Syöttövesisäiliöiden pinnanheilahteluiden hallinta Loviisan voimalaitoksella

Tässä työssä tarkastellaan syöttövesisäiliöiden käyttäytymistä Loviisan voimalaitoksella. Työssä käydään läpi laitoksen kaikki pääjärjestelmät primääri- ja sekundääripuolelta. Lisäksi selvitetään myös säiliöiden käyttäytymiseen liittyvät apujärjestelmät niiltä osin kuin tarpeellista. Työn pääpaino laitosesittelyn jälkeen siirtyy täysin syöttövesisäiliömallin luomiseen ja simulointeihin. Työssä on tutkittu useita esille tulleita ideoita syöttövesisäiliöiden pinnanheilahdusten minimoimiseksi. Säiliömallin luominen ja simuloinnit on suoritettu APROS-voimalaitossimulaattorilla. Työssä on alustavasti tarkasteltu kaikki pinnanheilahdusten hallintaideat. Mahdolliset jatkotutkimukset ja parannustyöt aloitetaan tämän työn pohjalta. Työn aikana saatiin paljon uutta tietoa syöttövesisäiliöiden käyttäytymisestä. Tätä tietoa pystytään hyödyntämään käytössä, prosessisuunnittelussa ja koulutussimulaattoria päivitettäessä.

Maalämpöpumpun mitoitusjärjestelmän kehittäminen

Työn tavoitteena oli kehittää maalämpöpumppujärjestelmään kuuluvien komponenttien mitoitusta. Työ tehtiin Alufer Oy nimiselle yritykselle, joka on työskennellyt jo kolme vuotta maalämpöpumppujärjestelmän tuotekehityksen parissa. Maalämpöpumppujärjestelmä tullaan suunnittelemaan mahdollisimman suorituskykyiseksi ja joustavaksi. Suunnittelun lähtökohtana on, että lämmitysjärjestelmä on ns. matalalämpö-järjestelmä, joka käytännössä usein toteutetaan lattialämmityksenä. Ensimmäiseksi työssä on selvitetty mitä maalämpö on ja mitkä ovat yleisimmät maalämpöpumppujärjestelmän lämmönkeruuputkistojen asennustavat. Tällä hetkellä käytössä on joko vaakaan (maa, vesi) tai pystyyn asennettava lämmönkeruuputkisto (porakaivo). Seuraavaksi työssä on lähdetty selvittämään maalämpöpumppumarkkinoita Suomessa sekä selvitetty kolmen suurimman valmistajan Geopro Systemsin, Suomen Lämpöpumpputekniikan ja Ekowellin tuotteita sekä tekniikkaa. Työssä selvitetään myös muutamien Eurooppalaisten maiden markkinat. Mitoitusjärjestelmässä tarkastelu on aloitettu uudisrakennuksen lämmitystehon tarpeesta ja käyttöveden lämmityksen tarvitsemasta tehosta. Tarvittavan lämmitysenergian perusteella määriteltiin lämpöpumppujärjestelmään kuuluvat komponentit. Maalämpöpumppujärjestelmä koostuu seuraavista pääkomponenteista: höyrystin, kompressori, lauhdutin ja paisuntaventtiili. Höyrystimen tehon mitoituksessa on huomioitu lämmönkeruuputkistossa kulkevan nesteen aineominaisuudet, massavirta ja lämpötilaero höyrystimen nesteen ulostulon sekä sisään menon välillä. Kompressorin teho on määritetty valitun kylmäaineen (R407C) lg p-h piirroksesta tai määritetty teoreettisesti kompressorivalmistajien omista valintaohjelmista. Lauhduttimen teho on määritelty höyrystimen sekä kompressorin tehon summasta. Samalla määräytyy myös uudisrakennuksen lämmitystehontarve. Lopuksi työssä on käsitelty maalämpöpumppujärjestelmän kehitysmahdollisuuksia. Vaihtoehtoina on huomioitu tulistin, alijäähdytin ja varaaja, joilla voidaan huomattavasti parantaa maalämpöpumpun lämpökerrointa.

Biologisen jätevedenpuhdistuksen ilmastuksen tehostaminen

Työssä tutkittiin, mikä on kustannustehokkain tapa lisätä ilmastuskapasiteettia ja selvitettiin, saostaako vesilaitokselta flotaatioaltaasta poistettava ferrisulfaattisakka jäteveden fosforia esiselkeyttimessä. Työssä määritettiin teoreettinen hapentarve ilmastusaltaassa maksimikuormituksen aikana ja hapensiirtonopeus jäteveteen olemassa olevalla laitteistolla. Hapensiirtonopeuden funktion korjauskertoimet  ja  sekä kokonaishapensiirtokerroin määritettiin laboratorio-olosuhteissa. Lisäksi laskettiin kuinka paljon nykyisten ilmastimien kautta saadaan happea jäteveteen liukenemaan ja verrattiin tätä lukua teoreettiseen hapentarpeeseen. Jälkimmäistä menettelytapaa käyttäen arvioitiin lisähapen tarve. Tulokseksi saatiin, että maksimi BOD-kuormituksen aikana happea tarvitsee saada jäteveteen liuotettua 5200 m³/d lisää. Ilmastuskapasiteetin lisäyksen kustannuslaskelmassa verrattiin neljää vaihtoehtoa: puhdasta happea liuotettuna happimattojen kautta tai OKI-ilmastimen kautta, onsite-happilaitoksen puhdasta happea liuotettuna OKI-ilmastimen kautta tai ilman happea liuotettuna jäteveteen EDI-ilmastimien kautta. Laskelmat osoittivat uusien EDI-ilmastimien hankinnan olevan edullisin vaihtoehto pitkällä aikavälillä. Vaikka EDI-ilmastimien investointikustannukset ovat korkeat, tulevat ne käyttökustannuksiltaan kaikkein edullisimmaksi. Vesilaitokselta tulevan rautasuolasakan fosforia saostavaa vaikutusta tutkittiin laboratoriossa astiakokein. Näytteet otettiin vesilaitokselta jätevesilaitokselle menevästä rautasuolasakasta sekä esiselkeyttimen kirkasteesta. Näitä eri suhteissa keskenään sekoittamalla saatiin selville, että rautasuolasakka ja sakan mukana tuleva reagoimaton rautasuola saostavat liukoista ja kokonaisfosforia esiselkeytyksessä.

Passiivisten turvallisuusjärjestelmien luontaiset virhetoiminnot ydinvoimalaitoksessa

Uusissa ydinvoimalaitostyypeissä aiotaan käyttää aiempaa enemmän passiivisia turvallisuusjärjestelmiä. Näistä järjestelmistä on vielä vähän käyttökokemusta aktiivisiin turvallisuusjärjestelmiin verrattuna. Työssä tarkastellaan passiivisten turvallisuusjärjestelmien toimintaa sekä etsitään niiden mahdollisia luontaisia vikatilanteita. Luontaisten vikatilanteiden seurauksia järjestelmän suorituskykyyn arvioitiin yksinkertaisilla laskuilla ja mallintamalla RELAP5/MOD3.2.2 beta -termohydrauliikkaohjelmalla. Tarkastelu rajattiin kahden erityyppisen ydinvoimalaitoksen passiivisiin turvallisuusjärjestelmiin. Turvallisuusjärjestelmien suuntaa antavat mitat ja käyttötilanteiden parametrit saatiin laitosvalmistajien laitoskuvauksista. Osoittautui, että vikatilanteissa passiivisissa turvallisuusjärjestelmissä geometrialla on merkittävä vaikutus järjestelmän kapasiteettiin. Tarkasteluissa saatiin myös selville, että laitosmittakaavassa painovoimaisen hätälisävesijärjestelmän turvallisuustoiminto voi toteutua vaikka esiintyisi lyhytaikaisia toimintahäiriöitä, kuten lauhtumista hätälisävesisäiliössä. Sen sijaan lämmönsiirtopiirin virtausreittien tukkeutuminen voi olla fysikaalisesti merkittävä toimintaa haittaava tekijä.

Toimintamalli asuinkiinteistö öljyvahingon hoitamiseksi

Pienkiinteistöjen öljyvahingot ovat viime vuosina lisääntyneet. Tämän työn tarkoituksena on luoda öljyvahingon torjuntaan ja jälkihoitoon osallistuvalle urakoitsijalle toimintamalli asuinkiinteistön öljyvahingon hoitamiseksi. Mallin halutaan erityisesti kuvaavan öljyvahingon hoitoon osallistuvien viranomaisten ja muiden tahojen vastuita ja velvollisuuksia. Työn tavoitteena on myös tunnistaa pienkiinteistöissä tapahtuvat öljyvahinkotyypit sekä niille altistavat riskitekijät. Öljyn päästäminen ympäristöön sekä öljyn käsittely ja varastointi niin, että siitä aiheutuu öljyvahingon vaara, kielletään laissa. Vahinkojen torjumiseksi on annettu määräyksiä muun muassa öljylämmityslaitteistojen turvallisuutta koskien. Asuinkiinteistöjen öljyvahingot liittyvät yleensä öljysäiliön täyttötilanteisiin. Vahinkojen syynä on usein säiliön ja sen varusteiden puutteellisuus tai huono kunto. Asuinrakennusten lämmitykseen käytetään kevyttä polttoöljyä. Maahan joutuessaan polttoöljy imeytyy sora- ja hiekkamaahan nopeasti, jolloin vaarana on öljyn kulkeutuminen pohjaveteen ja vesistöihin. Asuinkiinteistön öljyvahingossa öljyä joutuu usein myös rakenteisiin. Öljyvahingosta tulee ilmoittaa aina hätäkeskukseen. Vastuu öljyvahinkojen torjunnasta kuuluu alueelliselle pelastustoimelle. Torjuntatoimiin osallistuu usein myös urakoitsija. Jos vahinkokohdetta ei torjuntatoimin saada kunnostettua, alueellinen ympäristökeskus voi määrätä puhdistamisesta vastuussa olevan selvittämään pilaantuneen alueen laajuuden ja puhdistamistarpeen sekä toteuttamaan mahdollisen kunnostuksen. Pilaantuneen maaperän kunnostus voidaan toteuttaa massan vaihtona tai paikan päällä maata kaivamatta. Likaantuneiden rakenteiden saneerausta tarvitaan sisäilman hajuhaittojen poistamiseksi. Öljyvahingon kustannukset voivat nousta hyvinkin suuriksi. Ensisijainen vastuu niistä kuuluu vahingonaiheuttajalle.

Liuottajasäiliön hönkien käsittely täytekappalepesurilla

Soodakattilan liuottajasäiliön hönkä on ongelmallinen kaasu sen sisältävän suuren vesihöyrypitoisuuden, pölyn sekä rikkiyhdisteiden vuoksi. Nykyisin sitä ei voida johtaa ilmakehään käsittelemättömänä. Tässä diplomityössä kuvatun järjestelmän avulla liuottajasäiliön hönkä hävitetään soodakattilan tulipesässä. Liuottajasäiliöstä tulevasta höngästä poistetaan kosteutta sekä kiintoaineita jäähdyttämällä sitä täytekappalepesurissa. Tähän diplomityöhön liittyen suunniteltiin koeohjelma. Kokeiden tarkoituksena on tarkastella sekä hönkäpesurin että koko järjestelmän toimintaa erilaisilla kaasun ja nesteen virtauksilla. Lisäksi koeohjelmaan otettiin mukaan höngän esipesurin, sulan hajotushöyryn ja kiertonesteen lämmönsiirtimen toiminnan vaikutus koko järjestelmään. Diplomityössä kuvattujen kokeiden tuloksia ei julkaista tässä työssä. Lopuksi työssä on tarkasteltu höngän ja kiertonesteen laadun vaikutusta täytekappalepesurin sekä koko järjestelmän toimintaan.

Säiliöperheen tuotekehitysprojekti

Tässä kandidaatintyössä käsiteltiin polttoainesäiliöiden tuotekehitysprojektia. Työssä käytiin läpi erilaisia eristysvaihtoehtoja sekä niiden ominaisuuksia valmistuksessa. Lisäksi käsiteltiin luodinkestävyyttä, palosuojausta sekä mahdollisia muutoksia jakeluasemastandardiin.

Design and implementation of a multipurpose reactor for scale-up studies

In the theoretical part, the different polymerisation catalysts are introduced and the phenomena related to mixing in the stirred tank reactor are presented. Also the advantages and challenges related to scale-up are discussed. The aim of the applied part was to design and implement an intermediate-sized reactor useful for scale-up studies. The reactor setting was tested making one batch of Ziegler–Natta polypropylene catalyst. The catalyst preparation with a designed equipment setting succeeded and the catalyst was analysed. The analyses of the catalyst were done, because the properties of the catalyst were compared to the normal properties of Ziegler–Natta polypropylene catalyst. The total titanium content of the catalyst was slightly higher than in normal Ziegler–Natta polypropylene catalyst, but the magnesium and aluminium content of the catalyst were in the normal level. By adjusting the siphonation tube and adding one washing step the titanium content of the catalyst could be decreased. The particle size of the catalyst was small, but the activity was in a normal range. The size of the catalyst particles could be increased by decreasing the stirring speed. During the test run, it was noticed that some improvements for the designed equipment setting could be done. For example more valves for the chemical feed line need to be added to ensure inert conditions during the catalyst preparation. Also nitrogen for the reactor needs to separate from other nitrogen line. With this change the pressure in the reactor can be kept as desired during the catalyst preparation. The proposals for improvements are presented in the applied part. After these improvements are done, the equipment setting is ready for start-up. The computational fluid dynamics model for the designed reactor was provided by cooperation with Lappeenranta University of Technology. The experiments showed that for adequate mixing with one impeller, stirring speed of 600 rpm is needed. The computational fluid dynamics model with two impellers showed that there was no difference in the mixing efficiency if the upper impeller were pumping downwards or upwards.

Supersaturation-controlled crystallization

Identification of product requirements and quality, together with the management of production are key issues in chemical engineering. Quality control of crystalline products is part of the quality of many industrially manufactured products like paper, paintings, medicines and fertilizers. In most crystallization cases, quality is described with the size, polymorph, shape and purity of the crystal. The chemical composition, hydrodynamics and driving force, together with the operating temperature are in a key position when the properties of a crystalline product are controlled with the crystallization process. This study concentrates on managing the identified properties of a crystalline product with the control of a driving force. The controlling of the driving force can be based on the change of solubility or the change of concentration. Solubility can be changed with temperature, pressure and an antisolvent. The concentration of crystallizing compound, the solute can be changed with the evaporation of the solvent and with the addition of a reagent. The present study focuses on reagent addition and temperature change as methods of changing the level of the driving force. Three control structures for direct control of supersaturation are built, one for cooling crystallization and two for reactive crystallization. Closed loop feedback control structures are based on the measurement of the solute concentration with attenuated total reflection - Fourier transform infrared spectrometer. The details of the reagent feed are analyzed with experimental studies and with results of computational fluid dynamic simulations of the inert particle pulse in the premixer and inert particle injection to the mixing tank. Nucleation in conditions of controlled reactive crystallization is analyzed with Nielsen’s equation of homogeneous nucleation. The resulting control systems, based on regulation of supersaturation, can be used to produce the desired polymorph of an organic product. The polymorph composition of product crystals is controlled repeatably with the decision of a set value of supersaturation level.

Simulation of hydrogen peroxide direct synthesis in a microreactor

A set of models in Aspen plus was built to simulate the direct synthesis process of hydrogen peroxide in a micro-reactor system. This process model can be used to carry out material balance calculation under various experimental conditions. Three thermodynamic property methods were compared by calculating gas solubility and Uniquac-RK method was finally selected for process model. Two different operation modes with corresponding operation conditions were proposed as the starting point of future experiments. Simulations for these two modes were carried out to get the information of material streams. Moreover, some hydrodynamic parameters such as gas/liquid superficial velocity, gas holdup were also calculated with improved process model. These parameters proved the proposed experimental conditions reasonable to some extent. The influence of operation conditions including temperature, pressure and circulation ratio was analyzed for the first operation mode, where pure oxygen was fed into dissolving tank and hydrogen-carbon dioxide mixture was fed into microreactor directly. The preferred operation conditions for the system are low temperature (2°C) and high pressure (30 bar) in dissolving tank. High circulation ratio might be good in the sense that more oxygen could be dissolved and fed into reactor for reactions, but meanwhile hydrodynamics of microreactor should be considered. Furthermore, more operation conditions of reactor gas/liquid feeds in both of two operation modes were proposed to provide guidance for future experiment design and corresponding hydrodynamic parameters were also calculated. Finally, safety issue was considered from thermodynamic point of view and there is no explosion danger at given experimental plan since the released reaction heat will not cause solvent vaporization inside the microchannels. The improvement of process model still needs further study based on the future experimental results.

Porvoon jalostamon haihtuvien orgaanisten yhdisteiden päästömääritysmenetelmät

Työssä käytiin läpi Porvoon jalostamon haihtuvien orgaanisten yhdisteiden päästömääritysmenetelmiä ja arvioitiin nykyisin käytössä olevien sekä uusien menetelmien soveltuvuutta Porvoon jalostamon päästömääritykseen. Nykyisten menetelmien arviointia tehtiin käymällä läpi eri alueiden 2000-luvun päästömäärät sekä vertaamalla päästömääriä muiden jalostamojen vastaaviin päästömääriin. Haihtuvista orgaanisista yhdisteistä puhuttaessa jätetään yleisesti metaani määritelmän ulkopuolelle ja käytetään termiä NMVOC-yhdisteet. Työssä laskettiin arvio Porvoon jalostamon metaanin päästömäärälle ja arvioitiin sen vaikutusta NMVOC-kokonaispäästömäärään. Metaanin kokonaispäästömäärien havaittiin olevan noin kymmenen kertaa haihtuvien orgaanisten yhdisteiden päästömääriä pienempiä, ja näin ollen niiden lisäämisellä NMVOC-päästöihin ei ole juuri vaikutusta. Myös menetelmien investointi- ja käyttökustannuksia, sekä pidemmän aikavälin kustannuksia arvioitiin. Kustannuksiltaan tällä hetkellä Porvoon jalostamolla käytössä olevat menetelmät ovat kustannustehokkaita. Uusista menetelmistä DIAL, SOF ja OGI ovat kustannuksiltaan huomattavasti kalliimpia, myös pitkän aikavälin vertailulla. Nykyisten menetelmien vuosittaiset kustannukset aiheutuvat mittausten vaatimista henkilötyötunneista. Uusista menetelmistä SOF ja DIAL vaativat ulkopuolisten mittaajien käyttämistä. Massavirran määrityksen suhteen vielä kehitysvaiheessa olevalla OGI-kameralla mitatessa voidaan käyttää mittaajina omaa henkilökuntaa. Toisin kuin DIAL- ja SOF-menetelmien laitteistot, OGI-kamera ostetaan omaksi ja näin ollen sitä voidaan käyttää tarpeen vaatiessa vuoden ympäri esimerkiksi suurien vuotajien paikallistamiseen ja LDAR-kiristysohjelman tukena. Tarkastelun perusteella olisi suositeltavaa tarkastaa nykyisin käytettävistä laskentamenetelmistä erityisesti prosessi- ja säiliöalueen sekä jätevesijärjestelmä päästömäärät käyttäen tarkempia DIAL-, SOF- tai myöhemmin OGI-menetelmiä ja muokata laskentamenetelmiä vastamaan näillä määritettyjä päästömääriä.

Development of railway logistics’ information flows

Objective of this thesis was to develop the exchange of information and reduce the manual work done in the supply chain. In addition, the possibility to introduce electronic information exchange was studied between suppliers and Borealis. The aim was to create an accurate picture of Borealis’ current information flows and create from the basis of it short- and long-term improvement and development proposals. In this study the company's received and send information flows were mapped by interviewing persons who were responsible for the railroad imports and by examining documents that are used in the exchange of information. The data content of the information flows were prioritized and only the most important information contents were used for further development. Literature data was acquired concerning knowledge of electronic data interchange and information management to support the decisions and proposals. Long-term development proposals were compared with each other and the best one of them was recommended for further study. The final target of the proposal is to be able to receive electronic data and create an own database where to the information is stored and where from it is possible to follow up the rail tank cars and where from the needed reports can be retrieved.

Stochastic variability of output levels in a pulp mill

Quite often, in the construction of a pulp mill involves establishing the size of tanks which will accommodate the material from the various processes in which case estimating the right tank size a priori would be vital. Hence, simulation of the whole production process would be worthwhile. Therefore, there is need to develop mathematical models that would mimic the behavior of the output from the various production units of the pulp mill to work as simulators. Markov chain models, Autoregressive moving average (ARMA) model, Mean reversion models with ensemble interaction together with Markov regime switching models are proposed for that purpose.

Automatic system identification and optimization of centrifugal pump operation

Centrifugal pumps are a notable end-consumer of electrical energy. Typical application of a centrifugal pump is the filling or emptying of a reservoir tank, where the pump is often operated at a constant speed until the process is completed. Installing a frequency converter to control the motor substitutes the traditional fixed-speed pumping system, allows the optimization of rotational speed profile for the pumping tasks and enables the estimation of rotational speed and shaft torque of an induction motor without any additional measurements from the motor shaft. Utilization of variable-speed operation provides the possibility to decrease the overall energy consumption of the pumping task. The static head of the pumping process may change during the pumping task. In such systems, the minimum rotational speed changes during reservoir filling or emptying, and the minimum energy consumption can’t be achieved with a fixed rotational speed. This thesis presents embedded algorithms to automatically identify, optimize and monitor pumping processes between supply and destination reservoirs, and evaluates the changing static head –based optimization method.