Towards sustainable Iron- and steelmaking with economic optimization

The iron and steelmaking industry is among the major contributors to the anthropogenic emissions of carbon dioxide in the world. The rising levels of CO2 in the atmosphere and the global concern about the greenhouse effect and climate change have brought about considerable investigations on how to reduce the energy intensity and CO2 emissions of this industrial sector. In this thesis the problem is tackled by mathematical modeling and optimization using three different approaches. The possibility to use biomass in the integrated steel plant, particularly as an auxiliary reductant in the blast furnace, is investigated. By pre-processing the biomass its heating value and carbon content can be increased at the same time as the oxygen content is decreased. As the compression strength of the preprocessed biomass is lower than that of coke, it is not suitable for replacing a major part of the coke in the blast furnace burden. Therefore the biomass is assumed to be injected at the tuyere level of the blast furnace. Carbon capture and storage is, nowadays, mostly associated with power plants but it can also be used to reduce the CO2 emissions of an integrated steel plant. In the case of a blast furnace, the effect of CCS can be further increased by recycling the carbon dioxide stripped top gas back into the process. However, this affects the economy of the integrated steel plant, as the amount of top gases available, e.g., for power and heat production is decreased. High quality raw materials are a prerequisite for smooth blast furnace operation. High quality coal is especially needed to produce coke with sufficient properties to ensure proper gas permeability and smooth burden descent. Lower quality coals as well as natural gas, which some countries have in great volumes, can be utilized with various direct and smelting reduction processes. The DRI produced with a direct reduction process can be utilized as a feed material for blast furnace, basic oxygen furnace or electric arc furnace. The liquid hot metal from a smelting reduction process can in turn be used in basic oxygen furnace or electric arc furnace. The unit sizes and investment costs of an alternative ironmaking process are also lower than those of a blast furnace. In this study, the economy of an integrated steel plant is investigated by simulation and optimization. The studied system consists of linearly described unit processes from coke plant to steel making units, with a more detailed thermodynamical model of the blast furnace. The results from the blast furnace operation with biomass injection revealed the importance of proper pre-processing of the raw biomass as the composition of the biomass as well as the heating value and the yield are all affected by the pyrolysis temperature. As for recycling of CO2 stripped blast furnace top gas, substantial reductions in the emission rates are achieved if the stripped CO2 can be stored. However, the optimal recycling degree together with other operation conditions is heavily dependent on the cost structure of CO2 emissions and stripping/storage. The economical feasibility related to the use of DRI in the blast furnace depends on the price ratio between the DRI pellets and the BF pellets. The high amount of energy needed in the rotary hearth furnace to reduce the iron ore leads to increased CO2 emissions.

Ydinvoimalaitosten syöttövesipumput

Tässä kandidaatintyössä perehdyttiin ydinvoimalaitosten syöttövesipumppujen rakenteeseen ja erityispiirteisiin. Työssä on esitelty aluksi syöttövesipumppujen yleistä rakennetta ja niihin liittyvää teoriaa. Omina osa-alueinaan on käsitelty syöttövesipumppujen rakennetta, valinta- ja mitoitusperusteita, voimanlähteitä sekä kavitoinnin estämiseen käytettäviä menetelmiä. Ydinvoimalaitosten osalta on esitelty kiehutus- ja painevesilaitosten vesi-höyry-kiertopiirien toimintaperiaate sekä syöttövesipumppujen rooli näissä laitoksissa. Ydinvoimalaitosten syöttövesipumppujen teknisiä erityispiirteitä on esitelty omassa kappaleessaan sekä vertailtu eri valmistajien pumppumalleja keskenään. Lopussa on luotu katsaus suomalaisissa ydinvoimalaitoksissa Loviisassa ja Olkiluodossa käytössä oleviin syöttövesipumppuihin ja syöttövesijärjestelmiin. Rakenteen osalta ydinvoimalaitosten syöttövesipumput poikkeavat tavanomaisissa voimalaitoksissa käytetyistä pumpuista siinä, että ydinvoimalaitosten syöttövesipumput ovat yleensä yksiportaisia alhaisempien nostokorkeuksien vuoksi. Syöttövesipumppujen tehtävänä ydinvoimalaitoksissa on höyryn- ja edelleen energiantuotannon mahdollistamisen lisäksi myös reaktorin tai primääripiirin jäähdyttäminen.

Painelaitehitsauksen laadunhallintajärjestelmän kehittäminen voimalaitosten kunnossapitotöissä

Diplomityössä tarkastellaan paineenalaisten laitteiden hitsaukseen liittyviä laadullisia asioita voimalaitosten kunnossapitotöissä. Työssä selvitetään hitsauksen laadunhallinnan on-gelmakohtia ja niiden aiheuttajia sekä tutustutaan erilaisiin toimintaa helpottaviin laadun-hallinnan työkaluihin. Teoriaosuus koostuu erilaisiin laatutyökaluihin, kuten ISO 9001- ja ISO 3834 -standardeihin, Total Welding Managementiin ja Benchmarkingiin tutustumisesta sekä hit-sauksen laatukäsitteen tarkentamisesta. Osaa näistä laadunhallinnan työkaluista käytettiin parantamaan painelaitehitsauksen laatujärjestelmää voimalaitosten kunnossapitotöissä. Laadunhallinnan kannalta korjaus- ja kunnossapitotyöt ovat haastavia, koska ne ovat todel-la monipuolisia ja lähes aina erilaisia. Hitsaustyöt ovat usein toisistaan poikkeavia, eikä valmistavaa hitsaustuotantoa suoriteta kuin harvoissa tapauksissa. Havaittuja ongelmakoh-tia olivat tiedonkulun puutteet suunnittelun ja työn toteutuksen välillä sekä painelaitteiden hitsaustöistä vaadittavien dokumenttien laadinnan ja tiedonjaon hitaus. Helsingin Energian painelaitehitsauksen laatujärjestelmän päivityksen yhteydessä huomat-tiin, että uusien tiedonjakojärjestelmien käyttöönotto helpottaa dokumenttien saatavuutta ja pienentää huomattavasti henkilöstön työtaakkaa laadittaessa painelaitteiden vaatimusten-mukaisuusvakuutuksia ja muita vaadittavia dokumentaatioita.

2.6 MW:n tuulivoimakonvertterin nestejäähdytysjärjestelmän komponentit ja hinnat

Tässä tutkimuksessa selvitettiin nestejäähdytteisen 2.6 MW:n tuulivoimakonvertterin jäähdytysjärjestelmään kuuluvat komponentit ja niiden hinnat. Tällä pyritään helpottamaan uutta teknologiaa hyödyntävien jäähdytysjärjestelmien kehittäjiä kaupallistamaan tuotteensa selvittämällä heille nykyisten jäähdytysjärjestelmien hintaluokka. Työ tehtiin kirjallisuuskatsauksena ja lähteinä käytettiin pääasiassa ABB:lta saatavia julkisia materiaaleja. Komponenttien hinnat haettiin internetin hakukoneiden avulla, sekä lähettämällä tarjouspyyntöjä myyjille, jotka eivät hintojaan olleet suoraan ilmoittaneet. Hinnat komponenteista kerättiin 1, 10, 50 ja 100 kappaleen toimituserille, jolloin voitiin vertailla myös kuinka paljon edullisemmaksi sarjatuotanto tulisi, kuin yksittäisen tuotteen valmistaminen. Tuloksista huomattiin, että konvertterikaapiston sisäiset jäähdytysjärjestelmään kuuluvat komponentit muodostavat vain pienen osan siitä hinnasta, mikä aiheutuu ulkopuolisesta jäähdytysyksiköstä, johon kaapisto on kytkettävä. Käytettäessä yksittäistä jäähdytysyksikköä on koko jäähdytysjärjestelmän hinta 14-15 000 €, josta ulkoisen jäähdytysyksikön osuus on 12 000 €, eli yli 80 % kokonaishinnasta. Sarjatuotannossa hinta putoaa etenkin jäähdytysyksikön osalta huomattavasti. Uusia teknologioita kaupallistettaessa on niiden kokonaisuudessaan oltava tätä summaa halvempia, johon paras tapa päästä on keskittää huomionsa ulkoisen jäähdytysyksikön kustannusten laskemiseen. Toinen vaihtoehto kaupalliseen menestykseen, on tehdä samanhintainen jäähdytysjärjestelmä, mutta jäähdytysteholtaan huomattavasti tehokkaampi, sekä kooltaan pienempi.

Ydinvoimalaitosten vesikemia ja korroosionesto

Ydinvoimalaitosten vesikemian optimointi ja korroosionesto on välttämätöntä laitosten taloudellisen ja turvallisen käytön kannalta. Eri laitoksiin liittyvää vesikemiaa ja järjestelmissä havaittavia korroosion muotoja on tutkittu laajasti ja tutkitaan yhä edelleen. Monien prosessien ymmärtäminen vaatii usean eri tieteenalan osaamista, kuten kemiantekniikan, energiatekniikan sekä materiaalitekniikan. Tässä työssä kerrotaan yksinkertaistaen vesikemiaan ja korroosioon liittyviä prosesseja ja reaktioita. Työssä käsitellään kevytvettä jäähdytteenä sekä moderaattorina käyttävien ydinvoimalaitosten eri korroosiomuotoja sekä säteilyn vaikutusta näihin suoraan tai vesikemian kautta. Työssä kerrotaan korroosio- ja aktivoitumistuotteiden muodostumisesta ja kulkeutumisesta sekä näiden tuotteiden vaikutuksista laitosten toimintaan. Korroosion ja materiaalien aktivoitumisen pohjalta tarkastellaan kattavasti ydinvoimalaitosten tyypillisimpiä vesikemian muokkauskeinoja sekä korroosionhallintaa. Tärkeimpiin asioihin syvennytään hieman lähemmin. Tarkastelun kohteena ovat eniten käytetyt ydinvoimalaitokset, eli länsimaiset paine- ja kiehutusvesilaitokset sekä venäläisvalmisteiset VVER-laitokset. Tarkoituksena on ollut luoda tiivis tietopaketti opiskelijoiden käyttöön muun opintomateriaalin tueksi.

Biohiilen tuotannon toimintaedellytykset Parikkalassa

Suomessa on sitouduttu kansainvälisiin päästövähennystavoitteisiin ja uusiutuvan ener-gian osuuden kasvattamiseen. Biohiili on erinomainen polttoainevaihtoehto kivihiili-voimalaitoksissa, sillä sitä voidaan käyttää suurellakin seososuudella ilman merkittäviä rakenteellisia muutoksia polttoaineen syöttölaitteistoihin tai kattilaan. Biohiiltä voidaan käyttää myös metallurgiassa pelkistimenä, maanparannusaineena ja hiilinieluna. Biohiilen raaka-aineena toimii energia- ja kuitupuuhake. Parikkalan lähialueella on hyödyn-nettävissä olevaa teknis-taloudellista metsäenergiapotentiaalia keskisuuren biojalostamon perustamista varten. Biohiilen teoreettinen markkinapotentiaali on valtava, mutta sen taloudelliset kannattavuusnäkymät ovat heikot nykyhintatasolla. Biohiilen kilpailukykyä heikentävät kivihiilen ja päästöoikeuksien alhaiset hinnat ja biohiilen korkeat tuotantokustannukset. Biohiilimarkkinoiden kehittymistä jarruttaa myös olemassa olevan tuotannon puute. Biohiilen käyttöönotto edellyttäisi kansainvälisiä tukitoimia tai kivihiilen hinnan kasvua.

Metsäenergian liiketoimintojen kehittäminen ja käytön kasvun vaikutukset Kaakkois-Suomessa

Kaakkois-Suomen alueella uusiutuvan energian käyttö ja erityisesti metsäenergian käyttö on kasvanut merkittävästi 2000-luvulla. Tulevaisuudessa metsäenergia nähdään edelleen potenti-aalisimpana vaihtoehtona korvattaessa fossiilisia polttoaineita lämpö- ja voimalaitoskokoluo-kassa. Muita uusiutuvan energian vaihtoehtoja ovat mm. tuuli- ja aurinkovoima, biokaasu sekä erilaiset kiinteät ja nestemäiset polttoainejalosteet. Tulevaisuudessa alueella voi olla mahdollis-ta tuottaa niin kansalliseen kuin kansainväliseen vientiin esim. biopolttonesteitä, biokaasua ja biohiiltä. Tutkimushankkeen tavoitteena oli selvittää metsäenergia-alan alueelliset toimijat sekä metsä-energian soveltuvuus ja liiketoimintamahdollisuudet Kaakkois-Suomen alueen energian tuo-tannossa. Tutkimus koostui seuraavista osatehtävistä: metsäsektorin toimijakentän kartoitus, metsäenergian alueelliset liiketoimintamahdollisuudet, puuperäisten polttoainejalosteiden käyttö- ja liiketoimintamahdollisuudet, muiden uusiutuvien energialähteiden käyttömahdolli-suudet ja vaikutukset Kaakkois-Suomessa. Tutkimuksessa arvioitiin myös Kaakkois-Suomen metsäenergian hankinnan työllisyysvaikutuksia. Tutkimuksen ohjausryhmänä toimi Kaakkois-Suomen metsäenergianeuvottelukunta. Tutkimuksessa kyselytutkimuksella selvitettiin metsäenergian tuottajien ja käyttäjien mielipi-teitä ja kehittämiskohteita toimialalta. Kaakkois-Suomessa hyödynnettävistä uusiutuvista energialähteistä selvitettiin nykyinen käyttö sekä arvioitiin tulevaisuuden hyödyntämismah-dollisuuksia vuonna 2020. Nämä tulokset esitettiin Kaakkois-Suomen energiataseen avulla. Kaakkois-Suomessa uusiutuvista energialähteistä puupolttoaineilla on merkittävin rooli metsä-teollisuuden johdosta ja alueen metsäenergian käyttö voi kasvaa jopa 1,7 TWh:in, mikäli fos-siilisia energialähteitä korvataan edelleen voimalaitoksissa ja lämpökeskuksissa. Metsäenergian käytön kasvussa alueen kunnilla on merkittävä rooli. Viime vuosina erityisesti tuulivoiman tuotanto on kasvanut ja tulee kasvamaan edelleen. Samoin aurinkoenergian hyödyntäminen kiinteistökokoluokassa on lisääntynyt voimakkaasti. Lisäksi maakuntaan on suunnitteilla kiin-teiden, nestemäisten ja kaasumaisten polttoainejalosteiden tuotantolaitoksia. Toteutuessaan laitokset voivat lisätä metsäenergian käyttöä merkittävästi.

CO2:n adsorptio Loviisan voimalaitoksen päästöilmasta 14C-päästöjen määrittämiseksi

Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli selvittää mahdollisuuksia 14C:n kemiallisten muotojen eriyttämiseen käyttäen Loviisan voimalaitoksella olemassa olevaa näytteenkeräyslaitteistoa. Lisäksi tarkoituksena oli selvittää parhaiten tähän käyttötarkoitukseen soveltuva zeoliittityyppiä tyypeistä 4A, 5A ja 13X. Työn kirjallisessa osassa käsitellään ydinvoimalaitoksen C14-päästöjä keskittyen pääosin Loviisan VVER-laitokseen. Adsorption osalta esitellään kaupallisesti käytettyjä adsorptiomateriaaleja ja paneudutaan adsorptioon fysikaalisena ja kemiallisena ilmiönä. Lisäksi esitellään kahden desorptiomenetelmän perusperiaatteet. Kirjallisen osan lopussa kootaan tutkimukseen vaikuttavia tekijöitä ja esitellään aiemmin käytössä ollut näytteenkeräyslaitteisto. Kokeellisessa osassa esitellään työssä käytetyt laitteistot. Lisäksi on kuvattu mittausten suoritus nestetuikelaskurilla. Tämän jälkeen työssä esitellään mittaustuloksien käsittely ja näin saadut tulokset.

Tapaustutkimus aineettoman pääoman merkityksestä puupolttoaineiden liiketoiminnassa

Tutkimuksessa selvitetään yhden puupolttoaineorganisaation aineettoman pääoman keskeisimmät tekijät ja niiden välinen dynamiikka laadullisilla tutkimusmenetelmillä. Selvityksen teoreettisen taustan muodostaa tietojohtamisen kirjallisuus, jonka perusteella tietopääoman tekijät on jaettu kolmeen ryhmään: inhimillisiin, rakenne- ja suhdetekijöihin. Puupolttoaineiden liiketoiminta perustuu yksinkertaisen raaka-aineen eli puun hankkimiseen ja toimittamiseen voimalaitoksille eri muodoissa. Liiketoiminnan kannattavuus ja yrityksen asema markkinoilla pohjaa pääosin aineettoman pääoman laaja-alaiseen hyödyntämiseen ja kehittämiseen. Tutkimuksen kohteena on suuren metsäteollisuusyrityksen puunhankintaorganisaatio ja sen puupolttoaineiden liiketoimintayksikkö, jonka arvonmuodostusta ja aineettoman pääoman tekijöitä tutkimuksessa analysoidaan. Tutkimustulokset osoittavat, että puupolttoaineiden liiketoiminnan kannattavuus perustuu henkilöstön vahvaan osaamiseen ja organisaation dynaamisiin johtamismalleihin, joilla voidaan vahvistaa aineettomien tekijöiden yhteisvaikutusta. Haasteena puupolttoainetoiminnassa on aineettoman pääoman tekijöiden suhteuttaminen nopeasti kehittyviin operatiivisiin toimintamalleihin sekä valtiollisiin tukimekanismeihin.

Sähköverkosta irti olevan pienhybridijärjestelmän toteutus

Lappeen siniset –partiolippukunnalla on käytössään leiripaikka Humaljärvellä, Lappeenrannassa. Leiripaikalla ei ole liityntää sähköverkkoon, joten leiripaikalle on asennettu kaksi erillistä aurinkovoimalla toimivaa sähköjärjestelmää. Leiripaikan sähköistetyt rakennukset ovat pääkämppä ja saunan sekä vanhan kämpän muodostama kokonaisuus. Aurinkopaneeleilla tuotettu sähköenergia varastoidaan akustoihin. Lippukunta on havainnot käytössä, ettei talvella tuotettu aurinkoenergia riitä kattamaan pääkämpän sähkönkulutusta, joten leiripaikalle on päätetty hankkia tuulivoimala lisäämään tuotantoa. Tässä kandidaatin työssä esitellään hybridijärjestelmään kuuluvien aurinko- ja tuulivoiman toimintaperiaatteita sekä näiden komponentteja. Aurinko- ja tuulivoimalla tuotetulle sähköenergialle lasketaan arviot, joita verrataan leiripaikan sähköjärjestelmän arvioituun kulutukseen. Leiripaikalle tulevaa tuuliturbiinia ja sen lataussäädintä testataan laboratoriossa, jotta varmistutaan niiden soveltuvuudesta sekä toimivuudesta kohteeseen. Testausten ja laitteiden datalehtien avulla suunnitellaan leiripaikalle toimiva hybridijärjestelmä, joka kattaa leiripaikan ympärivuotisen sähkönkulutuksen.

Loistehon säätö ja kompensointi

Kantaverkkoyhtiö Fingrid Oy on tarkastellut kantaverkosta otettua tai tuotettua loistehoa alueittain Fingridin määrittelemällä maantieteellisellä tavalla. Alue koostuu liittymispisteistä, jotka ovat yksittäisten verkkoyhtiöiden liittymispisteitä. Yhden alueen sisällä voi siis olla monia eri verkkoyhtiöiden liittymispisteitä. Vuodesta 2016 alkaen loistehon tarkastelu vaihtuu aluetarkastelusta liittymispistetarkasteluun. Liittymispistetarkasteluun siirtymisen myötä tulee verkkoyhtiöiden investoida erinäisiin kompensointiratkaisuihin, jotta yksittäisten liittymispisteiden loistehot pysyvät Fingridin asettaman loistehon tarkasteluikkunan sisällä. Työssä perehdytään erinäisiin kompensointiratkaisuihin ja niiden kytkentöihin sekä kytkentöjen vaikutuksiin olemassa olevaan sähköverkkoon. Lisäksi työssä käsitellään tuulivoimaloiden hyödyntämistä loistehon säädössä. Esimerkkitapauksessa tarkastellaan erästä Caruna Oy:n verkkoa ja pohditaan teknistä ja mahdollisimman taloudellista kompensointiratkaisua kyseiseen verkkoon. Työn lopputulos on, että maakaapeloinnin määrän kasvaessa loistehon kompensoinnin tarve kasvaa. Näin ollen Fingrid Oy:ltä tarvitaan selkeitä linjauksia moneen ongelmakohtaan, kuten tuotanto-kulutuspisteen loistehon tarkasteluun. Lisäksi Energiavirastolta tarvitaan kannusteita loistehon kompensointiin, sillä verkkoyhtiöiden liiketoiminta perustuu regulaatiomalliin ja kompensointilaitteiston yksikköhinnasto on hyvin suppea.

Säteilysuojelu käytetyn ydinpolttoaineen kapselointi- ja loppusijoituslaitoksella

Suomen ydinenergialaki vaatii ydinenergian käytössä syntyvän ydinjätteen käsittelyn ja varastoinnin sekä loppusijoittamisen Suomeen. Fortumin ja TVO:n ydinvoimalaitoksissa syntyvä käytetty ydinpolttoaine tullaan kapseloimaan ja loppusijoittamaan Olkiluotoon rakennettavassa kapselointi- ja loppusijoituslaitoksessa. Tämän työn tavoitteena on muodostaa kokonaiskuva kapselointi- ja loppusijoituslaitoksen säteilysuojelusta aikaisemmin tehtyjen selvitysten ja suunnitelmien perusteella. Kapselointilaitoksella käytetty ydinpolttoaine suljetaan kuparikapseleihin, jotka loppusijoitetaan maan alle loppusijoituslaitoksella. Työn aluksi kuvataan loppusijoitusmenetelmä ja kapselointi- ja loppusijoituslaitoksen käyttötoiminta. Tämän jälkeen käsitellään lainsäädäntöä ja viranomaisohjeita, jotka ohjaavat ydinlaitosten säteilysuojelua. Seuraavaksi käsitellään kapselointi- ja loppusijoituslaitoksella olevia säteilylähteitä. Lisäksi työssä käsitellään kapselointi- ja loppusijoituslaitokselle suunniteltua valvonta-aluetta ja sen säteilyolosuhteiden mukaista vyöhykejakoa. Työssä saatiin tulokseksi kokonaiskuva kapselointi- ja loppusijoituslaitoksen säteilysuojelusta. Kokonaiskuvan muodostamisen lisäksi laadittiin alustavia suunnitelmia käyttötoiminnan säteilysuojelun järjestämisestä. Lisäksi laadittiin ehdotuksia valvonta-alueen tarkemmista rajoista loppusijoituslaitoksella sekä havaittiin laitosten säteilysuojeluun liittyviä ongelmia ja esitettiin ratkaisuja niihin. Ongelmaksi osoittautui muun muassa, että kapselointi- ja loppusijoituslaitoksen valvonta-alueiden luonteiden eroa ei ollut huomioitu suunnitelmissa. Lisäksi todettiin, että nykyisin ydinlaitoksilla käytössä oleva valvonta-alueen vyöhykejako ei vastaa kapselointi- ja loppusijoituslaitosten tarpeita. Näihin esitettiin ratkaisuiksi laitosten välille perustettavaa kenkärajaa ja uuden korkeamman säteilyvyöhykkeen käyttöönottoa.

Vibrations in Rotating Machinery Arising from Minor Imperfections in Component Geometries

Vibrations in machines can cause noise, decrease the performance, or even damage the machine. Vibrations appear if there is a source of vibration that excites the system. In the worst case scenario, the excitation frequency coincides with the natural frequency of the machine causing resonance. Rotating machines are a machine type, where the excitation arises from the machine itself. The excitation originates from the mass imbalance in the rotating shaft, which always exists in machines that are manufactured using conventional methods. The excitation has a frequency that is dependent on the rotational speed of the machine. The rotating machines in industrial use are usually designed to rotate at a constant rotational speed, the case where the resonances can be easily avoided. However, the machines that have a varying operational speed are more problematic due to a wider range of frequencies that have to be avoided. Vibrations, which frequencies equal to rotational speed frequency of the machine are widely studied and considered in the typical machine design process. This study concentrates on vibrations, which arise from the excitations having frequencies that are multiples of the rotational speed frequency. These vibrations take place when there are two or more excitation components in a revolution of a rotating shaft. The dissertation introduces four studies where three kinds of machines are experiencing vibrations caused by different excitations. The first studied case is a directly driven permanent magnet generator used in a wind power plant. The electromagnetic properties of the generator cause harmonic excitations in the system. The dynamic responses of the generator are studied using the multibody dynamics formulation. In another study, the finite element method is used to study the vibrations of a magnetic gear due to excitations, which frequencies equal to the rotational speed frequency. The objective is to study the effects of manufacturing and assembling inaccuracies. Particularly, the eccentricity of the rotating part with respect to non-rotating part is studied since the eccentric operation causes a force component in the direction of the shortest air gap. The third machine type is a tube roll of a paper machine, which is studied while the tube roll is supported using two different structures. These cases are studied using different formulations. In the first case, the tube roll is supported by spherical roller bearings, which have some wavinesses on the rolling surfaces. Wavinesses cause excitations to the tube roll, which starts to resonate at the frequency that is a half of the first natural frequency. The frequency is in the range where the machine normally operates. The tube roll is modeled using the finite element method and the bearings are modeled as nonlinear forces between the tube roll and the pedestals. In the second case studied, the tube roll is supported by freely rotating discs, which wavinesses are also measured. The above described phenomenon is captured as well in this case, but the simulation methodology is based on the flexible multibody dynamics formulation. The simulation models that are used in both of the last two cases studied are verified by measuring the actual devices and comparing the simulated and measured results. The results show good agreement.

Prosessiautomaatio pinnankorkeusmittauksen koelaitteistoissa

Pinnankorkeuden tunteminen kiehutusvesireaktorin painesäiliössä on erittäin tärkeää sen turvallisuusvaikutusten takia. Pinnankorkeutta mitataan vesipatsaiden korkeutta havaitsevien paine-eromittausten avulla. Säteilyturvakeskuksen YVL-ohjeiden mukaan turvallisuuteen vaikuttavien mittausten täytyy noudattaa moninkertaistus- ja erilaisuusperiaatteita. Yleensä erilaisuusperiaatetta on toteutettu käyttämällä erityyppisiä paine-eromittareita, mutta erilaisella fysikaalisella toimintaperiaatteella oleva mittaus olisi parempi ja toteuttaisi paremmin erilaisuusperiaatetta. Uimurikytkin olisi tällainen fysikaalisesti eri periaatteeseen perustuva pinnankorkeuden mittauslaite. Ydinvoimalaan tarkoitettu teknologia tulee kelpoistaa riippumattoman tahon toimesta ennen käyttöönottoa. Kelpoistamiskokeita varten Lappeenrannan teknillisen yliopiston Ydinturvallisuuden tutkimusyksikköön rakennettiin vuosina 2011–2013 kaksi koelaitteistoa. Näillä koelaitteistoilla tutkittiin uimurikytkimien toimintaa ja ominaisuuksia erilaisissa kiehutusvesireaktorin käyttötilanteissa. Koelaitteistot tarvitsivat toimiakseen automaatiojärjestelmät, jotka suunniteltiin pääosin noudattamalla suunnittelun elinkaarimallia sekä automaatiosuunnittelun sisältökokonaisuuksia. Automaatiojärjestelmien suunnittelu aloitettiin määrittelemällä koejärjestelyjen asettamat vaatimukset, jonka jälkeen tehtiin teknologiavalinnat. Seuraavaksi suunniteltiin automaatiojärjestelmien logiikkaohjelmistot, joiden kuvaukseen tämä työ pääasiassa keskittyy. Logiikkaohjelmistot toteutettiin graafisella National Instruments LabView -ohjelmointikielellä. Logiikkaohjelmistojen tuli hoitaa tiedonkeruuta, käyttöautomaatiota, turvallisuustehtäviä sekä kokeisiin liittyviä erikoistehtäviä. Ohjelmistot saatiin esikokeiden aikana toimimaan halutusti, ja varsinaiset kokeet voitiin suorittaa ilman merkittäviä ongelmia.

Working fluid selection and design of small-scale waste heat recovery systems based on organic Rankine cycles

Demand for the use of energy systems, entailing high efficiency as well as availability to harness renewable energy sources, is a key issue in order to tackling the threat of global warming and saving natural resources. Organic Rankine cycle (ORC) technology has been identified as one of the most promising technologies in recovering low-grade heat sources and in harnessing renewable energy sources that cannot be efficiently utilized by means of more conventional power systems. The ORC is based on the working principle of Rankine process, but an organic working fluid is adopted in the cycle instead of steam. This thesis presents numerical and experimental results of the study on the design of small-scale ORCs. Two main applications were selected for the thesis: waste heat re- covery from small-scale diesel engines concentrating on the utilization of the exhaust gas heat and waste heat recovery in large industrial-scale engine power plants considering the utilization of both the high and low temperature heat sources. The main objective of this work was to identify suitable working fluid candidates and to study the process and turbine design methods that can be applied when power plants based on the use of non-conventional working fluids are considered. The computational work included the use of thermodynamic analysis methods and turbine design methods that were based on the use of highly accurate fluid properties. In addition, the design and loss mechanisms in supersonic ORC turbines were studied by means of computational fluid dynamics. The results indicated that the design of ORC is highly influenced by the selection of the working fluid and cycle operational conditions. The results for the turbine designs in- dicated that the working fluid selection should not be based only on the thermodynamic analysis, but requires also considerations on the turbine design. The turbines tend to be fast rotating, entailing small blade heights at the turbine rotor inlet and highly supersonic flow in the turbine flow passages, especially when power systems with low power outputs are designed. The results indicated that the ORC is a potential solution in utilizing waste heat streams both at high and low temperatures and both in micro and larger scale appli- cations.