Modeling and Control of the Power Conversion Unit in a Solid Oxide Fuel Cell Environment

In this doctoral thesis, a power conversion unit for a 10 kWsolid oxide fuel cell is modeled, and a suitable control system is designed. The need for research was identified based on an observation that there was no information available about the characteristics of the solid oxide fuel cell from the perspective of power electronics and the control system, and suitable control methods had not previously been studied in the literature. In addition, because of the digital implementation of the control system, the inherent characteristics of the digital system had to be taken into account in the characteristics of the solid oxide fuel cell (SOFC). The characteristics of the solid oxide fuel cell as well the methods for the modeling and control of the DC/DC converter and the grid converter are studied by a literature survey. Based on the survey, the characteristics of the SOFC as an electrical power source are identified, and a solution to the interfacing of the SOFC in distributed generation is proposed. A mathematical model of the power conversion unit is provided, and the control design for the DC/DC converter and the grid converter is made based on the proposed interfacing solution. The limit cycling phenomenon is identified as a source of low-frequency current ripple, which is found to be insignificant when connected to a grid-tied converter. A method to mitigate a second harmonic originating from the grid interface is proposed, and practical considerations of the operation with the solid oxide fuel cell plant are presented. At the theoretical level, the thesis discusses and summarizes the methods to successfully derive a model for a DC/DC converter, a grid converter, and a power conversion unit. The results of this doctoral thesis can also be used in other applications, and the models and methods can be adopted to similar applications such as photovoltaic systems. When comparing the results with the objectives of the doctoral thesis, we may conclude that the objectives set for the work are met. In this doctoral thesis, theoretical and practical guidelines are presented for the successful control design to connect a SOFC-based distributed generation plant to the utility grid.

Pipework data in design system integration

This thesis work describes the creation of a pipework data structure for design system integration. Work is completed in pulp and paper plant delivery company with global engineering network operations in mind. User case of process design to 3D pipework design is introduced with influence of subcontracting engineering offices. Company data element list is gathered by using key person interviews and results are processed into a pipework data element list. Inter-company co-operation is completed in standardization association and common standard for pipework data elements is found. As result inter-company created pipework data element list is introduced. Further list usage, development and relations to design software vendors are evaluated.

Ecosystem architecture design: endogenous and exogenous structural properties

The aim of this dissertation is to bridge and synthesize the different streams of literature addressing ecosystem architecture through a multiple‐lens perspective. In addition, the structural properties of and processes to design and manage the architecture will be examined. With this approach, the oft‐neglected actor‐structure duality is addressed and both the position and structure, and action and process are under scrutiny. Further, the developed framework and empirical evidence offer valuable insights on how firms collectively create value and individually appropriate value. The dissertation is divided into two parts. The first part comprises a literature review, as well as the conclusions of the whole study, and the second part includes six research publications. The dissertation is based on three different reasoning logics: abduction, induction and deduction; related qualitative and quantitative methodologies are utilized in the empirical examination of the phenomenon in the information and communication technology industry. The results suggest firstly that there are endogenous and exogenous structural properties of the ecosystem architecture. Out of these, the former ones can be more easily influenced by a particular actor whereas the latter ones are taken more or less for granted. Secondly, the exogenous ecosystem design properties influence the value creation potential of the ecosystem whereas the endogenous ecosystem design properties influence the value appropriation potential of a particular actor in the ecosystem. Thirdly, the study suggests that there is a relationship between endogenous and exogenous structural properties in that the endogenous properties can be leveraged to create and reconfigure the exogenous properties whereas the exogenous properties prose opportunities and restrictions on the use of endogenous properties. In addition, the study suggests that there are different emergent and engineered processes to design and manage ecosystem architecture and to influence both the endogenous and exogenous structural properties of ecosystem architecture. This study makes three main contributions. First, on the conceptual level, it brings coherence and direction to the fast growing body of literature on novel inter‐organizational arrangements, such as ecosystems. It does this by bridging and synthetizing three different streams of literature, namely the boundary, design and orchestration conception. Secondly, it sets out a framework that enhances our understanding of the structural properties of ecosystem architecture; of the processes to design and manage ecosystem architecture; and of their influence on the value creation potential of the ecosystem and the value capture potential of a particular firm. Thirdly, it offers empirical evidence of the structural properties and processes.

PDM system functions and utilizations analysis to improve efficiency of sheet metal product design and manufacturing

This study will concentrate on Product Data Management (PDM) systems, and sheet metal design features and classification. In this thesis, PDM is seen as an individual system which handles all product-related data and information. The meaning of relevant data is to take the manufacturing process further with fewer errors. The features of sheet metals are giving more information and value to the designed models. The possibility of implementing PDM and sheet metal features recognition are the core of this study. Their integration should make the design process faster and manufacturing-friendly products easier to design. The triangulation method is the basis for this research. The sections of this triangle are: scientific literature review, interview using the Delphi method and the author’s experience and observations. The main key findings of this study are: (1) the area of focus in triangle (the triangle of three different point of views: business, information exchange and technical) depends on the person’s background and their role in the company, (2) the classification in the PDM system (and also in the CAD system) should be done using the materials, tools and machines that are in use in the company and (3) the design process has to be more effective because of the increase of industrial production, sheet metal blank production and the designer’s time spent on actual design and (4) because Design For Manufacture (DFM) integration can be done with CAD-programs, DFM integration with the PDM system should also be possible.

Design, implementation, and evaluation of an online water quality monitoring system in Lake Saimaa, Finland

Environmental threats are growing nowadays, they became global issues. People around the world try to face these issues by two means: solving the current affected environs and preventing non-affected environs. This thesis describes the design, implementation, and evaluation of online water quality monitoring system in Lake Saimaa, Finland. The water quality in Lake Saimaa needs to be monitored in order to provide responsible bodies with valuable information which allows them to act fast in order to prevent any negative impact on the lake's environment. The objectives were to design a suitable system, implement the system in Lake Saimaa, and then to evaluate the applicability and reliability of such systems for this environment. The needs for the system were first isolated, and then the design, needed modifications, and the construction of the system took place. After that was the testing of the system in Lake Saimaa in two locations nearby Mikkeli city. The last step was to evaluate the whole system. The main results were that the application of online water quality monitoring systems in Lake Saimaa can benefit of many advantages such as reducing the required manpower, time and running costs. However, the point of unreliability of the exact measured values of some parameters is still the drawback of such systems which can be developed by using more advanced equipments with more sophisticated features specifically for the purpose of monitoring in the predefined location.

The role of nuclear and other conventional power plants in the flexible energy system

This thesis reviews the role of nuclear and conventional power plants in the future energy system. The review is done by utilizing freely accesible publications in addition to generating load duration and ramping curves for Nordic energy system. As the aim of the future energy system is to reduce GHG-emissions and avoid further global warming, the need for flexible power generation increases with the increased share of intermittent renewables. The goal of this thesis is to offer extensive understanding of possibilities and restrictions that nuclear power and conventional power plants have regarding flexible and sustainable generation. As a conclusion, nuclear power is the only technology that is able to provide large scale GHG-free power output variations with good ramping values. Most of the currently operating plants are able to take part in load following as the requirement to do so is already required to be included in the plant design. Load duration and ramping curves produced prove that nuclear power is able to cover most of the annual generation variation and ramping needs in the Nordic energy system. From the conventional power generation methods, only biomass combustion can be considered GHG-free because biomass is considered carbon neutral. CFB combusted biomass has good load follow capabilities in good ramping and turndown ratios. All the other conventional power generation technologies generate GHG-emissions and therefore the use of these technologies should be reduced.

Putkistosuunnittelun tunnusluvut

Tässä insinöörityössä tutkittiin Neste Jacobsin toimeksiantamia laitossuunnitteluprojekteja ja tarkemmin niiden yleis- ja putkistosuunnittelua ja siinä yleisimmin käytettäviä tunnuslu-kuja. Tunnuslukujen selvittämistä varten valittiin neljä projektia, jotka olivat tyypillisiä teollisia investointiprojekteja, ja joista saadut tekniset tiedot olivat tuoreita. Valittujen projektien suunnittelutyö oli joko valmis tai valmistumassa tietojenkeruuhetkellä. Työssä tutkittiin projektien tunnuslukujen eroja ja niiden syitä. Projektien tekniset tiedot kerättiin niiden suunnittelutyössä mukana olleilta yrityksiltä. Alkutietojen hyväksymisen jälkeen niiden pohjalta laskettiin projektikohtaiset tunnusluvut Tunnuslukutietojen keräämisen tuli olla huolellista ja pitkäjänteistä, koska niistä saatuja tietoja käytetään tulevien projektien laajuuksien ja kustannuksien arviointiin. Työn tärkeimpiä tuloksia olivat yleisimmin käytettyjen tunnuslukujen saanti jokaisesta pro-jektista ja tietojen kokoaminen helposti luettavaan taulukkoon. Saatuja tuloksia voidaan pitää luotettavina ja niitä voidaan käyttää jatkossa arvioitaessa projektien laajuuksia.

Putkilämmönsiirtimien mitoitustyökalujen kehittäminen

Diplomityön tarkoituksena on kehittää tietokoneohjelma putkilämmönsiirtimen vaippapuolen painehäviön laskemiseksi. Ohjelmalla voidaan varmistaa lämmönsiirtimen mitoitusvaiheessa, että vaippapuolen painehäviö ei ylitä sallittuja rajoja. Ohjelmatäydentää olemassa olevia mitoitusohjelmia. Tässä diplomityössä käsitellään ainoastaan höyryvoimalaitosprosesseissa käytettäviä putkilämmönsiirtimiä. Työn kirjallisessa osassa on selvitetty periaate höyryvoimalaitosprosessista ja siinä käytettävistä putkilämmönsiirtimistä sekä esitetty putkilämmönsiirtimien rakenne, yleinen suunnittelu ja lämpö- ja virtaustekninen mitoitus. Painehäviön laskennassa käytetyt ja lämpö- ja virtausteknistä mitoitusta käsittelevässä kappaleessa esitetyt yhtälöt perustuvat Bell-Delawaren menetelmään. Painehäviönlaskentaohjelma on toteutettu hyväksikäyttäen Microsoft Excel taulukkolaskentaa ja Visual Basic -ohjelmointikieltä. Painehäviön laskenta perustuu segmenttivälilevyillä varustetun putkilämmönsiirtimen vaippapuolen yksifaasivirtaukseen. Lämmönsiirtimen lauhdutinosan painehäviö oletetaan merkityksettömäksi, joten kokonaispainehäviö muodostuu höyryn- ja lauhteenjäähdyttimessä. Kehitetty ohjelma on suunniteltu erityisesti lauhteenjäähdyttimessä muodostuvan painehäviön laskentaan. Ohjelmalla laskettuja painehäviön arvoja on verrattu todellisesta lämmönsiirtimestä mitattuihin arvoihin. Lasketut arvotvastaavat hyvin mittaamalla saatuja, eikä tuloksissa ilmene mitään systemaattista virhettä. Ohjelma on valmis käytettäväksi putkilämmönsiirtimien mitoitustyökaluna. Diplomityön pohjalta on tehty ehdotukset ohjelman edelleen kehittämiseksi.

Computational Analysis and Optimization of Real Gas Flow In Small Centrifugal Compressors

Small centrifugal compressors are more and more widely used in many industrialsystems because of their higher efficiency and better off-design performance comparing to piston and scroll compressors as while as higher work coefficient perstage than in axial compressors. Higher efficiency is always the aim of the designer of compressors. In the present work, the influence of four partsof a small centrifugal compressor that compresses heavy molecular weight real gas has been investigated in order to achieve higher efficiency. Two parts concern the impeller: tip clearance and the circumferential position of the splitter blade. The other two parts concern the diffuser: the pinch shape and vane shape. Computational fluid dynamics is applied in this study. The Reynolds averaged Navier-Stokes flow solver Finflo is used. The quasi-steady approach is utilized. Chien's k-e turbulence model is used to model the turbulence. A new practical real gas model is presented in this study. The real gas model is easily generated, accuracy controllable and fairly fast. The numerical results and measurements show good agreement. The influence of tip clearance on the performance of a small compressor is obvious. The pressure ratio and efficiency are decreased as the size of tip clearance is increased, while the total enthalpy rise keeps almost constant. The decrement of the pressure ratio and efficiency is larger at higher mass flow rates and smaller at lower mass flow rates. The flow angles at the inlet and outlet of the impeller are increased as the size of tip clearance is increased. The results of the detailed flow field show that leakingflow is the main reason for the performance drop. The secondary flow region becomes larger as the size of tip clearance is increased and the area of the main flow is compressed. The flow uniformity is then decreased. A detailed study shows that the leaking flow rate is higher near the exit of the impeller than that near the inlet of the impeller. Based on this phenomenon, a new partiallyshrouded impeller is used. The impeller is shrouded near the exit of the impeller. The results show that the flow field near the exit of the impeller is greatly changed by the partially shrouded impeller, and better performance is achievedthan with the unshrouded impeller. The loading distribution on the impeller blade and the flow fields in the impeller is changed by moving the splitter of the impeller in circumferential direction. Moving the splitter slightly to the suction side of the long blade can improve the performance of the compressor. The total enthalpy rise is reduced if only the leading edge of the splitter ismoved to the suction side of the long blade. The performance of the compressor is decreased if the blade is bended from the radius direction at the leading edge of the splitter. The total pressure rise and the enthalpy rise of thecompressor are increased if pinch is used at the diffuser inlet. Among the fivedifferent pinch shape configurations, at design and lower mass flow rates the efficiency of a straight line pinch is the highest, while at higher mass flow rate, the efficiency of a concave pinch is the highest. The sharp corner of the pinch is the main reason for the decrease of efficiency and should be avoided. The variation of the flow angles entering the diffuser in spanwise direction is decreased if pinch is applied. A three-dimensional low solidity twisted vaned diffuser is designed to match the flow angles entering the diffuser. The numerical results show that the pressure recovery in the twisted diffuser is higher than in a conventional low solidity vaned diffuser, which also leads to higher efficiency of the twisted diffuser. Investigation of the detailed flow fields shows that the separation at lower mass flow rate in the twisted diffuser is later than in the conventional low solidity vaned diffuser, which leads to a possible wider flow range of the twisted diffuser.

Robots and robotic systems for the electronics and telecommunication industry

Tämä diplomityö tutkii elektroniikka- ja telekommunikaatioteollisuutta sekä siihen läheisesti liittyviä robotteja ja robottijärjestelmiä. Tavoitteena on määrittää E&T-teollisuuden prosesseihin soveltuvien robottien testausmenetelmä. Tavoitteena on myös selvittää kahden ABB:n robotin soveltuvuutta E&T-teollisuuden tarpeisiin. Muutamia systemaattisia valmistusjärjestelmien suunnitteluun soveltuvia menetelmiä ja apuvälineitä on myös käsitelty. Alussa työ keskittyy elektroniikka- ja telekommunikaatioteollisuuden nykytilan tutkimiseen sekä siellä vallitsevien ja ennustettujen trendien kartoitukseen. Kohdat “Collaborative manufacturing” ja E&T-teollisuuden valmistusjärjestelmille asettamat vaatimukset käydään yksityiskohtaisesti läpi. Tutkimuksen pääkohteina ovat robotit, erityisesti ABB:n IRB 140 ja IRB 340 sekä robottien testausmenetelmän määrittäminen. Työssä käydään läpi IRB 340:llä suoritetut testit, jotka tehtiin sekä konenäköjärjestelmää apuna käyttäen että ilman. Myös TTKK:lla suoritetut robottitestit on käyty läpi. Robottien testituloksia on analysoitu ja vertailtu muihin robotteihin. Testausmenetelmät perustuvat ISO 9283 standardiin. Viimeinen osa työstä esittelee robottijärjestelmien systemaattiseen suunnitteluun soveltuvia menetelmiä ja apuvälineitä. Esillä ovat mm. Modular function deployment (MFD) ja The system design method (SDM).

Design of User Authentication System for Multi-operator wireless LANs

Langattomat lähiverkot ovat viime vuosikymmeninä saavuttaneet suuren suosion. Tässä työssä käsitellään käyttäjien todentamisjärjestelmän suunnittelua ja kehitystä langattomaan monioperaattoriverkkoon. Langattomassa monioperaattoriverkossa käyttäjillä on mahdollisuus käyttää eri operaattoreiden palveluita. Aluksi käsitellään olemassa olevia todentamismenetelmiä ja -järjestelmiä. minkä jälkeen kuvaillaan todentamisjärjestelmä langattomille monioperaattoriverkoille. Todentamisjärjestelmän ratkaisuvaihtoehtoja esitellään kaksi, niin sanotut moni- istunto - ja yksittäisistuntomalli. Moni-istuntomalli on normaali lähestymistapa käyttäjien todentamiseen tietokonejärjestelmissä. Siinä käyttäjän pitää tunnistautua ja todentaa itsensä jokaiselle verkon palvelulle erikseen. Yksittäisistuntomallissa pyritään parempaan luotettavuuteen ja käytettävyyteen. Siinä käyttäjä todentaa itsensä vain kerran ja voi sen jälkeen päästä useisiin palveluihin. Työn loppuosassa kuvaillaan suunnitellun järjestelmän toteutusta. Lisäksi ehdotetaan vaihtoehtoisia toteutustapoja, analysoidaan järjestelmän heikkouksia ja kerrotaan jatkokehitysmahdoillisuuksista.

VVER-640 -reaktorityypin passiiviset turvallisuusominaisuudet

Turvallisuussuunnittelu muodostaa merkittävän osan ydinvoimalaitoksen suunnit-telutyöstä. Uusissa laitoskonsepteissa turvallisuutta on pyritty parantamaan lisää-mällä perinteisten aktiivisten hätäjärjestelmien rinnalle passiivisia eli toiminnal-taan puhtaasti luonnonlakeihin perustuvia hätäjärjestelmiä. Sähköteholtaan 640 MW oleva VVER-640 -laitostyyppi edustaa tässä suhteessa viimeisintä kehi-tysaskelta venäläisten VVER kevytvesireaktorien sarjassa. Suunnittelun lähtökoh-tana on ollut turvallisuuden parantaminen verrattuna aikaisempiin VVER-malleihin. Tähän on pyritty hätäjärjestelmien passiivisella toteutuksella. Passiivis-ten järjestelmien mitoitusperusteena on ollut laitoksen selviäminen itsenäisesti 24 tunnin ajan mahdollisissa onnettomuustilanteissa ilman suojarakennuksen tiiviy-den menetystä. Relap5-ohjelmalla tehtyjen simulointien perusteella laitoksen pas-siiviset järjestelmät näyttäisivät pystyvän huolehtimaan laitoksen turvallisuudesta sekä jäähdytteen- että sähkönmenetysonnettomuuksissa ilman aktiivisten järjes-telmien apua vaaditut 24 tuntia.

Dokumenttien hallinta voimalaitosliiketoiminnassa

Diplomityön tavoitteena oli löytää voimalaitosprojektin dokumenttien hallinnan epäjatkuvuuskohdat, mikä ne aiheuttaa ja millä toimenpiteillä dokumenttien hallintaa voidaan parantaa. Tietojärjestelmien, tiedon ja dokumenttien hallinnan merkitys kasvaa yhä enenevässä määrin globaalissa verkostoliiketoiminnassa. Tieto on varastoituna voimalaitoksen suunnittelu-, rakentamis- sekä käyttö- ja ylläpitodokumenteissa. Dokumentit pitää pystyä jäljittämään tietojärjestelmistä ajasta ja paikasta riippumatta laitoksen koko elinkaaren ajan. Laitosdokumentaatiota hyödynnetään laitoksen käyttö- ja ylläpitotoimintojen, tuotekehityksen sekä uusien projektien lähtötietona. Haastatteluilla selvitettiin dokumentoinnin tilaa eräässä laajassa hajautetussa voimalaitosprojektissa. Haastattelujen tuloksia ja yrityksen sisäistä dokumentoinnin ohjeistusta vertaamalla havaittiin, että tiedon siirtoa myynniltä projektille tulee kehittää, samoin kuin dokumenttien tarkastus- ja hyväksymiskäytäntöjä. Dokumenttien käytettävyys edellyttää tietojärjestelmien integrointia ja metatietojen määrittelyä. Työn tuloksena on syntynyt karkean tason tietovirtakaavio sekä dokumentoinnin prosessikuvaukset parantamaan yrityksen ja sen alihankkijoiden välistä kommunikaatiota.

Tuotantoprosessin optimointi valmistusta ja kokoonpanoa harjoittavassa yrityksessä

Diplomityö on tehty Instrumentarium Oyj:hin kuuluvan Datex-Ohmedan Helsingin tehtaalla. Työn tavoitteena on ollut Helsingin tehtaan tuotantoprosessin ja sen mitoitussääntöjen kehittäminen. Työ on ollut osa sekä yrityksen toimituskyvyn kehittämisprojektia

Design Patterns in EPOC Software Development

Työssä tutkittiin oliosuunnittelumalleja EPOC-käyttöjärjestelmässä. Työssä tutkittiin sekä yleisiä suunnittelumalleja että EPOC-ympäristössä esiintyviä oliorakenteita, niiden aiheuttamia vaatimuksia sovelluksille sekä niiden käyttämisestä saatavia hyötyjä. Työssä toteutettiin EPOC-ohjelmiston suunnittelu hyödyntäen suunnittelumalleja ja periaatteita. Oliosuunnittelumallit ovat yleistyneet huomattavasti viime vuosina. Suunnittelumallien lähtökohtana ovat sekä yleiset että ympäristökohtaiset suunnitteluperiaatteet ja säännöt. Suunnittelumallit ovat osa isompaa rakennekokonaisuutta, joka käsittää sekä prosessi-, analyysi-, arkkitehtuuri- ym. malleja. Oliosuunnittelumallit nopeuttavat ja helpottavat suunnittelua sekä parantavat uudelleenkäytettävyyttä korkeammalla abstraktiotasolla. EPOC on tulevaisuuden mobiililaitteiden yleisimpiä käyttöjärjestelmiä. EPOC on kokonaisuudessaan oliopohjainen ja sisältää lukuisia oliorakenteita, joiden ymmärtäminen on sovelluskehityksen kannalta elintärkeää. Koska ympäristöt, joissa EPOC-käyttöjärjestelmää käytetään, ovat yleensä resurssien puolesta rajoittuneita, on yleisten suunnittelumallien käytössä oltava tarkkana. EPOC vaatii yleisiin suunnittelumalleihin muutoksia ja estää joidenkin käytön kokonaan.