Arc fusion of self-fluxed nickel alloys

Self-fluxed nickel alloys are usually flame fused after thermal spraying. However, due to the practical aspects of high temperatures reached during flame fusing, large structures such as the hydraulic turbines for power generation, can not be efficiently coated. An alternative is to fuse the sprayed coating with a gas tungsten electric arc. In this case, heating is much more intensive and substrate temperature during and after the fusing operation is much lower, thus reducing the possibility that any problem will occur. In this work, coatings of self-fluxed nickel alloy fused by flame and gas tungsten arc were evaluated as protection of hydraulic turbines against cavitational damage. Several tests were performed, including the ASTM ultrasonically vibration-induced cavitation, optical and scanning electronic microscopic metallography, and hardness tests. The results showed that the arc-fused coating presented better cavitation damage resistance, probably due to its finer microstructure. A field application of this new technique is also described. A self-fluxed Ni alloy was flame sprayed in critical regions of Francis-type hydraulic turbine blades and fused by a gas tungsten arc after spraying. The blades will be inspected during the next two years.

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.

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.

Comparison of Biomass Gasification Technologies for Natural Gas Substitution in Iron Ore Pelletizing Plants

The iron ore pelletizing process consumes high amounts of energy, including nonrenewable sources, such as natural gas. Due to fossil fuels scarcity and increasing concerns regarding sustainability and global warming, at least partial substitution by renewable energy seems inevitable. Gasification projects are being successfully developed in Northern Europe, and large-scale circulating fluidized bed biomass gasifiers have been commissioned in e.g. Finland. As Brazil has abundant biomass resources, biomass gasification is a promising technology in the near future. Biomasses can be converted into product gas through gasification. This work compares different technologies, e.g. air, oxygen and steam gasification, focusing on the use of the product gas in the indurating machine. The use of biosynthetic natural gas is also evaluated. Main parameters utilized to assess the suitability of product gas were adiabatic flame temperature and volumetric flow rate. It was found that low energy content product gas could be utilized in the traveling grate, but it would require burner’s to be changed. On the other hand, bio-SGN could be utilized without any adaptions. Economical assessment showed that all gasification plants are feasible for sizes greater than 60 MW. Bio-SNG production is still more expensive than natural gas in any case.

Häiriöanalyysejä tehonkorotetun kiehutusvesivoimalaitoksen käytettävyyden varmistamiseksi

TVO suunnittelee reaktoritehon 10 %:n korotusta Olkiluoto 1 ja 2 -voimalaitoksille. Reaktoriteho nostetaan 2500 MW:sta 2750 MW:iin polttoaineen rikastusastetta nostamalla ja pääkiertovirtausta kasvattamalla. Samalla syöttövesivirtaus reaktoriin ja tuorehöyryvirtaus turpiineille kasvaa. Lauhteenpuhdistusjärjestelmän kapasiteettia ei voida kuitenkaan kasvattaa, joten massavirran lisäys toteutetaan ottamalla käyttöön korkeapainesivulauhteen eteenpäinpumppaus. Lauhteen esilämmityslinjojen, lauhteenpuhdistuksen ja syöttövesipumppujen massavirta säilyy siten nykyisellään. Muita merkittäviä tehonkorotukseen liittyviä laitosmuutoksia ovat pääkiertopumppujen uusinta ja korkeapaineturpiinin muutokset. Tehonkorotetun prosessin käytettävyyden varmistamiseksi tehdään häiriöanalyysejä Apros-prosessisimulointiohjelmistoa käyttäen. OL1 ja OL2 -laitoksista on olemassa validoitu 2500 MW:n laitosmalli, josta muokatulla 2750 MW:n laitosmallilla simuloinnit tehdään. Häiriöanalyysien avulla selvitetään säätöjärjestelmien kyky pitää prosessin tila hallinnassa ilman suojausautomaation laukeamista. Simuloituihin tapauksiin kuuluu pumppujen ja venttiilien vikaantumistapauksia sekä turpiini- ja reaktoripuolen pikasulku- ja osittaispikasulkutapauksia. Myös meriveden lämpötilan vaikutusta häiriötilanteisiin tarkastellaan. Analyysien perusteella voimalaitosten ohjaus- ja suojausautomaatio toimivat hyvin myös korotetulla teholla. Tehonkorotuksen jälkeiset suuremmat massavirrat aiheuttavat kuitenkin voimakkaampia reaktoripaineen ja -tehon vaihteluita varsinkin venttiilien sulkeutumistapauksissa. Simuloinnit osoittivat, että tehonkorotus 2500 MW:sta 2750 MW:iin on mahdollinen, mutta aiheuttaa pieniä muutoksia laitoksen suojausjärjestelmien laukaisurajoihin.

Additional revenue opportunities in pulp mills and their impacts on the kraft process

Although the concept of multi-products biorefinery provides an opportunity to meet the future demands for biofuels, biomaterials or chemicals, it is not assured that its implementation would improve the profitability of kraft pulp mills. The attractiveness will depend on several factors such as mill age and location, government incentives, economy of scale, end user requirements, and how much value can be added to the new products. In addition, the effective integration of alternative technologies is not straightforward and has to be carefully studied. In this work, detailed balances were performed to evaluate possible impacts that lignin removal, hemicelluloses recovery prior to pulping, torrefaction and pyrolysis of wood residues cause on the conventional mill operation. The development of mill balances was based on theoretical fundamentals, practical experience, literature review, personal communication with technology suppliers and analysis of mill process data. Hemicelluloses recovery through pre-hydrolysis of chips leads to impacts in several stages of the kraft process. Effects can be observed on the pulping process, wood consumption, black liquor properties and, inevitably, on the pulp quality. When lignin is removed from black liquor, it will affect mostly the chemical recovery operation and steam generation rate. Since mineral acid is used to precipitate the lignin, impacts on the mill chemical balance are also expected. A great advantage of processing the wood residues for additional income results from the fact that the pulping process, pulp quality and sales are not harmfully affected. For pulp mills interested in implementing the concept of multi-products biorefinery, this work has indicated possible impacts to be considered in a technical feasibility study.

OL1/OL2-suojarakennuksen jäähdytteenmenetysonnettomuusanalyysit APROS 5.09 -ohjelmistolla

Tässä työssä on tutkittu OL1/OL2-suojarakennuksen käyttäytymistä jäähdytteenmenetysonnettomuuden eli LOCA:n aikana. Onnettomuuden simulointiin on kehitetty suojarakennusmalli suomalaiseen APROS 5.09 - ohjelmistoon sisältyvällä LP-koodilla (Lumped Parameter Code). Työssä on keskitytty suojarakennuksen kannalta oleellisimpien suureiden: kaasutilavuuksien paineen sekä lämpötilan ja lauhdutusaltaan lämpötilan ja pinnankorkeuden ajalliseen käyttäytymiseen. Mallinnetut LOCA:t ovat päähöyrylinjan ja sammutetun reaktorin jäähdytysjärjestelmän putkikatkoksia. Simulointeja on tehty laitoksen täyden tehon ja kuumavalmiuden lähtötiloissa ja tarkasteltavien suureiden käyttäytymistä on tutkittu erikseen valituilla konservatiivisilla oletuksilla. Laskentatapaukset rajoittuvat lyhyeen aikaväliin 27.78 tuntia kuvitellusta putkirikosta eteenpäin. Tuloksia on verrattu OL1/OL2- laitostoimittajan, Westinghouse Electric Sweden AB:n, tekemiin lisensiointianalyyseihin. Työssä on myös kuvattu APROS-laskennan epävarmuustekijöitä. Suojarakennuksen on todettu käyttäytyvän fysikaalisesti yhtenevästi lisensiointianalyyseissä ja APROS:lla tehdyissä vertailulaskuissa.

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.

Modeling and Parameter Estimation of Double-Star Permanent Magnet Synchronous Machines

The power rating of wind turbines is constantly increasing; however, keeping the voltage rating at the low-voltage level results in high kilo-ampere currents. An alternative for increasing the power levels without raising the voltage level is provided by multiphase machines. Multiphase machines are used for instance in ship propulsion systems, aerospace applications, electric vehicles, and in other high-power applications including wind energy conversion systems. A machine model in an appropriate reference frame is required in order to design an efficient control for the electric drive. Modeling of multiphase machines poses a challenge because of the mutual couplings between the phases. Mutual couplings degrade the drive performance unless they are properly considered. In certain multiphase machines there is also a problem of high current harmonics, which are easily generated because of the small current path impedance of the harmonic components. However, multiphase machines provide special characteristics compared with the three-phase counterparts: Multiphase machines have a better fault tolerance, and are thus more robust. In addition, the controlled power can be divided among more inverter legs by increasing the number of phases. Moreover, the torque pulsation can be decreased and the harmonic frequency of the torque ripple increased by an appropriate multiphase configuration. By increasing the number of phases it is also possible to obtain more torque per RMS ampere for the same volume, and thus, increase the power density. In this doctoral thesis, a decoupled d–q model of double-star permanent-magnet (PM) synchronous machines is derived based on the inductance matrix diagonalization. The double-star machine is a special type of multiphase machines. Its armature consists of two three-phase winding sets, which are commonly displaced by 30 electrical degrees. In this study, the displacement angle between the sets is considered a parameter. The diagonalization of the inductance matrix results in a simplified model structure, in which the mutual couplings between the reference frames are eliminated. Moreover, the current harmonics are mapped into a reference frame, in which they can be easily controlled. The work also presents methods to determine the machine inductances by a finite-element analysis and by voltage-source inverters on-site. The derived model is validated by experimental results obtained with an example double-star interior PM (IPM) synchronous machine having the sets displaced by 30 electrical degrees. The derived transformation, and consequently, the decoupled d–q machine model, are shown to model the behavior of an actual machine with an acceptable accuracy. Thus, the proposed model is suitable to be used for the model-based control design of electric drives consisting of double-star IPM synchronous machines.

Modelling of hydrogen stratification and gas mixing in containment using the APROS code

Hydrogen stratification and atmosphere mixing is a very important phenomenon in nuclear reactor containments when severe accidents are studied and simulated. Hydrogen generation, distribution and accumulation in certain parts of containment may pose a great risk to pressure increase induced by hydrogen combustion, and thus, challenge the integrity of NPP containment. The accurate prediction of hydrogen distribution is important with respect to the safety design of a NPP. Modelling methods typically used for containment analyses include both lumped parameter and field codes. The lumped parameter method is universally used in the containment codes, because its versatility, flexibility and simplicity. The lumped parameter method allows fast, full-scale simulations, where different containment geometries with relevant engineering safety features can be modelled. Lumped parameter gas stratification and mixing modelling methods are presented and discussed in this master’s thesis. Experimental research is widely used in containment analyses. The HM-2 experiment related to hydrogen stratification and mixing conducted at the THAI facility in Germany is calculated with the APROS lump parameter containment package and the APROS 6-equation thermal hydraulic model. The main purpose was to study, whether the convection term included in the momentum conservation equation of the 6-equation modelling gives some remarkable advantages compared to the simplified lumped parameter approach. Finally, a simple containment test case (high steam release to a narrow steam generator room inside a large dry containment) was calculated with both APROS models. In this case, the aim was to determine the extreme containment conditions, where the effect of convection term was supposed to be possibly high. Calculation results showed that both the APROS containment and the 6-equation model could model the hydrogen stratification in the THAI test well, if the vertical nodalisation was dense enough. However, in more complicated cases, the numerical diffusion may distort the results. Calculation of light gas stratification could be probably improved by applying the second order discretisation scheme for the modelling of gas flows. If the gas flows are relatively high, the convection term of the momentum equation is necessary to model the pressure differences between the adjacent nodes reasonably.

Höyryjärjestelmän pelisimulaattorikonsepti

Tässä diplomityössä on suunniteltu konsepti myöhemmin toteutettavaa pelisimulaat-toria varten. Pelisimulaattorista tulee osa öljynjalostamon tuotanto-operaattoreiden höyryjärjestelmän koulutusmoduulia. Työssä höyryjärjestelmän simulaattoriin on laadittu selkeä malli ja rakenne, joka arvioi käyttäjän suoritusta sekä antaa palautteen suorituksen onnistumisesta. Höyryjärjestelmän toiminnan ymmärtäminen on tärkeää, sillä sen avulla höyryntuotantoa voidaan optimoida. Kirjallisuusosassa on käsitelty koulutussimulaattoreita sekä niiden käyttökohteita. Lisäksi on esitetty höyryntuottajat sekä höyrynkuluttajat, jotka huomioitiin pelisimu-laattorikonseptissa. Jokaiselle yksikköprosessille on laadittu toimintakuvaus ja ope-rointiohjeet, joiden perusteella pelaaja saa käsityksen simulaattorin toimintaperiaat-teesta. Soveltavassa osassa on käsitelty kaikkien konseptissa mallinnettujen laitteiden aine- ja energiataseet sekä muut laskennassa tarvittavat teknilliset korrelaatiot. Soveltavas-sa osassa esitettiin myös pelisimulaattorin arviointiperusteet, arviointiin tarvittavien kustannusten korrelaatiot, häiriötilanne sekä esimerkkisimulointi ja suoritusesimerkki häiriön korjaamiseksi. Pelisuorituksen arvioinnin suunnitteluun kiinnitettiin huomiota, jolloin pelisimulaat-tori vastaa mahdollisimman hyvin todellista prosessia sekä säilyttää motivaation si-mulaattoriharjoitteluun.

Jätteen kaasutus ja energiakäyttö

Kiinteiden polttoaineiden muuntaminen kaasumaiseen muotoon eli kaasuttaminen herätti jo vuosia sitten tutkijoiden kiinnostusta. Suomessa yleinen mielenkiinto on viimeaikoina keskittynyt edullisempien polttoaineiden kaasuttamiseen ja saatavan tuotekaasun polttamiseen. Lahti Energian uudessa Kymijärvi 2 voimalaitoksessa kaasutetaan puuta ja kierrätyspolttoainetta (REF). Saatava tuotekaasu jäähdytetään ja suodatetaan, jotta epäpuhtaudet saadaan pois tuotekaasusta. Puhdistettu tuotekaasu poltetaan kaasukattilassa korkeilla höyrynarvoilla. Tuotekaasun jäähdyttämistä ei ole paljoa tehty eikä siitä ole juurikaan tieteellistä tutkimusta eikä kokemusta. Tuotekaasun jäähtyessä partikkelit tarttuvat lämpöpinnoille aiheuttaen kerrostumia. Kerrostumat heikentävät lämmönsiirtoa olennaisesti. Tämän työn tarkoitus on tutkia kaasutusprosessia, tuotekaasun jäähdyttimen likaantumista sekä antaa lisätietoja likaantumiseen vaikuttavista tekijöistä.

Modal testing and numerical modeling of the dynamic properties of layered sheet-steel structure

Recently, due to the increasing total construction and transportation cost and difficulties associated with handling massive structural components or assemblies, there has been increasing financial pressure to reduce structural weight. Furthermore, advances in material technology coupled with continuing advances in design tools and techniques have encouraged engineers to vary and combine materials, offering new opportunities to reduce the weight of mechanical structures. These new lower mass systems, however, are more susceptible to inherent imbalances, a weakness that can result in higher shock and harmonic resonances which leads to poor structural dynamic performances. The objective of this thesis is the modeling of layered sheet steel elements, to accurately predict dynamic performance. During the development of the layered sheet steel model, the numerical modeling approach, the Finite Element Analysis and the Experimental Modal Analysis are applied in building a modal model of the layered sheet steel elements. Furthermore, in view of getting a better understanding of the dynamic behavior of layered sheet steel, several binding methods have been studied to understand and demonstrate how a binding method affects the dynamic behavior of layered sheet steel elements when compared to single homogeneous steel plate. Based on the developed layered sheet steel model, the dynamic behavior of a lightweight wheel structure to be used as the structure for the stator of an outer rotor Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Generator designed for high-power wind turbines is studied.

Höyryturbiinin kanavistojen numeerinen virtauslaskenta

Diplomityössä tutkittiin Fortumin Loviisan ydinvoimalaitoksen ulosvirtauskanaviston ja suurnopeuskosteudenerottimen toimintaa, sekä selvitettiin taustalla olevaa teoriaa ja aiemmin tehtyjä tutkimuksia. Tavoitteena oli ymmärtää ja esittää laitteiden toimintaa, sekä tutkia voiko ulosvirtauskanaviston suorituskykyä parantaa geometrian muutoksilla. Työssä luotiin tutkittaville kohteille geometriat ja laskentahilat, joiden avulla simuloitiin niiden toimintaa eri käyttötilanteissa numeerisen virtauslaskennan avulla. Laskennan reunaehdot saatiin olemassa olevasta prosessimallista ja aiemmista turbiiniselvityksistä. Ulosvirtauskanaviston suorituskyky laskettiin kolmella eri lauhdutinpaineella neljällä eri geometrialla. Geometrian muutokset vaikuttivat selkeästi ulosvirtauskanaviston suorituskykyyn ja sitä saatiin parannettua. Kaksi kolmesta muutoksesta, lisäkanavat ja oikaistu vesilippa, pa-ransivat suorituskykyä. Lokinsiipien poistaminen heikensi ulosvirtauskanaviston toi-mintaa. Suurnopeuskosteudenerottimen mallintaminen jäi lähtötietojen ja ajan puutteen takia hieman tavoitteesta. Sekä ulosvirtauskanaviston että suurnopeuskosteudenerotti-men jatkotutkimusta ja mahdollisia toimenpiteitä varten saatiin arvokasta uutta tietoa.