Identification of Some Additional Loss Components in High-Power Low-Voltage Permanent Magnet Generators

Permanent magnet generators (PMG) represent the cutting edge technology in modern wind mills. The efficiency remains high (over 90%) at partial loads. To improve the machine efficiency even further, every aspect of machine losses has to be analyzed. Additional losses are often given as a certain percentage without providing any detailed information about the actual calculation process; meanwhile, there are many design-dependent losses that have an effect on the total amount of additional losses and that have to be taken into consideration. Additional losses are most often eddy current losses in different parts of the machine. These losses are usually difficult to calculate in the design process. In this doctoral thesis, some additional losses are identified and modeled. Further, suggestions on how to minimize the losses are given. Iron losses can differ significantly between the measured no-load values and the loss values under load. In addition, with embedded magnet rotors, the quadrature-axis armature reaction adds losses to the stator iron by manipulating the harmonic content of the flux. It was, therefore, re-evaluated that in salient pole machines, to minimize the losses and the loss difference between the no-load and load operation, the flux density has to be kept below 1.5 T in the stator yoke, which is the traditional guideline for machine designers. Eddy current losses may occur in the end-winding area and in the support structure of the machine, that is, in the finger plate and the clamping ring. With construction steel, these losses account for 0.08% of the input power of the machine. These losses can be reduced almost to zero by using nonmagnetic stainless steel. In addition, the machine housing may be subjected to eddy current losses if the flux density exceeds 1.5 T in the stator yoke. Winding losses can rise rapidly when high frequencies and 10–15 mm high conductors are used. In general, minimizing the winding losses is simple. For example, it can be done by dividing the conductor into transposed subconductors. However, this comes with the expense of an increase in the DC resistance. In the doctoral thesis, a new method is presented to minimize the winding losses by applying a litz wire with noninsulated strands. The construction is the same as in a normal litz wire but the insulation between the subconductors has been left out. The idea is that the connection is kept weak to prevent harmful eddy currents from flowing. Moreover, the analytical solution for calculating the AC resistance factor of the litz-wire is supplemented by including an end-winding resistance in the analytical solution. A simple measurement device is developed to measure the AC resistance in the windings. In the case of a litz-wire with originally noninsulated strands, vacuum pressure impregnation (VPI) is used to insulate the subconductors. In one of the two cases studied, the VPI affected the AC resistance factor, but in the other case, it did not have any effect. However, more research is needed to determine the effect of the VPI on litz-wire with noninsulated strands. An empirical model is developed to calculate the AC resistance factor of a single-layer formwound winding. The model includes the end-winding length and the number of strands and turns. The end winding includes the circulating current (eddy currents that are traveling through the whole winding between parallel strands) and the main current. The end-winding length also affects the total AC resistance factor.

Tertiary Treatment and Re-use of Kraft Pulp Mill Effluent

The efficient use of materials and natural recourses, for ecological and economic reasons, has become more and more important in all industries. In the forest industries this means higher levels of closure in the material circulations of the mills. One possibility to reduce wastewater discharge is to re-use part of the 2nd clarifier effluent as process water. The main target of this thesis was to evaluate the technical suitability of several mechanical and chemical tertiary treatment methods for water re-use. Some of the tested methods seemed to have high potential for the removal of some specific constituents from the wastewater. Tertiary treatment is needed because higher levels of closure may cause problems with increasing amounts of non-process elements in different points of kraft pulp process. The aspect of sustainable development was taken into account by evaluating positive and negative environmental effects of the treatment processes. Environmental benefits can be gained by using some of the tertiary treatment methods tested. These methods should still be researched more for system optimization.

Harmonization of Environmental Costs and Investments Reporting

The objective of this Master’s Thesis is to examine the current state of environmental costs and investments reporting at Stora Enso in the Business Area of Printing and Reading. Differences and the factors causing the differences in environmental costs and investments reporting are examined in order to further harmonize the reporting between the mills. Research method is a case study, which comprises 11 paper mills. Environmental costs are studied from year 2012 and environmental investments from year 2011 or from 2012 depending on the mill. The results show that there are two types of differences such as actual and harmonisable affecting to environmental costs reporting. Actual differences result from factors such as location and technical features of the mill. Harmonisable differences represent differences, which distort the actual differences. Factors that cause harmonisable differences are identification and traceability of environmental costs as well as interpretation of the instructions. Estimation of the environmental share of indirect environmental investments causes differences between the mills in environmental investments reporting, as it has to be done case-by-case judgments. A further research could consider a detailed examination of the data registering process in order to further improve traceability of environmental costs. Furthermore, identification and reporting of potential savings could be studied from environmental point of view as resource efficiency is an increasing interest.

Metsäteollisuuden ympäristöstrategia hallinnon näkökulmasta : Metsäteollisuuden kehitysskenaariot vuoteen 2020

Suomen metsäteollisuus elää voimakasta uusiutumis- ja murrosvaihetta, joka ilmenee muutoksina yksittäisten tehtaiden ja tehdasintegraattien toiminnassa. Monia yksikköjä on poistunut tuotannosta ja tuotannon painotusta on muutettu. Toisaalta metsäteollisuus on suuntaamassa uusille aloille, jolloin tuotteina voivat olla esimerkiksi erilaiset biopolttoaineet, kemianteollisuuden raaka-aineet ja uuden sukupolven paperi- ja kartonkituotteet. Metsäteollisuuden muuttuminen ja laitosten monimutkaistuminen sekä jatkuvasti lisääntyvä tiedontarve asettavat yhä suurempia vaatimuksia sekä toiminnanharjoittajien ympäristövastaaville että viranomaisille. Hallinnon jatkuva muutos ja niukkenevat voimavarat voivat johtaa siihen, että käytännön lupa- ja valvontatyöhön jää yhä vähemmän aikaa. Kaakkois-Suomen ELY-keskuksen koordinoima hanke ”Metsäteollisuuden ympäristöstrategia vuoteen 2020 – hallinnon näkökulma” pyrkii vastaamaan edellä mainittuihin haasteisiin strategiatyön avulla. Hankkeen tarkoituksena oli tarkastella metsäteollisuuden ympäristönäkökohtia niistä lähtökohdista, joihin yritys voi vaikuttaa raaka-aineen tulosta tehtaalle ja tuotteen lähdöstä tehtaalta sekä tehtaan perustamisesta sulkemiseen ja jälkihoitoon asti. Tavoitteena oli määritellä toiminnoille toimiva ympäristöstrategia. Strategiassa pyrittiin löytämään yhteisymmärrys toiminnanharjoittajan ja viranomaisen kanssa mm. siitä, miten otetaan käyttöön parhaat käytännöt niin teollisuudessa kuin hallinnossakin, toimitaan uusien BAT-, IED- ja vesienhoitoperiaatteiden mukaisesti sekä edistetään kestävän kehityksen mukaisten tuotteiden markkinoille tuloa ja otetaan ennakointi tavaksi -lähtökohta käyttöön kaikessa toiminnassa. Hanketyössä esille nousseet haasteet ryhmiteltiin aihealueittain kolmeksi pääkohdaksi tärkeysjärjestyksessä: viranomaisen ja teollisuuden tiedonkulun ja tietämyksen parantaminen, lupa-, valvonta- ja hallintoprosessien parantaminen sekä uusien haasteiden kartoittaminen ja niihin reagointi. Haasteiden ratkaisukeinoiksi etsittiin käytännön toimenpiteitä sekä määriteltiin niille vastuutahot. Toimenpiteiksi esitettiin mm. viranomaisen ja teollisuuden yhteisiä koulutuspäiviä, asiantuntijapaneelin perustamista sekä lupamääräysten antamista myös tehtaan tai tuotantoyksikön sulkemisen tai muuttamisen varalle. Riittävien resurssien ja tietotaidon turvaaminen niin hallinnossa kuin teollisuudessa on ehdoton edellytys toimenpiteiden onnistumiselle.

Machine vision methods for process measurements in pulping

The papermaking industry has been continuously developing intelligent solutions to characterize the raw materials it uses, to control the manufacturing process in a robust way, and to guarantee the desired quality of the end product. Based on the much improved imaging techniques and image-based analysis methods, it has become possible to look inside the manufacturing pipeline and propose more effective alternatives to human expertise. This study is focused on the development of image analyses methods for the pulping process of papermaking. Pulping starts with wood disintegration and forming the fiber suspension that is subsequently bleached, mixed with additives and chemicals, and finally dried and shipped to the papermaking mills. At each stage of the process it is important to analyze the properties of the raw material to guarantee the product quality. In order to evaluate properties of fibers, the main component of the pulp suspension, a framework for fiber characterization based on microscopic images is proposed in this thesis as the first contribution. The framework allows computation of fiber length and curl index correlating well with the ground truth values. The bubble detection method, the second contribution, was developed in order to estimate the gas volume at the delignification stage of the pulping process based on high-resolution in-line imaging. The gas volume was estimated accurately and the solution enabled just-in-time process termination whereas the accurate estimation of bubble size categories still remained challenging. As the third contribution of the study, optical flow computation was studied and the methods were successfully applied to pulp flow velocity estimation based on double-exposed images. Finally, a framework for classifying dirt particles in dried pulp sheets, including the semisynthetic ground truth generation, feature selection, and performance comparison of the state-of-the-art classification techniques, was proposed as the fourth contribution. The framework was successfully tested on the semisynthetic and real-world pulp sheet images. These four contributions assist in developing an integrated factory-level vision-based process control.

Wastewater Treatment and Deinking Sludge Utilization Possibilities for Energy and Material Recovery in the Leningrad Region

Operation of pulp and paper mills generates waste including wastewater treatment sludge and deinking sludge. Both sludge types are generated in large amounts and are mainly disposed of in landfills in the Leningrad Region resulting in environmental degradation. The thesis was aimed at seeking new sustainable ways of sludge utilization. Two paper mills operating in the Leningrad Region and landfilling their sludge were identified: “SCA Hygiene Products Russia” and “Knauf”. The former generates 150 t/day of deinking sludge, the latter – 145 t/day of secondary sludge. Chemical analyses of deinking sludge were performed to assess applicability of sludge in construction materials production processes. Higher heating value on dry basis of both sludge types was determined to evaluate energy potential of sludge generated in the Leningrad Region. Total energy output from sludge incineration was calculated. Deinking sludge could be utilized in the production process of “LSR-Cement” or “Slantsy Cement Plant Cesla” factories, and “Pobeda” and “Nikolsky” brick mills without exceeding current sludge management costs.

Helmimyllyn toimintaparametrien vaikutus jauhautuvuuteen

Työn teoriaosassa tutkittiin materiaalin hienontamista jauhatuksen näkökulmasta. Jauhatuksessa keskityttiin ultrahienojauhatukseen ja siinä käytettäviin myllyihin, jois-ta lähimmin tarkasteltiin helmimyllyä ja sen toimintaparametrien vaikutusta jauhau-tuvuuteen. Lisäksi teoriaosassa tutkittiin jauhatuksen energiankulutusta, joka on yksi jauhatuksen suurimmista ominaisuuksista. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin kalkkikiven jauhautuvuutta ja jauhatuksen omi-naisenergiankulutusta käyttäen kolmea erilaista sekoitinelintä. Kokeissa myllynä käy-tettiin helmimyllyä ja jauhinkappaleina 2 mm:n lasihelmiä. Jauhautuvuutta tutkittiin analysoimalla tuotteiden partikkelikokojakaumat Beckman Coulter LS 13 320 partik-kelikokoanalysaattoria. Energiankulutukset määritettiin lietteen lämpötilan muutok-sen perusteella ensimmäisen viidentoista minuutin aikana. Työn tavoitteena oli selvittää, onko uusi lapamainen sekoitinelin tehokas jauhatta-vuuden kannalta mutta samalla myös energiatehokas. Tämän työn perusteella uusi lapamainen sekoitinelin on tehokas jauhautuvuuden kannalta suuremmilla pyörimis-nopeuksilla. Ominaisenergiankulutus on puolestaan samaa luokkaa suuremmilla pyö-rimisnopeuksilla verrattaessa eri sekoitinelimiä.

Brittleness of Paper

Brittleness is a well-known material characteristic but brittleness of paper is vaguely covered. The objective of this thesis was to characterize the phenomenon and causes around brittleness of paper and to clarify if it is a measurable property. Brittleness of paper was approached from the perspectives of paper physics and paper mills. Brittleness is a property of dry paper and it causes problems at the finishing stages of paper machine. According to paper physics, brittle materials fail in the elastic regime, while ductile materials can locally accumulate a plastic deformation prior to the fracture and they are often able to withstand higher stresses. Brittleness of paper is vastly affected by the surrounding conditions: paper as a hygroscopic material tries to get to the equilibrium. It is also affected by the quality of the pulp used. Measurement techniques can be divided into two categories: based on the viscoelastic behavior of paper and on the exposure to the mechanical stress of sort. The experimental part of the thesis was based on the trials with brittle and non-brittle mill-made LWC papers. It is divided into three parts: strength testing of the brittle and non-brittle papers, analysis of the conditions that may contribute the brittleness and the experimental methods to evaluate brittle behavior. The strength measurements confirmed the influence of the moisture content, but only tensile energy absorption and the fracture toughness measurements provided modest differences between the brittle and non-brittle papers. Versatile analysis of the possible contributing factors resulted into speculation, while the brittle papers contained higher amount of starch, triglycerides and steryl esters. The experimental research proved that the formation, the sensory impression and the variation of local strains may contain the crucial information of paper brittleness.

Potential utilization ways of recovered chemical products from digestate

The study evaluates the potential application of chemical substances, obtained from biogas plants` by-products. Through the anaerobic digestion process with biogas the large amount of digestate is produced. This digestate mainly consists on the organic matter with the high concentration of nutrients such as nitrogen and phosphorus. During ammonia stripping and phosphorus precipitation the products- ammonia water, ammonium sulfate, ammonium nitrate, ferrous phosphate, aluminum phosphate, calcium phosphate and struvite can be recovered. These chemicals have potential application in different industrial sectors. According to Finnish market and chemicals properties, the most perspective industrial applications were determined. Based on the data, obtained through the literature review and market study, the ammonia water was recognized as a most perspective recovered substances. According to interview provided among Finnish companies, ammonia water is used for flue gas treatment in SNCR technology. This application has a large scale in the framework of Finnish industrial sectors. As well nitrogen with phosphorous can be used as a source of nutrients in the biological wastewater treatment plants of paper mills.

Sellutehtaan prosessien jätevesien puhdistaminen membraanitekniikalla

Tässä työssä tarkoituksena on tutkia mahdollisuuksia sellutehtaan eri jätevesien puhdistukseen uudelleenkäyttöä varten. Yleensä tutkimuksen kohteena ovat yleensä valkaisun alkalisen suodokset, koska niiden suodattaminen on ollut helppoa membraanitekniikalla. Tässä tutkimuksessa kuitenkin kiinnostuksen kohteena ovat valkaisun happamat suodokset ja kuorimon jätevedet. Tutkimuksessa käytettiin viittä membraania, joista kolme on ultrasuodatusmembraaneja ja kaksi nanosuodatusmembraaneja. Näiden katkaisukoot ovat väillä 30 000 -200 Da. Konsentraatiosuodatukset suoritettiin CR 250 -suodattimella. Syötöstä, konsentraatista ja permeaatista otettujen näytteiden analyysien pohjalta laskettujen retentioiden perusteella nanosuodatusmembraani NF270 antoi parhaan tuloksen. Tällä membraanilla kuorimon jätevesien suodatuksessa retentioksi saatiin kaikilla osa-alueilla vähintään 80 %, mutta valkaisun happamien suodosten tulokset olivat alhaisempia. Suodatusten perusteella voitiin laskea tarvittava kapasiteetti ja suodatuspinta-ala suodatus yksiköille. Kummassakin tapauksessa suodatuksen syöttömäärät määräytyivät erään suomalaisen sellutehtaan valkaisussa ja kuorimolla syntyvien jätevesimäärien mukaan. Suodatusyksiköiden kooksi saatiin valkaisun happamien suodosten suodattamiseen 54 CR 1010 -suodatinta ja kuorimon jätevesien suodattamiseen 4 CR 1010-suodatinta.

Lakisääteiset hitsaustyöt ja niiden laadunhallinta

Tässä diplomityössä selvitettiin UPM Kaukaan tehtailla esiintyviin lakisääteisiin hitsauskohteisiin liittyvää lainsäädäntöä ja lainsäädännön vaikutusta hitsaukselle. Lakisääteisiä hitsauskohteita ovat räjähdysvaaralliset tilat, painelaitteet, kemikaaliputkistot, kemikaalisäiliöt, maakaasulaitteet sekä kantavat teräsrakenteet. Diplomityössä selvitettiin lisäksi hitsauksen laadunhallintaa huomioiden korjaushitsaustyöt sekä uuden rakentaminen. Lakisääteet tuovat hitsauksen suorittamiselle usein tarkasti määritellyt velvoitteet koskien esimerkiksi dokumentointia, hitsaushenkilöstön pätevyyksiä, materiaaleja ja niin edelleen. Lakisääteet lisääntyvät jatkuvasti ja soveltamisalueet laajenevat, jolloin asioiden ylläpitäminen vaatii jatkuvaa seurantaa. Työssä luotiin ohjeistus koskien yleisesti hitsausta ja lisäksi käyttäjän ja omistajan velvoitteita koskevat ohjeet painelaitteista, maakaasulaitteista ja kemikaalilaitteista. Hitsauksen yleisohje koskee jokaista hitsaustapahtumaa korjaushitsauksesta uuden rakentamiseen. Ohje soveltuu lisäksi sopimusliitteeksi hitsaustyön tilauksissa.

Providing Discourse Services for Researchers in a Repository Setting

Poster at Open Repositories 2014, Helsinki, Finland, June 9-13, 2014

Maantieliikenteen mitta- ja massauudistuksen hyödyntämismahdollisuudet metsäteollisuustuotteiden kuljetuksissa

Työn tavoitteena oli tuottaa selvitys kohdeyrityksen kotimaan kuljetusten nykytilasta sekä toimenpidesuositus perusteluineen, onko tarpeellista kannustaa nykyisiä kuljetusalihankkijoita hankkimaan uutta kuljetuskalustoa. Lisäksi tutkimuksen tavoitteena oli selvittää ne tilanteet, joissa korkeampien kuormien hyödyntäminen olisi kaikkein kannattavinta kohdeyrityksen kannalta. Tutkimuksen teoriaosiossa käytiin läpi kuljetustoimintojen merkitystä yrityksissä, kerrottiin taustatietoa 1.10.2013 voimaantulleesta mitta- ja massauudistuksesta sekä kuljetuspalveluiden hinnoitteluun liittyviä seikkoja. Työn empiriaosiossa käsiteltiin tutkimukseen valittujen case – tehtaiden kotimaankuljetusten nykytilaa ja tehtaisiin liittyviä kuljetuskustannuslaskelmia tuloksineen, sekä nykytilan mukaisia että aiempaa suurempia sallittuja kuormia hyödynnettäessä. Lisäksi empiriaosiossa esitettiin laskelmiin perustuen toimenpidesuosituksia työn toimeksiantajalle. Työn keskeisin tulos oli, että mitta- ja massauudistusta kannattaa hyödyntää tilanteissa, joissa kuljetettavat määrät ovat mahdollisimmat suuria, välimatkat pitkiä ja joissa kuorma puretaan esim. satamassa. Käytännössä tämä toteutuu Pohjois-Suomesta Etelä-Suomeen suuntautuvissa kuljetuksissa ja se on myös kuljetusyritysten näkökulmasta kannattavin vaihtoehto.

Polysulfidiprosessi sulfaattisellutehtaassa

Kandidaatintyön tavoitteena on kartoittaa merkittävimmät muutokset sellutehtaalla siirryttäessä sulfaattimassan valmistuksesta polysulfidiselluprosessiin. Työssä esitellään sulfaattisellun valmistusprosessi ja polysulfidin vaatimat muutokset selluprosessissa erityisesti höyrynkulutuksen kannalta. Sellutehtaan höyrynkulutusta ja sen mahdollisia muutoksia tarkastellaan suhteessa tehtaan selluntuotantoon. Tutkimus tehdään tutustuen dokumenttilähteisiin sekä erityisesti hankkimalla lisätietoa ja käytännön näkemystä asiantuntijahaastatteluista. Työssä käytetään esimerkkinä tyypillistä modernia sellutehdasta, jonka perusteella tarkasteltavat osaprosessit ovat valikoituneet. Sulfaattiprosessiin tehtävät muutokset käsittävät keittolipeän muuttamisen polysulfidipitoiseksi, polysulfidin valmistusprosessin (MOXY) sekä keiton muuttamisen siten, että polysulfidin vaikutus voidaan maksimoida. Polysulfidiprosessi vaikuttaa merkittävästi lipeäkiertoon, keittämöön sekä kuivauskoneeseen. Muilla osastoilla ominaishöyrynkulutuksen odotetaan pysyvän tavanomaista sulfaattiprosessia vastaavalla tasolla. Höyrynkulutuksella on huomattava merkitys modernin sellutehtaan tuotanto- ja kustannustehokkuuteen, sillä säästetyllä ylijäämähöyryllä voidaan tuottaa myyntisähköä. Uusiutuvan energian tuottajana ja ympäristövastuullisena toimijana sellutehtaiden on järkevää pyrkiä vähentämään omaa höyrynkulutustaan ja lisäämään sitä kautta sähköntuotantoaan.

Polysulfidiprosessin vaikutukset höyrynkulutukseen sulfaattisellutehtaassa

Diplomityön tavoitteena on kartoittaa höyrynkulutuksen merkittävimmät muutokset sellutehtaalla siirryttäessä sulfaattimassan valmistuksesta polysulfidiselluprosessiin. Työssä esitellään sulfaattisellun valmistusprosessi ja polysulfidin vaatimat muutokset selluprosessissa erityisesti höyrynkulutuksen kannalta. Sellutehtaan höyrynkulutusta ja sen mahdollisia sekä todennettuja muutoksia tarkastellaan suhteessa tehtaan selluntuotantoon. Diplomityössä analysoidaan muutoksiin johtaneita syitä ja erityisesti peilataan niitä ennalta odotettuihin muutoksiin, joita kandidaatintyö ”Polysulfidiprosessi sulfaattisellutehtaassa” (Szepaniak 2014) esitti kirjallisuuden pohjalta. Tutkimus tehdään tutustuen dokumenttilähteisiin sekä erityisesti hankkimalla lisätietoa ja käytännön näkemystä asiantuntijahaastatteluista. Työssä käytetään esimerkkinä tyypillistä modernia sellutehdasta, jonka perusteella tarkasteltavat osaprosessit ovat valikoituneet. Tutkimustulosten perusteella esitetään jatkotutkimus- ja kehityskohteita. Sulfaattiprosessiin tehtävät muutokset käsittävät keittolipeän muuttamisen polysulfidipitoiseksi, polysulfidin valmistusprosessin (MOXY) sekä keiton muuttamisen siten, että polysulfidin vaikutus voidaan maksimoida. Polysulfidiprosessi vaikuttaa merkittävästi lipeäkiertoon ja keittämöön. Keittämön höyrynkulutus kasvaa, haihduttamon kuorma vähenee ja soodakattilan lämmöntuotanto heikkenee. Muilla osastoilla ominaishöyrynkulutuksen muutokset ovat tilastollisesti merkityksettömiä. Höyrynkulutuksella on huomattava merkitys modernin sellutehtaan tuotanto- ja kustannustehokkuuteen, sillä säästetyllä ylijäämähöyryllä voidaan tuottaa myyntisähköä. Uusiutuvan energian tuottajana ja ympäristövastuullisena toimijana sellutehtaiden on järkevää pyrkiä vähentämään omaa höyrynkulutustaan ja lisäämään sitä kautta sähköntuotantoaan.