Advanced geostatistical and machine-learning models for spatial data analysis of radioactively contaminated regions

Radioactive soil-contamination mapping and risk assessment is a vital issue for decision makers. Traditional approaches for mapping the spatial concentration of radionuclides employ various regression-based models, which usually provide a single-value prediction realization accompanied (in some cases) by estimation error. Such approaches do not provide the capability for rigorous uncertainty quantification or probabilistic mapping. Machine learning is a recent and fast-developing approach based on learning patterns and information from data. Artificial neural networks for prediction mapping have been especially powerful in combination with spatial statistics. A data-driven approach provides the opportunity to integrate additional relevant information about spatial phenomena into a prediction model for more accurate spatial estimates and associated uncertainty. Machine-learning algorithms can also be used for a wider spectrum of problems than before: classification, probability density estimation, and so forth. Stochastic simulations are used to model spatial variability and uncertainty. Unlike regression models, they provide multiple realizations of a particular spatial pattern that allow uncertainty and risk quantification. This paper reviews the most recent methods of spatial data analysis, prediction, and risk mapping, based on machine learning and stochastic simulations in comparison with more traditional regression models. The radioactive fallout from the Chernobyl Nuclear Power Plant accident is used to illustrate the application of the models for prediction and classification problems. This fallout is a unique case study that provides the challenging task of analyzing huge amounts of data ('hard' direct measurements, as well as supplementary information and expert estimates) and solving particular decision-oriented problems.

Los retos del regulador en la consolidación del proceso de liberlización del sector eléctrico

La conexión entre energía e industrialización es un hecho universal y bien documentado desde hace más de dos siglos, cuando la máquina de vapor que permitió convertir la energía calorífica del carbón en energía mecánica supuso un gran avance histórico. En este sentido, el rasgo dominante de todo el siglo xx ha sido un intenso crecimiento de la demanda de energía, especialmente acusado en las décadas posteriores a la segunda guerra mundial, asociado al proceso de intenso crecimiento económico.

Development of a Rational Characterization Method for Iowa Fly Ash, HR-286, 1988

This research project was conducted in an attempt to determine the cause of paste strength variability in Iowa fly ashes and to develop test methods to more adequately reflect fly ash physical and chemical characteristics. An extensive three year sampling and testing program was developed and initiated which incorporated fly ash from several Iowa power plants. Power plant design and operating data were collected. The variability was directly linked to power plant maintenance schedules and to sodium carbonate coal pretreatment. Fly ash physical and chemical properties can change drastically immediately before and after a maintenance outage. The concentrations of sulfate bearing minerals in the fly ash increases sharply during shutdown. Chemical, mineralogical, and physical testing indicated that the sodium, sulfate bearing minerals, lime and tricalcium aluminate contents of the fly ashes play important roles in the development of hydration reaction products in fly ash pastes. The weak pastes always contained ettringite as the major reaction product. The strong pastes contained straetlingite and monosulfoaluminate as the major reaction products along with minor amounts of ettringite. Recommendations for testing procedure changes and suggested interim test methods are presented.

Evaluation of Fly Ash in Portland Cement Concrete Paving in Woodbury County, Iowa, HR-201, Construction Report, 1979

The earliest overall comprehensive work on the use of fly ash in concrete was reported by Davis and Associates of the University of California in 1937. Since that time there have been numerous applications of the use and varying proportions of fly ash in portland cement concrete mixes. Fly ash is a pozzolanic powdery by-product of the coal combustion process which is recovered from flue gases and is generally associated with electric power generating plants. Environmental regulations enacted in recent years have required that fly ash be removed from the flue gases to maintain clean air standards. This has resulted in an increased volume of high quality fly ash that is considered a waste product or a by-product that can be utilized in products such as portland cement concrete. There are several sources of the high quality fly ash located in Iowa currently producing a combined total of 281,000 tons of material annually. Due to recent cement shortages and the rapidly increasing highway construction costs, the Iowa Department of Transportation has become interested in utilizing fly ash in portland cement concrete paving mixes. A preliminary review of the Iowa Department of Transportation Materials Laboratory study indicates that a substitution of fly ash for portland cement, within limits, is ·not detrimental to the overall concrete quality. Also the use of fly ash in concrete would reduce the cement consumption as well as provide a potential cost savings in areas where high quality fly ash is available without excessive transportation costs. The previously expressed concerns have shown the need for a research project to develop our knowledge of fly ash replacement in the Iowa Department of Transportation portland cement concrete paving mixes.

Evaluation of Fly Ash in Portland Cement Concrete Paving in Woodbury County, Iowa, Final Report, HR-201, 1980

The earliest overall comprehensive work on the use of fly ash in concrete was reported by Davis and Associates of the University of California in 1937. Since that time, there have been numerous applications of the use and varying propertions of fly ash in portland cement concrete mixes. Fly ash is a pozzolanic powdery by-product of the coal combustion process which is recovered from flue gases and is, generally associated with electric power generating plants. Environmental regulations enacted in recent years have required that fly ash be removed from the flue gases to maintain clean air standards. This has resulted in an increased volume of high quality fly ash that is considered a waste product or a by-product that can be utilized in products such as portland cement concrete. There are several sources of the high quality fly ash located in Iowa currently producing a combined total of 281,000 tons of material annually.

The Use of Fly Ash in Highway Construction, HR-1031, 1990

In 1982 the Iowa DOT allowed a successful bidder the option of submitting materials and proportions using fly ash to produce a portland cement concrete (PCC) paving mixture to meet a specified compressive strength. The contractor, Irving F. Jensen, received approval for the use of a concrete mixture utilizing 500 lbs. of portland cement and 88 lbs. of fly ash as a replacement of 88 lbs. of portland cement. The PCC mixture was utilized on the Muscatine County US 61 relocation bypass paved as project F-61-4(32)--20-70. A Class "C" fly ash obtained from the Chillicothe electric generating plant approximately 100 miles away was used in the project. This use of fly ash in lieu of portland cement resulted in a cost savings of $64,500 and an energy savings of approximately 16 billion BTU. The compressive strength of this PCC mixture option was very comparable to concrete mixtures produced without the use of fly ash. The pavement has been performing very well. The substitution of fly ash for 15% of the cement has been allowed as a contractor's option since 1984. Due to the cost savings, it has been used in almost all Iowa PCC paving since that time.

Applications for Reuse of Lime Sludge from Water Softening, TR-535, 2005

Lime sludge, an inert material mostly composed of calcium carbonate, is the result of softening hard water for distribution as drinking water. A large city such as Des Moines, Iowa, produces about 30,700 tons of lime sludge (dry weight basis) annually (Jones et al., 2005). Eight Iowa cities representing, according to the United States (U.S.) Census Bureau, 23% of the state’s population of 3 million, were surveyed. They estimated that they collectively produce 64,470 tons of lime sludge (dry weight basis) per year, and they currently have 371,800 tons (dry weight basis) stockpiled. Recently, the Iowa Department of Natural Resources directed those cities using lime softening in drinking water treatment to stop digging new lagoons to dispose of lime sludge. Five Iowa cities with stockpiles of lime sludge funded this research. The research goal was to find useful and economical alternatives for the use of lime sludge. Feasibility studies tested the efficacy of using lime sludge in cement production, power plant SOx treatment, dust control on gravel roads, wastewater neutralization, and in-fill materials for road construction. Applications using lime sludge in cement production, power plant SOx treatment, and wastewater neutralization, and as a fill material for road construction showed positive results, but the dust control application did not. Since the fill material application showed the most promise in accomplishing the project’s goal within the time limits of this research project, it was chosen for further investigation. Lime sludge is classified as inorganic silt with low plasticity. Since it only has an unconfined compressive strength of approximately 110 kPa, mixtures with fly ash and cement were developed to obtain higher strengths. When fly ash was added at a rate of 50% of the dry weight of the lime sludge, the unconfined strength increased to 1600 kPa. Further, friction angles and California Bearing Ratios were higher than those published for soils of the same classification. However, the mixtures do not perform well in durability tests. The mixtures tested did not survive 12 cycles of freezing and thawing and wetting and drying without excessive mass and volume loss. Thus, these mixtures must be placed at depths below the freezing line in the soil profile. The results demonstrated that chemically stabilized lime sludge is able to contribute bulk volume to embankments in road construction projects.

The Use of Fly Ash in Highway Construction, HR-1031, Progress Report, 1986

In 1982 the Iowa DOT allowed a successful bidder the option of submitting materials and proportions using fly ash to produce a portland cement concrete (PCC) paving mixture to meet a specified compressive strength. The contractor, Irving F. Jensen, received approval for the use of a concrete mixture utilizing 500 lbs. of portland cement and 88 lbs. of fly ash as a replacement of 88 lbs. of portland cement. The PCC mixture was utilized on the Muscatine County US 61 relocation bypass paved as project F-61-4(32)--20-70. A Class "C" fly ash obtained from the Chillicothe electric generating plant approximately 100 miles away was used in the project. This use of fly ash in lieu of portland cement resulted in a cost savings of $64,500 and an energy savings of approximately 16 billion BTU. The compressive strength of this PCC mixture option was very comparable to concrete mixtures produced without the use of fly ash. The pavement has been performing very well. The substitution of fly ash for 15% of the cement has been allowed as a contractor's option since 1984. Due to the cost savings, it has been used in almost all Iowa PCC paving since that time.

Energy-based modelling and simulation of the interconnection of a back-to-back converter and a doubly-fed induction machine

This paper describes the port interconnection of two subsystems: a power electronics subsystem (a back-to-back AC/CA converter (B2B), coupled to a phase of the power grid), and an electromechanical subsystem (a doubly-fed induction machine (DFIM). The B2B is a variable structure system (VSS), due to presence of control-actuated switches: however, from a modelling simulation, as well as a control-design, point of view, it is sensible to consider modulated transformers (MTF in the bond graph language) instead of the pairs of complementary switches. The port-Hamiltonian models of both subsystems are presented and, using a power-preserving interconnection, the Hamiltonian description of the whole system is obtained; detailed bond graphs of all subsystems and the complete system are also provided. Using passivity-based controllers computed in the Hamiltonian formalism for both subsystems, the whole model is simulated; simulations are run to rest the correctness and efficiency of the Hamiltonian network modelling approach used in this work.

Experimental thermal hydraulic studies on the enhancement of safety of LWRs

The safe use of nuclear power plants (NPPs) requires a deep understanding of the functioning of physical processes and systems involved. Studies on thermal hydraulics have been carried out in various separate effects and integral test facilities at Lappeenranta University of Technology (LUT) either to ensure the functioning of safety systems of light water reactors (LWR) or to produce validation data for the computer codes used in safety analyses of NPPs. Several examples of safety studies on thermal hydraulics of the nuclear power plants are discussed. Studies are related to the physical phenomena existing in different processes in NPPs, such as rewetting of the fuel rods, emergency core cooling (ECC), natural circulation, small break loss-of-coolant accidents (SBLOCA), non-condensable gas release and transport, and passive safety systems. Studies on both VVER and advanced light water reactor (ALWR) systems are included. The set of cases include separate effects tests for understanding and modeling a single physical phenomenon, separate effects tests to study the behavior of a NPP component or a single system, and integral tests to study the behavior of the whole system. In the studies following steps can be found, not necessarily in the same study. Experimental studies as such have provided solutions to existing design problems. Experimental data have been created to validate a single model in a computer code. Validated models are used in various transient analyses of scaled facilities or NPPs. Integral test data are used to validate the computer codes as whole, to see how the implemented models work together in a code. In the final stage test results from the facilities are transferred to the NPP scale using computer codes. Some of the experiments have confirmed the expected behavior of the system or procedure to be studied; in some experiments there have been certain unexpected phenomena that have caused changes to the original design to avoid the recognized problems. This is the main motivation for experimental studies on thermal hydraulics of the NPP safety systems. Naturally the behavior of the new system designs have to be checked with experiments, but also the existing designs, if they are applied in the conditions that differ from what they were originally designed for. New procedures for existing reactors and new safety related systems have been developed for new nuclear power plant concepts. New experiments have been continuously needed.

Monipolttoainekattilan päästöjen tarkkailu ja raportointi

Suurten polttolaitosten päästöjen tarkkailu- ja raportointivaatimukset ovat uudistuneet viime vuosina paljon. Suurimpia muutosten aiheuttajia ovat Valtioneuvoston asetus 1017/2002 ja standardi EN-14181. Tässä työssä kuvataan uudet vaatimukset täyttävän päästöjen tarkkailu- ja raportointijärjestelmän rakentaminen monipolttoainekattilalle. Aluksi esitellään mitä uusia vaatimuksia päästöjen tarkkailulle ja raportoinnille on tullut viime aikoina. Lisäksi selvitetään vaatimusten mahdolliset ristiriidat ja ristiriitatilanteiden ratkaisutavat. Seuraavaksi esitellään vaatimukset täyttävän järjestelmän määritelmät. Erityisestiselvitetään kattilan erityispiirteiden vaatimia ratkaisuja. Lopuksi esitellään päästöjen tarkkailu- ja raportointijärjestelmän käyttökokemuksia ja parantamismahdollisuuksia. Kaikki tarkastelut tehdään ensisijaisesti toiminnanharjoittajan näkökulmasta. Järjestelmä toteutettiin Stora Enso Oyj:n Heinolan Flutingtehtaan voimalaitoksen pääkattilalle, jossa käytetään laajaa polttoainevalikoimaa. Toteutuspaikan valinta tehtiin sillä perusteella, että uudet päästöjen tarkkailu- ja raportointivaatimukset ovat erityisen haasteellisia monipolttoainekattiloiden tapauksessa. Työssä selvitetään järjestelmän soveltamismahdollisuuksia myös kahdella muulla Stora Enson tehtaalla. Käyttöönottovaiheen johtopäätöksenä todettiin päästöjen tarkkailu- ja raportointijärjestelmän täyttävän sille asetetut vaatimukset. Lisäksi havaittiin, että toiminnanharjoittajan kannattaa panostaa erityisesti järjestelmän joustavuuteen, luotettavuuteen, helppokäyttöisyyteen ja vikasietoisuuteen. Toiminnanharjoittaja pystyy määrittelyvaiheessa vaikuttamaan järjestelmän ominaisuuksiin helpommin ja edullisemmin kuin käyttöönoton jälkeen. Toiminnanharjoittajalta vaadittu työtuntimäärä arvioitiin Heinolan Flutingtehtaan tapauksen perusteella. Lopuksi selvitettiin mahdollisia tulevaisuuden kehityskohteita vastaavissa järjestelmissä.

Oulun Energian kaukolämpöverkoston ja -tuotannon kehitys vuosina 2006 - 2020

Tässä diplomityössä on tarkasteltu Oulun Energian kaukolämpötoiminnan kehitystä lähitulevaisuudessa. Työn yhteydessä selvitettiin nykyisessä tilanteessa mitoituslämpötilaa -32 oC vastaava tehotilastollisen analyysin avulla ja laadittiin kasvuennuste kaukolämmityksen tehontarpeesta seuraavalle viidelletoista vuodelle. Kasvuennusteen perusteella on tehty tarkastelu kaukolämmön varatehon riittävyydestä. Verkoston tehonsiirtokykyä nykyisissä ja tulevaisuuden kuormitustilanteissa on tarkasteltu Process VisioninGrades Heating -verkostolaskentaohjelmiston avulla. Tarkastelun perusteella kaukolämpöverkoston siirtokyky on kohtalaisen hyvä. Verkoston ongelmakohtia ovat länsi-itäsuunnassa olevat siirtolinjat. Varatehon määrä tulee laskemaan lähivuosina alle suositeltavan määrän, mikäli uutta lämmöntuotantokapasiteettia ei rakenneta. Alkuvaiheessa paras ratkaisu tilanteen korjaamiseksi olisi uusien lämpökeskusten rakentaminen sekä kaupungin etelä- että itä-osiin. 2010-luvulla tarve uuden voimalaitoksen rakentamiselle kaukolämpötehon tarpeen kattamiseksi tulee kasvamaan.

Höyrykattiloiden säilöntä

Tässä työssäon tarkasteltu yleisesti höyrykattiloiden säilöntää. Erilaisten säilöntämenetelmien perustietojen lisäksi työssä on pyritty selvittämään eri kattilatyypeille ominaiset säilöntätavat. Märkäsäilönnän jälkeistä käyttöönottoa on pohdittu selvittämällä laskennallisesti, onko tarpeen vaihtaa kattilaan vahvasti kemikaloidun säilöntäliuoksen tilalle puhtaampaa syöttövettä. Esimerkkinä on käytetty Voikkaan paperitehtaan höyryvoimalaitoksen kattila K13:ta. Työtä tehdessä on käytetty apuna aihetta käsittelevää kirjallisuutta, jota on saatu höyrykattiloita säilöviltä voimalaitoksilta, kemikaalitoimittajilta sekä asiantuntijoiden tekemistä luentomonisteista. Lieriökattiloiden höyrypuoli säilötään lähes poikkeuksetta märkänä, sillä se on vaikea tyhjentää täysin kosteudesta. Läpivirtauskattilalaitoksella käytetään usein sekä kuiva- että märkäsäilöntää. Savukaasupuolen korroosio ehkäistään useinmiten pitämällä kattila niin lämpimänä, että kastepistealituksia ei tapahdu.

Voimalaitosprojektin ennakoivan mittaamisen kehittäminen

Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää Teollisuuden Voima Oy:n Olkiluoto3 -ydinvoimalaitosprojektille ennakoiva mittaristo projektin lopputuloksen mittaamiseen. Aluksi työssä perehdyttiin projektinhallinnan ja projektimittaamiseen teoriaan sekä prosessijohtamisen ja riskienhallinnan periaatteisiin. Lisäksi kartoitettiin ennakoivan mittaamisen perusteita ja menetelmiä. Työn empiirisessä osassa selvitettiin projektin nykytila, mahdollisuudet ennakoivaan mittaamiseen sekä ennakoivan mittaamisen lähtökohdat ja rajoitteet. Näiden pohjalta laadittiin kuvaus projektin nykyisistä menettelytavoista sekä kehitettiin perusmalli mittaristosta ennakoivaan tulosmittaamiseen. Lisäksi kartoitettiin projektin tavoitteet ja menestystekijät, joiden pohjalle ennakoiva mittaristo on rakennettu. Menestystekijöiden kartoituksessa käytettiin hyväksi myös organisaation kyselytutkimusta, joka tarjosikin erinomaista tietoa projektista ja mittaamisen mahdollisuuksista. Muodostettu mittaristo keskittyy aikataulu- kustannus- ja dokumentoinnin mittaamiseen. Muut lopputulokseen vaikuttavat projektinhallinnan osa-alueet on työn rajauksen puitteissa jätetty käsittelemättä. Jatkotoimenpide-ehdotuksena voidaan todeta, että mittariston edelleen kehittäminen ja laajentaminen myös muille projektinhallinnan osa-alueille voitaisiin tehdä esimerkiksi toisen diplomityöntekijäntoimesta.

Ydinvoimalaitoksen tuotannon ylläpitoprosessin suorituskyvyn mittaaminen

Kilpailun kiristyminen on pakottanut ydinvoimalaitoksia parantamaan tehokkuuttaan etsimällä uusia toimintatapoja. Heräte työn teettämiseen syntyi tutkimuksen case-kohteen Loviisan voimalaitoksen kiinnostuksesta Balanced Scorecard (BSC) -johtamisjärjestelmää,sen käyttöönoton mahdollisia vaikutuksia sekä BSC:n ja prosessiajattelun yhdistämistä kohtaan. Tutkimuksen tavoitteena on rakentaa Loviisan voima-laitoksen tuotannon ylläpitoprosessille BSC-mittaristo. Tämä edellyttää selvitystä siitä, mitä erityispiirteitä ydinvoimalaitoksiin liittyy strategisen suorituskyvyn mittaamisen kohteena. Lisäksi tavoitteena on selvittää, mikä tulisi prosessikohtaisten tuloskorttien rooli olla Loviisan voimalaitoksen BSC-järjestelmässä. Tavoitteenaon myös muodostaa suositus toimintamallista, jolla BSC voitaisiin ottaa käyttöön Loviisan voimalaitoksella, sekä selvittää, mitä vaikutuksia käyttöönotolla voiolla. Ydinvoimalaitoksen erityispiirteitä ovat muutokset toimintaympäristössä, viranomais-valvonta, toiminnan pitkäjänteisyys, laaja osaamis- ja tietotarve sekä turvallisuuden ja tiettyjen sidosryhmäsuhteiden merkityksen korostuminen. Johtuen erityispiirteistä Kaplanin ja Nortonin alkuperäistä asiakasnäkökulmaa muutetaan kattamaan sidosryhmät laajemmin. Tuotannon ylläpitoprosessin tuloskortissa vähiten painottuva näkö-kulma on henkilöstön ja uudistumisen näkökulma. Osa laitostason kriittisistä menestystekijöistä todetaan prosessin kannalta epäolennaisiksi. Prosessikohtaiset tuloskortit osoittautuvat vaikeasti hyödynnettäviksi linjaorganisaation ohjaamisessa. Strategiakartta todetaan hyväksi työvälineeksi BSC:nlaadinnassa. Toivasen projektimalli arvioidaan sopivaksi välineeksi mahdolliseen BSC:n käyttöönottoon Loviisan voimalaitoksella. Henkilöstön rooli ja erityispiirteiden vaikutukset tulee kuitenkin tarkistaa ennen mallin käyttöä. BSC-järjestelmän käyttöönoton arvioidaan selkeyttävän voimalaitoksen mittaristokokonaisuutta sekä parantavan syy-seuraussuhteiden hahmottamista ja alempien tasojen tavoitteiden kytkentää laitostason tavoitteisiin.