the voltage of the generator cannot be controlled. Traditional electrically excited synchronous generators (EESGs) can easily meet these constraints, because the field winding current is controllable. The main drawback of the conventional EESG is the relatively high excitation loss. This doctoral thesis presents a study of an alternative solution termed as a hybrid excitation synchronous generator (HESG). HESGs are a special class of electrical machines, where the total rotor current linkage is produced by the simultaneous action of two different excitation sources: the electrical and permanent magnet (PM) excitation. An overview of the existing HESGs is given. Several HESGs are introduced and compared with the conventional EESG from technical and economic points of view. In the study, the armature-reaction-compensated permanent magnet synchronous generator with alternated current linkages (ARC-PMSG with ACL) showed a better performance than the other options. Therefore, this machine type is studied in more detail. An electromagnetic design and a thermal analysis are presented. To verify the operation principle and the electromagnetic design, a down-sized prototype of 69 kVA apparent power was built. The experimental results are demonstrated and compared with the predicted ones. A prerequisite for an ARC-PMSG with ACL is an even number of pole pairs (p = 2, 4, 6, …) in the machine. Naturally, the HESG technology is not limited to even-pole-pair machines. However, the analysis of machines with p = 3, 5, 7, … becomes more complicated, especially if analytical tools are used, and is outside the scope of this thesis. The contribution of this study is to propose a solution where an ARC-PMSG replaces an EESG in electrical power generation while meeting all the requirements set for generators given for instance by ship classification societies, particularly as regards island operation. The maximum power level when applying the technology studied here is mainly limited by the economy of the machine. The larger the machine is, the smaller is the efficiency benefit. However, it seems that machines up to ten megawatts of power could benefit from the technology. However, in low-power applications, for instance in the 500 kW range, the efficiency increase can be significant.

Soodakattilalaitosten energiantuotannon lisääminen

The aim of this thesis is to study different methods to increase the energy production of recovery boilers. This improvement is encouraged by the current energy policy and the rapid rise in energy prices, especially in electricity. In addition, the energy efficiency of the power plants is intended to be improved. There are several methods to increase the energy production. The methods taken into more accurate study are lower pressure steam for soot blowing and flue gas coolers. Energy balances are made for these two cases to check a plausible addition of power generation of turbo-generator of the steam turbine. Also, the viability issues are studied. Solvo Power Plant Simulation program is used for the energy balance research. Two case power plants are simulated to solve the balances. To solve the addition of power generation with the flue gas coolers, basic balance calculation is performed. The viabilities are also taken into account, especially the payback times of these alternatives. On the basis of the results, installing the system to the process is viable in both cases. By installing the lowest possible pressure steam system for the soot blowing, the advantages are the most significant. The investment costs are the highest but the payback time is less than 1,5 years and the profit in the next 20 years is the greatest. In the case of flue gas coolers, the results did not entirely agree with past studies. Nevertheless, installing the flue gas coolers into the process also seems to be significant and profitable.

Yliopiston sähköverkon mallintaminen

Lappeenrannan teknillinen yliopisto tutkii älykkäiden sähköverkkojen kehittämistä. Yliopisto on hankkinut sähköverkkoonsa tuuliturbiinin ja aurinkopaneeleita, joilla pystytään tuottamaan sähköenergiaa sähköverkkoon. Näitä tuotantoja voidaan käyttää myös tutkimuksessa. Tässä työssä luodaan simulaatiomalli yliopiston sähköverkosta Matlab® Simulink® -ohjelmalla. Simulaatiomalliin mallinnetaan yliopiston sisäinen keskijänniteverkko ja osa pienjänniteverkosta. Simulaatiomalli toteutetaan ohjelman valmiilla komponenteilla, joihin lasketaan tarvittavat parametrit. Tuuliturbiinin ja aurinkopaneelien sähköntuotantotehot määritetään säätiladatojen avulla. Verkon komponenteille lasketaan arvot komponenttien tyyppitietojen perusteella ja asetetaan simulaatiomallin parametreiksi. Simulaatiomalli luodaan yliopiston sisäisen verkon tehonjaon tarkastelemiseksi. Työssä selvitetään myös mahdollisuuksia luodun simulaatiomallin käyttämiseen vikatilanteiden tarkastelussa.

Keskitehoestimaattorin lisääminen diesel-sähköiseen hybridijärjestelmään

Nykyajan jatkuvasti kiristyvät päästörajoitukset ja ilmastonmuutoksen uhka ovat ajavia voimia kehittämään voimalaitosten tekniikkaa energiatehokkaampaan ja ympäristöystävällisempään suuntaan. Polttomoottoritekniikan parantaminen on tärkeä osa tätä kehitystä, mutta jo nykyisiä moottoreita voitaisiin ajaa energiate-hokkaammin käyttämällä akustoa ja älykästä säätöjärjestelmää apuna. Työssä tutkitaan simulaatioiden avulla voidaanko ulkomerellä toimivan huolto-aluksen energiatehokkuutta parantaa muokkaamalla sen tehon tuottoa keskitehoes-timaattorin ja akuston avulla.