Höyry- ja kaasuturbiinin mallintaminen prosessisimulointiohjelmaan

Tässä diplomityössä on mallinnettu höyry- ja kaasuturbiini Balas -prosessisimulointi-ohjelmaan. Balas on Valtion Teknillisen Tutkimuskeskuksen kehittämä simulointiohjelma, erityisesti paperi- ja selluteollisuuden prosessien staattiseen simulointiin. Työn tavoitteena on kehittää simulointimallit höyry- ja kaasuturbiinille, sekä tutkia niiden toimivuutta vertaamalla simulointeja mittaus- ja mitoitustietoihin. Työssä on muodostettu matemaattiset mallit höyryturbiinille, höyryturbiinin säätövyöhykkeelle sekä höyryturbiinin off-design laskennalle. Kaasuturbiinille muodostettiin toimintakäyrät, joiden avulla tarkastellaan sen toimintaa off-design tilanteessa. Komponentit mallinnettiin diplomityövaiheessa Matlab-ympäristöön, josta ne siirretään Balasiin erillisessä työvaiheessa. Malleissa on kiinnitetty huomiota erityisesti niiden helppokäyttöisyyteen ja monipuolisuuteen. Höyryturbiinimalleja testattiin simuloimalla erään paperitehtaan yhteydessä toimivan voimalaitoksen vastapaineturbiini säätövyöhykkeineen ja vertaamalla simulointituloksia tehtaan mittaustietoihin. Kaasuturbiinimallia testattiin vertaamalla GE Power MS 7001 kaasuturbiinin mitoitustietoja vastaavilla parametreilla simuloituun tapaukseen.

Tuulivoimakäytön verkkoliitynnät ja mittaukset

Tässä työssä tutkitaan muuttuvanopeuksisen tuulivoimakäytön verkkoliityntöjä, verkkomääräyksiä ja mittausmenetelmiä Euroopassa. Yleiset tuulivoimalaitoksen verkkomääräyksiin liittyvät asiat on selitetty standardisarjassa IEC 61000 ja mittauksiin liittyvät säännökset standardissa IEC 61400-21. Työssä selvitetään Euroopan yleiset verkkomääräykset ja vertaillaan niitä keskenään, sekä määritetään tärkeimmät mittaukset. Lisäksi esitellään eräs standardimittauksiin soveltuva mittalaite ja analysoidaan täystehomuokkaimen suorituskykyä tuulivoimapuistossa. Työssä havaittiin, että standardin mukaisten mittausten toteuttaminen ja analysointi on hyvin haastava prosessi. Verkkomääräysten eroavaisuudet aiheuttavat hankaluuksia tuulivoimalan valmistajan ja verkko-operaattorien välillä. Täten myös konvertterivalmistajan täytyy olla selvillä käytössä olevista verkkomääräyksistä ja standardeista.

Seisokkien aiheuttamat kustannukset ja tulonmenetykset ongelma- ja yhdyskuntajätteen termisessä käsittelyssä

Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli selvittää seisokkitunnista aiheutuvat kustannukset ja tulonmenetykset eri polttolinjoille ja niiden kombinaatioille Ekokem Oy Ab:n jätteenpolttolaitoksessa. Työ suoritettiin tarkastelemalla prosessitietokantaan tallentunutta tietoa sekä keräämällä tietoa haastatteluilla. Jätetulon menetyksen määrittelytavalla oli keskeinen vaikutus tulonmenetysten muodostumiseen. Muita kustannuksiin ja tulonmenetyksiin vaikuttavia tekijöitä olivat vuodenaika, seisokin pituus ja energiantoimituksen sopimukset. Kaikissa seisokeissa ei välttämättä aiheudu välitöntä jätetulon menetystä, mutta käsittelemättä jäävän jätteen voidaan silti nähdä aiheuttavan tilapäisvarastoinnin tarvetta, josta aiheutuu kustannuksia. Tämän vuoksi eri polttolinjojen jätetulon menetys laskettiin kahdella tavalla olettaen ensin kaiken polttamatta jäävän jätteen aiheuttavan jätetulon menetystä sekä siten, että jätetulon menetys ja mahdollisesta varastoinnista aiheutuvat kustannukset arvioitiin kokemusperäisesti. Jätetulon todellisten menetysten määräytyminen voi tapahtua kummalla tavalla hyvänsä riippuen seisokkihetkellä vallitsevista olosuhteista. Kustannukset ja tulonmenetykset laskettiin kolmelle eripituiselle ajanjaksolle ja jaettiin tuntihinnoiksi. Työssä käsitellyille eri seisokkitilanteille saatiin 131 eri tuntihintaa kun muuttujia vaihdeltiin. Suurimmat kustannukset ja tulonmenetykset muodostuivat jätevoimalan seisokista lämmityskaudella. Tämä johtui siitä, että jätevoimalassa poltettavaa yhdyskuntajätettä ei pystytä varastoimaan toisin kuin ongelmajätteitä. Jätevoimalan seisokkitunti voi lämmityskaudella maksaa enimmillään 2600 €/h, josta menetetyn jätetulon osuus on liki puolet. Lisäksi jätevoimalan höyryntuotanto on yli puolet kokonaistuotannosta.

Catalisadores Ni/Al2O3 promovidos com molibdênio para a reação de reforma a vapor de metano

Mo-promoted Ni/Al2O3 catalysts for the methane steam reforming reaction were studied in this work. The Ni/Al2O3 catalysts were prepared by precipitation and molibdenum was added by impregnation up to 2%wt. The solids were tested using a micro-reactor under two H2Ov/C conditions and were characterized by ICP-OES, XRD, N2 adsoption, H2 chemisorption and TPR. NiO and NiAl2O4 phases were observed and the metallic area decreased with the increase of the Mo content. From the catalytic tests high stability was verified for H2Ov/C=4.0. On the other hand, only the catalyst containing 0,05% Mo stayed stable during 30 hours of the test at H2Ov/C=2.0.

Monivaiheisen höyryturbiinin optimointi

Tässä diplomityössä optimoitiin nelivaiheinen 1 MWe höyryturbiinin prototyyppimalli evoluutioalgoritmien avulla sekä tutkittiin optimoinnista saatuja kustannushyötyjä. Optimoinnissa käytettiin DE – algoritmia. Optimointi saatiin toimimaan, mutta optimoinnissa käytetyn laskentasovelluksen (semiempiirisiin yhtälöihin perustuvat mallit) luonteesta johtuen optimoinnin tarkkuus CFD – laskennalla suoritettuun tarkastusmallinnukseen verrattuna oli jonkin verran toivottua pienempi. Tulosten em. epätarkkuus olisi tuskin ollut vältettävissä, sillä ongelma johtui puoliempiirisiin laskentamalleihin liittyvistä lähtöoletusongelmista sekä epävarmuudesta sovitteiden absoluuttisista pätevyysalueista. Optimoinnin onnistumisen kannalta tällainen algebrallinen mallinnus oli kuitenkin välttämätöntä, koska esim. CFD-laskentaa ei olisi mitenkään voitu tehdä jokaisella optimointiaskeleella. Optimoinnin aikana ongelmia esiintyi silti konetehojen riittävyydessä sekä sellaisen sopivan rankaisumallin löytämisessä, joka pitäisi algoritmin matemaattisesti sallitulla alueella, muttei rajoittaisi liikaa optimoinnin edistymistä. Loput ongelmat johtuivat sovelluksen uutuudesta sekä täsmällisyysongelmista sovitteiden pätevyysalueiden käsittelyssä. Vaikka optimoinnista saatujen tulosten tarkkuus ei ollut aivan tavoitteen mukainen, oli niillä kuitenkin koneensuunnittelua edullisesti ohjaava vaikutus. DE – algoritmin avulla suoritetulla optimoinnilla saatiin turbiinista noin 2,2 % enemmän tehoja, joka tarkoittaa noin 15 000 € konekohtaista kustannushyötyä. Tämä on yritykselle erittäin merkittävä konekohtainen kustannushyöty. Loppujen lopuksi voitaneen sanoa, etteivät evoluutioalgoritmit olleet parhaimmillaan prototyyppituotteen optimoinnissa. Evoluutioalgoritmeilla teknisten laitteiden optimoinnissa piilee valtavasti mahdollisuuksia, mutta se vaatii kypsän sovelluskohteen, joka tunnetaan jo entuudestaan erinomaisesti tai on yksinkertainen ja aukottomasti laskettavissa.

Offdesign operation of kraft recovery boiler

A model to solve heat and mass balances during the offdesign load calculations was created. These equations are complex and nonlinear. The main new ideas used in the created offdesign model of a kraft recovery boiler are the use of heat flows as torn iteration variables instead of the current practice of using the mass flows, vectorizing equation solving, thus speeding up the process, using non dimensional variables for solving the multiple heat transfer surface problem and using a new procedure for calculating pressure losses. Recovery boiler heat and mass balances are reduced to vector form. It is shown that these vectorized equations can be solved virtually without iteration. The iteration speed is enhanced by the use of the derived method of calculating multiple heat transfer surfaces simultaneously. To achieve this quick convergence the heat flows were used as the torn iteration parameters. A new method to handle pressure loss calculations with linearization was presented. This method enabled less time to be spent calculating pressure losses. The derived vector representation of the steam generator was used to calculate offdesign operation parameters for a 3000 tds/d example recovery boiler. The model was used to study recovery boiler part load operation and the effect of the black liquor dry solids increase on recovery boiler dimensioning. Heat flows to surface elements for part load calculations can be closely approximated with a previously defined exponent function. The exponential method can be used for the prediction of fouling in kraft recovery boilers. For similar furnaces the firing of 80 % dry solids liquor produces lower hearth heat release rate than the 65 % dry solids liquor if we fire at constant steam flow. The furnace outlet temperatures show that capacity increase with firing rate increase produces higher loadings than capacity increase with dry solids increase. The economizers, boiler banks and furnaces can be dimensioned smaller if we increase the black liquor dry solids content. The main problem with increased black liquor dry solids content is the decrease in the heat available to superheat. Whenever possible the furnace exit temperature should be increased by decreasing the furnace height. The increase in the furnace exit temperature is usually opposed because of fear of increased corrosion.

Alternative Energy Conversion Systems for a Micro Scale Wind Turbine

This Master's thesis deals with a Micro Scale Wind Wind Turbine application. The thesis consists of nine chapters. The first chapter is an introduction to the philosophy of a small scale wind turbine application. The second defines concepts, and lists the requirements. The third presents the whole application for an On-Grid , and for an Off-Grid arrangement, with main concentration on lighting, heating, and energy storage. The fourth deals with the Inverter's technology, which are used for the conversion of the produced power. The fifth chapter presents the available storage technology and it's possibilities. The sixth deals with the system, and the technological means used for the implementation. The seventh presents the PLC device, which was used as the controller for the management of the whole application. The eighth deals with the concept and the control application philosophy that the PLC involves. And the final chapter presents conclusions and ideas for further considerations.

Technical Wind Energy Potential in Russia

The goal of the master's thesis is a detailed research of the technical wind energy potential in Russian Federation: the distribution of the potential all over the territory of the country and the possibility of the application of the potential for power supply of various objects. The main attention of the thesis is devoted to the assessment of wind energy resources (potential) of Russian Federation, both for the territory of country in whole and for every region. Theoretical basic wind energy concepts and the scheme of transformation of kinetic energy of a wind into electric energy by modern wind turbines are given in the work. Also the costs of energy, stimuli of development of wind-engineering and obstacles which impact the industry development are analyzed. The review of existent and projected wind power plants in Russia is carried out.

Thermal-Hydraulic Studies on the Safety Of VVER-440 Type Nuclear Power Plants

This thesis includes several thermal hydraulic analyses related to the Loviisa WER 440 nuclear power plant units. The work consists of experimental studies, analysis of the experiments, analysis of some plant transits and development of a calculational model for calculation of boric acid concentrations in the reactor. In the first part of the thesis, in the case of won of boric acid solution behaviour during long term cooling period of LOCAs, experiments were performed in scaled down test facilities. The experimental data together with the results of RELAPS/MOD3 simulations were used to develop a model for calculations of boric acid concentrations in the reactor during LOCAs. The results of calculations showed that margins to critical concentrations that would lead to boric acid crystallization were large, both in the reactor core and in the lower plenum. This was mainly caused by the fact that water in the primary cooling circuit includes borax (Na)BsO,.IOHZO), which enters the reactor when ECC water is taken from the sump and greatly increases boric acid solubility in water. In the second part, in the case of simulation of horizontal steam generators, experiments were performed with PACTEL integral test loop to simulate loss of feedwater transients. The PACTEL experiments, as well as earlier REWET III natural circulation tests, were analyzed with RELAPS/MOD3 Version Sm5 code. The analysis showed that the code was capable of simulating the main events during the experiments. However, in the case of loss of secondary side feedwater the code was not completely capable to simulate steam superheating in the secondary side of the steam generators. The third part of the work consists of simulations of Loviisa VVER reactor pump trip transients with RELAPSlMODI Eur, RELAPS/MOD3 and CATHARE codes. All three codes were capable to simulate the two selected pump trip transients and no significant differences were found between the results of different codes. Comparison of the calculated results with the data measured in the Loviisa plant also showed good agreement.

Ação promotora do zinco em catalisadores de síntese do estireno

Ethylbenzene dehydrogenation in the presence of steam is the main commercial route to produce styrene. The industrial catalyst is chromium and potassium-doped hematite, which easily deactivates with time due to potassium loss. In order to find non-toxic and potassium free catalysts, the promoter action of zinc on hematite was studied in this work. It was found that zinc acts as structural promoter by stabilizing the Fe3+ species (active phase) as maghemite. Although it decreases the specific surface area, it increases four times the catalytic activity as compared to hematite.

Efeito do teor metálico em catalisadores Co/Al2O3 aplicados à reação de reforma a vapor de etanol

The development of cobalt catalysts to produce hydrogen from ethanol is the goal of this investigation. Co/Al2O3 catalysts were prepared by impregnation and characterized by atomic absorption, nitrogen adsorption, X-ray diffraction, Raman spectroscopy, temperature programmed reduction and carbon analysis. The catalysts contained Co3O4 oxide and Co3+ and Co2+ species interacting with alumina. The cobalt load affects the crystal size and the crystalline structure and higher Co loads influence the reaction mechanism, changing the selectivity of the catalysts, decreasing the amount of CO produced and avoiding the formation of products catalyzed by the support. The ethanol conversion was 50-70% with 10-<1% of CO in the hydrogen.

Determinação das formas de nitrogênio e nitrogênio total em rochas-reservatório de petróleo por destilação com arraste de vapor e método do indofenol

Several extraction procedures are described for the determination of exchangeable and fixed ammonium, nitrate + nitrite, total exchangeable nitrogen and total nitrogen in certified reference soils and petroleum reservoir rock samples by steam distillation and indophenol method. After improvement of the original distillation system, an increase in worker safety, a reduction in time consumption, a decrease of 73% in blank value and an analysis without ammonia loss, which could possibly occur, were achieved. The precision (RSD < 8%, n = 3) and the detection limit (9 mg kg-1 NH4+-N) are better than those of published procedures.

Diagnostiikkamenetelmät höyrykattilan leijukerroksen tilan ja käytettävyysongelmien tunnistamiseksi

Diplomityön tavoitteena oli tutkia höyrykattiloiden leijukerrosten käytettävyysongelmia ja kirjallisuudesta löytyvien diagnostiikkamenetelmien toimivuutta leijukerroksen tilan ja käytettävyysongelmien tunnistamiseksi. Diagnostiikkamenetelmien toimivuutta testattiin VTT:n kiertoleijukoelaitteen prosessimittauksiin perustuen. Analysoinnissa käytettiin prosessimittauksia, jotka ovat yleisesti käytössä energiantuotannon leijukerroskattiloissa. Analysoitavina koeajotapauksina olivat kylmäkokeet partikkelikokojakaumaltaan vaihtelevalle leijutusmateriaalille, tuhkapartikkelien aiheuttama petimateriaalin karkeneminen ja agglomeroituminen, sekä vaihtelevien ajoarvojen vaikutus leijukerroksen hydrodynaamiseen käyttäytymiseen. Kokeellisesta osiosta saaduista tuloksista selvisi leijutusilman tilavuusvirran, petimassan ja partikkelikoon vaikutus analysoitavaan prosessimittaukseen. Tuloksista oli havaittavissa myös kiertävän petimateriaalin ja pohjapedin osuuksien vaikutus mitattuun painesignaaliin. Petipartikkelien agglomeroitumisen ja karkenemisen todettiin lisäävän kiertoleijukoelaitteistossa nousuputken pohjapedin määrää suhteessa kiertävään petimateriaaliin, mikä voitiin havaita painemittauksista.

A convenient method for the determination of moisture in aromatic plants

A method is proposed for the determination of the moisture content of aromatic plants. This method is based on the co-distillation of the starting material in a modified Clevenger apparatus with four organic solvents (toluene, cyclohexane, dichloromethane and carbon tetrachloride). The results were compared with those obtained by oven drying at 105 ºC and steam distillation of the essential oil. The efficiencies of the methods were shown to be equivalent. The solvent distillation method was more practical, especially with respect to operating time (2 h).

The effect of lignin as a natural adhesive on the physico-mechanical properties of Vitis vinifera fiberboards

Lignin was used as a natural adhesive to manufacture Vitis vinifera fiberboards. The fiberboards were produced at laboratory scale by adding powdered lignin to material that had previously been steam-exploded under optimized pretreatment and pressing conditions. The kraft lignin used was washed several times with an acidic solution to eliminate any contaminants and low molecular weight compounds. This research studied the effects of amounts of lignin ranging from 5% to 20% on the properties of Vitis vinifera fiberboards. The fiberboard properties evaluated were density, water resistance in terms of thickness swelling, water absorption, and the mechanical properties in terms of modulus of rupture, modulus of elasticity, and internal bond. Results showed that fiberboards made from Vitis vinifera without lignin addition had weaker mechanical properties. However, the fiberboards obtained using acid-washed kraft lignin as a natural adhesive had good mechanical and water resistance properties that fully satisfied the relevant standard specifications