Etelä-Karjalan alueen yritysten jätevirrat ja jätteenkäsittelyn kannattavuus alueella

Diplomityön tavoitteena oli selvittää Etelä-Karjalan alueen yritysten jätevirtoja ja sekalaisen rakennusjätteen koostumusta. Jätevirtojen selvityksessä keskityttiin metsäteollisuuden, rakennusteollisuuden ja kaupan alan jätevirtoihin. Tarkoituksena oli selvittää mahdollisessa jätteenkäsittelylaitoksessa hyödynnettävien jätejakeiden määrät. Selvitettyjen tietojen perusteella arvioitiin erilaisten jätteenkäsittelyvaihtoehtojen kannattavuutta yritysnäkökul-masta Etelä-Karjalan alueella. Rakennusjätteen koostumusta tutkittiin lajittelemalla ja pun-nitsemalla sekalaisia rakennusjätekuormia jätejakeittain. Etelä-Karjalan alueen jätevirtoja selvitettiin muun muassa yrityshaastatteluin ja hyödyntämällä Lassila & Tikanoja Oyj:n tietokantaa. Sekalaisen rakennusjätteen lajittelututkimuksessa selvisi, että sekalaisissa rakennusjäte-kuormissa on lähes 50 m-% hyödynnettävissä olevia jätejakeita. Energiajaetta kuormissa oli yhteensä noin 34 m-% ja kaatopaikkajätettä noin 52 m-%. Kaupan alalta syntyy pää-sääntöisesti paljon pakkausmateriaaleista koostuvaa energiajaetta, kun taas metsäteollisuu-desta syntyy paljon erilaisia prosessijätteitä, joita ei voida hyödyntää työssä tutkituilla me-netelmillä. Lappeenrannan ja Imatran alueilla arvioidaan syntyvän energiajaetta metsäteol-lisuudesta, kaupan alalta ja rakennusteollisuudesta yhteensä noin 4 300 t, puujätettä noin 5 000 t ja sekalaista rakennusjätettä noin 11 700 t. Metsäteollisuuden, rakennusteollisuuden ja kaupan alan jätevirrat Etelä-Karjalassa eivät ole riittävät taloudellisesti kannattavan jätteenkäsittelylaitoksen perustamiseksi. Arvioinnissa huomioitiin laitoksen investointikustannukset sekä muut aiheutuvat kustannukset. Energiajakeen siirtokuormausasema todettiin kannattavaksi tilanteessa, jossa energiajae toimitettaisiin Etelä-Karjalan sijasta Lahteen tai Kouvolaan.

Kuormanohjauksen vaikutus kaksion sähkönkulutuskäyrään

Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää millainen kaksion sähkönkulutuskäyrä on ja mistä kuormista se koostuu. Tarkoituksena oli myös tutkia miten kuormansiirrot vaikuttavat sähkönkulutuskäyrään ja onko kuormansiirroissa säästöpotentiaalia ajatellen asiakkaan sähkökustannuksia. Säästöpotentiaalia laskettaessa oletettiin, että asiakkaalla on sähkösopimus, jonka hinta seuraa sähköpörssin (Nord Pool) spot-hintoja. Tutkimustuloksista nähdään, että asunnon pohjakuorma aiheutuu kylmälaitteista ja suuret sähkön kulutuspiikit aiheutuvat liedestä, astianpesukoneesta ja pyykinpesukoneesta. Kuormansiirtojen vaikutus normaaliin sähkönkulutus käyrään on se, että suurten kuormien aiheuttamat kulutuspiikit siirtyivät myöhemmäksi iltaan. Laskelmissa selvisi, että kuormansiirto ei tuo asiakkaalle merkittäviä säästöjä, koska säästöjen saanti edellyttäisi pidempiä mittausjaksoja sekä päivittäisiä suuria hinnanvaihteluita sähkön spot-hinnoissa. Tutkittiin myös millaisia kylmälaitteiden kulutuskäyrät ovat ja miten pysäytykset ja uudelleenkäynnistyksen vaikuttavat niihin.

Kaivoslastauskoneen hybridisointianalyysi virtuaali- ja in-loop -simuloinnin avulla

Työssä tutkitaan raskaiden työkoneiden hybridisointimitoitusta simuloimalla. Työssä esitetään simulation-in-the-loop-simulointiin perustuva järjestelmä, jolla esimerkkitapauksena oleva kaivoslastauskone työympäristöineen voidaan mallintaa mekaaniselta osaltaan monikappaledynamiikkaan perustuvalla ohjelmistolla ja hybridijärjestelmän osalta Simulinkissa. Yhdistetty simulointi mahdollistaa hybridityökoneen virtuaalimallin ohjaamisen käyttäjän toimesta reaaliajassa. Simuloinnista saadaan tuloksena mm. työsykli, jota voidaan käyttää hybridisointimitoitukseen. Hybridisointi toteutetaan kahdella erilaisella kokoonpanolla, joista analysoidaan suorituskykyä sekä polttoaineen kulutusta. Tuloksia verrataan pelkästään dieselmoottoria voimanlähteenä käyttävään lastauskoneeseen. Työssä tehty tutkimus osoittaa, että (sarja-) hybridisoinnilla voidaan saavuttaa merkittäviä etuja raskaiden työkoneiden polttoainetehokkuudessa. Dieselmoottoria voidaan ajaa sellaisessa staattisessa toimintapisteessä, jonka hyötysuhde on korkea riippumatta työkoneen kuormituksesta. Saavutettu hyöty on toteutetussa tutkimuksessa parhaimmillaan jopa 56 % vähennys polttoaineenkulutuksessa. Lisäksi tarvittava dieselin nimellisteho pienenee huomattavasti. Tutkimuksen osana esitellään myös Hardware-in-the-Loop -laitteisto, jonka avulla voidaan liittää oikea sähkömoottori ja taajuudenmuuttaja osaksi virtuaalisesti simuloitua työkonetta.

Identification of Some Additional Loss Components in High-Power Low-Voltage Permanent Magnet Generators

Permanent magnet generators (PMG) represent the cutting edge technology in modern wind mills. The efficiency remains high (over 90%) at partial loads. To improve the machine efficiency even further, every aspect of machine losses has to be analyzed. Additional losses are often given as a certain percentage without providing any detailed information about the actual calculation process; meanwhile, there are many design-dependent losses that have an effect on the total amount of additional losses and that have to be taken into consideration. Additional losses are most often eddy current losses in different parts of the machine. These losses are usually difficult to calculate in the design process. In this doctoral thesis, some additional losses are identified and modeled. Further, suggestions on how to minimize the losses are given. Iron losses can differ significantly between the measured no-load values and the loss values under load. In addition, with embedded magnet rotors, the quadrature-axis armature reaction adds losses to the stator iron by manipulating the harmonic content of the flux. It was, therefore, re-evaluated that in salient pole machines, to minimize the losses and the loss difference between the no-load and load operation, the flux density has to be kept below 1.5 T in the stator yoke, which is the traditional guideline for machine designers. Eddy current losses may occur in the end-winding area and in the support structure of the machine, that is, in the finger plate and the clamping ring. With construction steel, these losses account for 0.08% of the input power of the machine. These losses can be reduced almost to zero by using nonmagnetic stainless steel. In addition, the machine housing may be subjected to eddy current losses if the flux density exceeds 1.5 T in the stator yoke. Winding losses can rise rapidly when high frequencies and 10–15 mm high conductors are used. In general, minimizing the winding losses is simple. For example, it can be done by dividing the conductor into transposed subconductors. However, this comes with the expense of an increase in the DC resistance. In the doctoral thesis, a new method is presented to minimize the winding losses by applying a litz wire with noninsulated strands. The construction is the same as in a normal litz wire but the insulation between the subconductors has been left out. The idea is that the connection is kept weak to prevent harmful eddy currents from flowing. Moreover, the analytical solution for calculating the AC resistance factor of the litz-wire is supplemented by including an end-winding resistance in the analytical solution. A simple measurement device is developed to measure the AC resistance in the windings. In the case of a litz-wire with originally noninsulated strands, vacuum pressure impregnation (VPI) is used to insulate the subconductors. In one of the two cases studied, the VPI affected the AC resistance factor, but in the other case, it did not have any effect. However, more research is needed to determine the effect of the VPI on litz-wire with noninsulated strands. An empirical model is developed to calculate the AC resistance factor of a single-layer formwound winding. The model includes the end-winding length and the number of strands and turns. The end winding includes the circulating current (eddy currents that are traveling through the whole winding between parallel strands) and the main current. The end-winding length also affects the total AC resistance factor.

Bus bar aeolian vibration field tests

Large amplitude bus bar aeolian vibration may lead to post insulator damage. Different damping applications are used to decrease the risk of large amplitude aeolian vibration. In this paper the post insulator load caused by the bus bar aeolian vibration and the effect of damping methods are evaluated. The effects of three types of bus bar connectors and three types of primary structures are studied. Two actual damping devices, damping cable and their combinations are studied. The post insulator loads are studied with strain gage based custom made force sensors installed on the both ends of the post insulator and with the displacement sensor installed on the midpoint of the bus bar. The post insulator loads are calculated from the strain values and the damping properties are determined from the displacement history. The bus bar is deflected with a hanging weight. The weight is released and the bus bar is left to free damped vibration. Both actual bus bar vibration dampers RIBE and SBI were very effective against the aeolian vibration. Combining vibration damper with damping cable will increase the damping ratio but it may be unnecessary considering the extra effort. Bus bar connector type or primary structure have no effect on the vertical load. The bending moment at the post insulator with double sided bus bar connector is significantly higher than at the post insulator with single sided bus bar connector. No reliable conclusions about bus bar connector type effect can be done, but the roller bearing type or central bearing type connector may reduce the bending moment. The RHS steel frame as primary structure may increase the bending moment peak values since it is the least rigid primary structure type and it may start to vibrate as a response to the awakening force of the vibrating bus bar.

A new approach to evaluate imperfection sensitivity in asymmetric bifurcation buckling analysis

A direct procedure for the evaluation of imperfection sensitivity in bifurcation problems is presented. The problems arise in the context of the general theory of elastic stability for discrete structural systems, in which the energy criterion of stability of structures and the total potential energy formulation are employed. In cases of bifurcation buckling the sensitivity of the critical load with respect to an imperfection parameter e is singular at the state given by epsilon =0, so that, a regular perturbation expansion of the solution is not possible. In this work we describe a direct procedure to obtain the relations between the critical loads, the generalized coordinates at the critical state, the eigenvector, and the amplitude of the imperfection, using singular perturbation analysis. The expansions are assumed in terms of arbitrary powers of the imperfection parameter, so that both exponents and coefficients of the expansion are unknown. The solution of the series exponents is obtained by searching the least degenerate solution. The formulation is here applied to asymmetric bifurcations, for which explicit expressions of the coefficients are obtained. The use of the method is illustrated by a simple example, which allows consideration of the main features of the formulation.

Non-Linear Unsteady Aerodynamic Response Approximation Using Multi-Layer Functionals

Non-linear functional representation of the aerodynamic response provides a convenient mathematical model for motion-induced unsteady transonic aerodynamic loads response, that accounts for both complex non-linearities and time-history effects. A recent development, based on functional approximation theory, has established a novel functional form; namely, the multi-layer functional. For a large class of non-linear dynamic systems, such multi-layer functional representations can be realised via finite impulse response (FIR) neural networks. Identification of an appropriate FIR neural network model is facilitated by means of a supervised training process in which a limited sample of system input-output data sets is presented to the temporal neural network. The present work describes a procedure for the systematic identification of parameterised neural network models of motion-induced unsteady transonic aerodynamic loads response. The training process is based on a conventional genetic algorithm to optimise the network architecture, combined with a simplified random search algorithm to update weight and bias values. Application of the scheme to representative transonic aerodynamic loads response data for a bidimensional airfoil executing finite-amplitude motion in transonic flow is used to demonstrate the feasibility of the approach. The approach is shown to furnish a satisfactory generalisation property to different motion histories over a range of Mach numbers in the transonic regime.

An Inspection System to Identify Fatigue Damage on Steel-Bridge Structures

Crack formation and growth in steel bridge structural elements may be due to loading oscillations. The welded elements are liable to internal discontinuities along welded joints and sensible to stress variations. The evaluation of the remaining life of a bridge is needed to make cost-effective decisions regarding inspection, repair, rehabilitation, and replacement. A steel beam model has been proposed to simulate crack openings due to cyclic loads. Two possible alternatives have been considered to model crack propagation, which the initial phase is based on the linear fracture mechanics. Then, the model is extended to take into account the elastoplastic fracture mechanic concepts. The natural frequency changes are directly related to moment of inertia variation and consequently to a reduction in the flexural stiffness of a steel beam. Thus, it is possible to adopt a nondestructive technique during steel bridge inspection to quantify the structure eigenvalue variation that will be used to localize the grown fracture. A damage detection algorithm is developed for the proposed model and the numerical results are compared with the solutions achieved by using another well know computer code.

Testing and simulation of fractionary electromechanical rotative drives

This paper concerns the development of drives that use electromechanical rotative motor systems. It is proposed an experimental drive test structure integrated to simulation softwares. The objective of this work is to show that an affordable model validation procedure can be obtained by combining a precision data acquisition with well tuned state-of-the-art simulation packages. This is required for fitting, in the best way, a drive to its load or, inversely, to adapt loads to given drive characteristics.

Verkostoinvestointien optimointi uuden sähkömarkkinalain ympäristössä

Vuonna 2013 uudistunut sähkömarkkinalaki toi sähköverkkoyhtiöille velvoitteen parantaa sähkönjakeluverkkojensa toimintavarmuutta suurhäiriötilanteissa. Toimenpiteet tämän velvoitteen täyttämiseksi näkyvät merkittävinä verkostoinvestointeina. Diplomityössä tarkastellaan uudistuneen sähkömarkkinalain tuomia vaikutuksia Imatran Seudun Sähkön jakeluverkkoa koskeviin verkostoinvestointeihin. Päätavoitteena on selvittää, millaisia toimenpiteitä uuden sähköntoimitusvarmuustason vaatimusten täyttämiseksi tarvitaan ja mitkä ovat optimaaliset ratkaisut näiden toimenpiteiden toteuttamiseksi. Uudella sähköntoimitusvarmuustasolla on vaikutusta jakeluverkon rakennemuutoksiin tulevien 15 vuoden aikana, mutta näiden rakennemuutosten vaikutukset kantavat useiden kymmenien vuosien päähän.

Magnesium hydroxide-based peroxide bleaching of high-brightness mechanical pulps

A high final brightness is desired in most paper and board products. This requires bleaching processes that are able to produce high-brightness pulps. Mechanical pulps are widely bleached for high brightness using alkaline hydrogen peroxide with traditional sodium hydroxide and sodium silicate as additives. With high doses however, peroxide bleaching causes high organic loads in the mill effluent and anionic trash carry-over to papermaking. To alleviate the problems that arise from the use of sodium-based additives in peroxide bleaching, interest in the use of alternative magnesium-based chemicals has increased. In this study, a new, technical high-purity magnesium hydroxide-based bleaching additive was evaluated on laboratory-scale, pilot-scale and mill-scale experiments and trials for its ability to produce a high brightness in peroxide bleaching without the known problems of sodium-based chemicals. The key findings of this study include: a high brightening potential of peroxide bleaching using the Mg(OH)2-based additive, significant reductions (40-70%) in all categories of environmental load, and cationic demand lowered by 60-70% in bleached pulp with no loss in strength properties or in sheet bulk. When used in TMP refiner bleaching, the Mg(OH)2-based additive resulted in savings in specific energy consumption and provided a good bleaching response.

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.

Optimization of parameters for fiber laser-MAG hybrid welding in shipbuilding applications

The Arctic region becoming very active area of the industrial developments since it may contain approximately 15-25% of the hydrocarbon and other valuable natural resources which are in great demand nowadays. Harsh operation conditions make the Arctic region difficult to access due to low temperatures which can drop below -50 °C in winter and various additional loads. As a result, newer and modified metallic materials are implemented which can cause certain problems in welding them properly. Steel is still the most widely used material in the Arctic regions due to high mechanical properties, cheapness and manufacturability. Moreover, with recent steel manufacturing development it is possible to make up to 1100 MPa yield strength microalloyed high strength steel which can be operated at temperatures -60 °C possessing reasonable weldability, ductility and suitable impact toughness which is the most crucial property for the Arctic usability. For many years, the arc welding was the most dominant joining method of the metallic materials. Recently, other joining methods are successfully implemented into welding manufacturing due to growing industrial demands and one of them is the laser-arc hybrid welding. The laser-arc hybrid welding successfully combines the advantages and eliminates the disadvantages of the both joining methods therefore produce less distortions, reduce the need of edge preparation, generates narrower heat-affected zone, and increase welding speed or productivity significantly. Moreover, due to easy implementation of the filler wire, accordingly the mechanical properties of the joints can be manipulated in order to produce suitable quality. Moreover, with laser-arc hybrid welding it is possible to achieve matching weld metal compared to the base material even with the low alloying welding wires without excessive softening of the HAZ in the high strength steels. As a result, the laser-arc welding methods can be the most desired and dominating welding technology nowadays, and which is already operating in automotive and shipbuilding industries with a great success. However, in the future it can be extended to offshore, pipe-laying, and heavy equipment industries for arctic environment. CO2 and Nd:YAG laser sources in combination with gas metal arc source have been used widely in the past two decades. Recently, the fiber laser sources offered high power outputs with excellent beam quality, very high electrical efficiency, low maintenance expenses, and higher mobility due to fiber optics. As a result, fiber laser-arc hybrid process offers even more extended advantages and applications. However, the information about fiber or disk laser-arc hybrid welding is very limited. The objectives of the Master’s thesis are concentrated on the study of fiber laser-MAG hybrid welding parameters in order to understand resulting mechanical properties and quality of the welds. In this work only ferrous materials are reviewed. The qualitative methodological approach has been used to achieve the objectives. This study demonstrates that laser-arc hybrid welding is suitable for welding of many types, thicknesses and strength of steels with acceptable mechanical properties along very high productivity. New developments of the fiber laser-arc hybrid process offers extended capabilities over CO2 laser combined with the arc. This work can be used as guideline in hybrid welding technology with comprehensive study the effect of welding parameter on joint quality.

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.

LVDC power distribution system: computational modelling

In the doctoral dissertation, low-voltage direct current (LVDC) distribution system stability, supply security and power quality are evaluated by computational modelling and measurements on an LVDC research platform. Computational models for the LVDC network analysis are developed. Time-domain simulation models are implemented in the time-domain simulation environment PSCAD/EMTDC. The PSCAD/EMTDC models of the LVDC network are applied to the transient behaviour and power quality studies. The LVDC network power loss model is developed in a MATLAB environment and is capable of fast estimation of the network and component power losses. The model integrates analytical equations that describe the power loss mechanism of the network components with power flow calculations. For an LVDC network research platform, a monitoring and control software solution is developed. The solution is used to deliver measurement data for verification of the developed models and analysis of the modelling results. In the work, the power loss mechanism of the LVDC network components and its main dependencies are described. Energy loss distribution of the LVDC network components is presented. Power quality measurements and current spectra are provided and harmonic pollution on the DC network is analysed. The transient behaviour of the network is verified through time-domain simulations. DC capacitor guidelines for an LVDC power distribution network are introduced. The power loss analysis results show that one of the main optimisation targets for an LVDC power distribution network should be reduction of the no-load losses and efficiency improvement of converters at partial loads. Low-frequency spectra of the network voltages and currents are shown, and harmonic propagation is analysed. Power quality in the LVDC network point of common coupling (PCC) is discussed. Power quality standard requirements are shown to be met by the LVDC network. The network behaviour during transients is analysed by time-domain simulations. The network is shown to be transient stable during large-scale disturbances. Measurement results on the LVDC research platform proving this are presented in the work.