Happidispersion karakterisointi laboratoriosekoittimessa

Työn tarkoituksena oli tarkastella uutta kuvantamistekniikkaa käyttäen happikaasun dispergointia keskisakeuksisen massasuspension joukkoon laboratoriosekoittimessa. Työssä pyrittiin tarkastelemaan muodostuvan dispersion homogeenisuutta neljästä eri kuvauspisteestä sekoittimen kannesta ja kyljestä. Samalla tarkasteltiin myös sekoittimen tehonkulutusta sekä tehonkulutuksen ja aikaansaadun dispersion välistä yhteyttä. Työn yhtenä tarkoituksena oli myös tarkastella uuden kuvantamistekniikan mahdollisuuksia tämäntyyppisissä sovellutuksissa, sillä työ kuuluu PulpVision-projektiin, jossa kehitetään massa- ja paperiteollisuuden uusia konenäkösovellutuksia. Työn kokeellinen osuus koostui sekoituskokeista, joissa tarkasteltiin neljästä kuvauspisteestä kahdella sekoittimen nopeudella mänty- ja koivususpensioihin muodostuvaa kuplakokojakaumaa. Sekoituskokeiden lisäksi tehtiin tehonkulutuskokeita, joissa tarkasteltiin sekoittimen tehonkulutusta sekoittimen täyttöasteen funktiona koivu- ja mäntysuspensioilla sekä vedellä. Työn tuloksien perusteella todettiin, että koivususpensiosta havaittujen kuplien pinta-ala oli noin puolet mäntysuspensiosta havaittujen kuplien pinta-alasta. Sekoittimen roottorin pyörimisnopeuden puolittuessa suspensioon dispergoidun hapen kuplakoko kasvoi huomattavasti. Neljästä kuvausyhteestä tarkasteltuna havaittiin pienimpien kuplien esiintyvän sekoittimen alaosassa. Mäntysuspension tehonkulutuksen havaittiin kasvavan viidenneksellä, kun sekoittimen täyttöaste kasvoi 10 %, kun taas koivususpension tehonkulutuksen kasvu oli tästä vain puolet. Kuvantamislaitteiston todettiin olevan tämänkaltaiseen sovellutukseen riittävä, varsinkin kun valonlähteenä käytetään pulssilaseria.

Monitoring of centrifugal pump operation by a frequency converter

Centrifugal pumps are widely used in industrial and municipal applications, and they are an important end-use application of electric energy. However, in many cases centrifugal pumps operate with a significantly lower energy efficiency than they actually could, which typically has an increasing effect on the pump energy consumption and the resulting energy costs. Typical reasons for this are the incorrect dimensioning of the pumping system components and inefficiency of the applied pump control method. Besides the increase in energy costs, an inefficient operation may increase the risk of a pump failure and thereby the maintenance costs. In the worst case, a pump failure may lead to a process shutdown accruing additional costs. Nowadays, centrifugal pumps are often controlled by adjusting their rotational speed, which affects the resulting flow rate and output pressure of the pumped fluid. Typically, the speed control is realised with a frequency converter that allows the control of the rotational speed of an induction motor. Since a frequency converter can estimate the motor rotational speed and shaft torque without external measurement sensors on the motor shaft, it also allows the development and use of sensorless methods for the estimation of the pump operation. Still today, the monitoring of pump operation is based on additional measurements and visual check-ups, which may not be applicable to determine the energy efficiency of the pump operation. This doctoral thesis concentrates on the methods that allow the use of a frequency converter as a monitoring and analysis device for a centrifugal pump. Firstly, the determination of energy-efficiency- and reliability-based limits for the recommendable operating region of a variable-speed-driven centrifugal pump is discussed with a case study for the laboratory pumping system. Then, three model-based estimation methods for the pump operating location are studied, and their accuracy is determined by laboratory tests. In addition, a novel method to detect the occurrence of cavitation or flow recirculation in a centrifugal pump by a frequency converter is introduced. Its sensitivity compared with known cavitation detection methods is evaluated, and its applicability is verified by laboratory measurements for three different pumps and by using two different frequency converters. The main focus of this thesis is on the radial flow end-suction centrifugal pumps, but the studied methods can also be feasible with mixed and axial flow centrifugal pumps, if allowed by their characteristics.

Taajuusmuuttajan hyödyntämismahdollisuudet kompressorijärjestelmien elinkaarikustannusten optimoimisessa

Paineilmaa on kutsuttu neljänneksi perushyödykkeeksi veden, sähkön ja kaasun lisäksi. Paineilman kuluttaja on usein myös sen tuottaja. EU:n alueen teollisuudessa keskimää-rin 16 % kulutetusta kokonaissähkötehosta kuluu ilmakompressoreiden käyttöön. Taa-juusmuuttajan käyttö on viime vuosikymmeninä lisääntynyt merkittävästi, kun on pyrit-ty energiatehokkaisiin ratkaisuihin esimerkiksi pumppaus- ja puhallinjärjestelmissä. Kompressorijärjestelmissä taajuusmuuttajien käyttö ei ole vielä yhtä yleistä kuin esi-merkiksi pumppukäytöissä, vaikka taajuusmuuttajan käytöllä saavutetaan useimmissa tapauksissa huomattavia etuja. Tässä työssä tutkitaan taajuusmuuttajan hyödyntämismahdollisuuksia kompressorijär-jestelmien käytönaikaisten elinkaarikustannusten optimoimisessa. Työssä selvitetään säästöpotentiaalia, ja pohditaan pyörimisnopeussäädöllä saavutettavia etuja eri komp-ressorityypeillä. Lopuksi muodostetaan elinkaarikustannusanalyysit kahdelle todelliselle teollisuuden kompressorikohteelle. Tutkimusmenetelminä ovat kirjallisuustyö sekä asi-antuntijahaastattelut teollisuudesta. Työn tavoitteena on kartoittaa taajuusmuuttajan hyödyntämispotentiaalia kompressorijärjestelmissä ja luoda pohjaa mahdolliselle jatko-tutkimukselle.

Mikkelin Pursialan pohjavesialueen haitta-aineet

Mikkelin talousvedestä kahden kolmasosan tullessa Pursialan pohjavesialueelta on alueen suojeleminen tärkeää. Pohjaveden laatua uhkaavat etenkin alueella sattuneet pohjavedenpilaantumistapaukset. Merkittävimmät pohjaveden pilaantumistapaukset ovat VAPO Oy:n sahan aiheuttama pohjaveden pilaantuminen kloorifenoleilla (CP) ja VR:n ratapölkkykyllästämön aiheuttama pohjaveden pilaantuminen kreosoottiöljyllä sekä Rinnekadun Nesteen aiheuttama pohjaveden pilaantuminen MTBE:llä. Alueella on tehty tutkimuksia ja kunnostuksia pilaantumiin liittyen, mutta näiden tuloksia ei ole aikaisemmin koottu yhteen. Tämän työn tavoitteena oli koota tulokset samaan aineistoon. Työssä keskityttiin kloorifenolien leviämisen tarkasteluun sen Pursialan pohjavedenottamolle muodostaman suurimman uhan vuoksi. Kallioperätietojen, maanpintatietojen ja näytetietojen pohjalta laadittiin myös pienoismalli CP-pilaantuman leviämisen kokonaiskuvan hahmottamiseksi. Työn tavoitteena oli lisäksi tehdä riskitarkastelua CP-pilaantumaan liittyen ja etsiä keinoja hallita havaittuja riskejä. Riskinhallintaan liittyen työssä tutkittiin kloorifenoleilla pilaantuneen alueen maaperä- ja kalliotietoja sekä pohjaveden laatutietoja. Pursialan pohjavedessä on runsaasti rautaa ja mangaania sekä aggressiivista hiilihappoa. Pohjaveden pH on alueella noin 6,5, lämpötila noin 7,5 ºC ja happipitoisuus noin 0,7 mg/l. Pursialan kaupunginalueen kallioperässä on havaittavissa VAPO Oy:n sahalta vedenottamolle etenevä kalliopainanne, jota pitkin CP etenee. Alueen kallioperä on kiillegneissiä, jossa on pohjois–etelä-suuntaista rakoilua. Maaperätuloksien perusteella on havaittavissa vettä hyvin johtavien maakerrosten jatkuminen koko vedenottamon ja sahan välisen matkan, mikä tarkoittaa, että CP-pitoisella pohjavedellä voi olla aiemmin oletettua nopeampikin yhteys sahalta vedenottamolle. Suurin CP-pitoisuus noin 100 000 µg/l on mitattu KY-5-altaan kohdalle asennetun M14-pohjavesiputken pohjasta. Talousvesiasetuksen raja-arvo CP:lle on 10 µg/l. Sahan ja vedenottamon puolivälissä on havaittu yli 10 000 µg/l meneviä CP-pitoisuuksia. Suurin vedenottamon kaivoista (kaivo 10) mitattu pitoisuus on 149 µg/l. Jakotukilta raakavedestä otetuissa näytteissä tai talousvedessä ei ole kuitenkaan havaittu talousvesiasetuksen ylittäviä CP-pitoisuuksia. Pienoismallin perusteella CP sijaitsee sahan alueella lähellä kallionpintaa ja hajaantuu koko pohjavesipatjaan vedenottamolle päin mentäessä. CP-mittaustuloksissa on havaittavissa pulssimaisuutta. Tämä johtuu todennäköisesti Saimaan pinnan vaihtelun seurauksena muuttuvasta rantaimeytyneen pohjaveden määrästä. Saimaan pinnan nousu näyttäisi tuloksien perusteella nostavan CP-pitoisuuksia saha-alueella ja laskevan lähellä vedenottamoa. Pohjaveden pintatietojen perusteella tehdyn tarkastelun mukaan pohjavesi voi kulkeutua sahalta vedenottamolle parhaimmillaan noin vuodessa. Työssä arvioitiin KY-5–liuoksen vuosittaiseksi käyttömääräksi noin 648–970 m3. Allassakkaa arvioitiin syntyneen yhteensä noin 10–31 m3. Pohjaveteen arvioitiin joutuneen toiminnan aikana yhteensä noin 3 000–4 000 kg CP:tä. Kloorifenolit esiintyvät pohjavedessä lähes täysin kloorifenolaatteina. Kloorifenolien hajoaminen ja muuntuminen pohjavedessä on epätodennäköistä. Käsitteellisen mallin mukaan kloorifenolipilaantuman suurimmat riskit aiheutuvat kloorifenolien mahdollisuudesta pilata Pursialan vedenottamon talousvesi. Tällä hetkellä riskejä hallitaan kloorifenolien leviämisen tarkkailulla, sahan ja vedenottamon puolivälissä sijaitsevalla koepumppauksella sekä varautumalla aktiivihiilijauheen syöttöön talousvesiprosessiin. Koepumppauksen avulla on saatu ylös tällä hetkellä noin 69 kg kloorifenoleita. Tutkimuksen perusteella suositeltavimmat riskinhallintatoimet tulevaisuudessa ovat sahalla sijaitseva kunnostuspumppaus, sahan ja vedenottamon väliin sijoittuva suojapumppaus- ja vesiverhoyhdistelmä sekä sahan rannan kautta tapahtuvan rantaimeytymisen estäminen.

Kaukolämpöverkon paluuveden hyödyntäminen lämmityksessä

Tässä diplomityössä on määritetty paluuvesilämmityksen mahdollisuudet Savon Voima Oyj:n kaukolämpöpaikkakunnilla. Työssä tarkasteltiin paluuvesilämmityksen tuoman paremman kaukolämpöveden jäähtymän vaikutuksia kaukolämpöverkkoon ja energiantuotantoon sekä laskettiin esimerkkipaikkakunnilla kaukolämmön paluuveden lämpötilan alentumisen tuomat rahalliset hyödyt. Lisäksi tarkasteltiin paluuvesilämmityksen taloudellisuutta esimerkkipaikkakunnilla. Laskennassa saatiin paluuvesilämmityksen tuomaksi jäähtymähyödyksi pumppauskustannuksissa 0,7 – 0,8 €/MWh ja lämpöhäviöissä 1,5 – 2,9 €/MWh. Iisalmessa sähköntuotannon lisääntymisestä saadaan hyötyä 0,7 €/MWh. Suurin hyöty saadaan Pielaveden ja Suonenjoen biolämpökeskusten lämmöntalteenotolla varustetuista savukaasupesureista. Pielavedellä tämä hyöty on 6,4 €/MWh ja Suonenjoella 6,1 €/MWh. Paluuvesilämmityksen kannattavuus asuinkiinteistöissä vaatii lämmöntuotannon yhteydessä olevan savukaasupesurin tuoman rahallisen hyödyn. Esimerkiksi Iisalmessa asiakkaalle myönnettävissä oleva jäähtymähyvitys paluuvesilämmöstä ei riitä kattamaan paluuvesilämmityksen suurempia investointikuluja. Myös pesuripaikkakunnilla kannattavuus vaatii suuren vuosittaisen lämmönkäytön. Tavoiteltaessa 8 vuoden korollista takaisinmaksuaikaa vaatii kannattavuus kohteelta Pielavedellä 250 MWh:n ja Suonejoella 300 MWh:n vuosittaisen lämmönkäytön. Myös asiakkaan sijainnin sopivuus kaukolämpöverkossa paluuvesilämmitykseen täytyy tarkastella tapauskohtaisesti. Paluuvesilämmitys ei tule työn tulosten perusteella tulevaisuudessa yleisesti käyttöön, mutta yksittäisiä asiakkaita siihen voidaan liittää.

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.

Performance and scalability of isolated DC-DC converter topologies in low voltage, high current applications

Fuel cells are a promising alternative for clean and efficient energy production. A fuel cell is probably the most demanding of all distributed generation power sources. It resembles a solar cell in many ways, but sets strict limits to current ripple, common mode voltages and load variations. The typically low output voltage from the fuel cell stack needs to be boosted to a higher voltage level for grid interfacing. Due to the high electrical efficiency of the fuel cell, there is a need for high efficiency power converters, and in the case of low voltage, high current and galvanic isolation, the implementation of such converters is not a trivial task. This thesis presents galvanically isolated DC-DC converter topologies that have favorable characteristics for fuel cell usage and reviews the topologies from the viewpoint of electrical efficiency and cost efficiency. The focus is on evaluating the design issues when considering a single converter module having large current stresses. The dominating loss mechanism in low voltage, high current applications is conduction losses. In the case of MOSFETs, the conduction losses can be efficiently reduced by paralleling, but in the case of diodes, the effectiveness of paralleling depends strongly on the semiconductor material, diode parameters and output configuration. The transformer winding losses can be a major source of losses if the windings are not optimized according to the topology and the operating conditions. Transformer prototyping can be expensive and time consuming, and thus it is preferable to utilize various calculation methods during the design process in order to evaluate the performance of the transformer. This thesis reviews calculation methods for solid wire, litz wire and copper foil winding losses, and in order to evaluate the applicability of the methods, the calculations are compared against measurements and FEM simulations. By selecting a proper calculation method for each winding type, the winding losses can be predicted quite accurately before actually constructing the transformer. The transformer leakage inductance, the amount of which can also be calculated with reasonable accuracy, has a significant impact on the semiconductor switching losses. Therefore, the leakage inductance effects should also be taken into account when considering the overall efficiency of the converter. It is demonstrated in this thesis that although there are some distinctive differences in the loss distributions between the converter topologies, the differences in the overall efficiency can remain within a range of a few percentage points. However, the optimization effort required in order to achieve the high efficiencies is quite different in each topology. In the presence of practical constraints such as manufacturing complexity or cost, the question of topology selection can become crucial.

Surface transformation hardening of carbon steel with high power fiber laser

This study investigated the surface hardening of steels via experimental tests using a multi-kilowatt fiber laser as the laser source. The influence of laser power and laser power density on the hardening effect was investigated. The microhardness analysis of various laser hardened steels was done. A thermodynamic model was developed to evaluate the thermal process of the surface treatment of a wide thin steel plate with a Gaussian laser beam. The effect of laser linear oscillation hardening (LLOS) of steel was examined. An as-rolled ferritic-pearlitic steel and a tempered martensitic steel with 0.37 wt% C content were hardened under various laser power levels and laser power densities. The optimum power density that produced the maximum hardness was found to be dependent on the laser power. The effect of laser power density on the produced hardness was revealed. The surface hardness, hardened depth and required laser power density were compared between the samples. Fiber laser was briefly compared with high power diode laser in hardening medium-carbon steel. Microhardness (HV0.01) test was done on seven different laser hardened steels, including rolled steel, quenched and tempered steel, soft annealed alloyed steel and conventionally through-hardened steel consisting of different carbon and alloy contents. The surface hardness and hardened depth were compared among the samples. The effect of grain size on surface hardness of ferritic-pearlitic steel and pearlitic-cementite steel was evaluated. In-grain indentation was done to measure the hardness of pearlitic and cementite structures. The macrohardness of the base material was found to be related to the microhardness of the softer phase structure. The measured microhardness values were compared with the conventional macrohardness (HV5) results. A thermodynamic model was developed to calculate the temperature cycle, Ac1 and Ac3 boundaries, homogenization time and cooling rate. The equations were numerically solved with an error of less than 10-8. The temperature distributions for various thicknesses were compared under different laser traverse speed. The lag of the was verified by experiments done on six different steels. The calculated thermal cycle and hardened depth were compared with measured data. Correction coefficients were applied to the model for AISI 4340 steel. AISI 4340 steel was hardened by laser linear oscillation hardening (LLOS). Equations were derived to calculate the overlapped width of adjacent tracks and the number of overlapped scans in the center of the scanned track. The effect of oscillation frequency on the hardened depth was investigated by microscopic evaluation and hardness measurement. The homogeneity of hardness and hardened depth with different processing parameters were investigated. The hardness profiles were compared with the results obtained with conventional single-track hardening. LLOS was proved to be well suitable for surface hardening in a relatively large rectangular area with considerable depth of hardening. Compared with conventional single-track scanning, LLOS produced notably smaller hardened depths while at 40 and 100 Hz LLOS resulted in higher hardness within a depth of about 0.6 mm.

Accuracy Analysis of Frequency Converter Estimates in Diagnostic Applications

Transportation of fluids is one of the most common and energy intensive processes in the industrial and HVAC sectors. Pumping systems are frequently subject to engineering malpractice when dimensioned, which can lead to poor operational efficiency. Moreover, pump monitoring requires dedicated measuring equipment, which imply costly investments. Inefficient pump operation and improper maintenance can increase energy costs substantially and even lead to pump failure. A centrifugal pump is commonly driven by an induction motor. Driving the induction motor with a frequency converter can diminish energy consumption in pump drives and provide better control of a process. In addition, induction machine signals can also be estimated by modern frequency converters, dispensing with the use of sensors. If the estimates are accurate enough, a pump can be modelled and integrated into the frequency converter control scheme. This can open the possibility of joint motor and pump monitoring and diagnostics, thereby allowing the detection of reliability-reducing operating states that can lead to additional maintenance costs. The goal of this work is to study the accuracy of rotational speed, torque and shaft power estimates calculated by a frequency converter. Laboratory tests were performed in order to observe estimate behaviour in both steady-state and transient operation. An induction machine driven by a vector-controlled frequency converter, coupled with another induction machine acting as load was used in the tests. The estimated quantities were obtained through the frequency converter’s Trend Recorder software. A high-precision, HBM T12 torque-speed transducer was used to measure the actual values of the aforementioned variables. The effect of the flux optimization energy saving feature on the estimate quality was also studied. A processing function was developed in MATLAB for comparison of the obtained data. The obtained results confirm the suitability of this particular converter to provide accurate enough estimates for pumping applications.

Häiriöanalyysejä tehonkorotetun kiehutusvesivoimalaitoksen käytettävyyden varmistamiseksi

TVO suunnittelee reaktoritehon 10 %:n korotusta Olkiluoto 1 ja 2 -voimalaitoksille. Reaktoriteho nostetaan 2500 MW:sta 2750 MW:iin polttoaineen rikastusastetta nostamalla ja pääkiertovirtausta kasvattamalla. Samalla syöttövesivirtaus reaktoriin ja tuorehöyryvirtaus turpiineille kasvaa. Lauhteenpuhdistusjärjestelmän kapasiteettia ei voida kuitenkaan kasvattaa, joten massavirran lisäys toteutetaan ottamalla käyttöön korkeapainesivulauhteen eteenpäinpumppaus. Lauhteen esilämmityslinjojen, lauhteenpuhdistuksen ja syöttövesipumppujen massavirta säilyy siten nykyisellään. Muita merkittäviä tehonkorotukseen liittyviä laitosmuutoksia ovat pääkiertopumppujen uusinta ja korkeapaineturpiinin muutokset. Tehonkorotetun prosessin käytettävyyden varmistamiseksi tehdään häiriöanalyysejä Apros-prosessisimulointiohjelmistoa käyttäen. OL1 ja OL2 -laitoksista on olemassa validoitu 2500 MW:n laitosmalli, josta muokatulla 2750 MW:n laitosmallilla simuloinnit tehdään. Häiriöanalyysien avulla selvitetään säätöjärjestelmien kyky pitää prosessin tila hallinnassa ilman suojausautomaation laukeamista. Simuloituihin tapauksiin kuuluu pumppujen ja venttiilien vikaantumistapauksia sekä turpiini- ja reaktoripuolen pikasulku- ja osittaispikasulkutapauksia. Myös meriveden lämpötilan vaikutusta häiriötilanteisiin tarkastellaan. Analyysien perusteella voimalaitosten ohjaus- ja suojausautomaatio toimivat hyvin myös korotetulla teholla. Tehonkorotuksen jälkeiset suuremmat massavirrat aiheuttavat kuitenkin voimakkaampia reaktoripaineen ja -tehon vaihteluita varsinkin venttiilien sulkeutumistapauksissa. Simuloinnit osoittivat, että tehonkorotus 2500 MW:sta 2750 MW:iin on mahdollinen, mutta aiheuttaa pieniä muutoksia laitoksen suojausjärjestelmien laukaisurajoihin.

Variable speed drive in fan system monitoring

Fan systems are responsible for approximately 10% of the electricity consumption in industrial and municipal sectors, and it has been found that there is energy-saving potential in these systems. To this end, variable speed drives (VSDs) are used to enhance the efficiency of fan systems. Usually, fan system operation is optimized based on measurements of the system, but there are seldom readily installed meters in the system that can be used for the purpose. Thus, sensorless methods are needed for the optimization of fan system operation. In this thesis, methods for the fan operating point estimation with a variable speed drive are studied and discussed. These methods can be used for the energy efficient control of the fan system without additional measurements. The operation of these methods is validated by laboratory measurements and data from an industrial fan system. In addition to their energy consumption, condition monitoring of fan systems is a key issue as fans are an integral part of various production processes. Fan system condition monitoring is usually carried out with vibration measurements, which again increase the system complexity. However, variable speed drives can already be used for pumping system condition monitoring. Therefore, it would add to the usability of a variablespeed- driven fan system if the variable speed drive could be used as a condition monitoring device. In this thesis, sensorless detection methods for three lifetime-reducing phenomena are suggested: these are detection of the fan contamination build-up, the correct rotational direction, and the fan surge. The methods use the variable speed drive monitoring and control options for the detection along with simple signal processing methods, such as power spectrum density estimates. The methods have been validated by laboratory measurements. The key finding of this doctoral thesis is that a variable speed drive can be used on its own as a monitoring and control device for the fan system energy efficiency, and it can also be used in the detection of certain lifetime-reducing phenomena.

Biovoimalaitoksen energiatehokkuuden parantaminen ja osakuorma-ajon optimointi

Energiatehokkuus on nykyaikana yksi tärkeimmistä energiataloudellisista tekijöistä voimalaitosten sähköntuotannossa. Varsinkin yhteistuotantolaitoksissa joissa sähkö on lämpöenergian lisänä saatava sivutuote, sähkön tuotannon optimointi voi merkitä laitostalouden ja yrityksen kannalta huomattavia lisätuloja tai -säästöjä. Kaukaan Voima Oy:n biovoimalaitos on vuonna 2009 kaupalliseen käyttöön valmistunut moderni yhteistuotantolaitos, joka sijaitsee Lappeenrannassa UPM Kaukas sellutehtaan tehdasalueella. Voimalaitos tuottaa kaukolämpöä ja sähköä Lappeenrannan kaupungille sekä prosessihöyryä ja sähköä UPM Kaukaan tehtaille. Tämän työn tavoitteena on tarkastella biovoimalaitoksen omakäyttösähkön kulutusta kuukausitasolla verrattuna laitoksella tuotettavan höyryn määrään sekä etsiä voimalaitokselta kohteita, joiden omakäyttösähkön kulutusta voidaan vähentää vaikuttamatta höyryntuotantoon ja näin parantaa laitoksen energiatehokkuutta ja hyötysuhdetta. Työ rajataan käsittelemään voimalaitoksen apulaitteiden ja -järjestelmien omakäyttösähkön kulutusta. Työssä tarkastellaan vuodenaikojen vaihtelun ja kaukolämmön sekä prosessihöyryn tarpeen muutoksen vaikutusta voimalaitoksen ajomalliin sekä höyryntuotannon ja omakäyttösähkön kulutuksen suhteisiin. Työssä esiin nousseiden kohteiden potentiaaliset sähköenergian säästöt ovat noin 2500 MWh vuodessa joka tarkoittaa keskimäärin 3,7 % vähennystä voimalaitoksen kuukausittaiseen omakäyttösähkön kulutukseen. Kohteet eivät käytännössä vaadi minkaanlaista investointirahaa, vaan uusia ajojärjestelyitä. Keskeisimmiksi säästökohteiksi valikoitui laitoksen pumppausjärjestelmien paineenalennukset.

Power semiconductor nonlinearities in active du/dt output filtering

This doctoral thesis introduces an improved control principle for active du/dt output filtering in variable-speed AC drives, together with performance comparisons with previous filtering methods. The effects of power semiconductor nonlinearities on the output filtering performance are investigated. The nonlinearities include the timing deviation and the voltage pulse waveform distortion in the variable-speed AC drive output bridge. Active du/dt output filtering (ADUDT) is a method to mitigate motor overvoltages in variable-speed AC drives with long motor cables. It is a quite recent addition to the du/dt reduction methods available. This thesis improves on the existing control method for the filter, and concentrates on the lowvoltage (below 1 kV AC) two-level voltage-source inverter implementation of the method. The ADUDT uses narrow voltage pulses having a duration in the order of a microsecond from an IGBT (insulated gate bipolar transistor) inverter to control the output voltage of a tuned LC filter circuit. The filter output voltage has thus increased slope transition times at the rising and falling edges, with an opportunity of no overshoot. The effect of the longer slope transition times is a reduction in the du/dt of the voltage fed to the motor cable. Lower du/dt values result in a reduction in the overvoltage effects on the motor terminals. Compared with traditional output filtering methods to accomplish this task, the active du/dt filtering provides lower inductance values and a smaller physical size of the filter itself. The filter circuit weight can also be reduced. However, the power semiconductor nonlinearities skew the filter control pulse pattern, resulting in control deviation. This deviation introduces unwanted overshoot and resonance in the filter. The controlmethod proposed in this thesis is able to directly compensate for the dead time-induced zero-current clamping (ZCC) effect in the pulse pattern. It gives more flexibility to the pattern structure, which could help in the timing deviation compensation design. Previous studies have shown that when a motor load current flows in the filter circuit and the inverter, the phase leg blanking times distort the voltage pulse sequence fed to the filter input. These blanking times are caused by excessively large dead time values between the IGBT control pulses. Moreover, the various switching timing distortions, present in realworld electronics when operating with a microsecond timescale, bring additional skew to the control. Left uncompensated, this results in distortion of the filter input voltage and a filter self-induced overvoltage in the form of an overshoot. This overshoot adds to the voltage appearing at the motor terminals, thus increasing the transient voltage amplitude at the motor. This doctoral thesis investigates the magnitude of such timing deviation effects. If the motor load current is left uncompensated in the control, the filter output voltage can overshoot up to double the input voltage amplitude. IGBT nonlinearities were observed to cause a smaller overshoot, in the order of 30%. This thesis introduces an improved ADUDT control method that is able to compensate for phase leg blanking times, giving flexibility to the pulse pattern structure and dead times. The control method is still sensitive to timing deviations, and their effect is investigated. A simple approach of using a fixed delay compensation value was tried in the test setup measurements. The ADUDT method with the new control algorithm was found to work in an actual motor drive application. Judging by the simulation results, with the delay compensation, the method should ultimately enable an output voltage performance and a du/dt reduction that are free from residual overshoot effects. The proposed control algorithm is not strictly required for successful ADUDT operation: It is possible to precalculate the pulse patterns by iteration and then for instance store them into a look-up table inside the control electronics. Rather, the newly developed control method is a mathematical tool for solving the ADUDT control pulses. It does not contain the timing deviation compensation (from the logic-level command to the phase leg output voltage), and as such is not able to remove the timing deviation effects that cause error and overshoot in the filter. When the timing deviation compensation has to be tuned-in in the control pattern, the precalculated iteration method could prove simpler and equally good (or even better) compared with the mathematical solution with a separate timing compensation module. One of the key findings in this thesis is the conclusion that the correctness of the pulse pattern structure, in the sense of ZCC and predicted pulse timings, cannot be separated from the timing deviations. The usefulness of the correctly calculated pattern is reduced by the voltage edge timing errors. The doctoral thesis provides an introductory background chapter on variable-speed AC drives and the problem of motor overvoltages and takes a look at traditional solutions for overvoltage mitigation. Previous results related to the active du/dt filtering are discussed. The basic operation principle and design of the filter have been studied previously. The effect of load current in the filter and the basic idea of compensation have been presented in the past. However, there was no direct way of including the dead time in the control (except for solving the pulse pattern manually by iteration), and the magnitude of nonlinearity effects had not been investigated. The enhanced control principle with the dead time handling capability and a case study of the test setup timing deviations are the main contributions of this doctoral thesis. The simulation and experimental setup results show that the proposed control method can be used in an actual drive. Loss measurements and a comparison of active du/dt output filtering with traditional output filtering methods are also presented in the work. Two different ADUDT filter designs are included, with ferrite core and air core inductors. Other filters included in the tests were a passive du/dtfilter and a passive sine filter. The loss measurements incorporated a silicon carbide diode-equipped IGBT module, and the results show lower losses with these new device technologies. The new control principle was measured in a 43 A load current motor drive system and was able to bring the filter output peak voltage from 980 V (the previous control principle) down to 680 V in a 540 V average DC link voltage variable-speed drive. A 200 m motor cable was used, and the filter losses for the active du/dt methods were 111W–126 W versus 184 W for the passive du/dt. In terms of inverter and filter losses, the active du/dt filtering method had a 1.82-fold increase in losses compared with an all-passive traditional du/dt output filter. The filter mass with the active du/dt method was 17% (2.4 kg, air-core inductors) compared with 14 kg of the passive du/dt method filter. Silicon carbide freewheeling diodes were found to reduce the inverter losses in the active du/dt filtering by 18% compared with the same IGBT module with silicon diodes. For a 200 m cable length, the average peak voltage at the motor terminals was 1050 V with no filter, 960 V for the all-passive du/dt filter, and 700 V for the active du/dt filtering applying the new control principle.

Savings Calculator for Centrifugal Pumps

Centrifugal pumps are one of the major energy consuming end-devices in developed coun-tries both in industrial and services sectors. According to recent studies, even 30 % of the energy used in pumping systems could be saved by more careful choosing of devices and system design. One of the most efficient and affordable ways to decrease the energy con-sumption of the pumping system is to substitute traditionally used flow control methods, like valve control, with modern variable speed drive (VSD) control. In this thesis, Microsoft Excel based program, Savings Calculator for Centrifugal Pumps (SCCP), is designed. SCCP calculates the achievable energy and financial savings when throttle control is substituted by VSD control in the pumping system. Compared to the sim-ilar existing programs, the goal is to make SCCP calculations more accurate and require less input information. Also some useful additional features are added to the designed program to make it more user friendly. The reliability of the calculations of designed program seem to vary depending on case. The results are corresponding accurately to the laboratory measurements, but there occurs high deviations in some cases, when the results are compared to the pump information specified by manufacturer. On the basis of verification in this thesis, SCCP seems to be at least as accurate as similar existing programs and it can be used as help in investment decision whether to have VSD or not.