Ydinvoimalaitoksen höyryturbiinin suorituskyvyn laskenta

Diplomityön tavoitteena on selvittää Loviisan ydinvoimalaitoksen höyryturbiinin hyötysuhteen parantamismahdollisuuksia. Työn kuvaan liittyvät oleellisesti höyryturbiinin siipivyöhykkeiden nopeuskolmioiden sekä hyötysuhteiden laskenta. Höyryturbiinien kehityskaarta sekä turbiinin häviökerrointen laskentayhtälöitä on esitetty useasta eri lähteestä ja vuosikymmeniltä. Työssä selvitettiin uusimpia ydinvoimalaitosten kostea höyryturbiinien suunnitteluperusteita lukuisista eri lähteistä. Kaikkien lähteiden mukaan kostean höyryn alueella tapahtuvaa paisuntaa on haasteellista mallintaa. Työssä on esitelty artikkeleissa tulleita eri näkökulmia höyryturbiinien suorituskyvyn parantamiseksi, sekä rakenteellisia että laskennallisia. Työssä esitellään monia turbiinin virtauksen ja suorituskyvyn laskentamenetelmiä. Esimerkiksi Baumannin säännön laskenta on yksinkertainen tapa käsitellä turbiinin suorituskykyä kostean höyryn alueella. Keskeisimpiä tehtyjä havaintoja oli se, että korkeapaineturbiinin ensimmäisestä vaiheesta löytyi mahdollista parannuspotentiaalia Loviisaan ydinvoimalaitoksen tehon lisäämiseksi. Ensimmäisessä vaiheessa on oletettu siipien olevan Laval –tyyppisiä, mutta käytännössä näin ei ole. Korkeapaineturbiinin nykyisen turbosuuttimen toimintaa voitaisiin tehostaa. Lisäksi Loviisan matalapaineturbiinin viimeisen siipivaiheen jälkeen aiheutuu suuret ulosvirtaushäviöt. Osa suurinopeuksisen virtauksen energiasta pystyttäisiin kuitenkin hyödyntämään vielä ulosvirtauskanavassa olevalla diffuusorilla.

Assembly Methods of Permanent Magnets for Synchronous Generators

This thesis examines and explains the procedure used to redesign the attachment of permanent magnets to the surface of the rotor of a synchronous generator. The methodology followed to go from the actual assembly to converge to the final purposed innovation was based on the systematic approach design. This meant that first a series of steps had to be predefined as a frame of reference later to be used to compare and select proposals, and finally to obtain the innovation that was sought. Firstly, a series of patents was used as the background for the upcoming ideas. To this end, several different patented assemblies had been found and categorized according the main element onto which this thesis if focused, meaning the attachment element or method. After establishing the technological frame of reference, a brainstorm was performed to obtain as many ideas as possible. Then these ideas were classified, regardless of their degree of complexity or usability, since at this time the quantity of the ideas was the important issue. Subsequently, they were compared and evaluated from different points of view. The comparison and evaluation in this case was based on the use of a requirement list, which established the main needs that the design had to fulfill. Then the selection could be done by grading each idea in accordance with these requirements. In this way, one was able to obtain the idea or ideas that best fulfilled these requirements. Once all of the ideas were compared and evaluated, the best or most suitable idea or ideas were separated. Finally, the selected idea or ideas was/were analyzed in extension and a number of improvements were made. Consequently, a final idea was refined and made more suitable at its performance, manufacture, and life cycle assessment. Therefore, in the end, the design process gave a solution to the problem pointed out at the beginning.

Salient Pole Synchronous Machine Modelling in an Industrial Direct Torque Controlled Drive Application

Synchronous motors are used mainly in large drives, for example in ship propulsion systems and in steel factories' rolling mills because of their high efficiency, high overload capacity and good performance in the field weakening range. This, however, requires an extremely good torque control system. A fast torque response and a torque accuracy are basic requirements for such a drive. For large power, high dynamic performance drives the commonly known principle of field oriented vector control has been used solely hitherto, but nowadays it is not the only way to implement such a drive. A new control method Direct Torque Control (DTC) has also emerged. The performance of such a high quality torque control as DTC in dynamically demanding industrial applications is mainly based on the accurate estimate of the various flux linkages' space vectors. Nowadays industrial motor control systems are real time applications with restricted calculation capacity. At the same time the control system requires a simple, fast calculable and reasonably accurate motor model. In this work a method to handle these problems in a Direct Torque Controlled (DTC) salient pole synchronous motor drive is proposed. A motor model which combines the induction law based "voltage model" and motor inductance parameters based "current model" is presented. The voltage model operates as a main model and is calculated at a very fast sampling rate (for example 40 kHz). The stator flux linkage calculated via integration from the stator voltages is corrected using the stator flux linkage computed from the current model. The current model acts as a supervisor that prevents only the motor stator flux linkage from drifting erroneous during longer time intervals. At very low speeds the role of the current model is emphasised but, nevertheless, the voltage model always stays the main model. At higher speeds the function of the current model correction is to act as a stabiliser of the control system. The current model contains a set of inductance parameters which must be known. The validation of the current model in steady state is not self evident. It depends on the accuracy of the saturated value of the inductances. Parameter measurement of the motor model where the supply inverter is used as a measurement signal generator is presented. This so called identification run can be performed prior to delivery or during drive commissioning. A derivation method for the inductance models used for the representation of the saturation effects is proposed. The performance of the electrically excited synchronous motor supplied with the DTC inverter is proven with experimental results. It is shown that it is possible to obtain a good static accuracy of the DTC's torque controller for an electrically excited synchronous motor. The dynamic response is fast and a new operation point is achieved without oscillation. The operation is stable throughout the speed range. The modelling of the magnetising inductance saturation is essential and cross saturation has to be considered as well. The effect of cross saturation is very significant. A DTC inverter can be used as a measuring equipment and the parameters needed for the motor model can be defined by the inverter itself. The main advantage is that the parameters defined are measured in similar magnetic operation conditions and no disagreement between the parameters will exist. The inductance models generated are adequate to meet the requirements of dynamically demanding drives.

Diagnostiikkamenetelmät höyrykattilan leijukerroksen tilan ja käytettävyysongelmien tunnistamiseksi

Diplomityön tavoitteena oli tutkia höyrykattiloiden leijukerrosten käytettävyysongelmia ja kirjallisuudesta löytyvien diagnostiikkamenetelmien toimivuutta leijukerroksen tilan ja käytettävyysongelmien tunnistamiseksi. Diagnostiikkamenetelmien toimivuutta testattiin VTT:n kiertoleijukoelaitteen prosessimittauksiin perustuen. Analysoinnissa käytettiin prosessimittauksia, jotka ovat yleisesti käytössä energiantuotannon leijukerroskattiloissa. Analysoitavina koeajotapauksina olivat kylmäkokeet partikkelikokojakaumaltaan vaihtelevalle leijutusmateriaalille, tuhkapartikkelien aiheuttama petimateriaalin karkeneminen ja agglomeroituminen, sekä vaihtelevien ajoarvojen vaikutus leijukerroksen hydrodynaamiseen käyttäytymiseen. Kokeellisesta osiosta saaduista tuloksista selvisi leijutusilman tilavuusvirran, petimassan ja partikkelikoon vaikutus analysoitavaan prosessimittaukseen. Tuloksista oli havaittavissa myös kiertävän petimateriaalin ja pohjapedin osuuksien vaikutus mitattuun painesignaaliin. Petipartikkelien agglomeroitumisen ja karkenemisen todettiin lisäävän kiertoleijukoelaitteistossa nousuputken pohjapedin määrää suhteessa kiertävään petimateriaaliin, mikä voitiin havaita painemittauksista.

Optimization of energy in a pulp mill

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

Erikoissähkökoneen tyyppitestaus

Uusien erikoissähkökoneiden testaus perinteisten standardien mukaan on osittain haasteellista. Erikoissähkökoneille, kuten kestomagneettitahtikoneelle ei ole esitetty suoranaisia standardin vaatimia testejä, joten siihen joudutaan soveltamaan olemassa olevia erillismagnetoiduntahtikoneen standardeja. Testien tavoitteena on olla luotettavia sekä vertailukelpoisia. Mittausten on oltava toistettavissa. Mittaustavasta riippuen voidaan saada erilaisia tuloksia, jotka vaikuttavat lopputulokseen. Standardien mukaisessa testauksessa saadaan mittauksista samanlaisia ja samalla saadaan mittausvirheen mahdollisuus pienemmäksi ja tällä tavoin tulokset keskenään vertailukelpoisemmiksi. Tässä työssä tarkastellaan kahta erilaista erikoissähkokonetta, kestomagneettitahtikonetta ja massiiviroottoriepätahtikonetta. Työssä selvitetään standardin IEC 60034 soveltuvuutta tyyppitesteihin, joita kyseiset konetyypit vaativat. Lisäksi työssä vertaillaan standardin IEC 60034 mukaisen hyötysuhteen määrittämistä. Se antaakin useita vaihtoehtoja hyötysuhteen määrittämiselle.

Kierrätyspolttoaineiden käyttö leijukerrospoltossa vetykaasun kanssa

Tämä diplomityö on tehty Leppäkosken Energia Oy:n ja Kemira Chemicals Oy:n yhteisyritys FC Energia Oy:lle. FC Energia Oy suunnittelee rakentaa uutta bio-vetyvoimalaitosta Sastamalaan. Voimalaitoksella tuotettaisiin Kemira Chemicals Oy:n ylijäämävedystä ja biopolttoaineista sähköä, kaukolämpöä ja prosessihöyryä. Ympäristölupaa on haettu hakkeen, turpeen ja kierrätyspuun poltolle vetykaasun kanssa. Voimalaitoksen kattilan toiminta perustuu kuplivaan leijukerrostekniikkaan. Diplomityössä selvitettiin, mitä muutoksia kierrätyspolttoaineiden käyttö vaatii leijukerrospoltossa verrattuna hakkeen ja turpeen polttoon. Kierrätyspolttoaineena käytetään hyvälaatuista kierrätyspuuta. Kierrätyspuun käytössä sovelletaan jätteenpoltto-asetusta. Jätteenpolttoasetus määrää tiukemmat päästöjen raja-arvot rinnakkaispoltolle kuin hakkeen ja turpeen poltolle sekä jatkuvatoimiset savukaasujen mittauslaitteet. Rinnakkaispolton hiukkasmaisten päästöjen tiukempi raja-arvo vaatii tehokkaamman sähkösuodattimen. Lisäksi kierrätyspuuta käytettäessä tulistimen materiaaliin tulee olla kestävämpää, mikä aiheuttaa huomattavan lisäinvestoinnin. Työn päätavoitteena oli selvittää, onko kierrätyspuun käyttö taloudellisesti kannattavaa. Oletetulla kierrätyspuun hinnalla 10 €/MWh kierrätyspuuta polttavan voimalaitoksen takaisinmaksuaika on sama kuin haketta polttavan laitoksen ja vuoden lyhyempi kuin turvetta polttavan laitoksen. Tulokseksi saatiin, että rinnakkaispoltto käyttö on taloudellisesti kannattavaa hakkeenpolttoon nähden jos kierrätyspuun hinta on alle 11,2 €/MWh. Kierrätyspuun polttoon liittyy toiminnallinen riski, koska vastaavanlaisia rinnakkaispolttolaitoksia ei ole aiemmin rakennettu.

ContinuousMultimodal Global Optimization with Differential Evolution-Based Methods

Metaheuristic methods have become increasingly popular approaches in solving global optimization problems. From a practical viewpoint, it is often desirable to perform multimodal optimization which, enables the search of more than one optimal solution to the task at hand. Population-based metaheuristic methods offer a natural basis for multimodal optimization. The topic has received increasing interest especially in the evolutionary computation community. Several niching approaches have been suggested to allow multimodal optimization using evolutionary algorithms. Most global optimization approaches, including metaheuristics, contain global and local search phases. The requirement to locate several optima sets additional requirements for the design of algorithms to be effective in both respects in the context of multimodal optimization. In this thesis, several different multimodal optimization algorithms are studied in regard to how their implementation in the global and local search phases affect their performance in different problems. The study concentrates especially on variations of the Differential Evolution algorithm and their capabilities in multimodal optimization. To separate the global and local search search phases, three multimodal optimization algorithms are proposed, two of which hybridize the Differential Evolution with a local search method. As the theoretical background behind the operation of metaheuristics is not generally thoroughly understood, the research relies heavily on experimental studies in finding out the properties of different approaches. To achieve reliable experimental information, the experimental environment must be carefully chosen to contain appropriate and adequately varying problems. The available selection of multimodal test problems is, however, rather limited, and no general framework exists. As a part of this thesis, such a framework for generating tunable test functions for evaluating different methods of multimodal optimization experimentally is provided and used for testing the algorithms. The results demonstrate that an efficient local phase is essential for creating efficient multimodal optimization algorithms. Adding a suitable global phase has the potential to boost the performance significantly, but the weak local phase may invalidate the advantages gained from the global phase.

Arinakattilan lämmönsiirron laskentamallin kehittäminen

Kattilalaitosten polttoaineen syötössä ilmenevät häiriöt ja biopolttoaineiden laatuvaihtelut aiheuttavat epävakaata palamista ja tekevät prosessin hallinnasta vaikeampaa. Polttoaineen laatuvaihtelut vaikuttavat koko prosessiin ja näkyvät lopulta myös höyryntuotannossa. Kompensoinnilla pyritään estämään häiriöiden suuret vaikutukset höyryn tuotantoon. Tarkoituksena on saada kattilan toiminta ja tehon tuotanto tasaisemmaksi ja helpommin hallittavaksi. Tässä diplomityössä tarkastellaan polttoaineen ominaisuuksien, säteilylämmönsiirron sekä säätöjen vaikutusta toisiinsa ja merkitystä kattilan toiminnan kannalta. Työssä muodostetaan säteilylämmönsiirron laskentamalli arinakattilan tulipesälle käyttäen hyväksi hyvin sekoittuneen tulipesän menetelmää. Menetelmällä voidaan määrittääsavukaasujen keskimääräinen lämpötila tulipesässä, lämpövirta tulipesän seiniin tai poltossa vapautuva lämpöteho. Mallin avulla voidaan paremmin ymmärtää prosessin käyttäytymistä polttoaineen laadun muuttuessa sekä helpottaa ja nopeuttaa kattilan käyttäytymisen ennustamista. Laskentamalli tehtiin Excel –laskentaohjelmaan, jossa se testataan. Verifioinnin jälkeen malli on tarkoitus siirtää toimimaan apros –simulointiympäristöön.

Energian käyttö sahatavaran kuivauksessa

Sahatavaran tuotannossa käytetään runsaasti lämpöä ja sähköä. Sähköä käytetään pääasiassa sahausvaiheessa ja lämpöä kuivausvaiheessa. Sahatavarakuutiosta haihdutetaan vettä kuivaamoissa noin 230-600 kiloa. Sahatavara kuivataan, koska kuivattu sahatavara säilyy paremmin ja on lisäksi kevyempää, kestävämpää ja sen muodonmuutokset ovat pienempiä. Työssä käsiteltävällä sahalla on erääseen kanavakuivaamoon tehty koerakennelma, jonka avulla kuivaamosta poistettavan ilman sisältämää lämpöä hyödynnetään sahatavaran lämmittämisessä kuivauslämpötilaan kuormanvaihdon jälkeen. Energiansäästön lisäksi rakennelman toivotaan ehkäisevän kuormanvaihdosta aiheutuvia olosuhdemuutoksia kuivausprosessin muissa vaiheissa. Poistoilman sisältämä höyry lauhtuu lämmittäessään kylmää sahatavaraa. Lauhtumisen yhteydessä vapautuu runsaasti energiaa. Tehtyjen kokeiden perusteella koerakennelma vähensi lämmönkulutusta selvästi. Lämmönkulutuksen alenema oli jopa teorialaskelmaa suurempi, mistä syystä kokeellisessa osassa tehtyihin mittaustuloksiin on syytä suhtautua varauksella. Perinteisessä kuivaamossa kosteus poistuu pääasiassa vesihöyrynä, mutta koerakennelman avulla saadaan noin puolet puusta haihdutetusta vedestä lauhtumaan takaisin vedeksi.

Tuulivoimalan generaattorin roottorin valmistuksen ja valmistuskustannusten arviointi

Diplomityössä on käsitelty tuulivoimalan generaattorin roottorin valmistusta ja magneettien kiinnitystä. Työ on osa projektia, jonka tarkoituksena on ollut tuottaa kohdeyritykselle vaihtoehtoinen tuulivoimalan generaattorin roottorirakenne. Työhön on koottu projektissa käsitellyt asiat roottorin valmistustekniikan osalta. Työssä on selvitetty kustannuksien kannalta paras vaihtoehto roottorin valmistamiseksi sisältäen kuljetukset ja magneettien kokoonpanon. Valmistusmenetelminä on vertailtu hitsausta ja valamista. Magneettien osalta tarkasteltiin uuden vaihtoehtoisen kiinnitysmenetelmän tuomia säästöjä nykyiseen ratkaisuun verrattuna. Uusien roottorien kustannuksia on verrattu nykyiseen rakenteeseen. Tutkimusmenetelminä on käytetty projektiryhmän palavereja, haastatteluja ja kirjallisuusselvityksiä. Lopputuloksena kohdeyritykselle luotiin uusi roottorikonsepti, jossa yhdistyvät edullisempi roottorin valmistus ja magneettien kiinnitys. Roottorin valmistaminen valamalla osoittautui selvästi edullisemmaksi kuin hitsaaminen levyistä. Magneettien kiinnitystä yksinkertaistettiin käyttämällä seostettuja magneetteja ja magneettikehyksiä. Roottorin konstruktiomuutoksien avulla mahdollistettiin suurempi magneettien määrä, joka mahdollistaa suuremman tehontuoton.

Kestomagneettigeneraattorin staattorin mekaanisen rakenteen analysointi ja kehitys

Työssä tutkittiin kestomagneettigeneraattorin staattoriytimen aksiaalisen puristamisen ja lämpötilan vaikutuksia staattorin jännityksiin ja muodonmuutoksiin. Lisäksi tutkittiin aksiaalisen puristusjännityksen vaikutusta staattorin aksiaalisuuntaisen ominaismuodon taajuuteen. Rakenteesta tehtiin elementtimalli, jonka avulla laskettiin rakenteen siirtymät, jännitykset ja ominaistaajuudet. Rakenteen jännityksiä ja siirtymiä tutkittiin myös yksinkertaisella jousikuvauksella, jonka tuloksia verrattiin elementtimallilla saatuihin tuloksiin. Työn tavoitteena oli kehittää uusi staattorirakenne. Elementtimenetelmän tulosten perusteella staattorirakennetta voidaan yksinkertaistaa poistamalla nyt käytetty puristusrengas, jolloin rakenteesta tulee yksinkertaisempi ja kustannustehokkaampi.

Täystehokonvertterin tehohäviöt ja hyötysuhde

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

Kostean höyryn paisunnan erityispiirteet ydinvoimalaitosten turbiineissa

Diplomityössä käsitellään ydinvoimalaitoksen kostean höyryn alueella toimivien höyryturbiinien toiminnan erityispiirteitä. Tarkemmin työssä keskitytään Loviisan ydinvoimalaitoksen turbiiniprosessiin. Tavoitteena on selvittää veden tiivistymistä höyryvirrassa, sen erotusta höyrystä turbiineissa sekä määrittää laitokselle todellinen paisuntakäyrä. Työssä selvitettiin veden tiivistymistä höyryvirtaan kirjallisuuden ja prosessista saatujen tietojen perusteella. Lisäksi työssä tutustuttiin suurien nykyaikaisten kostean höyryn alueella toimivien turbiinien vedenerotukseen ja sen pohjalta arvioitiin Loviisan ydinvoimalaitoksen turbiinin kosteudenerotusta. Näiden tietojen avulla saatiin mallinnettua kostean höyryn paisuntakäyrä Loviisan ydinvoimalaitoksen turbiineille. Työssä perehdyttiin lisäksi ulosvirtauskanavan toimintaan. Diplomityön puitteissa ei perehdytty yksityiskohtaisesti veden tiivistymiseen höyryvirrassa, vaan aihe ansaitsee tarkempaa tutkimusta. Kosteuden erotustehokkuuden arviointi todellisessa prosessissa ilman mittauksista saatavaa tietoa on vaikeata, mutta toimenpiteisiin lisäinformaation saamiseksi Loviisan ydinvoimalaitoksen turbiiniprosessista on ryhdytty. Työssä tehtyjen selvitysten avulla saatiin arvokasta tietoa turbiinikoneikon toiminnasta ja sen tehokkuuden parantamisesta.

Effect of forest-based biofuels production on carbon footprint, Case: Integrated LWC paper mill

International energy and climate strategies also set Finland’s commitments to increasing the use of renewable energy sources and reducing greenhouse gas emissions. The target can be achieved by, for example, increasing the use of energy wood. Finland’s forest biomass potential is significant compared with current use. Increased use will change forest management and wood harvesting methods however. The thesis examined the potential for integrated pulp and paper mills to increase bioenergy production. The effects of two bioenergy production technologies on the carbon footprint of an integrated LWC mill were studied at mill level and from the cradle-to-customer approach. The LignoBoost process and FT diesel production were chosen as bioenergy cases. The data for the LignoBoost process were obtained from Metso and for the FT diesel process from Neste Oil. The rest of the information is based on the literature and databases of the KCL-ECO life-cycle computer program and Ecoinvent. In both case studies, the carbon footprint was reduced. From the results, it can be concluded that it is possible to achieve a fossil-fuel-free pulp mill with the LignoBoost process. By using steam from the FT diesel process, the amount of auxiliary fuel can be reduced considerably and the bark boiler can be replaced. With a choice of auxiliary fuels for use in heat production in the paper mill and the production methods for purchased electricity, it is possible to affect the carbon footprints even more in both cases.