Optimization of the ink removal in deinking plant

Diplomityön tarkoituksena oli parantaa Stora Enso Sachsenin siistausprosessissa tuotetun uusiomassan vaaleuden kehitystä ja tutkia siihen vaikuttavia tekijöitä. Työn kirjallisessa osassa käsiteltiin uusiomassan kuidutusta ja vaahdotussiistausprosessia, sekä keräyspaperin ominaisuuksia ja käyttöä paperiteollisuuden raaka-aineena. Kokeellisessa osassa keskityttiin modifioidun natriumsilikaatin annostuksenoptimointiin ja vaikutuksiin laboratorio- ja prosessioloissa, sekä kesäefektin vaikutuksen tutkimiseen kuidutuksessa ja flotaation eri vaiheissa. Natriumsilikaatin laboratoriotutkimuksessa havaittiin, että korkein vaaleus suhteellisesti pienimmällä laboratorioflotaation häviöllä saavutettiin korkeimmalla tutkitulla natriumsilikaatin annostuksella, joka oli 1,1 %. Korkea natriumsilikaattiannostus yhdistettyinä korkeisiin vetyperoksidiannostukseen, 0,5 %, sekä korkeaan kokonaisalkaliteettiin, 0.33 %, johti korkeimpaan massan vaaleuteen ja pienimpiin häviöihin. Laboratoriotutkimuksen pohjalta modifioidulla natriumsilikaatilla suoritettiin koeajoja prosessissa. Noin 1 % natriumsilikaatin annostuksella havaittiin parempi pH:n bufferointikyky, pienempi kalsiumkarbonaatin määrä flotaation primäärivaiheissa, sekä lievästi parempi massan vaaleus verrattuna prosessissa aiemmin käytettyyn standardinatriumsilikaattiin. Kesäefektitutkimuksessa havaittiin, että kesäefektillä on suurin vaikutus esiflotaation primäärivaiheeseen, sillä primäärivaiheessa kuitujen osuus on huomattavasti suurempi kuin sekundäärivaiheissa. Esiflotaation primäärivaiheen uusiomassojen laboratorioflotaatioiden avulla saavutettujen maksimivaaleuksien ero kesän ja talven välillä oli noin 1,5 %ISO. Kesäefektin ei havaittu suuresti vaikuttavan flotaation sekundäärivaiheisiin.

Sähkön ja lämmön yhteistuotannon optimointi

Työn tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitoksen tuotannon optimointi. Optimoinnin kriteerinä on tuotannon kannattavuus. Pyrittiin luomaan optimointimalli, joka ottaa optimoinnissa huomioon erityisesti kaukolämmön kulutusennusteen muutokset sekä sähkön pörssihinnan vaihtelut. Tuotannon kannalta olennaisin kriteeri on kaukolämmön kulutusennusteen pohjalta arvioidun kaukolämpökuorman tyydyttäminen mahdollisimman tehokkaasti ja taloudellisesti. Sähkön tuotannon merkittävimmiksi kriteereiksi muodostuivat sähkön tuotannon ennustettavuus ja tuotannon maksimointi sähkön pörssihinnan asettamissa puitteissa. Optimointiohjelmaa ei ole tarkoitus kytkeä suoraan voimalaitoksen ajojärjestelmään, vaan siitä on tarkoitus tulla erillinen ajosuunnittelijan työkalu. Itse ajosuunnitteluun vaikuttaa usein monipuolisemmat suunnittelukriteerit kuin pelkästään tuotannon tuottavuus. Näiden eri kriteerien painotuksia ei ohjelmassa huomioida, vaan ne päättää ajosuunnittelija. Tuloksena saatiin aikaan optimointiohjelma, joka laskee valittujen tuotantovaihtoehtojen kokonaistuotot eri kaukolämmön kulutusennusteiden ja sähkön pörssihintaennusteiden pohjalta.

Hankintojen kehittäminen ostoerien optimoinnilla

Tutkimuksen tavoitteena on selvittää ostoerien optimoinnilla mahdollisesti saavutettavia kustannussäästöjä ja muita etuja. Talla tarkoitetaan käytännössä yrityksen hankintojen tilausrytmin tiivistämisen mahdollisuuden läpikäymistä. Tutkimuksen empiirisen analyysin tärkein tavoite on selvittää soveltuisiko uusi ostotilausmalli case-yritykselle ja kuinka se vaikuttaisi kustannuksiin. Tutkielman teoriarungossa käsitellään aluksi logistiikan tämän päivän roolia yrityksen arvoketjussa ja logististen toimintojen tehokkuuden mittausta. Teoria osuuden pääpaino on kuitenkin toiminnoissa, joilla hankintoja voidaan kehittää. Naista rajoitutaan varastoinnin kehittämiseen ostoerien optimoinnilla. Empiirisessä osassa käytetään Vaasan & Vaasan Oy:n kustannustiedoista tätä tutkimusta varten muodostettuja raportteja ja muita numeerisia kustannustietoja, joita analysoidaan ostoerien optimointimallin avulla. Tutkimus on kvantitatiivinen analyysi tästä aineistosta. Logistiikan tehokkuus vaikuttaa merkittävästi yrityksen toiminnan tuloksiin, koska hankinnat sitovat merkittävän osan yrityksen pääomasta ja ovat yrityksen suurimpia kulueriä. Teoriassa osoitetaan, että logistiikkaa ja hankintoja kehittämällä ostoerien optimoinnin avulla voidaan vaikuttaa yrityksen toiminnan tehokkuuteen. Empiirisen osan tulosten perusteella ostojen muuttamisella jaksottaiseksi tilaukseksi on vaikutusta toiminnan tehokkuuteen ja sitoutuneisiin pääomiin. Uuden mallin avulla hankintoja sekä logistiikkaa voidaan kehittää lisää, hankintaprosesseja saadaan yksinkertaistettua, voidaan kehittää ostokuljetuksia ja malli tukee yrityksen hankintojen kehittämisen tavoitteita seuraavalle vuodelle.

Some advances in mathematical models for preference relations

Preference relations, and their modeling, have played a crucial role in both social sciences and applied mathematics. A special category of preference relations is represented by cardinal preference relations, which are nothing other than relations which can also take into account the degree of relation. Preference relations play a pivotal role in most of multi criteria decision making methods and in the operational research. This thesis aims at showing some recent advances in their methodology. Actually, there are a number of open issues in this field and the contributions presented in this thesis can be grouped accordingly. The first issue regards the estimation of a weight vector given a preference relation. A new and efficient algorithm for estimating the priority vector of a reciprocal relation, i.e. a special type of preference relation, is going to be presented. The same section contains the proof that twenty methods already proposed in literature lead to unsatisfactory results as they employ a conflicting constraint in their optimization model. The second area of interest concerns consistency evaluation and it is possibly the kernel of the thesis. This thesis contains the proofs that some indices are equivalent and that therefore, some seemingly different formulae, end up leading to the very same result. Moreover, some numerical simulations are presented. The section ends with some consideration of a new method for fairly evaluating consistency. The third matter regards incomplete relations and how to estimate missing comparisons. This section reports a numerical study of the methods already proposed in literature and analyzes their behavior in different situations. The fourth, and last, topic, proposes a way to deal with group decision making by means of connecting preference relations with social network analysis.

Metsäteollisuusyhtiön liiketoimintaportfolion synergioiden määrittäminen ja optimointi: Case UPM-Kymmene Oyj

Tutkielmassa selvitettiin UPM-Kymmene Oyj:n liiketoimintaportfolion muodostamia synergioita julkisiin lähteisiin pohjautuen. Synergioiden määrittämistä varten muodostettiin malli, jonka avulla määritettiin synergiat montaa eri liiketoimintaa harjoittavalle yhtiölle. Synergianäkemystä hyödynnettiin portfolion optimoinnissa uudella lähestymistavalla. Synergian mittausmallissa arvotettavan yhtiön liiketoiminta-alueille valittiin vertailuyhtiöt, joiden taloudellista suoriutumista arvioimalla pystyttiin määrittämään arvio synergian määristä. Tutkielman aihe synergioiden muodostumisesta ja mittaamisesta on tärkeä, sillä montaa liiketoimintaa harjoittavat yhtiöt oikeuttavat olemassa olonsa vetoamalla liiketoimintojen välillä syntyviin hyötyihin ja synergioihin. Synergiat ja portfolion optimointi ovat johdolle tärkeä aihe, sillä portfolion hallinta on yrityksen liiketoiminnan jatkuvuuden, taloudellisen suoriutumisen ja olemassa olon kannalta erittäin keskeistä Tutkielman tulosten perusteella UPM:n liiketoimintaportfoliossa muodostuvien synergioiden voidaan arvioida olevan vuosittain 44 miljoonasta eurosta 117 miljoonaan euroon. Portfolion optimoinnin tuloksena ainoastaan paperin ja vaneriliiketoimintojen suhteellista painoarvoa tulee laskea, mikä johtuu lähinnä näiden liiketoimintojen jatkuvasta huonosta taloudellisesta suoriutumisesta.

Diversification benefits for a Finnish non-industrial private forest investor: Real Estate Investment Trusts in the USA

This thesis examined both domestic and international forest investment options for a Finnish non-industrial private forest investor. The focus was on forest-based investment instruments. The influence of movements of currency exchange rates on foreign returns were also taken into account. Annual data from 1995 to 2011 was used. The main portfolio optimization model in this study was the Mean-Variance model but the results were also validated by using the Value at Risk and Expected Shortfall models. In addition, the exchange rate risk hedging was established by using one-week-maturity forward contracts. The results suggested that 75 % of the total wealth should be invested in Finnish private forests and the rest, 25 %, to a US REIT, in this case Rayonier. With hedging, the total return on the portfolio was 7.21 % (NIPF 5.3%) with the volatility of 6.63 % (NIPF 7.9%). Taxation supported US investments in this case. As a conclusion, a Finnish private forest investor may, as evidenced, benefit in diversifying a portfolio using REITs in the US.

Lujasta teräksestä valmistetun palkin poikkileikkauksen optimointi

Parin viime vuosikymmenen aikana on kehitetty huomattavasti entistä lujempia teräslaatuja, joiden käyttö ei kuitenkaan ole yleistynyt läheskään samaan tahtiin. Korkeamman hinnan lisäksi yksi merkittävä syy tähän on, että suunnittelijoilla ei usein ole riittäviä tietoja siitä, millaisissa tilanteissa lujemman teräslaadun käytöstä on merkittävää hyötyä. Tilannetta ei myöskään helpota se, että käytössä olevat standardit eivät tarjoa lainkaan ohjeistusta kaikkein lujimpien, myötörajaltaan yli 700MPa terästen käyttöön ja mitoitukseen. Tässä työssä pyritään tarjoamaan suunnittelijalle ohjeita ja nyrkkisääntöjä sopivan lujuusluokan ja profiilin valintaan sekä yleisesti lujempien teräslaatujen käyttöön. Lujemman teräslaadun käytöllä voidaan keventää suunniteltavaa rakennetta ja saada aikaan huomattavia painonsäästöjä. Usein ongelmaksi nousevat kuitenkin stabiiliuskriteerit, sillä teräksen lommahduskestävyys määräytyy suuresti sen lujuusluokasta siten, että mitä lujempaa teräs on, sitä helpommin se lommahtaa. Kun tämä yhdistetään siihen, että lujempaa terästä käytettäessä rakenteesta tulee optimoituna muutenkin pienempi ja kevyempi, kasvaa näiden kahden asian yhteisvaikutuksena kantokyvyn mukaan mitoitetun rakenteen taipuma korkeampiin lujuusluokkiin edetessä hyvin nopeasti sallittujen rajojen yli. Työssä etsitään siksi keinoja sopivan kompromissin löytämiseksi lujuuden ja jäykkyyden välille. Koska muotoilulla ja poikkileikkauksella on suuri merkitys sekä taipuman että stabiliteetin kannalta, tutkitaan erilaisia poikkileikkausvaihtoehtoja ja etsitään optimaalista poikkileikkausta taivutuspalkille matemaattisen optimointimallin avulla. Kun eri poikkileikkausvaihtoehdot on käsitelty ja optimoitu taivutuksen suhteen, tutkitaan poikkileikkauksia myös muissa kuormitustapauksissa. Huomattavan raskaan laskentatyön takia apuna käytetään Matlab-ohjelmistoa itse optimointiin ja Femap-ohjelmaa muiden kuormitustapausten tutkimiseen ja tulosten verifioitiin.

Covariance Matrix Estimation and Mean-Variance Optimization in application to International Diversification

Tutkimus keskittyy kansainväliseen hajauttamiseen suomalaisen sijoittajan näkökulmasta. Tutkimuksen toinen tavoite on selvittää tehostavatko uudet kovarianssimatriisiestimaattorit minimivarianssiportfolion optimointiprosessia. Tavallisen otoskovarianssimatriisin lisäksi optimoinnissa käytetään kahta kutistusestimaattoria ja joustavaa monimuuttuja-GARCH(1,1)-mallia. Tutkimusaineisto koostuu Dow Jonesin toimialaindekseistä ja OMX-H:n portfolioindeksistä. Kansainvälinen hajautusstrategia on toteutettu käyttäen toimialalähestymistapaa ja portfoliota optimoidaan käyttäen kahtatoista komponenttia. Tutkimusaieisto kattaa vuodet 1996-2005 eli 120 kuukausittaista havaintoa. Muodostettujen portfolioiden suorituskykyä mitataan Sharpen indeksillä. Tutkimustulosten mukaan kansainvälisesti hajautettujen investointien ja kotimaisen portfolion riskikorjattujen tuottojen välillä ei ole tilastollisesti merkitsevää eroa. Myöskään uusien kovarianssimatriisiestimaattoreiden käytöstä ei synnytilastollisesti merkitsevää lisäarvoa verrattuna otoskovarianssimatrisiin perustuvaan portfolion optimointiin.

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.

Cooling system optimization in medium-speed engines

Tässä työssä optimoidaan keskinopean Wärtsilä 32 -dieselmoottorin jäähdytysjärjestelmää ja tutkitaan taajuusmuuttajien käyttömahdollisuutta kiertopumppujen yhteydessä niin, että järjestelmässä saataisiin kiertämään vain kulloinkin tarvittava määrä vettä. Tutkimuksen mallinnus on toteutettu laatimalla aiemmin käytössä olleista yksinkertaisista simulointimalleista yksi malli, johon on sisällytetty sekä virtauksen että lämmönsiirron laskenta, jotka on aiemmin mallinnettu erillisillä ohjelmilla. Diplomityö on osa projektia, joka on tehty Sähkötekniikan osaston tutkijan Mikko Pääkkösen kanssa yhteistyössä. Tämän diplomityö keskittyy lähinnä virtausteknisiin ja lämmönsiirtoon liittyviin asioihin, kun taas sähkötekniikan osuus on esitetty Mikko Pääkkösen raportissa. Tulosten perustella voidaan sanoa, että taajuusmuuttajakäyttö kannattaa kiertopumppujen yhteydessä. Käyttämällä pumppujen virtaussäätöä voidaan jäähdytysjärjestelmästä jättää monia komponentteja, kuten termostaattiventtiilejä pois. Mallinnetut yksinkertaiset piiriratkaisut näyttävät toimivan ainakin yleisellä tasolla. Tutkimusta pumppujen säädöstä ja tässä projektissa luoduista jäähdytysjärjestelmäkonfiguraatioista kannattaa jatkaa.

Adaptive optimization schemes for mobile VoIP applications Battery life and call quality aspects

In this thesis programmatic, application-layer means for better energy-efficiency in the VoIP application domain are studied. The work presented concentrates on optimizations which are suitable for VoIP-implementations utilizing SIP and IEEE 802.11 technologies. Energy-saving optimizations can have an impact on perceived call quality, and thus energy-saving means are studied together with those factors affecting perceived call quality. In this thesis a general view on a topic is given. Based on theory, adaptive optimization schemes for dynamic controlling of application's operation are proposed. A runtime quality model, capable of being integrated into optimization schemes, is developed for VoIP call quality estimation. Based on proposed optimization schemes, some power consumption measurements are done to find out achievable advantages. Measurement results show that a reduction in power consumption is possible to achieve with the help of adaptive optimization schemes.

Analyzing Carbon Trade Permits in Optimization Framework

The threats caused by global warming motivate different stake holders to deal with and control them. This Master's thesis focuses on analyzing carbon trade permits in optimization framework. The studied model determines optimal emission and uncertainty levels which minimize the total cost. Research questions are formulated and answered by using different optimization tools. The model is developed and calibrated by using available consistent data in the area of carbon emission technology and control. Data and some basic modeling assumptions were extracted from reports and existing literatures. The data collected from the countries in the Kyoto treaty are used to estimate the cost functions. Theory and methods of constrained optimization are briefly presented. A two-level optimization problem (individual and between the parties) is analyzed by using several optimization methods. The combined cost optimization between the parties leads into multivariate model and calls for advanced techniques. Lagrangian, Sequential Quadratic Programming and Differential Evolution (DE) algorithm are referred to. The role of inherent measurement uncertainty in the monitoring of emissions is discussed. We briefly investigate an approach where emission uncertainty would be described in stochastic framework. MATLAB software has been used to provide visualizations including the relationship between decision variables and objective function values. Interpretations in the context of carbon trading were briefly presented. Suggestions for future work are given in stochastic modeling, emission trading and coupled analysis of energy prices and carbon permits.

Line filter optimization in elevator use

The purpose of this thesis was to create design a guideline for an LCL-filter. This thesis reviews briefly the relevant harmonics standards, old filter designs and problems faced with the previous filters. This thesis proposes a modified design method based on the “Liserre’s method” presented in the literature. This modified method will take into account network parameters better. As input parameters, the method uses the nominal power, allowed ripple current in converter and network side and desired resonant frequency of the filter. Essential component selection issues for LCL-filter, such as heating, voltage strength, current rating etc. are also discussed. Furthermore, a simulation model used to verify the operation of the designed filter in nominal power use and in transient situations is included in this thesis.

Bayesian methods for estimation, optimization and experimental design

Mathematical models often contain parameters that need to be calibrated from measured data. The emergence of efficient Markov Chain Monte Carlo (MCMC) methods has made the Bayesian approach a standard tool in quantifying the uncertainty in the parameters. With MCMC, the parameter estimation problem can be solved in a fully statistical manner, and the whole distribution of the parameters can be explored, instead of obtaining point estimates and using, e.g., Gaussian approximations. In this thesis, MCMC methods are applied to parameter estimation problems in chemical reaction engineering, population ecology, and climate modeling. Motivated by the climate model experiments, the methods are developed further to make them more suitable for problems where the model is computationally intensive. After the parameters are estimated, one can start to use the model for various tasks. Two such tasks are studied in this thesis: optimal design of experiments, where the task is to design the next measurements so that the parameter uncertainty is minimized, and model-based optimization, where a model-based quantity, such as the product yield in a chemical reaction model, is optimized. In this thesis, novel ways to perform these tasks are developed, based on the output of MCMC parameter estimation. A separate topic is dynamical state estimation, where the task is to estimate the dynamically changing model state, instead of static parameters. For example, in numerical weather prediction, an estimate of the state of the atmosphere must constantly be updated based on the recently obtained measurements. In this thesis, a novel hybrid state estimation method is developed, which combines elements from deterministic and random sampling methods.