Energy-efficient control strategies for variable speed driven parallel pumping systems based on pump operation point monitoring with frequency converters

The pumping processes requiring wide range of flow are often equipped with parallelconnected centrifugal pumps. In parallel pumping systems, the use of variable speed control allows that the required output for the process can be delivered with a varying number of operated pump units and selected rotational speed references. However, the optimization of the parallel-connected rotational speed controlled pump units often requires adaptive modelling of both parallel pump characteristics and the surrounding system in varying operation conditions. The available information required for the system modelling in typical parallel pumping applications such as waste water treatment and various cooling and water delivery pumping tasks can be limited, and the lack of real-time operation point monitoring often sets limits for accurate energy efficiency optimization. Hence, alternatives for easily implementable control strategies which can be adopted with minimum system data are necessary. This doctoral thesis concentrates on the methods that allow the energy efficient use of variable speed controlled parallel pumps in system scenarios in which the parallel pump units consist of a centrifugal pump, an electric motor, and a frequency converter. Firstly, the suitable operation conditions for variable speed controlled parallel pumps are studied. Secondly, methods for determining the output of each parallel pump unit using characteristic curve-based operation point estimation with frequency converter are discussed. Thirdly, the implementation of the control strategy based on real-time pump operation point estimation and sub-optimization of each parallel pump unit is studied. The findings of the thesis support the idea that the energy efficiency of the pumping can be increased without the installation of new, more efficient components in the systems by simply adopting suitable control strategies. An easily implementable and adaptive control strategy for variable speed controlled parallel pumping systems can be created by utilizing the pump operation point estimation available in modern frequency converters. Hence, additional real-time flow metering, start-up measurements, and detailed system model are unnecessary, and the pumping task can be fulfilled by determining a speed reference for each parallel-pump unit which suggests the energy efficient operation of the pumping system.

Real-time monitoring of laser scribing process utilizing high-speed camera

Currently, laser scribing is growing material processing method in the industry. Benefits of laser scribing technology are studied for example for improving an efficiency of solar cells. Due high-quality requirement of the fast scribing process, it is important to monitor the process in real time for detecting possible defects during the process. However, there is a lack of studies of laser scribing real time monitoring. Commonly used monitoring methods developed for other laser processes such a laser welding, are sufficient slow and existed applications cannot be implemented in fast laser scribing monitoring. The aim of this thesis is to find a method for laser scribing monitoring with a high-speed camera and evaluate reliability and performance of the developed monitoring system with experiments. The laser used in experiments is an IPG ytterbium pulsed fiber laser with 20 W maximum average power and Scan head optics used in the laser is Scanlab’s Hurryscan 14 II with an f100 tele-centric lens. The camera was connected to laser scanner using camera adapter to follow the laser process. A powerful fully programmable industrial computer was chosen for executing image processing and analysis. Algorithms for defect analysis, which are based on particle analysis, were developed using LabVIEW system design software. The performance of the algorithms was analyzed by analyzing a non-moving image from the scribing line with resolution 960x20 pixel. As a result, the maximum analysis speed was 560 frames per second. Reliability of the algorithm was evaluated by imaging scribing path with a variable number of defects 2000 mm/s when the laser was turned off and image analysis speed was 430 frames per second. The experiment was successful and as a result, the algorithms detected all defects from the scribing path. The final monitoring experiment was performed during a laser process. However, it was challenging to get active laser illumination work with the laser scanner due physical dimensions of the laser lens and the scanner. For reliable error detection, the illumination system is needed to be replaced.

Constant and variable amplitude fatigue strength of high strength steel welds treated with ultrasonic impact treatment

Hitsattujen rakenteiden väsymiskestävyyttä pystytään parantamaan jälkikäsittelymenetelmillä, joistayksi, ultraäänikäsittely muokkaa hitsin geometriaa ja aiheuttaa puristusjäännösjännitystilan. Tässä tutkimuksessa verrataan kokeellisesti kuormaa kantamattoman hitsatun ja ui -käsitellyn rivan väsymislujuutta toisiinsa. Tutkimusohjelmaan kuuluu kahta teräslajia ja sekä vakio - että vaihtuva - amplitudista kuormitusta. Ultraäänikäsittelyllä saavutetaan väsymiskestoiän parantuminen vakio - ja vaihtuva - amplitudisella kuormituksella. Perusaineen lujuudella ei ole merkittää vaikutusta väsymislujuuteen kun liitos on hitsatussa tilassa. Tällöin väsymiskestävyyden määrää hitsin rajaviivan jännityskeskittymä. Ultraäänikäsitellyn hitsatunliitoksen väsymiskestävyys on suurempi korkeamman lujuuden omaavilla teräksillä. Tästä syystä korkealujuuksisten terästen käyttö ultraäänikäsiteltynä väsyttävästi kuormitetuissa kevytrakenteissa on perusteltua.

Real-time Imaging and Mosaicking of Planar Surfaces

Laajojen pintojen kuvaaminen rajoitetussa työskentelytilassa riittävällä kuvatarkkuudella voi olla vaikeaa. Kuvaaminen on suoritettava osissa ja osat koottava saumattomaksi kokonaisnäkymäksi eli mosaiikkikuvaksi. Kuvauslaitetta käsin siirtelevän käyttäjän on saatava välitöntä palautetta, jotta mosaiikkiin ei jäisi aukkoja ja työ olisi nopeaa. Työn tarkoituksena oli rakentaa pieni, kannettava ja tarkka kuvauslaite paperi- ja painoteollisuuden tarpeisiin sekä kehittää palautteen antamiseen menetelmä, joka koostaaja esittää karkeaa mosaiikkikuvaa tosiajassa. Työssä rakennettiin kaksi kuvauslaitetta: ensimmäinen kuluttajille ja toinen teollisuuteen tarkoitetuista osista. Kuvamateriaali käsiteltiin tavallisella pöytätietokoneella. Videokuvien välinen liike laskettiin yksinkertaisella seurantamenetelmällä ja mosaiikkikuvaa koottiin kameroiden kuvanopeudella. Laskennallista valaistuksenkorjausta tutkittiin ja kehitetty menetelmä otettiin käyttöön. Ensimmäisessä kuvauslaitteessa on ongelmia valaistuksen ja linssivääristymien kanssa tuottaen huonolaatuisia mosaiikkikuvia. Toisessa kuvauslaitteessa nämä ongelmat on korjattu. Seurantamenetelmä toimii hyvin ottaen huomioon sen yksinkertaisuuden ja siihen ehdotetaan monia parannuksia. Työn tulokset osoittavat, että tosiaikainen mosaiikkikuvan koostaminen megapikselin kuvamateriaalista on mahdollista kuluttajille tarkoitetulla tietokonelaitteistolla.

Maakaasun reaalisuuskertoimen määrittäminen

Tässä työssä tutkitaan venäläisen maakaasun reaalisuuskertoimen arvoa painealueella 70-230bar ja lämpötiloissa 0-77°C. Kaasun reaalisuuskertoimella kompensoidaan todellisen kaasun p-V-T suhteiden poikkeamaa ideaalikaasun tilayhtälöön verrattuna. Reaalisuuskertoimella on vaikutusta kaasun ennakoituun käyttäytymiseen etenkin korkeissa paineissa ja matalissa lämpötiloissa. Työhön sisältyy niin teoreettinen kuin kokeellinenkin osuus. Työn aluksi selvitetään muutamia peruskäsitteitä, sekä ideaalikaasun tilayhtälöä ja kineettistä kaasuteoriaa. Tämän jälkeen tarkastellaan teoreettisia reaalisuuskertoimen määrittämiseen käytettäviä laskentakaavoja, sekä niiden antamia reaalisuuskertoimen arvoja. Myös seoskomponenttien, kuten typen, hiilidioksidin, etaanin ja propaanin vaikutusta kaasuseoksen reaalisuuskertoimen arvoon tutkitaan. Kokeellisessa osassa mitataan reaalisuuskertoimen arvoja erikseen työtä varten suunnitellun laitteiston avulla.

Optimization of energy consumption in wastewater pumping

Pumppauksessa arvioidaan olevan niin teknisesti kuin taloudellisestikin huomattavia mahdollisuuksia säästää energiaa. Maailmanlaajuisesti pumppaus kuluttaa lähes 22 % sähkö-moottorien energiantarpeesta. Tietyillä teollisuudenaloilla jopa yli 50 % moottorien käyttämästä sähköenergiasta voi kulua pumppaukseen. Jäteveden pumppauksessa pumppujen toiminta perustuu tyypillisesti on-off käyntiin, jolloin pumpun ollessa päällä se käy täydellä teholla. Monissa tapauksissa pumput ovat myös ylimitoitettuja. Yhdessä nämä seikat johtavat kasvaneeseen energian kulutukseen. Työn teoriaosassa esitellään perusteet jätevesihuollosta ja jäteveden käsittelystä sekä pumppaussysteemin pääkomponentit: pumppu, putkisto, moottori ja taajuusmuuttaja. Työn empiirisessä osassa esitellään työn aikana kehitetty laskuri, jonka avulla voidaan arvioida energiansäästöpotentiaalia jäteveden pumppaussysteemeissä. Laskurilla on mandollista laskea energiansäästöpotentiaali käytettäessä pumpun tuoton ohjaustapana pyörimisnopeuden säätöä taajuusmuuttajalla on-off säädön sijasta. Laskuri ilmoittaa optimaalisimmanpumpun pyörimisnopeuden sekä ominaisenergiankulutuksen. Perustuen laskuriin, kolme kunnallista jätevedenpumppaamoa tutkittiin. Myös laboratorio-testitsuoritettiin laskurin simuloimiseksi sekä energiansäästöpotentiaalin arvioimiseksi. Tutkimukset osoittavat, että jätevedenpumppauksessa on huomattavia mandollisuuksia säästää energiaa pumpun pyörimisnopeutta pienentämällä. Geodeettisen nostokorkeuden ollessa pieni, voidaan energiaa säästää jopa 50 % ja pitkällä aikavälillä säästö voi olla merkittävä. Tulokset vahvistavat myös tarpeen jätevedenpumppaussysteemien toiminnan optimoimiseksi.

Paperiteollisuusyrityksen hankintaprosessien parantaminen - Case M-real

Tämä tutkimus käsittelee teollisuusyrityksen hankintaprosessien parantamista. Tavoitteena oli selvittää, millaisilla toimenpiteillä raakaaineiden ja MRO (maintenance, repair and operating)-tuotteiden hankintaprosesseista saadaan toimivia ja tehokkaita. Tutkielmassa tarkastellaan hankintaprosessiin vaikuttavia asioita, erityisesti keskittämistä sekä informaatioteknologiaa, ja tuodaan esille erilaisia hankintaprosessin parantamiseen tähtääviä lähestymistapoja. Tutkimus toteutettiin laadullisena tapaustutkimuksena. Empiirinen aineisto kerättiin kohdeyritys M-realilla tehtyjen haastattelujen sekä havainnoinnin avulla. Tutkimuksessa havaittiin, että raaka-aineiden hankintaprosessia voidaan tehostaa lisäämällä automatiikkaa sekä parantamalla yhteistyötä hankintaprosessiin osallistuvien tahojen kesken. MRO-tuotteiden hankintaa voidaan tehostaa monilla operationaalisilla toimenpiteillä, kuten yksinkertaistamalla hankintaehdotuksen tekemistä. Yhtenä keskeisimpänä tutkimustuloksena on se, että toiminnanohjausjärjestelmä on merkittävimpiä hankintaprosessin parantamista rajoittavia tekijöitä. Merkittävänä tutkimustuloksena voidaan pitää myös sitä, että hankintaprosessin osien keskittämisen myötä kosketus paikallisiin asioihin vähenee, mutta tämä ei ole kuitenkaan ylivoimainen este hankintaprosessin tehokkaalle hoitamiselle. Tutkimuksessa havaittiin, että informaatioteknologian kehittymisen myötä hankintaprosessi on nopeutunut.

Strategic investment appraisal; extended real options approach

Tutkielma keskittyy lisäämään investointiarviointiprosessien rationaalisuutta strategisten investointien arvioinnissa duopoli- / oligopolimarkkinoilla. Tutkielman päätavoitteena on selvittää kuinka peliteorialla laajennettu reaalioptioperusteinen investointien arviointimenetelmä, laajennettu reaalioptiokehikko, voisi mahdollisesti parantaa analyysien tarkkuutta. Tutkimus lähestyy ongelmaa investoinnin ajoituksen sekä todellisten investoinnin arvoattribuuttien riippuvuuksien kautta. Laajennettu reaalioptiokehikko on investointien analysointi- ja johtamistyökalu, joka tarjoaa osittain rajoitetun (sisältää tällä hetkellä ainoastaan parametrisen ja peliteoreettisen epävarmuuden) optimaalisen arvovälin investoinnin todellisesta arvosta. Kehikossa, ROA kartoittaa mahdolliset strategiset hyödyt tunnistamalla investointiinliittyvät eri optiot ja epävarmuudet, peliteoria korostaa ympäristön luomia paineita investointiin liittyvän epävarmuuden hallitsemisessa. Laajennettu reaalioptiokehikko tarjoaa rationaalisemman arvion strategisen investoinnin arvosta, koska se yhdistää johdonmukaisemmin option toteutuksen ja siten myös optioiden aika-arvon, yrityksen todellisiin rajoitettuihin (rajoituksena muiden markkinatoimijoiden toimet) polkuriippuvaisiin kyvykkyyksiin.

Assessing Strategic IT Investments of Forest Industry by Means of the Real Options Approach, Case: Stora Enso

Tutkimuksen päämääränä oli tutkia miten reaalioptiomenetelmä soveltuu metsäteollisuuden strategisten informaatioteknologiainvestointien arvioimiseen. Tässä tutkimuksessa muodostettiin mukautettu reaalioptiosovelluskehys, esiteltyjen reaalioptiosovelluskehyksien perusteella. Valitut investointiehdotukset arvioitiin muodostetun sovelluskehyksen avulla. Tutkimus oli luonteeltaan kvalitatiivinen. Pääasiallisia tiedonlähteitä olivat lehtiartikkelit, GDSS -istunnot ja haastattelut. Tutkimuksen tuloksena selvisi, että reaalioptiomenetelmä sopii metsäteollisuudenstrategisten informaatioteknologiainvestointien arvioimiseen. On kuitenkin huomioitava, että investoinnin suunnitteluprosessin kypsyysaste vaikuttaa reaalioptiomenetelmän soveltamiseen. Tutkimuksessa arvioidut investoinnit ovat investoinnin suunnitteluvaiheen varhaisessa vaiheessa.

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

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

A comparative performance study of four-pole induction motors and synchronous reluctance motors in variable speed drives

Design aspects of the Transversally Laminated Anisotropic (TLA) Synchronous Reluctance Motor (SynRM) are studied and the machine performance analysis compared to the Induction Motor (IM) is done. The SynRM rotor structure is designed and manufactured for a30 kW, four-pole, three-phase squirrel cage induction motor stator. Both the IMand SynRM were supplied by a sensorless Direct Torque Controlled (DTC) variablespeed drive. Attention is also paid to the estimation of the power range where the SynRM may compete successfully with a same size induction motor. A technicalloss reduction comparison between the IM and SynRM in variable speed drives is done. The Finite Element Method (FEM) is used to analyse the number, location and width of flux barriers used in a multiple segment rotor. It is sought for a high saliency ratio and a high torque of the motor. It is given a comparison between different FEM calculations to analyse SynRM performance. The possibility to take into account the effect of iron losses with FEM is studied. Comparison between the calculated and measured values shows that the design methods are reliable. A new application of the IEEE 112 measurement method is developed and used especially for determination of stray load losses in laboratory measurements. The study shows that, with some special measures, the efficiency of the TLA SynRM is equivalent to that of a high efficiency IM. The power factor of the SynRM at rated load is smaller than that of the IM. However, at lower partial load this difference decreases and this, probably, brings that the SynRM gets a better power factor in comparison with the IM. The big rotor inductance ratio of the SynRM allows a good estimating of the rotor position. This appears to be very advantageous for the designing of the rotor position sensor-less motor drive. In using the FEM designed multi-layer transversally laminated rotor with damper windings it is possible to design a directly network driven motor without degrading the motorefficiency or power factor compared to the performance of the IM.