The Optimisation of the Draft Tube of a Hydro Power Plant at Off-Design Conditions

Several possible methods of increasing the efficiency and power of hydro power plants by improving the flow passages are investigated in this stydy. The theoretical background of diffuser design and its application to the optimisation of hydraulic turbine draft tubes is presented in the first part of this study. Several draft tube modernisation projects that have been carried out recently are discussed. Also, a method of increasing the efficiency of the draft tube by injecting a high velocity jet into the boundary layer is presented. Methods of increasing the head of a hydro power plant by using an ejector or a jet pump are discussed in the second part of this work. The theoretical principles of various ejector and jet pump types are presented and four different methods of calculating them are examined in more detail. A self-made computer code is used to calculate the gain in the head for two example power plants. Suitable ejector installations for the example plants are also discussed. The efficiency of the ejector power was found to be in the range 6 - 15 % for conventional head increasers, and 30 % for the jet pump at its optimum operating point. In practice, it is impossible to install an optimised jet pump with a 30 % efficiency into the draft tube as this would considerabely reduce the efficiency of the draft tube at normal operating conditions. This demonstrates, however, the potential for improvement which lies in conventional head increaser technology. This study is based on previous publications and on published test results. No actual laboratory measurements were made for this study. Certain aspects of modelling the flow in the draft tube using computational fluid dynamics are discussed in the final part of this work. The draft tube inlet velocity field is a vital boundary condition for such a calculation. Several previously measured velocity fields that have successfully been utilised in such flow calculations are presented herein.

Business opportunities in power sector of Ukraine : focus small-scale hydro and wind power sectors

In the last few years, the Ukrainian investment market has constantly shown strong performance and significant growth. This is primarily due to the investment attractiveness of Ukraine. From the perspective of investments in energy sector, Ukraine can be described as a country providing significant number of opportunities to multiply invested funds. But there are numbers of risks which hamper large investments. The work objective was to discover opportunities in small-scale hydropower and wind power sectors of Ukraine and more importantly to prove economic expediency of such investments. Thesis covers major of issues, concerning entering the Ukrainian power market as a foreign investor. It provides basic information about the structure of power market, the state of renewables sector in Ukraine, development of power sector in the regions, functioning of Wholesale Electricity Market, formation of electricity prices, possibilities for implementing joint Implementation mechanism, while the most attention, nevertheless, is concentrated on the opportunities in small-scale hydro and wind power sectors. Theoretical part of the study disclosed that Crimea peninsula has perfect wind conditions and could be a prospective area for wind project development. Investment analysis revealed that project profits will be excellent if green tariff for renewable energy is adopted. By the moment uncertainties about green law adoption bring additional risk to the projects and complicate any investment decision.

Analyzing the Effects of the New Renewable Energy Policy in Russia on Investments into Wind, Solar and Small Hydro Power

This thesis presents an analysis of recently enacted Russian renewable energy policy based on capacity mechanism. Considering its novelty and poor coverage by academic literature, the aim of the thesis is to analyze capacity mechanism influence on investors’ decision-making process. The current research introduces a number of approaches to investment analysis. Firstly, classical financial model was built with Microsoft Excel® and crisp efficiency indicators such as net present value were determined. Secondly, sensitivity analysis was performed to understand different factors influence on project profitability. Thirdly, Datar-Mathews method was applied that by means of Monte Carlo simulation realized with Matlab Simulink®, disclosed all possible outcomes of investment project and enabled real option thinking. Fourthly, previous analysis was duplicated by fuzzy pay-off method with Microsoft Excel®. Finally, decision-making process under capacity mechanism was illustrated with decision tree. Capacity remuneration paid within 15 years is calculated individually for each RE project as variable annuity that guarantees a particular return on investment adjusted on changes in national interest rates. Analysis results indicate that capacity mechanism creates a real option to invest in renewable energy project by ensuring project profitability regardless of market conditions if project-internal factors are managed properly. The latter includes keeping capital expenditures within set limits, production performance higher than 75% of target indicators, and fulfilling localization requirement, implying producing equipment and services within the country. Occurrence of real option shapes decision-making process in the following way. Initially, investor should define appropriate location for a planned power plant where high production performance can be achieved, and lock in this location in case of competition. After, investor should wait until capital cost limit and localization requirement can be met, after that decision to invest can be made without any risk to project profitability. With respect to technology kind, investment into solar PV power plant is more attractive than into wind or small hydro power, since it has higher weighted net present value and lower standard deviation. However, it does not change decision-making strategy that remains the same for each technology type. Fuzzy pay-method proved its ability to disclose the same patterns of information as Monte Carlo simulation. Being effective in investment analysis under uncertainty and easy in use, it can be recommended as sufficient analytical tool to investors and researchers. Apart from described results, this thesis contributes to the academic literature by detailed description of capacity price calculation for renewable energy that was not available in English before. With respect to methodology novelty, such advanced approaches as Datar-Mathews method and fuzzy pay-off method are applied on the top of investment profitability model that incorporates capacity remuneration calculation as well. Comparison of effects of two different RE supporting schemes, namely Russian capacity mechanism and feed-in premium, contributes to policy comparative studies and exhibits useful inferences for researchers and policymakers. Limitations of this research are simplification of assumptions to country-average level that restricts our ability to analyze renewable energy investment region wise and existing limitation of the studying policy to the wholesale power market that leaves retail markets and remote areas without our attention, taking away medium and small investment into renewable energy from the research focus. Elimination of these limitations would allow creating the full picture of Russian renewable energy investment profile.

Laivan voimalaitoksen ja jännitevälipiirillisen ruoripotkurikäytön vuorovaikutusten mallintaminen

Diplomityössä on tutkittu sähköisellä potkurijärjestelmällä varustetun laivan voimalaitoksen ja jännitevälipiirillisen propulsiokäytön vuorovaikutusta laivan hätäpysäytyksen aikana. Työssä on kehitetty simulointimalleja jännitevälipiirillisten sähkökäyttöjen simuloimiseksi Saber -simulontiohjelmistolla.Työn alkuosassa esitetään lyhyt yhteenveto laivan sähköisestä potkurijärjestelmästä komponentteineen, käsitellään laivan hätäpysäytyksen teoriaa sekä simuloinneissa huomioonotettavia laivan ja potkurin hydrodynaamisia ominaisuuksia. Työssä käytettävän simulointiohjelmiston toimintaa selvitetään lyhyesti. Jännitevälipiirillisellä propulsiokäytöllä varustetun laivan hätäpysäytyksen simulointimalli esitellään kokonaisuudessaan ja käsitellään simulointimallin sisältämien osakokonaisuuksien teoriaa ja toimintaa. Kehitetyn simulointimallin toimintaa on tarkasteltu vertaamalla tuloksia vastaavansyklokonvertterikäytöllä varustetun laivan simulointituloksiin sekä vertaamallasimulointituloksia laivan merikoeajon yhteydessä tehtyihin mittauksiin. Simulointitulokset vastasivat teoriaa sekä mittaustuloksia varsin hyvin. Voimalaitoksenosalta ei mittaustuloksia ollut käytettävissä, mutta simulointitulokset ovat teorian mukaisia.

Distributed Energy Production in the North-West Region of Russia

The energy system of Russia is the world's fourth largest measured by installed power. The largest are that of the the United States of America, China and Japan. After 1990, the electricity consumption decreased as a result of the Russian industry crisis. The vivid economic growth during the latest few years explains the new increase in the demand for energy resources within the State. In 2005 the consumption of electricity achieved the maximum level of 1990 and continues to growth. In the 1980's, the renewal of power facilities was already very slow and practically stopped in the 1990's. At present, the energy system can be very much characterized as outdated, inefficient and uneconomic because of the old equipment, non-effective structure and large losses in the transmission lines. The aim of Russia's energy reform, which was started in 2001, is to achieve a market based energy policy by 2011. This would thus remove the significantly state-controlled monopoly in Russia's energy policy. The reform will stimulateto decrease losses, improve the energy system and employ energy-saving technologies. The Russian energy system today is still based on the use of fossil fuels, and it almost totally ignores the efficient use of renewable sources such as wind, solar, small hydro and biomass, despite of their significant resources in Russia. The main target of this project is to consider opportunities to apply renewable energy production in the North-West Federal Region of Russia to partly solve the above mentioned problems in the energy system.

Vesivoiman ajosuunnittelu

Diplomityön tavoitteena oli tutkia UPM-Kymmene Oyj:n keskusvalvomossa tapahtuvaa vesivoiman ajosuunnittelua. Pääkohdat tarkastelussa olivat vesistöjen säännöstely, erilaiset vesivuodet ja sähkömarkkinatilanteet. Vesivoiman ajosuunnittelua tarkasteltiin pääasiassa erilaisten vesivuosien ja sähkömarkkinatilanteiden näkökulmasta. Lähtötietoina käytettiin Suomen ympäristökeskuksen vesistömallijärjestelmän ja UPM-Kymmene Oyj:n energianhallintajärjestelmän numeerisia historia-arvoja. Työssäselvitettiin UPM-Kymmene Oyj:n vesivarannoista hyödynnettävissä olevat energiamäärät. Energiamäärien avulla määritettiin skenaario UPM-Kymmene Oyj:n vesivoimantuotannon vaihtelusta. Lisäksi tarkasteltiin vesivoimaa sähkötaseen säätövoimana. Teoreettisessa osassa perehdyttiin Suomen sähköntuotantorakenteeseen, vesivoiman asemaan sähköntuotannossa ja vesivoiman ohjausmekanismeihin. Lisäksi tarkasteltiin UPM-Kymmene Oyj:n sähkön käyttöä ja vesivarantoja. Soveltavassa osassa tarkasteltiin, miten vesivoiman ohjausmekanismit toimivat käytännössä. Lisäksi analysoitiin sähkömarkkinatilanteiden vaikutuksia ja vesivoimalaitosten ajon tehostamismahdollisuuksia. Työn tuloksena laadittiin ennuste-simulaattori, jolla voidaan optimoida vesivoimanja lauhdevoiman ajoa. Tulevaisuudessa simulaattorin avulla voidaan ennustaa poikkeuksellisia sähkömarkkinatilanteita.

Pienvesivoimalanmallinnus ja jakeluverkkovaikutusten tarkastelu

Tässä työssä simuloitiin Valkealassa sijaitsevaa Tirvan pienvesivoimalaitosta ja sen vaikutusta sähkönjakeluverkkoon. Pienvesivoimalaitos mallinnettiin PSCAD-ympäristöön verkko- ja voimalaitostietojen perusteella. Sähköverkko kuvattiin malliin koko 110 kV:n siirtävän verkon ja Tirvan pienjänniteverkon väliltä. Mallin avulla tehtiin sarja hajautettua sähköntuotantoa koskevia tarkasteluita. Tarkasteluissa huomattiin voimalaitoksen verkkoonliitynnän aiheuttavan standardien ylärajoilla olevan transienttisen muutoksen voimalaitoksen jännitteisiin. Työssä tehtiin yksityiskohtaisempi jännitehäviöiden mittaus voimalaitoksen pullonkaulana toimivalle pienitehoiselle jakelumuuntajalle. Tuotannon lisäämisen yhteydessä näkyvän yllättävän jännitteen laskun syyt paikannettiin muuntajalla tapahtuviin loistehon siirrosta johtuviin ylimääräisiin jännitehäviöihin. Voimalaitoksella ei ole merkittävää vaikutusta vikatilanteiden virtoihin.

Verification of a dynamic laboratory scale former

Laboratoriomittakaavainen formeri on välttämätön, jotta paperinvalmistusprosessin jäljitteleminen olisi mahdollista. Vaikka erilaisia formereita löytyykin paperiteollisuudesta, tilaa on kuitenkin laboratoriomittakaavaiselle paperinvalmistusmenetelmälle, joka sijoittuisipilottikoneen ja perinteisen laboratorioarkkimuotin välille. Formeri, jolla saadaan aikaiseksi oikean paperinvalmistuksen kaltaiset olosuhteet ja ilmiöt on kehitetty, ja sen toiminta on testattu Nalcon Papermaking Centreof Excellence:ssä Espoossa. Formeri on yhdistetty Nalcon lähestymisjärjetelmäsimulaattoriin ja simulaattorilla aikaansaadut hydro-kemialliset ilmiöt voidaan testata nyt myös arkeista. Laitteessa on perälaatikko ja viiraosa. Perälaatikosta massa virtaa viiralle, joka liikkuu eteenpäin hihnakuljettimen hihnojen päällä. Suihku-viira -suhdetta voidaan muuttaa joko muuttamalla virtausnopeutta tai viiran nopeutta tai säätämällä perälaatikon huuliaukkoa. Formerintoiminnan testaus osoitti, että se toimii teknisesti hyvin ja tulokset ovat toistettavia ja loogisia. Arkeissa kuidut ovat orientoituneet, formaatio ja vetolujuussuhde KS/PS riippuvat voimakkaasti suihku-viira -suhteesta, kuten oikeillakinpaperikoneilla.

Teknologiaohjelma DENSY -Hajautetun energiantuotannon tulevaisuusskenaariot ja vaikutukset liiketoimintamalleihin

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää miten hajautettu energiantuotanto ja siihen liittyvä liiketoiminta tulee muuttumaan tulevaisuudessaja mitä mahdollisuuksia se voisi tarjota suomalaiselle osaamiselle. Työssä käydään läpi lyhyesti hajautetun energiantuotannon teknologian nykytilaa ja tehdään teknis-taloudellista vertailua eri tuotantoteknologioiden välillä. Tämän jälkeenon muodostettu asiantuntijoiden ja aktoreiden kanssa liiketoimin-taympäristöskenaarioita, jotka kuvaavat tulevaisuuden muutossuuntia hajautetun energian-tuotannon liiketoiminnassa. Skenaarioistunnoissa löydettiin muutosta ajavat voimat ja pohdittiin niiden vaikutusta alan kehitykseen. Työn tuloksena määriteltiin skenaarioiden kehitystä vahvimmin ohjaaviksi tekijöiksi infrastruktuurin kehittyneisyys ja toisaalta myös yhteiskunnan ohjaustoimet. Niiden pohjalta luotiin lopulliset neljä skenaariota ja niille kaikille liiketoimintakuvaukset. Skenaarioiden avulla suomalaisen toimijan näkökulmasta arvioitiin houkuttelevimmiksi markkina-alueiksi EU-15, Venäjä, Intia ja Kiina. Moninaisista liiketoimintaa estävistä te-kijöistä huolimatta markkinoilta löytyi suuri potentiaali hajautetun energiantuotannon jär-jestelmille. Potentiaalisimmiksi teknologioiksi suomalaisten yritysten kannalta nähtiin puolestaan diesel- ja kaasumoottorit, tuulivoima, pienvesivoima sekä bioenergia. Yhdessä markkina- ja teknologiatutkimuksien sekä skenaariotyön avulla luotiin uusia liiketoimin-takonseptikuvauksia tulevaisuuden hajautetun energiantuotannon markkinoille suomalai-sen toimijan näkökulmasta.

Trimmerin kapasiteetin kasvattaminen dynamiikan mallinnuksen avulla

Työn tavoitteena oli kasvattaa sahan dimensiolaitoksella käytettävän trimmerin rakenteellista kapasiteettia. Tavoitteeseen pyrittiin modernisoimalla trimmerin teräyksikköä käyttävää toimilaite ja teräyksikön säätö dynamiikan mallinnuksen avulla. Trimmerin teräyksikön dynamiikka mallinnettiin MATLAB-matematiikkaohjelmistolla kaksiulotteisena kinematiikkamallina ja kolmeulotteisena kinetiikkamallina. Dynamiikkamallien tulosten perusteella valittin teräyksikköä käyttävä toimilaite komponentteineen. Kinetiikkamalliin mallinnettiin trimmeriä käyttävä hydraulipiiri valittuine komponentteineen keskittyneiden paineiden ja puoliempiirisen mallinnuksen periaatteita käyttäen. Teräyksikön työkiertoa säätämään mallinnettiin suljettu takaisinkytketty säätöpiiri. Tuloksien perusteella valittiin optimaalinen toimilaitteen asemointigeometria ja todettiin mallinnetun järjestelmän täyttävän asetetut vaatimukset. Järjestelmää testattiin muuttamalla jarjestelman parametreja ja tutkimalla muutosten vaikutuksia jarjestelman toimintaan. Lisaksi tutkittiin lyhyesti terayksikon rakenteen keventamisen vaikutuksia.

Teräspalkkirakenteiden palomitoitus hiilivetypalossa

Työn tavoitteena oli kehittää teräspalkkirakenteiden palosuunnittelua ja palosuojauksen toteutusta öljynjalostamolla käytettävien kantavien teräspalkkirakenteiden osalta. Lisäksi tavoitteena oli luoda suunnitteluohjeen runko palomitoituksen toteuttamiseksi Neste Engineering Oy:ssä. Ongelmakohtia työssä olivat rakenteiden kapasiteettien tarkka määritys, toimivien toteutusratkaisujen etsiminen, sekä öljynjalostamolla mitoituspalona käytettävän hiilivetypalon SFS-ENV-1992-1-2 käyttö yleisemmin mitoituspalona käytettävän standardipalo ISO-834 sijaan. Työssä perehdyttiin kirjallisuuden perusteella eri palosuojausmenetelmiin. Tarkemman jatkotutkimuksen kohteeksi otettiin jo käytössä hyväksi havaittu teräsputkipalkkien sisäpuoleinen betonitäyttö. Menetelmässä teräsputkipalkin oletetaan kantavan kuormat normaalitilassa ja sisällä olevan raudoitetun betonin palossa. Palkkirakenteiden kapasiteettimitoitus määritettiin laskennallisesti poikkileikkauksille. Mitoitus perustuu palkissa tapahtuvien sisäisten venymien ja puristumien tarkasteluun, sekä poikkileikkauksen tarkan lämpötilajakauman huomioimiseen. Raudoitustankojen ankkurointia palkki-pilari-liitoksessa kehitettiin valmistuksen kannalta yksioikoisemmaksi ja helpommin toteutettavaksi. Palkkien raudoituksiin suunniteltiin kierremuhvijatkoksella toteutettava ankkurointimenetelmä, jolla palkkien raudoitustangot saadaan ankkuroitua täydestä kapasiteetistaan tapauskohtaisesti pilarin vastakkaisella puolella olevaan palkkiin tai ankkurointikappaleella pilariin. Teräsputkipilarin betonivalun vaihtoehtoisiin menetelmiin tutustuttiin. Pilarin alapäähän asennettavan venttiilin läpi tapahtuva täyttö helpottaa betonointityövaihetta. Tutkimuksen tuloksena luotiin suunnitteluohjeen runko, jonka pohjalta voidaan tehdä lopullinen ohje. Myös työn tuloksena saatu laskentaohjelma palkkien momentti-kapasiteetin ja pilarin nurjahduskuorman laskemiseksi helpottaa suunnittelua. Raudoituksen ankkurointiin ja betonointiin esitettyjen menetelmien toimivuus on syytä kokeilla käytännössä ja tehdä jatkokehitys näistä saatavien kokemusten pohjalta.

The initial oxidation of transition metal surfaces

Due to their numerous novel technological applications ranging from the example of exhaust catalysts in the automotive industry to the catalytic production of hydro- gen, surface reactions on transition metal substrates have become to be one of the most essential subjects within the surface science community. Although numerous applications exist, there are many details in the different processes that, after many decades of research, remain unknown. There are perhaps as many applications for the corrosion resistant materials such as stainless steels. A thorough knowledge of the details of the simplest reactions occuring on the surfaces, such as oxidation, play a key role in the design of better catalysts, or corrosion resistant materials in the future. This thesis examines the oxidation of metal surfaces from a computational point of view mostly concentrating on copper as a model material. Oxidation is studied from the initial oxidation to the oxygen precovered surface. Important parameters for the initial sticking and dissociation are obtained. The saturation layer is thoroughly studied and the calculated results arecompared with available experimental results. On the saturated surface, some open questions still remain. The present calculations demonstrate, that the saturated part of the surface is excluded from being chemically reactive towards the oxygen molecules. The results suggest, that the reason for the chemical activity of the saturated surface is due to a strain effect occuring between the saturated areas of the surface.

Energiansiirtoketjun energiatehokkuus

Tämän työn tavoitteena oli tarkastella energiansiirtoketjun kokonaisenergiatehokkuutta, alkaen polttoaineesta ja päättyen sähköenergian loppukäyttäjään. Tarkasteltava energiansiirtoketju alkaa polttoaineen tuotannosta ja siirrosta. Tämän jälkeen tulee sähköenergian tuottaminen, siirtäminen, jakelu ja loppukäyttö. Sähköntuotannon osalta tarkasteltiin myös vesivoimaa ja tuulivoimaa, jolloin energiansiirtoketjusta jää polttoaineen tuotannon ja siirron häviöt pois. Työn pääpaino kohdistui sähköenergian tuotannon, siirron, jakelun ja loppukäytön energiatehokkuuksien tarkastelemiseen. Työssä selvitettiin myös tulevaisuuden näkymiä, miten hyötysuhteita saataisiin parannettua eri osa-alueilla uusilla tekniikoilla ja käyttötottumuksilla. Loppukäyttäjä saa polttoaineen energiasta hyödyksi noin neljänneksen. Suurimmat häviöt syntyvät sähköenergian tuotannossa, lukuun ottamatta vesivoimalaitoksia, joiden hyötysuhde on erittäin korkea.

Pienvesivoiman elvytys, käyttöönotto ja kannattavuus

Uusiutuvan energian tuottamisen lisääminen on edellytys saavuttaaksemme EU:n asettamat tavoitteet. Tämän takia on syytä tutkia kaikki mahdollisuudet uusiutuvan energian tuottamisen lisäämiseksi jopa aivan pienimmistä laitoksista lähtien. Tämän työn tarkoituksena on tutkia pienvesivoiman taloudellisuutta ja kannattavuutta energiantuotannossa. Työssä suoritetaan myös kustannuslaskenta, jossa pohditaan käytöstä poistetun laitoksen palauttamista takaisin sähkön tuotantoon. Samalla käydään läpi teknisiä, taloudellisia ja lakisääteisiä kysymyksiä, joita pienvoiman verkkoonliittäminen aiheuttaa. Tämä työ on eräänlainen käsikirja pienvesivoimasta. Pienvesivoiman liittäminen jakeluverkkoon on sinällään suojausteknisesti yksinkertaista, mutta kaikkien eri taloudellisten ja lakiteknisten tekijöiden huomioonottaminen on puolestaan haastavaa. Laitosten käyttö ja kunnossapito eivät sinällään vaadi sähköteknistä osaamista, kunhan turvallisuusseikat otetaan visusti huomioon. Työssä havaittiin, että pienvesivoima ei pienissä laitoksissa riitä kattamaan suuria työvoimakustannuksia, joita syntyy, kun yritysten henkilökunta ottaa osaa laitoksen toimintaan. Toisaalta pienvesivoima on erinomainen tapa tuottaa sähköä yksityiselle ihmiselle, mikäli hän on itse valmis operoimaan laitosta eikä laske omalle työlleen suuria kustannuksia. Edellytyksenä on, että omalta maa‐alueelta löytyy pienikin puro suhteellisen läheltä jakeluverkkoa.