Influence of Equipment Operation and Performance Deterioration on Power Plant Economy.

Pysyäkseen kilpailukykyisenä vapautuneilla sähkömarkkinoilla on voimalaitoksen energiantuotantokustannusten oltava mahdollisimman matalia, tinkimättä kuitenkaan korkeasta käytettävyydestä. Polttoaineen energiasisällön mahdollisimman hyvä hyödyntäminen on ratkaisevan tärkeää voimalaitoksen kannattavuudelle. Polttoainekustannusten osuus on konvektiivisilla laitoksilla yleensä yli puolet koko elinjakson kustannuksista. Kun vielä päästörajat tiukkenevat koko ajan, korostuu polttoaineen korkea hyötykäyttö entisestään. Korkea energiantuotannon luotettavuus ja käytettävyys ovat myös elintärkeitä pyrittäessä kustannusten minimointiin. Tässä työssä on käyty läpi voimalaitoksen kustannuksiin vaikuttavia käsitteitä, kuten hyötysuhdetta, käytettävyyttä, polttoaineen hintoja, ylös- ja alasajoja ja tärkeimpiä häviöitä. Ajostrategiassa ja poikkeamien hallinnassa pyritään hyvään hyötysuhteeseen ja alhaisiin päästöihin joka käyttötilanteessa. Lisäksi on tarkasteltu tiettyjen suureiden, eli höyryn lämpötilan ja paineen, savukaasun hapen pitoisuuden, savukaasun loppulämpötilan, sekä lauhduttimen paineen poikkeamien vaikutusta ohjearvostaan energiantuotantokustannuksiin. Happi / hiilimonoksidi optimoinnissa on otettu huomioon myös pohjatuhkan palamattomat.

Sähköverkkotiedonsiirtomenetelmän kehittäminen taajuusmuuttajaohjattuihin sähkökäyttöihin

Sähkömoottorin jatkuva-aikainen kunnonvalvonta vaatii tiedonsiirtoa moottorilta ylemmälle tietojärjestelmätasolle, kuten taajuusmuuttajalle. Uusien kaapeleiden asennus on työlästä ja kallista. Moottorin ja taajuusmuuttajan välillä on kuitenkin aina kaapeli, jota käytetään moottorin tehonsyöttöön. Tätä kaapelia on mahdollista käyttää myös tiedonsiirtokanavana. Tässä diplomityössä käsitellään ja tutkitaan sähköverkkotiedonsiirtomenetelmää, jonka avulla voidaan muodostaa Ethernet-yhteys moottorilta taajuusmuuttajalle tai toisinpäin. Työssä kehitetään simulointimalli tiedonsiirtokanavan taajuusriippuvan vaimennuksen simuloimiseen. Lisäksi kehitetään kytkentärajapinta, joka mahdollistaa tiedonsiirron kolmivaiheisessa taajuusmuuttajan syöttämässä moottorikaapelissa. Työssä suunnitellaan ja toteutetaan tiedonsiirtoa varten pilot-laitteisto, jolla tehdään laboratoriotestit. Laboratoriotesteillä varmistetaan menetelmän soveltuvuus. Laboratoriotestien avulla etsitään myös reunaehdot tiedonsiirron toiminnalle ja tiedonsiirtonopeuteen vaikuttavia tekijöitä taajuusmuuttajakäytössä. Lisäksi tarkastellaan menetelmän aiheuttamaa viivettä, joka on tärkeäsäätösovellusten kannalta. Lopuksi arvioidaan menetelmän soveltuvuus käytännön sovelluksiin.

Aspects on Process Engineering in the Finnish Pulp and Paper Industry : Thesis for the Degree of Licentiate in Science of Technology

Process development will be largely driven by the main equipment suppliers. The reason for this development is their ambition to supply complete plants or process systems instead of single pieces of equipment. The pulp and paper companies' interest lies in product development, as their main goal is to create winning brands and effective brand management. Design engineering companies will find their niche in detail engineering based on approved process solutions. Their development work will focus on increasing the efficiency of engineering work. Process design is a content-producing profession, which requires certain special characteristics: creativity, carefulness, the ability to work as a member of a design team according to time schedules and fluency in oral as well as written presentation. In the future, process engineers will increasingly need knowledge of chemistry as well as information and automation technology. Process engineering tools are developing rapidly. At the moment, these tools are good enough for static sizing and balancing, but dynamic simulation tools are not yet good enough for the complicated chemical reactions of pulp and paper chemistry. Dynamic simulation and virtual mill models are used as tools for training the operators. Computational fluid dynamics will certainlygain ground in process design.

SC HIOMON JA PAPERIKONEEN LÄMPÖTASAPAINON HALLINTA

Kivihiokkeen valmistus on energiaintensiivistä. Käytetystä energiasta muuttuu yli 90 prosenttia lämmöksi. Hiomolla käytetystä lämmöksi muuttuneesta tehosta voidaan paperikoneelle siirtää noin puolet. Mekaanisen massan valmistuksen ja paperikoneen vesikierrot erotetaan toisistaan häiriöaineiden kulkeutumisen estämiseksi. Vesikiertojen erottamisella katkaistaan myös lämmön siirtyminen hiomolta paperikoneelle massojen mukana. Käyttämällä lämmönsiirtimiä hiomon vesien jäähdytyksessä, voidaan hiomon hiomakoneiden suihkuvesivesilämpötilaa alentaa. Lämmönsiirto vaikuttaa paperikoneella annostelumassojen laimennusten kautta perälaatikkolämpötilaa kohottavasti. Työn tehtäväksi määritettiin kesäkuukausina esiintyvä hiomakoneiden suihkuveden raakavesijäähdytyksen tarpeen poistaminen ensisijaisesti niin, että ylimäärälämpö hyödynnetään tehtaalla. Työn muiksi tavoitteiksi muodostui annostelumassojen lämpötilan hallinta, etenkin muutokset, joilla voidaan nostaa hylkymassan annostelulämpötilaa. Työn kokeellinen osa tehtiin UPM Kymmene Oyj Kajaanin tehtailla syksyn 2004 aikana. Työssä tutkittiin WinGEMS simulointiohjelmalla tehtyjen mallien avulla lämmön siirtymistä hiomon ja paperikone 2:n välillä, sekä lämmönsiirtoa pois tasealueelta. Simulointimalli nykytilanteesta rakennettiin yksityiskohtaisesti nykyisen tuotantoprosessin kaltaiseksi ja siitä muokattiin eri vaihtoehtoja, joilla ratkaistiin tutkimukselle asetetut tehtävät. Kytkentämuutoksilla pystyttiin siirtämään hiomolta yli 85 % hiomakoneiden suihkuveden ylimäärälämmöstä ilman uusia laitehankintoja. Asentamalla lopuksi lämmönsiirrin hiomon puhdassuodoslinjaan, hiomakoneiden suihkuveden jäähdytystarve poistettiin kokonaan. Samalla alennettiin valkaisuun menevän massan lämpötilaa, jolloin peroksidivalkaisun kemikaalikulutus väheni yli 10 %. Lämmönsiirrinverkostosta tehtiin kesätilanteen pinch-analyysi, jolla selvitettiin prosessin lämmitys ja jäähdytystarpeet. Analyysin perusteella selvisi, että kytkennöissä ei rikota pinch sääntöjä ja, että prosessissa esiintyy kynnysongelma, jossa prosessi tarvitsee ainoastaan jäähdytystä.

Data collection and criticality analysis for cost effective maintenance during the life cycle of a flue gas line

Työn tarkoituksena oli kerätä käyttövarmuustietoa savukaasulinjasta kahdelta suomalaiselta sellutehtaalta niiden käyttöönotosta aina tähän päivään asti. Käyttövarmuustieto koostuu luotettavuustiedoista sekä kunnossapitotiedoista. Kerätyn tiedon avulla on mahdollista kuvata tarkasti laitoksen käyttövarmuutta seuraavilla tunnusluvuilla: suunnittelemattomien häiriöiden lukumäärä ja korjausajat, laitteiden seisokkiaika, vikojen todennäköisyys ja korjaavan kunnossapidon kustannukset suhteessa savukaasulinjan korjaavan kunnossapidon kokonaiskustannuksiin. Käyttövarmuustiedon keräysmetodi on esitelty. Savukaasulinjan kriittisten laitteiden määrittelyyn käytetty metodi on yhdistelmä kyselytutkimuksesta ja muunnellusta vian vaikutus- ja kriittisyysanalyysistä. Laitteiden valitsemiskriteerit lopulliseen kriittisyysanalyysiin päätettiin käyttövarmuustietojen sekä kyselytutkimuksen perusteella. Kriittisten laitteiden määrittämisen tarkoitus on löytää savukaasulinjasta ne laitteet, joiden odottamaton vikaantuminen aiheuttaa vakavimmat seuraukset savukaasulinjan luotettavuuteen, tuotantoon, turvallisuuteen, päästöihin ja kustannuksiin. Tiedon avulla rajoitetut kunnossapidon resurssit voidaan suunnata oikein. Kriittisten laitteiden määrittämisen tuloksena todetaan, että kolme kriittisintä laitetta savukaasulinjassa ovat molemmille sellutehtaille yhteisesti: savukaasupuhaltimet, laahakuljettimet sekä ketjukuljettimet. Käyttövarmuustieto osoittaa, että laitteiden luotettavuus on tehdaskohtaista, mutta periaatteessa samat päälinjat voidaan nähdä suunnittelemattomien vikojen todennäköisyyttä esittävissä kuvissa. Kustannukset, jotka esitetään laitteen suunnittelemattomien kunnossapitokustannusten suhteena savukaasulinjan kokonaiskustannuksiin, noudattelevat hyvin pitkälle luotettavuuskäyrää, joka on laskettu laitteen seisokkiajan suhteena käyttötunteihin. Käyttövarmuustiedon keräys yhdistettynä kriittisten laitteiden määrittämiseen mahdollistavat ennakoivan kunnossapidon oikean kohdistamisen ja ajoittamisen laitteiston elinaikana siten, että luotettavuus- ja kustannustehokkuusvaatimukset saavutetaan.

management as a part of product lifecycle management

Tässä työssä käsitellään maailmanlaajuisen paperi- ja sellutehtaille laitteita toimittavan yrityksen Andritz:in dokumenttien hallintaa, keskittyen lähinnä yrityksen service- liiketoiminnan ja tuotteen elinkaaren hallinnan tarpeisiin. Tarkoituksena on selvittää kuinka aikaisemmin yritykselle muihin tarkoituksiin valittu dokumenttien hallinta-järjestelmä sopii Service-liiketoiminnan tarpeisiin. Työ perustuu kirjallisuutteen sekä tekijän työn ohella sekä haastatteluin keräämään näkemykseen liiketoiminnasta tällä alalla. Työssä käsitellään yleisellä tasolla dokumenttien hallintajärjestelmiä, niiden rakennetta ja perusominaisuuksia, sekä esitellään markkinoilla olevia erityylisiä ratkaisuja. Työssä esitellään myös Andritz:in dokumenttien hallinnan nykytilaa, tuotteen elinkaaren päävaiheet, dokumenttien hallinnan merkitys niissä ja nykyisin käytössä oleva dokumenttien hallintajärjestelmä. Näiden rinnalla pyritään tuomaan esille Service- liiketoiminnan erityispiirteet ja tarpeet dokumenttien hallinnalle niiden kannalta. Työhön on sisällytetty myös käytännön esimerkki dokumenttien hallinnasta suuressa käynnissä olevassa projektissa. Projektissa käytetään dokumenttihotelli palvelua dokumenttien projektin aikaiseen hallintaan. Hotellissa olevat dokumentit tulee siirtää myös Andritzin omaan järjestelmään, tämä siirto on tehty osana työtä.

Keittomenetelmän esisuunnittelu

Diplomityö tehtiin tutkimusprojektissa yhteistyössä Andritz:n, Botnian ja Keskuslaboratorio KCL:n kanssa. Työn tavoitteena oli tarkastella KCL:n kehittämän hakkeen esikäsittelymentelmän soveltuvuutta tehdasympäristöön ja menetelmän taloudellisuutta. Tarkastelun tavoitteena oli löytää sopivat laitteet ja olosuhteet esikäsittelylle, sekä tutkia onko esikäsittelyn käyttäminen taloudellisesti kannattavaa. Menetelmän asentaminen olemassa olevalle tehtaalle havaittiin hankalaksi ja odotettua kalliimmaksi. Asennus uudelle tehtalle, jolloin menetelmä voidaan integroida suoraan tehdasprosessiin vaikuttaa kannattavalta vaihtoehdolta. Esikäsittely havaittiin kannattavaksi pienellä kemikaaliannoksella, mutta annoksen kasvaessa menelmästä saatava hyötä pienenee. Kokonaisuutena esikäsittely vaikuttaa tuottavalta ja mahdolliselta tavalta parantaa sulfaattikeiton saantoa. Työn perusteella lisätutkimukset menetelmästä ovat suositeltavia, jotta tarkempi suunnittelu voidaan tehdä.

Improvement of Operational Efficiency effectiveness (OEE) using Six Sigma DMAIC Methodology — Case Bottomer line AD2378

Overall Equipment Effectiveness (OEE) is the key metric of operational excellence. OEE monitors the actual performance of equipment relative to its performance capabilities under optimal manufacturing conditions. It looks at the entire manufacturing environment measuring, in addition to the equipment availability, the production efficiency while the equipment is available to run products, as well as the efficiency loss that results from scrap, rework, and yield losses. The analysis of the OEE provides improvement opportunities for the operation. One of the tools used for OEE improvement is Six Sigma DMAIC methodology which is a set of practices originally developed to improve processes by eliminating defects. It asserts the continuous efforts to reduce variation in process outputs as key to business success, as well as the possibility of measurement, analysis, improvement and control of manufacturing and business processes. In the case of the Bottomer line AD2378 in Papsac Maghreb Casablanca plant, the OEE figures reached 48.65 %, which is below the accepted OEE group performance. This required immediate actions to achieve OEE improvement. This Master thesis focuses on the application of Six Sigma DMAIC methodology in the OEE improvement on the Bottomer Line AD2378 in Papsac Maghreb Casablanca plant. First, the Six Sigma DMAIC and OEE usage in operation measurement will be discussed. Afterwards, the different DMAIC phases will allow the identification of improvement focus, the identification of OEE low performance causes and the design of improvement solutions. These will be implemented to allow further tracking of improvement impact on the plant operations.

Enhancement of water removal in the press section

The effectiveness of water removal on press section is very important for a paper and board machine’s functioning, efficiency and economy. Today, the most effective method for wet pressing is shoe press technology. Metso has carried out a number of studies concerning anew type of water removal method for a press section, which has also been patented. These studies include rough sketches and some test runs. These issues form the basis of this thesis. The objective of this work was to gather together information for a new and enhanced waterremoval method for a press section by studying the functioning of the device andcarrying out test runs. This method is referred to here as Hydronip. The main goal was tobuild a functional test site which fulfills all the necessary requirements and has all thenecessary information gathering devices. The design process was carried out by emphasizing the safety aspects. The goal was also to gather together information about the nip structure in running conditions, the seal function, and to carry out the nip tests with paper or board wads. This thesis consists of a theory part, the design and construction of the test site, and carrying out test runs through information gathering. The theory part consists of the principals of water removal from a press section, Hydronip construction, and the requirements for the test place. The safety aspects were taken into account especially in test runs, but also in the assembly stages. The design and construction of the test site includes the selection of equipment and surroundings that are needed for managing the test runs in the best possible way at certain premises. The test site included the equipment that was already on the premises. Some equipment could be used as it was but some equipment had to be manufactured or modified from existing equipment. A functional test site with information gathering devices was accomplished as a result of thethesis. Test runs demonstrated that the Hydronip concept is, at least on a small scale,functional. Short-term tests for seal functioning showed that the seal can be lubricatedsufficiently under different kinds of nip load situations. Wad tests demonstrated that the metal belt is durable against different sizes of external particles. The seal also endured wad tests even though the pressure impacts impaired the lubrication. MTS tests showing dry content increases, combined with a rough cost calculation and the basic function of the machine in test runs, show that with some further study Hydronip could be a promising new product for water removal from a paper or board machine’s press section.

Software for design of experiments and response modelling of cake ltration applications

Filtration is a widely used unit operation in chemical engineering. The huge variation in the properties of materials to be ltered makes the study of ltration a challenging task. One of the objectives of this thesis was to show that conventional ltration theories are di cult to use when the system to be modelled contains all of the stages and features that are present in a complete solid/liquid separation process. Furthermore, most of the ltration theories require experimental work to be performed in order to obtain critical parameters required by the theoretical models. Creating a good overall understanding of how the variables a ect the nal product in ltration is somewhat impossible on a purely theoretical basis. The complexity of solid/liquid separation processes require experimental work and when tests are needed, it is advisable to use experimental design techniques so that the goals can be achieved. The statistical design of experiments provides the necessary tools for recognising the e ects of variables. It also helps to perform experimental work more economically. Design of experiments is a prerequisite for creating empirical models that can describe how the measured response is related to the changes in the values of the variable. A software package was developed that provides a ltration practitioner with experimental designs and calculates the parameters for linear regression models, along with the graphical representation of the responses. The developed software consists of two software modules. These modules are LTDoE and LTRead. The LTDoE module is used to create experimental designs for di erent lter types. The lter types considered in the software are automatic vertical pressure lter, double-sided vertical pressure lter, horizontal membrane lter press, vacuum belt lter and ceramic capillary action disc lter. It is also possible to create experimental designs for those cases where the variables are totally user de ned, say for a customized ltration cycle or di erent piece of equipment. The LTRead-module is used to read the experimental data gathered from the experiments, to analyse the data and to create models for each of the measured responses. Introducing the structure of the software more in detail and showing some of the practical applications is the main part of this thesis. This approach to the study of cake ltration processes, as presented in this thesis, has been shown to have good practical value when making ltration tests.

Software for design of experiments and response modelling of cake filtration applications

Filtration is a widely used unit operation in chemical engineering. The huge variation in the properties of materials to be ltered makes the study of ltration a challenging task. One of the objectives of this thesis was to show that conventional ltration theories are di cult to use when the system to be modelled contains all of the stages and features that are present in a complete solid/liquid separation process. Furthermore, most of the ltration theories require experimental work to be performed in order to obtain critical parameters required by the theoretical models. Creating a good overall understanding of how the variables a ect the nal product in ltration is somewhat impossible on a purely theoretical basis. The complexity of solid/liquid separation processes require experimental work and when tests are needed, it is advisable to use experimental design techniques so that the goals can be achieved. The statistical design of experiments provides the necessary tools for recognising the e ects of variables. It also helps to perform experimental work more economically. Design of experiments is a prerequisite for creating empirical models that can describe how the measured response is related to the changes in the values of the variable. A software package was developed that provides a ltration practitioner with experimental designs and calculates the parameters for linear regression models, along with the graphical representation of the responses. The developed software consists of two software modules. These modules are LTDoE and LTRead. The LTDoE module is used to create experimental designs for di erent lter types. The lter types considered in the software are automatic vertical pressure lter, double-sided vertical pressure lter, horizontal membrane lter press, vacuum belt lter and ceramic capillary action disc lter. It is also possible to create experimental designs for those cases where the variables are totally user de ned, say for a customized ltration cycle or di erent piece of equipment. The LTRead-module is used to read the experimental data gathered from the experiments, to analyse the data and to create models for each of the measured responses. Introducing the structure of the software more in detail and showing some of the practical applications is the main part of this thesis. This approach to the study of cake ltration processes, as presented in this thesis, has been shown to have good practical value when making ltration tests.

Kasanpurkaimen portaalin teknistaloudellinen tarkastelu

Tämä diplomityö on tehty kansainväliseen materiaalinkäsittelyjärjestelmiä toimittavaan yritykseen. Menestyvän yrityksen on pyrittävä kustannustehokkuuden jatkuvaan parantamiseen. Tässä diplomityössä on tutkittu kannattaako kasanpurkaimen portaali valmistaa ristikkorakenteena levyrakenteeseen verrattuna. Tutkimukseen on sisällytetty koko toimitusketju suunnittelusta asennukseen, mutta lujuuslaskennan on suorittanut ulkopuolinen alihankkija. Yrityksen projektissa toimitettiin samaan aikaan purkainta, jonka portaali valmistettiin levyrakenteena. Tätä portaalia on käytetty uuden ristikkorakenteisen portaalin vertailukohtana. Ristikkorakenteinen portaali on suunniteltu putkipalkkirakenteena, jolloin siitä saatiin kevyempi. Suunnittelussa on pyritty huomioimaan valmistusystävällisen suunnittelun näkökohtia, joita esitellään työn teoriaosassa. Ristikkorakenteesta on tehty myös tarjouskuvat, joiden pohjalta valmistustarjoukset on pyydetty. Valmistuskustannusten lisäksi tarkemmassa tarkastelussa ovat suunnittelu- ja laskentakustannukset.

A simulation model of the optimal maintenance strategy: conceptual agent-based approach

In this Master’s thesis agent-based modeling has been used to analyze maintenance strategy related phenomena. The main research question that has been answered was: what does the agent-based model made for this study tell us about how different maintenance strategy decisions affect profitability of equipment owners and maintenance service providers? Thus, the main outcome of this study is an analysis of how profitability can be increased in industrial maintenance context. To answer that question, first, a literature review of maintenance strategy, agent-based modeling and maintenance modeling and optimization was conducted. This review provided the basis for making the agent-based model. Making the model followed a standard simulation modeling procedure. With the simulation results from the agent-based model the research question was answered. Specifically, the results of the modeling and this study are: (1) optimizing the point in which a machine is maintained increases profitability for the owner of the machine and also the maintainer with certain conditions; (2) time-based pricing of maintenance services leads to a zero-sum game between the parties; (3) value-based pricing of maintenance services leads to a win-win game between the parties, if the owners of the machines share a substantial amount of their value to the maintainers; and (4) error in machine condition measurement is a critical parameter to optimizing maintenance strategy, and there is real systemic value in having more accurate machine condition measurement systems.

Effects of mineral sorting on concentrator design and economics

Ore sorting after crushing is an effective way to enhance the feed quality of a concentrator. Sorting by hand is the oldest way of concentrating minerals but it has become outdated because of low capacities. Older methods of sorting have also been difficult to use in large scale productions due to low capacities of sorters. Data transfer and processing and the speed of rejection mechanisms have been the bottlenecks for effective use of sorters. A fictive chalcopyrite ore body was created for this thesis. The properties of the ore were typical of chalcopyrite ores and economical limit was set for design. Concentrator capacity was determined by the size of ore body and the planned mine life. Two concentrator scenarios were compared, one with the sorting facility and the other without sorting. Comparison was made for quality and amount of feed, size of equipment and economics. Concentrator with sorting had lower investment and operational cost but also lower incomes due to the ore loss in sorting. Net cash flow, net present value and internal rate of interest were calculated for comparison of the two scenarios.

Decentralized management of organic household wastes in the Kathmandu Valley using small-scale composting reactors

The sustainable management of municipal solid waste in the Kathmandu Valley has always been a challenging task. Solid waste generation has gone rapidly high in the Kathmandu Valley over the last decade due to booming population and rapid urbaniza-tion. Finding appropriate landfill sites for the disposal of solid wastes generated from the households of the Kathmandu Valley has always been a major problem for Nepalese government. 65 % of total generated wastes from the households of Nepal consist of organic materials. As large fractions of generated household wastes are organic in na-ture, composting can be considered as one of the best sustainable ways to recycle organ-ic wastes generated from the households of Nepal. Model Community Society Development (MCDS), a non-governmental organization of Nepal carried out its small-scale project in five households of the Kathmandu Valley by installing composting reactors. This thesis is based on this small-scale project and has used secondary data provided by MCDS Nepal for carrying out the study. Proper man-agement of organic wastes can be done at household levels through the use of compost-ing reactors. The end product compost can be used as soil conditioners for agricultural purposes such as organic farming, roof-top farming and gardening. The overall average organic waste generation in the Kathmandu Valley is found to be 0,23 kg/person/day and the total amount of organic household wastes generated in the Kathmandu Valley is around 210 Gg/yr. Produced composts from five composting reac-tors contain high amount of moistures but have sufficient amount of nutrients required for the fertility of land and plant growth. Installation of five composting reactors in five households have prevented 2,74 Mg of organic wastes going into the landfills, thus re-ducing 107 kg of methane emissions which is equivalent to 2,7 Mg of carbondioxide.