Insulation System in an Integrated Motor Compressor

A high-speed and high-voltage solid-rotor induction machine provides beneficial features for natural gas compressor technology. The mechanical robustness of the machine enables its use in an integrated motor-compressor. The technology uses a centrifugal compressor, which is mounted on the same shaft with the high-speed electrical machine driving it. No gearbox is needed as the speed is determined by the frequency converter. The cooling is provided by the process gas, which flows through the motor and is capable of transferring the heat away from the motor. The technology has been used in the compressors in the natural gas supply chain in the central Europe. New areas of application include natural gas compressors working at the wellheads of the subsea gas reservoir. A key challenge for the design of such a motor is the resistance of the stator insulation to the raw natural gas from the well. The gas contains water and heavy hydrocarbon compounds and it is far harsher than the sales gas in the natural gas supply network. The objective of this doctoral thesis is to discuss the resistance of the insulation to the raw natural gas and the phenomena degrading the insulation. The presence of partial discharges is analyzed in this doctoral dissertation. The breakdown voltage of the gas is measured as a function of pressure and gap distance. The partial discharge activity is measured on small samples representing the windings of the machine. The electrical field behavior is also modeled by finite element methods. Based on the measurements it has been concluded that the discharges are expected to disappear at gas pressures above 4 – 5 bar. The disappearance of discharges is caused by the breakdown strength of the gas, which increases as the pressure increases. Based on the finite element analysis, the physical length of a discharge seen in the PD measurements at atmospheric pressure was approximated to be 40 – 120 m. The chemical aging of the insulation when exposed to raw natural gas is discussed based on a vast set of experimental tests with the gas mixture representing the real gas mixture at the wellhead. The mixture was created by mixing dry hydrocarbon gas, heavy hydrocarbon compounds, monoethylene glycol, and water. The mixture was chosen to be more aggressive by increasing the amount of liquid substances. Furthermore, the temperature and pressure were increased, which resulted in accelerated test conditions. The time required to detect severe degradation was thus decreased. The test program included a comparison of materials, an analysis of the e ects of di erent compounds in the gas mixture, namely water and heavy hydrocarbons, on the aging, an analysis of the e ects of temperature and exposure duration, and also an analysis on the e ect of sudden pressure changes on the degradation of the insulating materials. It was found in the tests that an insulation consisting of mica, glass, and epoxy resin can tolerate the raw natural gas, but it experiences some degradation. The key material in the composite insulation is the resin, which largely defines the performance of the insulation system. The degradation of the insulation is mostly determined by the amount of gas mixture di used into it. The di usion was seen to follow Fick’s second law, but the coe cients were not accurately defined. The di usion was not sensitive to temperature, but it was dependent upon the thermodynamic state of the gas mixture, in other words, the amounts of liquid components in the gas. The weight increase observed was mostly related to heavy hydrocarbon compounds, which act as plasticizers in the epoxy resin. The di usion of these compounds is determined by the crosslink density of the resin. Water causes slight changes in the chemical structure, but these changes do not significantly contribute to the aging phenomena. Sudden changes in pressure can lead to severe damages in the insulation, because the motion of the di used gas is able to create internal cracks in the insulation. Therefore, the di usion only reduces the mechanical strength of the insulation, but the ultimate breakdown can potentially be caused by a sudden drop in the pressure of the process gas.

Tukkusähkön hintapiikkeihin reagoinnin keinot sellu- ja kartonkitehtaalla.

Sähkön tukkuhinnat vaihtelivat hyvin voimakkaasti talvella 2009–2010. Työssä on esitetty rajahyötytarkasteluna yhdistetyn sellu- ja paperitehtaan mahdollisuudet lisätä vastapainesähkön tuotantoa sekä leikata sähkön kulutusta aikana, jolloin sähkön tuntihinta on korkea. Työssä tarkastellaan myös erilaisia sähkömarkkinaoperaatioita. Työn ensimmäisessä osiossa esitellään Stora Enson Imatran tehtaat. Myöhemmissä kappaleissa perehdytään pohjoismaisten sähkömarkkinoiden sekä kaasupörssin toimintaan. Jotta korkeista sähkön hinnoista voitaisiin hyötyä, tulee sähkön myyntitarjoukset jättää sähköpörssi Nord Poolin kaupankäyntijärjestelmään toimitusvuorokautta edeltävänä päivänä. Tässä työssä on määritetty sähköenergian mahdolliset myyntivolyymit sekä hinnat eri tuotantotilanteissa. Työssä pyritään parantamaan tehtaan sähkökaupankäynnin kannattavuutta käyttämällä eri sähkökaupan tuotteita. Työssä esitetään malleja, joiden avulla korkeita sähkön markkinahintoja voidaan pyrkiä hyödyntämään. Eri sähkömarkkinatuotteet soveltuvat myös riskienhallintaan voimakkaasti vaihtelevilla sähkömarkkinoilla

Toikansuon kaatopaikkakaasun hyödyntäminen kaukolämmöntuotantoon

Tämän työn päätavoitteena oli selvittää, onko Toikansuon kaatopaikkakaasun hyödyntäminen kaukolämmöntuotantoon Lappeenrannan Energialle taloudellisesti kannattavaa. Kaatopaikkakaasulla voitaisiin korvata kaukolämmöntuotannossa puuta ja maakaasua, mistä aiheutuisi säästöä. Kaukolämmöntuotantoa varten olisi hankittava lämpökeskus ja rakennettava tarvittava infrastruktuuri, mistä aiheutuisi taas toisaalta kustannuksia. Paroc hyödyntää nykyisin Toikansuon kaatopaikkakaasun. Paroc ei hyödynnä kaasua niin paljon kuin olisi mahdollista, ja tulevaisuudessa Paroc ei välttämättä pysty hyödyntämään kaasua ollenkaan. Työssä arvioitiin Toikansuon kaatopaikkakaasupotentiaali, jonka perusteella pyydettiin toimittajilta tarjous kohteeseen soveltuvasta lämpökeskuksesta. Lämpökeskukselle etsittiin lisäksi sijoituspaikka sekä arvioitiin tarvittavan infrastruktuurin rakentamisesta aiheutuvat kustannukset ja lämpökeskuksen käytönaikaiset kustannukset. Aiheutuvia kustannuksia verrattiin vaihtoehtoisten kaukolämmöntuotantotapojen polttoainekustannuksissa saavutettuun säästöön nykyarvomenetelmän avulla. Investoinnin nykyarvo esitettiin eri kaatopaikkakaasun hinnoilla, sillä kaatopaikkakaasusta maksettava hinta on Lappeenrannan Energian ja Lappeenrannan kaupungin välinen neuvottelukysymys. Työn tulosten perusteella Toikansuon kaatopaikkakaasua pystyttäisiin hyödyntämään kaukolämmöntuotantoon noin 15 vuotta. Investointi on Lappeenrannan Energialle kannattava, kunhan kaatopaikkakaasusta maksettava hinta on riittävän alhainen ja laskelmiin valitut lähtöarvot pitävät riittävän hyvin paikkansa. Investointiin sisältyy kuitenkin riskinsä, sillä laskelmat sisältävät useita tulevaisuudessa muuttuvia tekijöitä, joiden kehitystä on vaikea arvioida tarkasti. Investointia tulisi harkita, jos Paroc ei pysty tulevaisuudessa hyödyntämään kaasua ollenkaan tai tavoitteena on minimoida kasvihuonekaasupäästöt. Pelkkää taloudellisen tuoton tavoittelua ajatellen investointi on liian epävarma.

Solar energy use for water pre-heating in boilers of agro-industries

Energy consumption in the world has been growing every year. The industrial sector represents 27.32% of the world energy demand. Heating systems that use solar energy may contribute with a percentage of the total energy required by industries. This work aimed to study the use of vacuum solar collectors for water pre-heating in boilers. We used four collectors installed according to NBR 15,569; water flow through the tubes was 0.058 L/s, and temperature in the inlet and outlet pipes was measured. Results showed that instantaneous radiation, and inlet fluid and room temperatures are variables that influence the process, reaching water maximum temperature in the solar collector outlet of 97.9 °C, and efficiency of approximately 65% for most experiments. For the financial viability evaluation, the payback study was applied, which resulted in 4; 7 and 5 years, for the respective sources: firewood, LPG (liquefied petroleum gas), and electricity. Regarding the calculation of the annual contribution to the reduction of greenhouse gases, it was, respectively, 2.162 and 356 kg of CO2 per m² of collector tubes, in comparison with firewood and LPG.

Alternative liquid biofuels for lime kilns

Causticizing plant is an important part of kraft pulp mill. It uses green liquor from recovery boiler as a raw material and consumes lime to produce white liquor, which is an important chemical used in pulping. Lime kiln is a part of the causticizing process. It is used to convert lime mud, a by-product obtained from the causticizing back to lime in high temperatures. This conversion requires a lot of energy. The most common fuels used as energy source for lime kiln are heavy fuel oil and natural gas. In a modern pulp mill lime kiln is the only user of significant amount of fossil fuels. Replacing fossil fuels with biofuels can have prominent economical and environmental benefits. Interest in using biofuels as energy source of lime kiln has become a worldwide issue in the recent years. However fuels used for lime kiln have a lot of certain requirements. The purpose of this work is to study the required characteristics from liquid fuels used in pulp mill lime kiln and to map suitable liquid biofuels already available in the markets. Also taxation of liquid biofuels compared to heavy fuel oil in Finland, Sweden and Germany is shortly introduced.

Optimization of hydrogen plant efficiency

The purpose of this master’s thesis was to study ways to increase the operating cost-efficiency of the hydrogen production process by optimizing the process parameters while, at the same time, maintaining plant reliability and safety. The literature part reviewed other hydrogen production and purification processes as well as raw material alternatives for hydrogen production. The experimental part of the master’s thesis was conducted at Solvay Chemicals Finland Oy’s hydrogen plant in spring 2012. It was performed by changing the process parameters, first, one by one, aiming for a more efficient process with clean product gas and lower natural gas consumption. The values of the process parameters were tested based on the information from the literature, process simulation and experiences of previous similar processes. The studied parameters were reformer outlet temperature, shift converter inlet temperature and steam/carbon ratio. The results show that the optimal process conditions are a lower steam/carbon ratio and reformer outlet temperature than the current values of 3.0 and 798 °C. An increase/decrease in the shift conversion inlet temperature does not affect natural gas consumption, but it has an effect on minimizing the process steam overload.

Polttoaineet ja niiden kustannusten optimointi lämmöntuotossa

Työ esittelee suomessa lämmöntuotantoon käytettävät polttoaineet, niiden verotuksen, hinnan kehityksen ja kustannusten optimoinnin. Polttoaineista maakaasu on käsitelty kattivimmin. Työssä perehdytään syihin, joista polttoaineiden hinnan vaihtelut johtuvat ja miten ne tiedostamalla voidaan vaikuttaa kustannuksiin. Työssä käydään läpi lämmöntuotannon rakenteen ja käytetyn tekniikan vaikutukset erilaisten polttoaineiden käyttöön.

Sähkön tuotantokustannusvertailu

Työssä vertaillaan eri sähköntuotantovaihtoehtojen taloudellista kannattavuutta. Kannattavuusvertailu suoritetaan pelkkää sähköä tuottaville voimalaitoksille. Raportti on jatkoa aikaisemmille tutkimuksille, joista viimeisin julkaistiin 2008. Tutkittavat voimalaitostyypit ovat: ydinvoimalaitos, maakaasukombilauhdevoimalaitos, kivihiililauhdevoimalaitos, turvelauhdevoimalaitos, puulauhdevoimalaitos, tuulivoimala ja uutena aurinkovoimala. Kannattavuustarkastelu suoritetaan annuiteettimenetelmällä käyttäen 5 % reaalikorkoa ja maaliskuun 2012 hintatasoa. Laskelmien perusteella 8000 tunnin huipunkäyttöajalla ydinsähkön tuotantokustannus, kun laitos rakennetaan olemassaolevalle tontille olisi 43,7 €/MWh, täysin uuden ydinvoimalaitoksen 57,9 €/MWh, kaasusähkön 75,4 €/MWh, turvelauhteen 75,4 €/MWh ja hiilisähkön hiilidioksidin talteenotolla 64,4 €/MWh, kun hiilidioksidipäästöoikeuden hintana käytetään 23 €/t. Vastaavasti uusiutuvista puupolttoainelauhdesähkön tuotantokustannus olisi 70,2 €/MWh kun taas 2200 tunnin huipunkäyttöajalla maalla sijaitsevan tuulivoimalaitoksen sähkön tuotantokustannus 52,7 €/MWh ja merellä sijaitsevan tuulivoimalaitoksen 76,8 €/MWh. Erillistarkastelussa arvioitiin suurien keskittävää teknologiaa käyttävän aurinko-voimalaitoksen tuotantokustannuksen ylittävän 100 €/MWh ollen todennäköisesti lähempänä 150 €/MWh. Arvio piensähkön tuotantokustannuksista aurinkosähköisillä paneeleilla vaihtelee 90 – 130 €/MWh. Merkittävin kustannussäästö syntyy, jos aurinkosähköpaketteja voidaan tarjota kuluttajalle kokonaistoimituksena avaimet käteen. Aurinkosähkön tuottaminen kotikeräimillä näyttääkin olevan vaiheessa, jossa se on selkeästi pienkäyttäjälle edullista mikäli sijoitettava pääoma 6000 – 18000 € ei vaadi ulkopuolista rahoitusta.

Towards novel biogas upgrading processes

Biogas production has considerable development possibilities not only in Finland but all over the world since it is the easiest way of creating value out of various waste fractions and represents an alternative source of renewable energy. Development of efficient biogas upgrading technology has become an important issue since it improves the quality of biogas and for example facilitating its injection into the natural gas pipelines. Moreover, such upgrading contributes to resolving the issue of increasing CO2 emissions and addresses the increasing climate change concerns. Together with traditional CO2 capturing technologies a new class of recently emerged sorbents such as ionic liquids is claimed as promising media for gas separations. In this thesis, an extensive comparison of the performance of different solvents in terms of CO2 capture has been performed. The focus of the present study was on aqueous amine solutions and their mixtures, traditional ionic liquids, ‘switchable’ ionic liquids and poly(ionic liquid)s in order to reveal the best option for biogas upgrading. The CO2 capturing efficiency for the most promising solvents achieved values around 50 - 60 L CO2 / L absorbent. These values are superior to currently widely applied water wash biogas upgrading system. Regeneration of the solvent mixtures appeared to be challenging since the loss of initial efficiency upon CO2 release was in excess of 20 - 40 vol %, especially in the case of aqueous amine solutions. In contrast, some of the ionic liquids displayed reversible behavior. Thus, for selected “switchable” ionic and poly(ionic liquid)s the CO2 absorption/regeneration cycles were performed 3 - 4 times without any notable efficiency decrease. The viscosity issue, typical for ionic liquids upon CO2 saturation, was addressed and the information obtained was evaluated and related to the ionic interactions. The occurrence of volatile organic compounds (VOCs) before and after biogas upgrading was studied for biogas produced through anaerobic digestion of waste waters sludge. The ionic liquid [C4mim][OAc] demonstrated its feasibility as a promising scrubbing media and exhibited high efficiency in terms of the removal of VOCs. Upon application of this ionic liquid, the amount of identified VOCs was diminished by around 65 wt %, while the samples treated with the aqueous mixture of 15 wt % N-methyldiethanolamine with addition of 5 wt % piperazine resulted in 32 wt % reduction in the amounts of volatile organic compounds only.

Hakkeen kuivaus ennen varastointia ja biopolttoaineterminaalin suunnittelu

Lempäälään aiotaan rakentaa uusi kaukolämpölaitos, jossa polttoaineena käytettäisiin haketta. Nykyään Lempäälässä tuotetaan kaukolämpöä maakaasulla, jonka käyttämisestä halutaan siirtyä käyttämään lähialueilta saatavaa biopolttoainetta. Tässä työssä halutaan selvittää, mitä hyötyjä saataisiin hakkeen koneellisesta kuivauksesta. Työn toisena tavoitteena on suunnitella ja pohtia biopolttoaineterminaalin rakentamista sekä käsitellä hakkeen varastointia yleensä. Työssä tutustutaan hakkeeseen aiheesta kertovan kirjallisuuden avulla. Työssä on myös laskettu hakkeen kuivauksesta saatavia hyötyjä hakkeen lämpöarvoon sekä energiatiheyteen. Erityisesti perehdytään metsätähdehakkeeseen, rankahakkeeseen, kuorihakkeeseen sekä sahanpuruun. Laskelmien tuloksista on havaittu, että suurin hyöty hakkeen energiatiheyden parantumisessa saadaan kun hake kuivataan 35 % kosteuspitoisuuteen. Tämän jälkeen energiatiheyden paraneminen tapahtuu hitaammin. Hakkeen kuivauksesta saadaan myös muita hyötyjä kuin energiatiheyden paraneminen. Kuivan hakkeen käsittelyn ja varastoinnin on havaittu olevan vaivattomampaa kuin märän hakkeen. Biopolttoaineterminaalin ja voimalaitoksen tulisi sijaita rinnakkain, jotta hakkeen kuivauksesta saadaan mahdollisimman kustannustehokasta. Näin ollen syntyisi myös säästöjä hakkeen kuljetuksen suhteen. Biopolttoaineterminaalin rakentamista varten tarvittaisiin tilaa alustavien laskelmien perusteella noin yksi hehtaari. Työssä on myös laskettu biopolttoaineterminaalin rakentamisesta aiheutuvia kustannuksia sekä hakkeen kuljetuksesta koituvia logistiikka kustannuksia. Haketerminaalin ja voimalaitoksen sijaintia Lempäälässä on myös kartoitettu.

Horizontal Slug Flow in a Large-Size Pipeline: Experimentation and Modeling

The knowledge of the slug flow characteristics is very important when designing pipelines and process equipment. When the intermittences typical in slug flow occurs, the fluctuations of the flow variables bring additional concern to the designer. Focusing on this subject the present work discloses the experimental data on slug flow characteristics occurring in a large-size, large-scale facility. The results were compared with data provided by mechanistic slug flow models in order to verify their reliability when modelling actual flow conditions. Experiments were done with natural gas and oil or water as the liquid phase. To compute the frequency and velocity of the slug cell and to calculate the length of the elongated bubble and liquid slug one used two pressure transducers measuring the pressure drop across the pipe diameter at different axial locations. A third pressure transducer measured the pressure drop between two axial location 200 m apart. The experimental data were compared with results of Camargo's1 algorithm (1991, 1993), which uses the basics of Dukler & Hubbard's (1975) slug flow model, and those calculated by the transient two-phase flow simulator OLGA.

Modelling Long-Run Relationship between Spot and Future Prices of Different Commodities

The purpose of this study is to investigate whether there exists any kind of relationship between the spot and future prices of the different commodities or not. Commodities like cocoa, coffee, crude oil, gold, natural gas and silver are considered from January 3, 2000 to December 31, 2012. For this purpose, ADF test and KPSS test are used in testing the stationarity whereas Johansen Cointegration test is used in testing the long-run relationship. Johansen co-integration test exhibits that there at least 5 co-integrating pairs out of 6 except crude oil. Moreover, the result of Granger Causality supports the fact that if two or more than two time series tend to be co-integrated there exists either uni-directional or bi-directional relationship. However, our results reveled that although there exists the co-integration between the variable, one might not granger causes another .VAR model is also used to measure the proportion of effects. These findings will help the derivative market and arbitragers in developing the strategies to gain the maximum profit in the financial market.

Maakaasun paineenvähennysaseman paineenvähennyslaitteen mitoitus

Diplomityö tehtiin maakaasun paineenvähennysaseman paineenvähennyslaitteen mitoituksesta. Työn kuluessa suunniteltiin ja toteutettiin mitoitusohjelma maakaasun paineenvähennyslaitteen mitoitukseen. Työssä tutustutaan maakaasun putkivirtaukseen ja paineenvähennysaseman paineenvähennyslaitteeseen. Työssä selvitetään paineenvähennyslaitteen eri osien toiminta ja tarve, sekä kuinka niiden mitoitus ja valinta tapahtuu. Lopputuloksena työstä saatiin suunniteltua ja toteutettua mitoitusohjelma paineenvähennyslaitteelle. Mitoitusohjelman avulla saadaan helposti ja nopeasti selville sopivat osat paineenvähennyslaitteeseen halutulla painetasolla ja ainemäärällä. Ohjelman on tarkoitus helpottaa ja nopeuttaa paineenvähennyslaitteen mitoitusta ja suunnittelua.

Toimintaohjeistus HSY:n jätteenpolton materiaalivirtojen hallintaan

Vantaan Energia rakentaa ympäristövaatimukset täyttävän jätevoimalan Itä-Vantaan Långmossebergeniin. Jätevoimalassa tullaan käyttämään polttoaineena kierrätykseen kelpaamatonta syntypaikkalajiteltua yhdyskuntajätettä sekä maakaasua. Helsingin seudun ympäristöpalvelut -kuntayhtymä HSY tulee toimittamaan noin 80 % vuosittaisesta jätepolttoaineesta. Tässä työssä on esitetty toimintamalli HSY:n jätteenpolton materiaalivirtojen hallitsemiseksi. Toimintamallin tarkoituksena on antaa ohjeistus jätteiden materiaalivirtojen käsittelymenetelmistä ennen jätteenpolttolaitosta. Lisäksi toimintamallin tarkoituksena on saada vähennettyä pohjakuonan määrää. Toimintamalli sisältää ohjeistuksen kotitalouksien sekajätteen, pienjäteasemien sekajätteen, sekalaisen rakennus- ja purkujätteen sekä kaupan- ja teollisuuden jätteiden käsittelytavoista. Jätevirtojen koostumusta on selvitetty kirjallisuudesta löytyvien tietojen perusteella ja tietoja on täydennetty kesällä 2013 suoritetun lajittelututkimuksen tiedoilla. Tutkimuksen tuloksista selvisi, että pienjäteasemien sekajätteiden lajittelua tehostamalla HSY:llä pystytään tekemään merkittäviä taloudellisia säästöjä. Tutkimuksessa selvisi, että kipsilevy olisi kannattavinta kerätä omalle lavalleen pienjäteasemilla. Sekalaisen rakennus- ja purkujätteen osalta todettiin, että sitä ei kannata ohjata suoraan jätevoimalalle poltettavaksi, eikä sitä voida sijoittaa käsittelemättömänä kaatopaikalle vuoden 2020 jälkeen. Tästä syystä työssä on ehdotettu, että sekalainen rakennus- ja purkujäte ohjattaisiin lajittelulaitokselle käsiteltäväksi ennen sen loppusijoittamista. Tutkimuksen tulosten perusteella voidaan myös todeta, että toimintamallia noudattamalla, pohjakuonan määrää on mahdollista vähentää lähes puolella alkuperäisestä arviosta.