Sähkön tuotantokustannusvertailu

Työssä vertaillaan eri sähköntuotantovaihtoehtojen taloudellista kannattavuutta. Kannattavuusvertailu suoritetaan pelkkää sähköä tuottaville voimalaitoksille. Sähkön ja lämmön yhteistuotannon lisärakentaminen tulee kattamaan tietyn osuuden lähitulevaisuuden sähkön hankinnan vajeesta, mutta sen lisäksi tarvitaan myös uutta lauhdetuotantokapasiteettia. Tutkittavat voimalaitostyypit ovat: ydinvoimalaitos, maakaasukombilauhdevoimalaitos, kivihiililauhdevoimalaitos, turvelauhdevoimalaitos, puulauhdevoimalaitos ja tuulivoimala. Kannattavuustarkastelu suoritetaan annuiteettimenetelmällä käyttäen 5 % reaalikorkoa ja tammikuun 2008 hintatasoa. Laskelmien perusteella 8000 tunnin huipunkäyttöajalla ydinsähkön tuotantokustannus olisi 35,0 € /MWh, kaasusähkön 59,2 €/MWh ja hiilisähkön 64,4 €/MWh, kun hiilidioksidipäästöoikeuden hintana käytetään 23 €/t. Ilman päästökauppaa kaasusähkön hinta on 51,2 €/MWh ja hiilisähkön 45,7 €/MWh ydinsähkön hinnan pysyessä ennallaan. Herkkyystarkastelun tulosten perusteella ydinvoiman kilpailukyky korostuu muihin tarkasteltuihin tuotantomuotoihin verrattuna. Ydinpolttoaineen suurellakaan hinnan muutoksella ei ole merkittävää vaikutusta ydinsähkön tuotantokustannukseen, kun taas maakaasusähkö on erittäin riippuvainen polttoaineen hinnasta. Myös päästöoikeuden hinnan kasvu lisää merkittävästi ydinvoiman kilpailukykyä kaasu- ja hiilisähköön verrattuna. Ydinvoimainvestoinnin kannattavuutta ja takaisinmaksua tarkastellaan myös yksinään siten, että investoinnilla saavutettavien tuottojen laskennassa käytetään useita eri sähkön markkinahintoja. Investoinnin kannattavuus on erittäin hyvä, kun sähkön markkinahinta on 50 €/MWh tai suurempi.

Comparison of electricity generation costs

The economical competitiveness of various power plant alternatives is compared. The comparison comprises merely electricity producing power plants. Combined heat and power (CHP) producing power will cover part of the future power deficit in Finland, but also condensing power plants for base load production will be needed. The following types of power plants are studied: nuclear power plant, combined cycle gas turbine plant, coal-fired condensing power plant, peat-fired condensing power plant, wood-fired condensing power plant and wind power plant. The calculations are carried out by using the annuity method with a real interest rate of 5 % per annum and with a fixed price level as of January 2008. With the annual peak load utilization time of 8000 hours (corresponding to a load factor of 91,3 %) the production costs would be for nuclear electricity 35,0 €/MWh, for gas based electricity 59,2 €/MWh and for coal based electricity 64,4 €/MWh, when using a price of 23 €/tonCO2 for the carbon dioxide emission trading. Without emission trading the production cost of gas electricity is 51,2 €/MWh and that of coal electricity 45,7 €/MWh and nuclear remains the same (35,0 €/MWh) In order to study the impact of changes in the input data, a sensitivity analysis has been carried out. It reveals that the advantage of the nuclear power is quite clear. E.g. the nuclear electricity is rather insensitive to the changes of nuclear fuel price, whereas for natural gas alternative the rising trend of gas price causes the greatest risk. Furthermore, increase of emission trading price improves the competitiveness of the nuclear alternative. The competitiveness and payback of the nuclear power investment is studied also as such by using various electricity market prices for determining the revenues generated by the investment. The profitability of the investment is excellent, if the market price of electricity is 50 €/MWh or more.

Kaksiakselisen välijäähdytyksellä, välipoltolla ja rekuperaattorilla varustetun mikrokaasuturbiinin osakuormahyötysuhteen säilyvyyden optimointi

Työssä pyrittiin etsimään differentiaalievoluutioalgoritmilla kaksiakseliselle, välijäähdytyksellä, välipoltolla ja rekuperaattorilla varustetulle mikrokaasuturbiinille sellaiset kompressorien painesuhteet ja rekuperaattorin rekuperaatioaste, että saavutettaisiin mandollisimman hyvä osakuormahyötysuhteen säilyvyys. Osakuormatehon säätömenetelmäksi oli valittu pyörimisnopeussäädön ja turbiinien sisääntulolämpötilan alentamisen yhdistelmä, jossa generaattorilla varustetun akselin pyörimisnopeus sekä molempien turbiinien sisääntulolämpötilat olivat toisistaan riippumatta vapaasti säädettävissä. Työssä löydettiin optimaalinen säätömenetelmien yhdistelmä, jolla saavutetaan parempi osakuormahyötysuhteen säilyvyys, kuin millään käytetyistä menetelmistä yksinään. Lisäksi havaittiin, ettei optimaalinen säätömenetelmä merkittävästi riipu koneikolle valituista suunnittelupisteen parametreista. Osakuormahyötysuhteen säilyvyyden kannalta optimaalinen koneikko ei merkittävästi poikennut suunnittelupisteen hyötysuhteen kannalta optimaalisesta.

Tuulivoimakäytön simulointityökalun käyttöliittymän kehittäminen

Tämä diplomityö käsittelee tuulivoimakäytön simulointia. Tuuligeneraattoreiden yleisimpiä konsepteja tarkastellaan sekä konseptien markkinaosuudet esitetään. Työssä käsitellään tuulivoimakäytön simulointiohjelmistoja, ja esitellään Matlab/Simulink-ohjelmistolla kehitetyn simulointityökalun käyttöliittymä. Käyttöliittymää analysoidaan syvällisemmin kuvaamalla sen kehitykseen liittyneitä vaiheita ja toiminnallisuuden kannalta tehtyjä ratkaisuja. Kehitetystä simulointityökalusta esitetään käyttötapausanalyysi.

Modeling reaction kinetics and mass transfer in ozonation in water solutions

This dissertation is based on four articles dealing with modeling of ozonation. The literature part of this considers some models for hydrodynamics in bubble column simulation. A literature review of methods for obtaining mass transfer coefficients is presented. The methods presented to obtain mass transfer are general models and can be applied to any gas-liquid system. Ozonation reaction models and methods for obtaining stoichiometric coefficients and reaction rate coefficients for ozonation reactions are discussed in the final section of the literature part. In the first article, ozone gas-liquid mass transfer into water in a bubble column was investigated for different pH values. A more general method for estimation of mass transfer and Henry’s coefficient was developed from the Beltrán method. The ozone volumetric mass transfer coefficient and the Henry’s coefficient were determined simultaneously by parameter estimation using a nonlinear optimization method. A minor dependence of the Henry’s law constant on pH was detected at the pH range 4 - 9. In the second article, a new method using the axial dispersion model for estimation of ozone self-decomposition kinetics in a semi-batch bubble column reactor was developed. The reaction rate coefficients for literature equations of ozone decomposition and the gas phase dispersion coefficient were estimated and compared with the literature data. The reaction order in the pH range 7-10 with respect to ozone 1.12 and 0.51 the hydroxyl ion were obtained, which is in good agreement with literature. The model parameters were determined by parameter estimation using a nonlinear optimization method. Sensitivity analysis was conducted using object function method to obtain information about the reliability and identifiability of the estimated parameters. In the third article, the reaction rate coefficients and the stoichiometric coefficients in the reaction of ozone with the model component p-nitrophenol were estimated at low pH of water using nonlinear optimization. A novel method for estimation of multireaction model parameters in ozonation was developed. In this method the concentration of unknown intermediate compounds is presented as a residual COD (chemical oxygen demand) calculated from the measured COD and the theoretical COD for the known species. The decomposition rate of p-nitrophenol on the pathway producing hydroquinone was found to be about two times faster than the p-nitrophenol decomposition rate on the pathway producing 4- nitrocatechol. In the fourth article, the reaction kinetics of p-nitrophenol ozonation was studied in a bubble column at pH 2. Using the new reaction kinetic model presented in the previous article, the reaction kinetic parameters, rate coefficients, and stoichiometric coefficients as well as the mass transfer coefficient were estimated with nonlinear estimation. The decomposition rate of pnitrophenol was found to be equal both on the pathway producing hydroquinone and on the path way producing 4-nitrocathecol. Comparison of the rate coefficients with the case at initial pH 5 indicates that the p-nitrophenol degradation producing 4- nitrocathecol is more selective towards molecular ozone than the reaction producing hydroquinone. The identifiability and reliability of the estimated parameters were analyzed with the Marcov chain Monte Carlo (MCMC) method. @All rights reserved. No part of the publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, or otherwise, without the prior permission of the author.

Literature review on permanent magnet generators design and dynamic behavior

This paper is a literature review which describes the construction of state of the art of permanent magnet generators and motors constructing and discusses the current and possible application of these machines in industry. Permanent magnet machines are a well-know class of rotating and linear electric machines used for many years in industrial applications. A particular interest for permanent magnet generators is connected with wind mills, which seem to be becoming increasingly popular nowadays. Geared and direct-driven permanent magnet generators are described. A classification of direct-driven permanent magnet generators is given. Design aspects of permanent magnet generators are presented. Permanent magnet generators for wind turbines designs are highlighted. Dynamics and vibration problems of permanent magnet generators covered in literature are presented. The application of the Finite Element Method for mechanical problems solution in the field of permanent magnet generators is discussed.

Höyry- ja kaasuturbiinin mallintaminen prosessisimulointiohjelmaan

Tässä diplomityössä on mallinnettu höyry- ja kaasuturbiini Balas -prosessisimulointi-ohjelmaan. Balas on Valtion Teknillisen Tutkimuskeskuksen kehittämä simulointiohjelma, erityisesti paperi- ja selluteollisuuden prosessien staattiseen simulointiin. Työn tavoitteena on kehittää simulointimallit höyry- ja kaasuturbiinille, sekä tutkia niiden toimivuutta vertaamalla simulointeja mittaus- ja mitoitustietoihin. Työssä on muodostettu matemaattiset mallit höyryturbiinille, höyryturbiinin säätövyöhykkeelle sekä höyryturbiinin off-design laskennalle. Kaasuturbiinille muodostettiin toimintakäyrät, joiden avulla tarkastellaan sen toimintaa off-design tilanteessa. Komponentit mallinnettiin diplomityövaiheessa Matlab-ympäristöön, josta ne siirretään Balasiin erillisessä työvaiheessa. Malleissa on kiinnitetty huomiota erityisesti niiden helppokäyttöisyyteen ja monipuolisuuteen. Höyryturbiinimalleja testattiin simuloimalla erään paperitehtaan yhteydessä toimivan voimalaitoksen vastapaineturbiini säätövyöhykkeineen ja vertaamalla simulointituloksia tehtaan mittaustietoihin. Kaasuturbiinimallia testattiin vertaamalla GE Power MS 7001 kaasuturbiinin mitoitustietoja vastaavilla parametreilla simuloituun tapaukseen.

Tuulivoimakäytön verkkoliitynnät ja mittaukset

Tässä työssä tutkitaan muuttuvanopeuksisen tuulivoimakäytön verkkoliityntöjä, verkkomääräyksiä ja mittausmenetelmiä Euroopassa. Yleiset tuulivoimalaitoksen verkkomääräyksiin liittyvät asiat on selitetty standardisarjassa IEC 61000 ja mittauksiin liittyvät säännökset standardissa IEC 61400-21. Työssä selvitetään Euroopan yleiset verkkomääräykset ja vertaillaan niitä keskenään, sekä määritetään tärkeimmät mittaukset. Lisäksi esitellään eräs standardimittauksiin soveltuva mittalaite ja analysoidaan täystehomuokkaimen suorituskykyä tuulivoimapuistossa. Työssä havaittiin, että standardin mukaisten mittausten toteuttaminen ja analysointi on hyvin haastava prosessi. Verkkomääräysten eroavaisuudet aiheuttavat hankaluuksia tuulivoimalan valmistajan ja verkko-operaattorien välillä. Täten myös konvertterivalmistajan täytyy olla selvillä käytössä olevista verkkomääräyksistä ja standardeista.

Tuulivoimakäyttö sähköverkon vikatilanteissa

Tämä työ on tehty Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa, meneillään olevan tuulivoimalasimulaattorin kehitystyön yhteydessä. Työssä käydään läpi simulaattorissa käytettyjen generaattorisillan ja verkkosillan säätöperiaatteita, tehdään katsaus siirtoverkon jännitevikoihin sekä tuulivoimalan toimintaan näissä vikatilanteissa. Työn varsinainen tutkimuskohde on verkkosillan säädön toiminnan simuloiminen siirtoverkon jännitevioissa ja säädön parannusehdotukset.

Jäähdytysnestekierron optimointi tuuliturbiinin konvertterikaapistoon

Diplomityössä perehdytään tuuliturbiinin konvertterikaapiston nestekierron tarkasteluun ja mittausten suunnitteluun sitä varten. Tarkastelun tulokset ovat yhdistettävissä konvertterikaapiston ilmapuolen jäähdytykseen, jolloin koko jäähdytysjärjestelmä on katettu. Työn alkupuolella perehdytään lyhyesti nykyhetken tuulivoimaan. Tämän jälkeen tarkastellaan itse konvertterikaapistoa, sen toimintaa sekä nestejäähdytyksen toteutusta komponentteineen. Työn keskimmäisessä osassa konvertterille tehtiin virtaustekninen malli aiempaa mittausdataa hyväksi käyttäen. Tällä mallilla suoritettiin herkkyystarkasteluja ja simuloitiin konvertterikaapiston nestekierron käyttäytymistä yhden tai useamman haaran tukkeutuessa osittain tai kokonaan. Lisäksi suunniteltiin uusi nestekierto. Lopuksi selvitetään mittauksissa tarvittava laitteisto, perehdytään kunkin laitteen toimintaperiaatteeseen sekä selvennetään suositeltavat asennuspaikat ja suojaetäisyydet.

Monivaiheisen höyryturbiinin optimointi

Tässä diplomityössä optimoitiin nelivaiheinen 1 MWe höyryturbiinin prototyyppimalli evoluutioalgoritmien avulla sekä tutkittiin optimoinnista saatuja kustannushyötyjä. Optimoinnissa käytettiin DE – algoritmia. Optimointi saatiin toimimaan, mutta optimoinnissa käytetyn laskentasovelluksen (semiempiirisiin yhtälöihin perustuvat mallit) luonteesta johtuen optimoinnin tarkkuus CFD – laskennalla suoritettuun tarkastusmallinnukseen verrattuna oli jonkin verran toivottua pienempi. Tulosten em. epätarkkuus olisi tuskin ollut vältettävissä, sillä ongelma johtui puoliempiirisiin laskentamalleihin liittyvistä lähtöoletusongelmista sekä epävarmuudesta sovitteiden absoluuttisista pätevyysalueista. Optimoinnin onnistumisen kannalta tällainen algebrallinen mallinnus oli kuitenkin välttämätöntä, koska esim. CFD-laskentaa ei olisi mitenkään voitu tehdä jokaisella optimointiaskeleella. Optimoinnin aikana ongelmia esiintyi silti konetehojen riittävyydessä sekä sellaisen sopivan rankaisumallin löytämisessä, joka pitäisi algoritmin matemaattisesti sallitulla alueella, muttei rajoittaisi liikaa optimoinnin edistymistä. Loput ongelmat johtuivat sovelluksen uutuudesta sekä täsmällisyysongelmista sovitteiden pätevyysalueiden käsittelyssä. Vaikka optimoinnista saatujen tulosten tarkkuus ei ollut aivan tavoitteen mukainen, oli niillä kuitenkin koneensuunnittelua edullisesti ohjaava vaikutus. DE – algoritmin avulla suoritetulla optimoinnilla saatiin turbiinista noin 2,2 % enemmän tehoja, joka tarkoittaa noin 15 000 € konekohtaista kustannushyötyä. Tämä on yritykselle erittäin merkittävä konekohtainen kustannushyöty. Loppujen lopuksi voitaneen sanoa, etteivät evoluutioalgoritmit olleet parhaimmillaan prototyyppituotteen optimoinnissa. Evoluutioalgoritmeilla teknisten laitteiden optimoinnissa piilee valtavasti mahdollisuuksia, mutta se vaatii kypsän sovelluskohteen, joka tunnetaan jo entuudestaan erinomaisesti tai on yksinkertainen ja aukottomasti laskettavissa.

Varavoimalaitosten pimeäkäynnistysmahdollisuudet

Nyky yhteiskunta tulee päivä päivältä riippuvaisemmaksi sähköstä ja sen luotettavasta siirrosta ja jakelusta. Suurhäiriö kantaverkossa on erittäin epätodennäköinen, mutta sen mahdollisuutta ei koskaan voida kokonaan rajata pois. Suurhäiriön seuraukset ovat erittäin vakavat ja yhteiskäytön palautus häiriön jälkeen voi pitkittyä. Diplomityössä käsitellään kantaverkkoyhtiö Fingrid Oyj:n kaasuturpiinivaravoimalaitoksia ja niiden ominaisuuksia kantaverkon suurhäiriössä. Varavoimalaitosten pimeäkäynnistysvalmiudet tarkastettiin ja niissä suoritettiin koeajoja, jotka sisälsivät jatkuvan ja dynaamisen tilan koeajo osuudet. Yhdessä laitosyksikössä tehtiin myös pimeäkäynnistys ja saarekekoeajo. Koeajojen perusteella saatiin arvokasta perustietoa kaasuturpiinilaitosten ominaisuuksista ja mahdollisuuksista toimia pimeäkäynnistystilanteissa. Varavoimalaitosten matemaattista mallintamista yksinkertaisella teollisuuskaasuturpiinilaitoksen mallilla kokeiltiin siinä kuitenkaan onnistumatta. Kokemusten perusteella esitetään keskeisimmät havainnot ja ehdotukset kevyen, moniakselisen kaasuturpiinilaitoksen mallintamiseksi.

New design of the frame for a permanent magnet generator

This thesis introduces a search for a new design of the frame for a permanent magnet generator mounted at a windmill. The objective of this work is to offer new design ideas for the stator frame - new concepts for connecting stator core to stator frame in a generator. Desired aims of new design concepts are: simplification of the structure production; decrease of material use; use of standard components; light weight of construction and etc. Thesis contains several new possible designs for the stator frame structure. Also, it has a list of possible connection concepts, which can be used to join the stator to the frame. All new ideas are described and compared according to its match to the desired purposes of the work. New design concepts are modeled using modern software. The main part of the Thesis contains several approximate computer models of the current and new offered constructions, description of loads and stress in the current stator frame. It has evaluation of the most important stress and load characteristics. The final design is a result of all previous research. It has a description of a new frame structure and joining concept for it. This structure matched main aims of work, but it does not have detailed design with dimensions and check calculations of the frame and welds. Thesis gives representation about design search, evaluation and comparison of new concepts of generator structure. Also, it gives general representation of renewable energy technology, knowledge about windmill turbines and its contents.

On the Application of Beam on Elastic Foundation Theory to the Analysis of Stiffened Plate Strips

The main objective of this thesis is to show that plate strips subjected to transverse line loads can be analysed by using the beam on elastic foundation (BEF) approach. It is shown that the elastic behaviour of both the centre line section of a semi infinite plate supported along two edges, and the free edge of a cantilever plate strip can be accurately predicted by calculations based on the two parameter BEF theory. The transverse bending stiffness of the plate strip forms the foundation. The foundation modulus is shown, mathematically and physically, to be the zero order term of the fourth order differential equation governing the behaviour of BEF, whereas the torsion rigidity of the plate acts like pre tension in the second order term. Direct equivalence is obtained for harmonic line loading by comparing the differential equations of Levy's method (a simply supported plate) with the BEF method. By equating the second and zero order terms of the semi infinite BEF model for each harmonic component, two parameters are obtained for a simply supported plate of width B: the characteristic length, 1/ λ, and the normalized sum, n, being the effect of axial loading and stiffening resulting from the torsion stiffness, nlin. This procedure gives the following result for the first mode when a uniaxial stress field was assumed (ν = 0): 1/λ = √2B/π and nlin = 1. For constant line loading, which is the superimposition of harmonic components, slightly differing foundation parameters are obtained when the maximum deflection and bending moment values of the theoretical plate, with v = 0, and BEF analysis solutions are equated: 1 /λ= 1.47B/π and nlin. = 0.59 for a simply supported plate; and 1/λ = 0.99B/π and nlin = 0.25 for a fixed plate. The BEF parameters of the plate strip with a free edge are determined based solely on finite element analysis (FEA) results: 1/λ = 1.29B/π and nlin. = 0.65, where B is the double width of the cantilever plate strip. The stress biaxial, v > 0, is shown not to affect the values of the BEF parameters significantly the result of the geometric nonlinearity caused by in plane, axial and biaxial loading is studied theoretically by comparing the differential equations of Levy's method with the BEF approach. The BEF model is generalised to take into account the elastic rotation stiffness of the longitudinal edges. Finally, formulae are presented that take into account the effect of Poisson's ratio, and geometric non linearity, on bending behaviour resulting from axial and transverse inplane loading. It is also shown that the BEF parameters of the semi infinite model are valid for linear elastic analysis of a plate strip of finite length. The BEF model was verified by applying it to the analysis of bending stresses caused by misalignments in a laboratory test panel. In summary, it can be concluded that the advantages of the BEF theory are that it is a simple tool, and that it is accurate enough for specific stress analysis of semi infinite and finite plate bending problems.

An experimental and theoretical study of multiphase flow in a circulating fluidized bed

A systematic averaging procedure has been derived in order to obtain an integral form of conservation equations for dispersed multiphase flow, especially applicable to fluidized beds. A similar averaging method is applied further to formulate macroscopic integral equations, which can be used in one-dimensional and macroscopic multi dimensional models. Circulating fluid bed hydrodynamics has been studied experimentally and both macroscopic and microscopic flow profiles have been measured in a cold model. As an application of the theory, the one dimensional model has been used to study mass and momentum conservation of gas and solid in a circulating fluid bed. Axial solid mixing has also been modelled by the one dimensional model and mixing parameters have been evaluated.