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.

Control of multi-actuator system by an electrically driven hydraulic pump-motor

The awareness and concern of our environment together with legislation have set more and more tightening demands for energy efficiency of non-road mobile machinery (NRMM). Integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) has been developed in Lappeenranta University of Technology (LUT). The elimination of resistance flow, and the recuperation of energy makes it very efficient alternative. The difficulties of IEHEC machine to step to the market has been the requirement of one IEHEC machine per one actuator. The idea is to switch IEHEC between two actuators of log crane using fast on/off valves. The control system architecture is introduced. The system has been simulated in co-simulation using two different software. The simulated responses of pump-controlled system is compared to the responses of the conventional valve-controlled system.

Designing Digital Filters for Servo Systems

The aim of this work was to select an appropriate digital filter for a servo application and to filter the noise from the measurement devices. Low pass filter attenuates the high frequency noise beyond the specified cut-off frequency. Digital lowpass filters in both IIR and FIR responses were designed and experimentally compared to understand their characteristics from the corresponding step responses of the system. Kaiser Windowing and Equiripple methods were selected for FIR response, whereas Butterworth, Chebyshev, InverseChebyshev and Elliptic methods were designed for IIR case. Limitations in digital filter design for a servo system were analysed. Especially the dynamic influences of each designed filter on the control stabilityof the electrical servo drive were observed. The criterion for the selection ofparameters in designing digital filters for servo systems was studied. Control system dynamics was given significant importance and the use of FIR and IIR responses in different situations were compared to justify the selection of suitableresponse in each case. The software used in the filter design was MatLab/Simulink® and dSPACE's DSP application. A speed controlled Permanent Magnet Linear synchronous Motor was used in the experimental work.

Control and Simulation of Batch Crystallization

Concerning process control of batch cooling crystallization the present work focused on the cooling profile and seeding technique. Secondly, the influence of additives on batch-wise precipitation process was investigated. Moreover, a Computational Fluid Dynamics (CFD) model for simulation of controlled batch cooling crystallization was developed. A novel cooling model to control supersaturation level during batch-wise cooling crystallization was introduced. The crystallization kinetics together with operating conditions, i.e. seed loading, cooling rate and batch time, were taken into account in the model. Especially, the supersaturation- and suspension density- dependent secondary nucleation was included in the model. The interaction between the operating conditions and their influence on the control target, i.e. the constant level of supersaturation, were studied with the aid of a numerical solution for the cooling model. Further, the batch cooling crystallization was simulated with the ideal mixing model and CFD model. The moment transformation of the population balance, together with the mass and heat balances, were solved numerically in the simulation. In order to clarify a relationship betweenthe operating conditions and product sizes, a system chart was developed for anideal mixing condition. The utilization of the system chart to determine the appropriate operating condition to meet a required product size was introduced. With CFD simulation, batch crystallization, operated following a specified coolingmode, was studied in the crystallizers having different geometries and scales. The introduced cooling model and simulation results were verified experimentallyfor potassium dihydrogen phosphate (KDP) and the novelties of the proposed control policies were demonstrated using potassium sulfate by comparing with the published results in the literature. The study on the batch-wise precipitation showed that immiscible additives could promote the agglomeration of a derivative of benzoic acid, which facilitated the filterability of the crystal product.

Development of a measuring-control system for energy monitoring in low power

In this thesis a control system for an intelligent low voltage energy grid is presented, focusing on the control system created by using a multi-agent approach which makes it versatile and easy to expand according to the future needs. The control system is capable of forecasting the future energy consumption and decisions making on its own without human interaction when countering problems. The control system is a part of the St. Petersburg State Polytechnic University’s smart grid project that aims to create a smart grid for the university’s own use. The concept of the smart grid is interesting also for the consumers as it brings new possibilities to control own energy consumption and to save money. Smart grids makes it possible to monitor the energy consumption in real-time and to change own habits to save money. The intelligent grid also brings possibilities to integrate the renewable energy sources to the global or the local energy production much better than the current systems. Consumers can also sell their extra power to the global grid if they want.

Tooth-Coil Permanent Magnet Synchronous Machine Design for Special Applications

This doctoral thesis presents a study on the design of tooth-coil permanent magnet synchronous machines. The electromagnetic properties of concentrated non-overlapping winding permanent magnet synchronous machines, or simply tooth-coil permanent magnet synchronous machines (TC-PMSMs), are studied in details. It is shown that current linkage harmonics play the deterministic role in the behavior of this type of machines. Important contributions are presented as regards of calculation of parameters of TC-PMSMs,particularly the estimation of inductances. The current linkage harmonics essentially define the air-gap harmonic leakage inductance, rotor losses and localized temporal inductance variation. It is proven by FEM analysis that inductance variation caused by the local temporal harmonic saturation results in considerable torque ripple, and can influence on sensorless control capabilities. Example case studies an integrated application of TC-IPMSMs in hybrid off-highway working vehicles. A methodology for increasing the efficiency of working vehicles is introduced. It comprises several approaches – hybridization, working operations optimization, component optimization and integration. As a result of component optimization and integration, a novel integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) for off-highway working vehicles is designed. The IEHEC can considerably increase the operational efficiency of a hybrid working vehicle. The energy converter consists of an axial-piston hydraulic machine and an integrated TCIPMSM being built on the same shaft. The compact assembly of the electrical and hydraulic machines enhances the ability to find applications for such a device in the mobile environment of working vehicles.Usage of hydraulic fluid, typically used in working actuators, enables direct-immersion oil cooling of designed electrical machine, and further increases the torque- and power- densities of the whole device.

Corporate Social Responsibility and Shipping Views of Baltic Sea Shipping Companies on the Benefits of Responsibility

The safety of shipping operations in the Baltic Sea is an extensively studied issue due to the density of traffic and the ecological sensitivity of the area. The focus has, however, mainly been on ship technology or on traffic control measures and the operative safety aspect of shipping is in a minor position in maritime safety studies and is lacking in terms of solutions. Self-regulatory and voluntary measures could be effective ways to improve the operational safety of shipping. Corporate social responsibility, or CSR, is one example of a voluntary measure that the shipping companies can take. CSR can enhance maritime safety and improve the shipping companies’ competitiveness. The aim of this study is to increase the knowledge of CSR in the maritime sector and study its applicability and benefits to the shipping companies. The research comprises of a theory part and a questionnaire study, which examine the significance of corporate social responsibility in shipping companies’ maritime safety and competitiveness. The aim of the questionnaire study is to find out how corporate social responsibility is implemented in the shipping companies. According to the literature review, responsible actions can produce financial and time costs, but due to these actions cost savings in the form of learning and increased efficiency can be achieved. Responsible actions can also produce concrete improvements and a reputation of responsibility that can lead to both cost savings and increase in the company’s income. CSR is recognised as having real business benefits in terms of attracting customers and high-quality employees. In shipping, CSR usually focuses on environmental issues. Environmental social responsibility in shipping is mainly motivated by the need to comply with existing and forthcoming regulation. Shipping companies engage in CSR to gain competitive advantage and to increase maritime safety. The social aspects of CSR take into account the well-being and skills of the employees, corporation and other stakeholders of the company. The questionnaire study revealed that the most common CSR measures in shipping companies are environmental measures, and that environmental concerns are considered to be the most important reason to engage in CSR. From the preliminary question about the concept of CSR it can also be seen that safety issues are commonly considered to be a part of CSR and safety gains are the second most important reason to engage in CSR. From the questionnaire, it can also be extrapolated that gaining a better reputation is one of the most important reasons to engage in CSR in the first place. For example, the main economic benefit was seen to be the increase of customer numbers as a result of a better reputation. Based on the study, it would seem that companies are starting to realise that they might gain competitive advantage and be favoured as shippers if they engage in sustainable, responsible operations and present themselves as “green”.

Aine- ja tarvikevarastojen varasto-ohjauksen ja raportoinnin

Työn tavoitteena oli selvittää OMG Kokkola Chemicals Oy:n aine- ja tarvike varastojen materiaalin ohjauksen sekä raportoinnin nykytila, analysoida saatuja tuloksia ja pohtia keinoja hankintatoimintaan ja raportointiin liittyvien menetelmien parantamiseksi. Pääpaino materiaalin ohjauksen kehittämistoimenpiteiden osalta oli varastoihin sitoutuneiden pääomien vapauttaminen ja palvelutason parantaminen. Raportoinnin osalta työssä keskityttiin varaston valvonnan kehittämiseen. Varastojärjestelmä Matekista saatuja ABC-analyysejä käytettiin apuna painopisteiden määrittämisessä nimikkeistön nykytilan tarkastelussa. Vuosi käytöltään merkittävimpiä nimikkeitä tarkasteltiin yksityiskohtaisesti. Matekin vakituisen käytön ulkopuolisia raportointiominaisuuksia tarkasteltiin tekemällä koeajoja sekä lisäksi tutkittiin Cognos Impromptu-ohjelman tuomia lisä mahdollisuuksia raportointiin. Työssä esitettiin keinot tilauspistejärjestelmän parametrien määrittämiseksi. Valituille nimikkeille laskettiin varmuusvarastotasot, hälytysrajat ja täydennys eräkoot sekä esitettiin laskelmat saavutettavista pääomakustannussäästöistä vanhan järjestelmän parametreihin verrattuna. Tuotannon ja oston välisen yhteistyön avulla saavutettavia säästöjä varastokustannustenosalta tarkasteltiin materiaali tarvelaskennan avulla. Ostostrategiantarkastelun ja kehittämisen työkaluna käytettiin ostosalkkuanalyysiä. Säännöllisten raporttien lisäksi esitettiin käyttöön otettaviksi uusia raportteja, joiden avulla voidaan seurata nimikkeistön hinnanmuutoksia ja epäkurantin osuutta varastossa. Raporttien laatimisen lähtökohdat Cognos Impromptulla käytiin läpi ja esitettiin menetelmän avulla saavutettavat hyödyt ja esiintyneet ongelmat.

Sarbanes-Oxley -lain vaikutukset suomalaisten pörssiyhtiöiden sisäiseen valvontaan

Tutkielmani aiheena on Sarbanes-Oxley -lain vaikutukset suomalaisten pörssiyhtiöiden sisäiseen valvontaan. Tavoitteenani on tutkia, millaisia vaikutuksia Sarbanes-Oxley -lailla on ollut hyvään johtamis- ja hallintojärjestelmään Suomessa ja ennen kaikkea sisäiseen valvontaan. Päästäkseni tavoitteeseen olen tutkinut, mitkä lait, säädökset ja ohjeistukset säätelevät corporate governancea Suomessa ja millainen on näiden ohjeiden sisältö. Olen suorittanut tutkimuksen normatiivisena, eli tavoitteeni on selvittää, millainen hyvän johtamis- ja hallintojärjestelmän pitäisi Suomessa olla, ja miten Sarbanes-Oxley on vaikuttanut näihin vaatimuksiin. Tutkimus on puhtaasti teoreettinen eikä sisällä empiiristä osaa. Corporate governancea ohjaa Suomessa lainsäädäntö ja monet erilaiset lain-säädäntöä täydentävät säädökset. Tärkeimmiksi corporate governancea koskeviksi arvoiksi nousevat riippumattomuus, avoimuus, tiedon läpinäkyvyys ja ennen kaikkearehellisyys. Sarbanes-Oxley laki on tuonut paljon uusia vaatimuksia lain piirissä oleville yhtiöille. Se sisältää paljon ohjeistusta koskien riippumattomuutta.Sarbanes-Oxley - laki on lisännyt tarkastusvaliokunnan roolia yritysten toiminnassa. Yhtiön johdolta SOX vaatii muodollisia todistuksia osallisuudesta talousraportoinnin prosessissa. Sarbanes-Oxley -laki lisää myös yhtiön raportointivaatimuksia merkittävästi, ja tästä syystä tietoa yhtiöistä onkin saatavilla enemmän kuin koskaan. Sarbanes-Oxley -laki on vaikuttanut suuresti yhtiöiden sisäiseen valvontaan. SOX vaatii, että yhtiön on raportoitava sen sisäisessä valvonnassa havaituista heikkouksista. Yhtiön täytyy myös tutkia sen sisäisen valvontajärjestelmän tehokkuutta säännöllisesti. Johdon tai sisäisen tarkastuksen on tehtävä tästä valvonnasta oma raporttinsa. Corporate governancea koskeva lainsäädäntö ja muuohjeistus muuttuu jatkuvasti sekä Suomessa että muualla maailmalla. Kehitystä on seurattava sekä kotimaassa että ulkomailla ja ohjeistusta päivitettävä tarvittaessa.

Ilmatorjuntaohjuksen laukaisualustan vaaitusjärjestelmän kehittäminen

Työn tavoitteena oli vaaitusjärjestelmän kehittäminen ITO 2005 Asrad-R –ohjusjärjestelmän laukaisualustalle. Järjestelmäkontin jokaiseen kulmaan suunniteltiin nostojalat, joita voitiin kääntää sekä nostaa ja laskea hydraulisesti. Järjestelmään kuului myös hydraulikäyttöinen asetaso, jonka ylä- ja ala-asennoilla oli erillinen lukitus. Tärkein vaadittu toiminto oli järjestelmäkontin vaaitus maan vetovoiman suhteen epätasaisella alustalla sekä maastossa että kuorma-auton päällä. Lisäksi tarvittiin nostojalkojen nostoliikkeelle toiminto, jolla konttia nostetaan ja lasketaan siten, että se säilyttää lähtökulmansa. Kaikkia nostojalkojen sylintereitä oli mahdollista käyttää myös yksittäin. Järjestelmällä oli kovat ympäristövaatimukset, koska se oli suunniteltu sotalaitteeksi rauhan ja kriisin aikaista toimintaa varten. Riittävät vapausasteet järjestelmän toimimiseksi ajoneuvon apurungon päällä saatiin nostojalkojen rotaatioliikkeen joustosta ja tassujen liukumisesta poikittain apurungon kiinnikkeissä. Maastossa nostojalat olivat täysin jäykkiä ja liukuminen tapahtui tassujen ja maalevyjen välillä. Hydraulijärjestelmässä käytettiin on/off-magneettiventtiilejä, koska liikkeet olivat hitaita ja vaadittuun tarkkuuteen ja nopeuteen päästiin helposti. Keskeisiä suunnittelun lähtökohtia olivat rakenteiden keveys, järjestelmän yksinkertaisuus, hinta ja toimintavarmuus. Yksinkertaisella ja edullisella järjestelmällä saatiin aikaan hyvin toimiva ratkaisu.

ASIANTUNTIJAORGANISAATION TOIMINNAN TEHOSTAMINEN

Jatkuvasti muuttuva työympäristö vaatii organisaatiolta kykyä muuntua nopeasti vastaamaan tehokkaasti uusiin haasteisiin. Organisaation on tärkeää tuntea kriittiset menestystekijänsä ja pystyä mittaamaan suorituskykyään. Tämän vuoksi asiantuntijaorganisaatioiden suorituskykyyn on alettu kiinnittää entistä enemmän huomiota. Mittareiden käyttö asiantuntijatyön suorituskyvyn mittaamisessa ei ole kovinkaan yleistä johtuen tehtävän työn erityispiirteistä. Asiantuntijatyössä älyllisellä pääomalla, kuten esimerkiksi henkilöstön tiedoilla ja osaamisella, on merkittävä rooli organisaation toimintaan. Tämä asettaa omat erityisvaatimuksensa suorituskyvyn mittaamiselle, toiminnan ohjaamiselle ja erityisesti motivoinnille. Tutkielmassa pyrittiin löytämään tutkimuksen kohteena olleen yrityksen kehittämisen tärkeät toiminta-alueet henkilöstölle suunnatun kyselyn avulla. On erittäin tärkeää, että henkilöstö kokee mittauksen ja tehostamistoimenpiteet omaa työtä tukeviksi asioiksi. Tutkimuksen tuloksena löytyivät selkeästi kehittämistä vaativat osa-alueet. Haastava jatkotoimenpide on määritellä sopivat suorituskykymittarit älylliseen pääomaan liittyville kriittisille menestystekijöille.

Paperikoneen laatusäätöjärjestelmän uusinnan vaikutukset laatusäätöjen suorituskykyyn

Tutkimuksen kohteena olleen UPM-Kymmene Oyj Kajaanin tehtaan PK3:n laatusäätöjärjestelmä ja mittapalkki uusittiin, jolloin haluttiin selvittää uusinnan vaikutuksia laatusäätöjen suorituskykyyn ja paperin laatuun. Työn kirjallisessa osassa perehdyttiin paperinvalmistusprosessin osiin kyseisen sanomalehtipaperikoneen tapauksessa sekä keskeisimpiin paperin laatuominaisuuksiin liittyviin mittaus- ja säätölaitteisiin sekä niiden toimintaan. Seurattaviksi paperin laatusuureiksi valittiin neliömassa, kuivamassa, kosteus ja paksuus, jotka ovat sanomalehtipaperin tärkeimpiä online-mitattavia ominaisuuksia. Paperin laatusuureiden seurantaan käytetään erilaisia tunnuslukuja ja työkaluja, joita on esitelty tässä työssä. Laatusuureiden konesuuntaisen ja poikkisuuntaisen seurannan tunnusluvuksi valittiin yleisesti käytössä oleva 2σ-keskiarvohajonta. Säätöjen suorituskykyä seurattiin suorituskykykolmion ohjausmatkaindeksien (CTI) ja erosuureen integraalien (IAE) avulla. Kokeellisessa osassa kerättiin mittaustietoja sekä vanhan että uuden laatusäätöjärjestelmän aikana. Seurattavat ajotilanteet paperikoneella jaettiin stabiiliin ajoon ja muutostilanteisiin, jotka käsittävät katkot ja lajinvaihtotilanteet. Stabiilin ajon aikana selvitettiin laatusuureiden hajontojen ja säätöjen suorituskykyindeksien normaaleissa tasoissa tapahtuneet muutokset. Muutostilanteiden osalta haluttiin selvittää, nopeuttaako järjestelmäuusinta katkoista toipumista ja lajinvaihtoaikaa. Stabiilin ajon seurannasta saatujen tulosten perusteella neliömassan ja kuivamassan konesuuntaiset hajonnat kasvoivat järjestelmäuusinnan myötä, mutta kosteuden konesuuntaiset hajonnat pienenivät. Laatusuureiden poikkisuuntaisista hajonnoista neliömassan sekä kuivamassan hajonnat kasvoivat ja kosteuden sekä paksuuden hajonnat pienenivät joidenkin lajien osalta. Poikkisuuntaisten laatusuureiden, etenkin paksuuden, toipuminen katkon jälkeen nopeutui. Myös lajinvaihtoon kuluva aika lyheni poikkisuuntaisilla laatusuureilla. Muutostilanteiden konesuuntaisten hajontojen asettumisajat eivät juuri parantuneet.

Suurnopeuskompressorin tekninen markkinoilletuonti

Diplomityössä tarkastellaan suurnopeuskompressorin kehityspolkua suurnopeusteknologian lähtökohdista prototyypiksi ja edelleen teolliseksi tuotteeksi. Työssä tarkastelun kohteena on sähköteholtaan 20….250 kW oleva, suurnopeussähkökoneella ja öljyttömillä magneettilaakereilla varustettu keskipainekompressori. Tyypillisesti kompressorin painesuhde on 1,2 … 2,4. Ko. kompressorin käyttökohteina on tarkasteltu mm. pienen kunnallisen jätevedenpuhdistamon käsittelyaltaiden ilmastusta, suuren kaupungin vastaavan puhdistuslaitoksen ilmastuskäyttöä ja teollista käyttöä lasivillatehtaan ns. linkokompressorina. Suurnopeuskompressori soveltuu hyvin rinnankytkentään ns. ryhmäohjaimen avulla, jolloin rinnan voi olla kytkettynä jopa 16 kompressoria, joiden päällä oloa optimoidaan säätöteknisesti niin, että koko laitos on kuin yksi kompressori. Työssä tarkastellaan myös kompressorin em. sovellutuksista yli kahdeksan vuoden ajalta kaupallista kohteista saatuja käyttökokemuksia. Pääsäätöisesti voi sanoa, että jokaisessa uudessa sovellutuksessa ilmenee uusia reunaehtoja ja järjestelmäkohtaisia vaatimuksia, jotka täytyy huomioida kompressorin säädössä ja ominaisparametreissa.