Kaksisuuntaisen DC/DC-hakkurin virtasäätö polttokennosovelluksessa

Ilmastonmuutos ja fossiilisten polttoaineiden ehtyminen ovat edesauttaneet uusiutuvien energialähteiden tutkimusta huomattavasti. Lisäksi alati kasvava sähköenergian tarve lisää hajautetun sähköntuotannon ja vaihtoehtoisten energialähteiden kiinnostavuutta. Yleisimpiä hajautetun sähköntuotannon energialähteitä ovat tuulivoima, aurinkovoima ja uutena tulokkaana polttokennot. Polttokennon kytkeminen sähköverkkoon vaatii tehoelektroniikkaa, ja yleensä yksinkertaisessa polttokennosovelluksessa polttokenno kytketään galvaanisesti erottavan yksisuuntaisen DC/DC-hakkurin ja vaihtosuuntaajan kanssa sarjaan. Polttokennon rinnalla voidaan käyttää akkua tasaamaan polttokennon syöttämää jännitettä, jolloin akun ja polttokennon väliin tarvitaan kaksisuuntainen DC/DC-hakkuri, joka pystyy siirtämään energiaa molempiin suuntiin. Tässä diplomityössä on esitetty kaksisuuntaisen DC/DC-hakkurin tilayhtälökeskiarvoistusmenetelmään perustuva malli sekä mallin perusteella toteutettu virtasäätö. Tutkittava hakkuritopologia on kokosilta-tyyppinen boost-hakkuri, ja säätömenetelmä keskiarvovirtasäätö. Työn tuloksena syntyi tilayhtälömalli kaksisuuntaiselle FB boost -hakkurille sekä sen tulokelan virran säätämiseen soveltuva säädin. Säädin toimii normaalitilanteissa hyvin, mutta erikoistilanteissa, kuten hakkurin tulojännitteen äkillisessä muutostilanteessa, vaadittaisiin tehokkaampi säädin, jolla saavutettaisiin nopeampi nousuaika ilman ylitystä ja oskillointia.

Fast pyrolysis in circulating fluidized bed: feasibility study

Today the limitedness of fossil fuel resources is clearly realized. For this reason there is a strong focus throughout the world on shifting from fossil fuel based energy system to biofuel based energy system. In this respect Finland with its proven excellent forestry capabilities has a great potential to accomplish this goal. It is regarded that one of the most efficient ways of wood biomass utilization is to use it as a feedstock for fast pyrolysis process. By means of this process solid biomass is converted into liquid fuel called bio-oil which can be burnt at power plants, used for hydrogen generation through a catalytic steam reforming process and as a source of valuable chemical compounds. Nowadays different configurations of this process have found their applications in several pilot plants worldwide. However the circulating fluidized bed configuration is regarded as the one with the highest potential to be commercialized. In the current Master’s Thesis a feasibility study of circulating fluidized bed fast pyrolysis process utilizing Scots pine logs as a raw material was conducted. The production capacity of the process is 100 000 tonne/year of bio-oil. The feasibility study is divided into two phases: a process design phase and economic feasibility analysis phase. The process design phase consists of mass and heat balance calculations, equipment sizing, estimation of pressure drops in the pipelines and development of plant layout. This phase resulted in creation of process flow diagrams, equipment list and Microsoft Excel spreadsheet that calculates the process mass and heat balances depending on the bio-oil production capacity which can be set by a user. These documents are presented in the current report as appendices. In the economic feasibility analysis phase there were at first calculated investment and operating costs of the process. Then using these costs there was calculated the price of bio-oil which is required to reach the values of internal rate of return of 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 50%.

Licensing Model Development for Small Modular Reactors (SMRs) - Focusing on the Finnish Regulatory Framework

Recently, Small Modular Reactors (SMRs) have attracted increased public discussion. While large nuclear power plant new build projects are facing challenges, the focus of attention is turning to small modular reactors. One particular project challenge arises in the area of nuclear licensing, which plays a significant role in new build projects affecting their quality as well as costs and schedules. This dissertation - positioned in the field of nuclear engineering but also with a significant section in the field of systems engineering - examines the nuclear licensing processes and their suitability for the characteristics of SMRs. The study investigates the licensing processes in selected countries, as well as other safety critical industry fields. Viewing the licensing processes and their separate licensing steps in terms of SMRs, the study adopts two different analysis theories for review and comparison. The primary data consists of a literature review, semi-structured interviews, and questionnaire responses concerning licensing processes and practices. The result of the study is a recommendation for a new, optimized licensing process for SMRs. The most important SMR-specific feature, in terms of licensing, is the modularity of the design. Here the modularity indicates multi-module SMR designs, which creates new challenges in the licensing process. As this study focuses on Finland, the main features of the new licensing process are adapted to the current Finnish licensing process, aiming to achieve the main benefits with minimal modifications to the current process. The application of the new licensing process is developed using Systems Engineering, Requirements Management, and Project Management practices and tools. Nuclear licensing includes a large amount of data and documentation which needs to be managed in a suitable manner throughout the new build project and then during the whole life cycle of the nuclear power plant. To enable a smooth licensing process and therefore ensure the success of the new build nuclear power plant project, management processes and practices play a significant role. This study contributes to the theoretical understanding of how licensing processes are structured and how they are put into action in practice. The findings clarify the suitability of different licensing processes and their selected licensing steps for SMR licensing. The results combine the most suitable licensing steps into a new licensing process for SMRs. The results are also extended to the concept of licensing management practices and tools.

Modeling of the Fluid-Structure Interaction in Inelastic Piping Systems

In many engineering applications, compliant piping systems conveying liquids are subjected to inelastic deformations due to severe pressure surges such as plastic tubes in modern water supply transmission lines and metallic pipings in nuclear power plants. In these cases the design of such systems may require an adequate modeling of the interactions between the fluid dynamics and the inelastic structural pipe motions. The reliability of the prediction of fluid-pipe behavior depends mainly on the adequacy of the constitutive equations employed in the analysis. In this paper it is proposed a systematic and general approach to consistently incorporate different kinds of inelastic behaviors of the pipe material in a fluid-structure interaction analysis. The main feature of the constitutive equations considered in this work is that a very simple numerical technique can be used for solving the coupled equations describing the dynamics of the fluid and pipe wall. Numerical examples concerning the analysis of polyethylene and stainless steel pipe networks are presented to illustrate the versatility of the proposed approach.

Voimalaitoksen kanavien kannakkeiden rakennesuunnittelu

Tässä diplomityössä esitetään voimalaitoksen kanavien kannakkeiden rakennesuunnittelussa tarvittavat laskentamenetelmät. Työssä rakenteiden suunnitteluun ja mitoitukseen käytetään pääasiassa Eurokoodi 3 teräsrakenteiden suunnittelustandardin mukaista rajatilamitoitusta. Lisäksi kehitetään mitoitustyökaluja tärkeimpien kanavakannakkeiden suunnitteluun. Toteutettujen mitoitustyökalujen toiminta verifioidaan lujuusopin elementtimenetelmällä tehtävin tarkistuslaskelmin. Laskentatyökalujen analyyttisen ratkaisun verifioitiin olevan varmalla puolella kaikissa tutkituissa ilmiöissä. Työssä verifioituja menetelmiä voidaan soveltaa myös muiden vastaavien rakenteiden mitoittamiseen. Työssä luotujen laskentatyökalujen sisältämät laskentamenetelmät mahdollistavat monenlaisten rakenteiden vaatimustenmukaisen suunnittelun.

Soodakattilalaitosten energiantuotannon lisääminen

The aim of this thesis is to study different methods to increase the energy production of recovery boilers. This improvement is encouraged by the current energy policy and the rapid rise in energy prices, especially in electricity. In addition, the energy efficiency of the power plants is intended to be improved. There are several methods to increase the energy production. The methods taken into more accurate study are lower pressure steam for soot blowing and flue gas coolers. Energy balances are made for these two cases to check a plausible addition of power generation of turbo-generator of the steam turbine. Also, the viability issues are studied. Solvo Power Plant Simulation program is used for the energy balance research. Two case power plants are simulated to solve the balances. To solve the addition of power generation with the flue gas coolers, basic balance calculation is performed. The viabilities are also taken into account, especially the payback times of these alternatives. On the basis of the results, installing the system to the process is viable in both cases. By installing the lowest possible pressure steam system for the soot blowing, the advantages are the most significant. The investment costs are the highest but the payback time is less than 1,5 years and the profit in the next 20 years is the greatest. In the case of flue gas coolers, the results did not entirely agree with past studies. Nevertheless, installing the flue gas coolers into the process also seems to be significant and profitable.

Hitsaustuotannon kehittäminen tuulivoimalan tornin valmistuksessa

Tuulivoima on Euroopassa nopeimmin kasvava energian tuotantomuoto. Tuulivoimateollisuuden arvioidaan kasvavan Suomessa huomattavasti lähivuosien aikana ennakoidun syöttötariffipäätöksen myötä, jolloin kilpailu alalla tulee kasvamaan. Tavoitteena oli kehittää tuulivoimalan tornin valmistusta Levator Oy:ssä hitsaustuotantoa tehostamalla ja tuotannon ohjattavuutta parantamalla. Kehitystyöhön kuului toisen hitsauslinjan käyttöönoton suunnittelu ja ohjeiston laatiminen työnjohdolle. Toisen hitsauslinjan käyttöönoton suunnittelun tarkoituksena oli suunnitella muutokset nykyiseen tuotantoon uuden linjan käyttöönoton mahdollistamiseksi. Suunnittelu aloitettiin valitsemalla hitsausprosessit, jonka jälkeen suunniteltiin laitetarpeet työvaihe-analyysien pohjalta. Tuotantolayout muutettiin nykyisestä funktionaalisesta tuotannosta tuotantosoluista koostuvaksi tuotantolinjaksi, jolloin materiaalien virtautus parani huomattavasti. Tuotannon ohjaustavaksi valittiin kapeikko-ohjaus. Ohjeiston laatimisen tarkoituksena oli kerätä ja dokumentoida kaikki tuotannossa tarvittava tieto. Ohjeiston sisältää laadunohjaus, materiaalivirtojen ohjaus ja työnohjaus osiot, joiden tarkoituksena on helpottaa työnjohtamista. Ohjeisto määrittelee yhtenäiset tuotannon toimintatavat, jolloin tuotannon ohjattavuus helpottuu. Tavoitteet täyttyivät, kun toisen tuotantolinjan käyttöönoton vaatimat muutokset aloitettiin suunnitelmien mukaisesti syyskuussa 2009. Ohjeiston sisältö saatiin määriteltyä ja eri osioiden pilotit saatiin valmiiksi joulukuun aikana. Tuotannon ohjattavuus kehittyi huomattavasti ja samalla tuottavuus parani merkittävästi.

Sorbent characterization for circulating fluidized bed scrubbers

Harmful sulfur dioxide (SO2) emissions from power plants have increasingly been restricted since the 1970’s. Circulating fluidized bed (CFB) scrubber is a dry flue gas desulfurization method of absorbing SO2 out of the flue gas with sorbent. In current commercial plants, the used sorbent is commercial or on-site hydrated calcium hydroxide. The CFB scrubber process is characterized by a close but adequate approach to the flue gas saturation temperature that is achieved by spraying water to the absorber followed by a particulate control device. Very high SO2 removal is achieved along with a dry byproduct that is continuously recirculated back to the absorber for enhanced sorbent utilization. The aim of this work is to develop a method that would characterize the reactivity of sorbents used in CFB scrubbers and to conclude how different process parameters and sorbent properties affect the sulfur absorption. The developed characterization method is based on a fixed bed of sorbent and inert silica sand, through which an SO2 containing gas mixture is led. The reaction occurs in the bed and the SO2 concentration in the outlet as a function of time, a breakthrough curve, is obtained from the analyzer. Reactivity of the sorbents are evaluated by the absorbed sulfur amount. Results suggest that out of process parameters, lower SO2 concentration, lower temperature and higher moisture content enhance the desulfurization. Between different sorbents, specific surface area seems to be the most significant parameter. Large surface area linearly leads to more efficient desulfurization. Overall, the solid conversion levels in the tests were very low creating uncertainty to the validity of the results. New desing is being planned to overcome the problems of the device.

Säilöntämenetelmien parantaminen höyryvoimaprosessissa

Lahti Energia Oy:n kivihiiltä polttavan Kymijärvi I voimalaitoksen vuotuiset käyttötunnit ovat vähentyneet. Syy vähennykseen on ollut uuden kaasutusvoimalaitoksen käyttöönotto vuonna 2012, jolloin vanhan voimalaitoksen käytölle ei ole ollut tarvetta kesäkuukausina. Seisonta-aikana voimalaitoksen höyryvoimaprosessi tulee säilöä. Säilönnällä tarkoitetaan toimenpiteitä, joilla estetään korroosio-olosuhteiden syntyminen voimalaitoksen laitteisiin. Säilöntätavasta riippuen estetään joko hapen tai kosteuden esiintyminen. Tässä diplomityössä tutkitaan eri säilöntämenetelmien ominaisuuksia tavoitteena löytää sopivin vaihtoehto vanhalle kivihiilivoimalaitokselle. Työssä perehdytään teorian kautta kolmeen menetelmään voimalaitoksen kattilan säilönnässä. Typpi- ja märkäsäilönnässä estetään hapen ja kuivailmasäilönnässä kosteuden esiintyminen. Työssä on myös tutkittu kattilan säilöntämenetelmien vaikutuksia muihin laitteistoihin ja järjestelmiin. Tuloksien perusteella voidaan todeta, että kuivailmasäilöntä on toimivin ratkaisu voimalaitoksen viimeisille käyttövuosille. Voimalaitoksen jäädessä varavoimalaitokseksi on typpisäilöntä kustannustehokkain vaihtoehto.

The role of potassium in the corrosion of superheater materials in boilers firing biomass

Inhibition of global warming has become one of the major goals for the coming decades. A key strategy is to replace fossil fuels with more sustainable fuels, which has generated growing interest in the use of waste-derived fuels and of biomass fuels. However, from the chemical point of view, biomass is an inhomogeneous fuel, usually with a high concentration of water and considerable amounts of potassium and chlorine, all of which are known to affect the durability of superheater tubes. To slow down or reduce corrosion, power plants using biomass as fuel have been forced to operate at lower steam temperatures as compared to fossil fuel power plants. This reduces power production efficiency: every 10°C rise in the steam temperature results in an approximate increase of 2% in power production efficiency. More efficient ways to prevent corrosion are needed so that power plants using biomass and waste-derived fuels can operate at higher steam temperatures. The aim of this work was to shed more light on the alkali-induced corrosion of superheater steels at elevated temperatures, focusing on potassium chloride, the alkali salt most frequently encountered in biomass combustion, and on potassium carbonate, another potassium salt occasionally found in fly ash. The mechanisms of the reactions between various corrosive compounds and steels were investigated. Based on the results, the potassium-induced accelerated oxidation of chromia protected steels appears to occur in two consecutive stages. In the first, the protective chromium oxide layer is destroyed through a reaction with potassium leading to the formation of intermediates such as potassium chromate (K2CrO4) and depleting the chromium in the protective oxide layer. As the chromium is depleted, chromium from the bulk steel diffuses into the oxide layer to replenish it. In this stage, the ability of the material to withstand corrosion depends on the chromium content (which affects how long it takes the chromium in the oxide layer to be depleted) and on external factors such as temperature (which affects how fast the chromium diffuses into the protective oxide from the bulk steel). For accelerated oxidation to continue, the presence of chloride appears to be essential.

Commercialization of Modern Renewable Energy

The threat of global warming and its consequences are widely recognized, and the question of how to proceed with the long transition towards fossil fuel -neutral economies concerns many nations and people. At the same time the world’s primary energy use is predicted to increase significantly during the next decades as a result of global population and welfare increase. Improved energy efficiency and increased use of renewable energy sources in the world’s energy mix play important roles in the future energy production and consumption. The objective of this thesis is to study how novel renewable energy technologies, such as distributed small-scale bio-fueled combined heat and power production and wind power technologies could be commercialized efficiently. A wide array of attributes may contribute to the diffusion of new products. In general, the bioenergy and wind power technologies are in emerging phases, and the diffusion stage varies from country to country. The effects of firms’ technology choices, collaboration and alliances are studied in this thesis. Furthermore, the roles of national energy infrastructure and energy support schemes in the commercialization of new renewable energy products are explored. The empirical data is based on energy expert interviews, financial and patent data, and literature reviews of different case studies. The thesis comprises two parts. The first part provides an overview of the study, and the second part includes six research publications. The results reveal that small-scale bio-fueled combined heat and power production and wind power technologies are still in emerging phases in their life cycles, and energy support schemes are crucial in the market diffusion. The study contributes to earlier findings in the literature and industry by confirming that adequate energy policies and energy infrastructure are fundamental in the commercialization of novel renewable energy technologies. Firm-specific issues, including business relationships and new business models, and market-related issues will have a more significant role in the market penetration in the future, when the technologies mature and become competitive without political support schemes.

Ristikkorakenteisen hihnakuljetinsillan mitoitustyökalun kehittäminen

Hihnakuljettimia käytetään muun muassa voimalaitos- ja sellutehdasympäristöissä kuljettamaan kiinteää polttoainetta tai haketta pitkiä matkoja. Pitkät hihnakuljettimet asennetaan yleensä teräsristikoista rakennettujen kuljetinsiltojen sisään. Kuljetinsilta toimii siis hihnakuljettimen ja hoitokäytävän runkona sekä suojaa kuljetinta ja kuljetettavaa materiaalia säältä. Tässä diplomityössä on laadittu mitoitustyökalu, jolla voidaan nopeasti mitoittaa ristikkorakenteisen hihnakuljetinsillan sauvat sekä määrittää rakenteen massa. Laskentaohjelma on toteutettu Microsoft Excel -taulukkolaskentana. Sillan poikkileikkaus voi olla suljettu symmetrinen umpirakenne tai avorakenne, jossa on ulokkeellinen hoitotaso. Ristikon sauvat ovat RHS-putkia. Rakenteeseen voi vaikuttaa jatkuvia kuormia, pistekuormia sekä näistä johdetut, ekvivalenttiin staattiseen voimaan perustuvat maanjäristyskuormat. Diplomityössä on perehdytty mitoitustyökalussa sovellettuihin teorioihin. Voimasuureiden laskenta perustuu 2-tukisina palkkeina käsiteltävien siltalohkojen ratkaisuun ja palkkianalogiaan, jossa ristikon sauvavoimat ratkaistaan käsittelemällä ristikkoa palkkina. Sauvojen kestävyyden laskenta perustuu SFS-EN 1993-1-1 -normiin, joka on osa Eurocode -rakennesuunnittelunormistoa. Lisäksi työssä on käsitelty ristikkoliitosten mitoitusta SFS-EN 1993-1-8 mukaan. Mitoitusohjelman toimivuutta on testattu tarkastelemalla esimerkkisiltaa laaditulla mitoituspohjalla ja Autodesk Robot Professional 2013 -FE-analyysiohjelmisuolla. Tulosten perusteella mitoitustyökalua voidaan käyttää ainakin tarjousvaiheen nopeisiin tarkasteluihin ja omamassan määritykseen, mutta myös lopulliseen mitoitukseen, mikäli hyväksytään konservatiivinen mitoitus.

Biovoimalaitoksen energiatehokkuuden parantaminen ja osakuorma-ajon optimointi

Energiatehokkuus on nykyaikana yksi tärkeimmistä energiataloudellisista tekijöistä voimalaitosten sähköntuotannossa. Varsinkin yhteistuotantolaitoksissa joissa sähkö on lämpöenergian lisänä saatava sivutuote, sähkön tuotannon optimointi voi merkitä laitostalouden ja yrityksen kannalta huomattavia lisätuloja tai -säästöjä. Kaukaan Voima Oy:n biovoimalaitos on vuonna 2009 kaupalliseen käyttöön valmistunut moderni yhteistuotantolaitos, joka sijaitsee Lappeenrannassa UPM Kaukas sellutehtaan tehdasalueella. Voimalaitos tuottaa kaukolämpöä ja sähköä Lappeenrannan kaupungille sekä prosessihöyryä ja sähköä UPM Kaukaan tehtaille. Tämän työn tavoitteena on tarkastella biovoimalaitoksen omakäyttösähkön kulutusta kuukausitasolla verrattuna laitoksella tuotettavan höyryn määrään sekä etsiä voimalaitokselta kohteita, joiden omakäyttösähkön kulutusta voidaan vähentää vaikuttamatta höyryntuotantoon ja näin parantaa laitoksen energiatehokkuutta ja hyötysuhdetta. Työ rajataan käsittelemään voimalaitoksen apulaitteiden ja -järjestelmien omakäyttösähkön kulutusta. Työssä tarkastellaan vuodenaikojen vaihtelun ja kaukolämmön sekä prosessihöyryn tarpeen muutoksen vaikutusta voimalaitoksen ajomalliin sekä höyryntuotannon ja omakäyttösähkön kulutuksen suhteisiin. Työssä esiin nousseiden kohteiden potentiaaliset sähköenergian säästöt ovat noin 2500 MWh vuodessa joka tarkoittaa keskimäärin 3,7 % vähennystä voimalaitoksen kuukausittaiseen omakäyttösähkön kulutukseen. Kohteet eivät käytännössä vaadi minkaanlaista investointirahaa, vaan uusia ajojärjestelyitä. Keskeisimmiksi säästökohteiksi valikoitui laitoksen pumppausjärjestelmien paineenalennukset.

Ison tuuligeneraattorin roottorin ja staattorin rakennetarkastelu

Maailmanlaajuinen ilmastopolitiikka asettaa vaativia tavoitteita hiilidioksidipäästöjen vähentämiselle. Suurin haaste on tuottaa energiaa mahdollisimman alhaisin kustannuksin käyttäen uusiutuvia ja ympäristöä säästäviä energiamuotoja. Tuulivoimasta on tullut nopeimmin kehittyvä sähköntuotantotapa, ja tuuliturbiinien koon kasvun myötä on myös generaattorien koko kasvanut merkittävästi 1990-luvulta lähtien. Generaattorin massiivisuus suoravetoisessa tuuliturbiinin voimansiirrossa vaatii tarkkoja kuormitustarkasteluja, jotta rakenne kestäisi tuuliturbiinin eliniän. Tuuliturbiinin kuormitukset ovat stokastisia ja toisinaan erittäin suuria, mikä vaikeuttaa kuormitusten määrittämistä. Tuulen kuormitusten lisäksi generaattori altistuu eri toimintojen kautta muillekin kuormituksille, ja tästä syystä on otettava huomioon jarrutuksen, dynaamisen tasapainon ja ohjauksen sekä verkkovikojen aiheuttamat rasitukset tuuliturbiinin voimansiirrolle. Edellisten lisäksi työssä on tarkasteltu erilaisia rakenneratkaisuja sekä pyritty kiinnittämään huomio niiden kuormankantokykyyn ja jäykkyyteen sekä generaattorin keventämismahdollisuuksiin verrattuna perinteisiin radiaalivuogeneraattoreihin. Työssä on pyritty selvittämään rakenteen kuormitukset siten, että pystyttäisiin optimoimaan mahdollisimman kevyt rakenne. Optimoinnin kohteena on pinnarakenteisen generaattorin rakenteen massa puolien, puolan kulmien sekä tukirenkaan ja niistä aiheutuvien erilaisten rakenneyhdistelmien suhteen tarkasteltuna.