Paperitehtaan sähkötasehallinta ja sähkön kysyntäjousto energiakustannusten hallinnassa

Paperiteollisuus on energiaintensiivistä teollisuutta, jossa on tehty pitkään työtä tuotantoprosessien energiatehokkuuden parantamiseksi. Paperitehtaan energiakustannuksiin voidaan kuitenkin vaikuttaa myös sähkötaseen hallinnalla ja sähkön kysyntäjouston avulla. Tehtaan seuraavan vuorokauden sähkön kulutus pyritään ennustamaan mahdollisimman tarkasti, mutta esimerkiksi paperitehtaan häiriötilanteissa sähkötase poikkeaa ennustetusta. Tällöin sähkötasetta voidaan korjata ensisijaisesti sähkön jälkimarkkinoiden eli Elbas- kaupankäynnin avulla. Ellei tasetta saada korjattua sähkön jälkimarkkinoilla tase-ero korjataan tasesähköllä, jonka hinta muodostuu säätösähkömarkkinoilla. Tasesähkön hinta saattaa poiketa Elspot- markkinahinnasta voimakkaasti, jolloin tase-erosta joko hyödytään tai hävitään kustannusmielessä. Tämän työn tarkoituksena on selvittää sähkötasehallinnan parantamisen ja sähkön kysyntäjouston vaikutukset paperitehtaan energiakustannuksiin. Työssä tutkittiin tehtaan sähkö-tasehallinnan nykytilannetta ja selvitettiin tase-erojen kustannusvaikuttavuutta. Lisäksi työssä luotiin ajomalleja sähkön kysyntäjouston toteuttamiselle massatehtaan eri tuotantoprosesseille, sekä määritettiin rajahintoja seuraavan vuorokauden energiaennusteeseen. Onnistunut energiaennuste perustuu paperitehtaan käynnin tarkkoihin ja ajankohtaisiin lähtötietoihin. Sähkötaseen poikkeamiin voidaan puolestaan varautua paremmin, kun informaatio tehtaan prosessien alasajosta tulee voimalaitoksen tietoon mahdollisimman aikaisin. Sähkötaseen poikkeamien hallinta voidaan tehdä, joko Elbas- kaupan tai tasesähkön avulla. Ajankohdasta ja tasepoikkeaman volyymista riippuen täytyy tehdä valinta, kumpi vaihtoehdoista on kustannusmielessä kannattavampi. Paperitehtaan eri prosesseille luoduilla ajomalleilla saatiin esiin huomattava säästöpotentiaali. Ajomallien noudattaminen vaatii suunnitelmallista tuotannon hallintaa ja sähkön Elspot- hinnan käyttäytymisen säännöllistä seurantaa. Seuraavan vuorokauden rajahintatietojen määrittämisen pohjalta voidaan arvioida, millä Elspot- hinnalla sähkön myynti muuttuu paperin tuotantoa kannattavammaksi.

Tiedonkeruujärjestelmän kehittäminen voimalaitoksen toiminnan tehostamisessa

Diplomityössä kehitetään tiedonkeruujärjestelmää voimalaitoksen toiminnan tehostamiseksi. Aihetta käsitellään tiedonkeruujärjestelmän käyttäjän ja ylläpitäjän näkökulmasta. Tiedonkeruujärjestelmällä kerätään prosessitietoa automaatiojärjestelmästä ja tallennetaan prosessitieto tietokantaan. Työssä on kuvattu sekä automaatio- että tiedonkeruujärjestelmää prosessitiedon keruun, tallentamisen ja hallinnan ymmärtämiseksi. Prosessitiedon merkitystä voimalaitoksen toiminnan kannalta on myös pohdittu. Diplomityö tehtiin Mertaniemen voimalaitoksella, jossa käytännön kehityskohteina olivat laskenta- ja raportointisovellukset. Lisäksi tarkistettiin tietokantamuuttujia. Tiedonkeruujärjestelmää kehitetään ja päivitetään voimalaitoksen laitteisto- ja toimintamuutosten takia. Kehityksellä pyritään tarjoamaan oikeampaa ja luotettavampaa tietoa, korjaamaan virheitä sekä kartoittamaan mahdollisia puutteita.

Jatkuvan äänitehojakautuman algoritmi pitkien käytävien äänikenttien mallintamiseen

JÄKÄLA-algoritmi (Jatkuvan Äänitehojakautuman algoritmi Käytävien Äänikenttien LAskentaan) ja sen NUMO- ja APPRO-laskentayhtälöt perustuvat käytävällä olevan todellisen äänilähteen kuvalähteiden symmetriaan. NUMO on algoritmin numeerisen ratkaisun ja APPRO likiarvoratkaisun laskentayhtälö. Algoritmia johdettaessa oletettiin, että absorptiomateriaali oli jakautunut tasaisesti käytävän ääntä heijastaville pinnoille. Suorakaiteen muotoisen käytävän kuvalähdetason muunto jatkuvaksi äänitehojakautumaksi sisältää kolme muokkausvaihetta. Aluksi suorakaiteen kuvalähdetaso muunnetaan neliön muotoiseksi. Seuraavaksi neliön muotoisen kuvalähdetason samanarvoiset kuvalähteet siirretään koordinaattiakselille diskreetiksi kuvalähdejonoksi. Lopuksi kuvalähdejono muunnetaan jatkuvaksi äänitehojakautumaksi, jolloin käytävän vastaanottopisteen äänenpainetaso voidaan laskea integroimalla jatkuvan äänitehojakautuman yli. JÄKÄLA-algoritmin validiteetin toteamiseksi käytettiin testattua kaupallista AKURI-ohjelmaa. AKURI-ohjelma antoi myös hyvän käsityksen siitä, miten NUMO- ja APPRO-yhtälöillä lasketut arvot mahdollisesti eroavat todellisilla käytävillä mitatuista arvoista. JÄKÄLA-algoritmin NUMO- ja APPRO-yhtälöitä testattiin myös vertaamalla niiden antamia tuloksia kolmen erityyppisen käytävän äänenpainetasomittauksiin. Tässä tutkimuksessa on osoitettu, että akustisen kuvateorian pohjalta on mahdollista johtaa laskenta-algoritmi, jota voidaan soveltaa pitkien käytävien äänikenttien pika-arvioinnissa paikan päällä. Sekä teoreettinen laskenta että käytännön äänenpainetasomittaukset todellisilla käytävillä osoittivat, että JÄKÄLA-algoritmin yhtälöiden ennustustarkkuus oli erinomainen ideaalikäytävillä ja hyvä niillä todellisilla käytävillä, joilla ei ollut ääntä heijastavia rakenteita. NUMO- ja APPRO-yhtälöt näyttäisivät toimivan hyvin käytävillä, joiden poikkileikkaus oli lähes neliön muotoinen ja joissa pintojen suurin absorptiokerroin oli korkeintaan kymmenen kertaa pienintä absorptiokerrointa suurempi. NUMO- ja APPRO-yhtälöiden suurin puute on, etteivät ne ota huomioon pintojen erilaisia absorptiokertoimia eivätkä esineistä heijastuvia ääniä. NUMO- ja APPRO- laskentayhtälöt poikkesivat mitatuista arvoista eniten käytävillä, joilla kahden vastakkaisen pinnan absorptiokerroin oli hyvin suuri ja toisen pintaparin hyvin pieni, ja käytävillä, joissa oli massiivisia, ääntä heijastavia pilareita ja palkkeja. JÄKÄLA-algoritmin NUMO- ja APPRO-yhtälöt antoivat tutkituilla käytävillä kuitenkin selvästi tarkempia arvoja kuin Kuttruffin likiarvoyhtälö ja tilastollisen huoneakustiikan perusyhtälö. JÄKÄLA-algoritmin laskentatarkkuutta on testattu vain neljällä todellisella käytävällä. Algoritmin kehittämiseksi tulisi jatkossa käytävän vastakkaisia pintoja ja niiden absorptiokertoimia käsitellä laskennassa pareittain. Algoritmin validiteetin varmistamiseksi on mittauksia tehtävä lisää käytävillä, joiden absorptiomateriaalien jakautumat poikkeavat toisistaan.

Tooth-Coil Permanent Magnet Synchronous Machine Design for Special Applications

This doctoral thesis presents a study on the design of tooth-coil permanent magnet synchronous machines. The electromagnetic properties of concentrated non-overlapping winding permanent magnet synchronous machines, or simply tooth-coil permanent magnet synchronous machines (TC-PMSMs), are studied in details. It is shown that current linkage harmonics play the deterministic role in the behavior of this type of machines. Important contributions are presented as regards of calculation of parameters of TC-PMSMs,particularly the estimation of inductances. The current linkage harmonics essentially define the air-gap harmonic leakage inductance, rotor losses and localized temporal inductance variation. It is proven by FEM analysis that inductance variation caused by the local temporal harmonic saturation results in considerable torque ripple, and can influence on sensorless control capabilities. Example case studies an integrated application of TC-IPMSMs in hybrid off-highway working vehicles. A methodology for increasing the efficiency of working vehicles is introduced. It comprises several approaches – hybridization, working operations optimization, component optimization and integration. As a result of component optimization and integration, a novel integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) for off-highway working vehicles is designed. The IEHEC can considerably increase the operational efficiency of a hybrid working vehicle. The energy converter consists of an axial-piston hydraulic machine and an integrated TCIPMSM being built on the same shaft. The compact assembly of the electrical and hydraulic machines enhances the ability to find applications for such a device in the mobile environment of working vehicles.Usage of hydraulic fluid, typically used in working actuators, enables direct-immersion oil cooling of designed electrical machine, and further increases the torque- and power- densities of the whole device.

Spatial multicriteria decision analysis for the siting of on-shore wind power in Kemiönsaari

Wind power is a low-carbon energy production form that reduces the dependence of society on fossil fuels. Finland has adopted wind energy production into its climate change mitigation policy, and that has lead to changes in legislation, guidelines, regional wind power areas allocation and establishing a feed-in tariff. Wind power production has indeed boosted in Finland after two decades of relatively slow growth, for instance from 2010 to 2011 wind energy production increased with 64 %, but there is still a long way to the national goal of 6 TWh by 2020. This thesis introduces a GIS-based decision-support methodology for the preliminary identification of suitable areas for wind energy production including estimation of their level of risk. The goal of this study was to define the least risky places for wind energy development within Kemiönsaari municipality in Southwest Finland. Spatial multicriteria decision analysis (SMCDA) has been used for searching suitable wind power areas along with many other location-allocation problems. SMCDA scrutinizes complex ill-structured decision problems in GIS environment using constraints and evaluation criteria, which are aggregated using weighted linear combination (WLC). Weights for the evaluation criteria were acquired using analytic hierarchy process (AHP) with nine expert interviews. Subsequently, feasible alternatives were ranked in order to provide a recommendation and finally, a sensitivity analysis was conducted for the determination of recommendation robustness. The first study aim was to scrutinize the suitability and necessity of existing data for this SMCDA study. Most of the available data sets were of sufficient resolution and quality. Input data necessity was evaluated qualitatively for each data set based on e.g. constraint coverage and attribute weights. Attribute quality was estimated mainly qualitatively by attribute comprehensiveness, operationality, measurability, completeness, decomposability, minimality and redundancy. The most significant quality issue was redundancy as interdependencies are not tolerated by WLC and AHP does not include measures to detect them. The third aim was to define the least risky areas for wind power development within the study area. The two highest ranking areas were Nordanå-Lövböle and Påvalsby followed by Helgeboda, Degerdal, Pungböle, Björkboda, and Östanå-Labböle. The fourth aim was to assess the recommendation reliability, and the top-ranking two areas proved robust whereas the other ones were more sensitive.

Voimalaitoksen kanavien kannakkeiden rakennesuunnittelu

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

Soodakattilalaitosten energiantuotannon lisääminen

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

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.

Power-line-communication-based data transmission concept for an LVDC electricity distribution network – Analysis and implementation

Communications play a key role in modern smart grids. New functionalities that make the grids ‘smart’ require the communication network to function properly. Data transmission between intelligent electric devices (IEDs) in the rectifier and the customer-end inverters (CEIs) used for power conversion is also required in the smart grid concept of the low-voltage direct current (LVDC) distribution network. Smart grid applications, such as smart metering, demand side management (DSM), and grid protection applied with communications are all installed in the LVDC system. Thus, besides remote connection to the databases of the grid operators, a local communication network in the LVDC network is needed. One solution applied to implement the communication medium in power distribution grids is power line communication (PLC). There are power cables in the distribution grids, and hence, they may be applied as a communication channel for the distribution-level data. This doctoral thesis proposes an IP-based high-frequency (HF) band PLC data transmission concept for the LVDC network. A general method to implement the Ethernet-based PLC concept between the public distribution rectifier and the customerend inverters in the LVDC grid is introduced. Low-voltage cables are studied as the communication channel in the frequency band of 100 kHz–30 MHz. The communication channel characteristics and the noise in the channel are described. All individual components in the channel are presented in detail, and a channel model, comprising models for each channel component is developed and verified by measurements. The channel noise is also studied by measurements. Theoretical signalto- noise ratio (SNR) and channel capacity analyses and practical data transmission tests are carried out to evaluate the applicability of the PLC concept against the requirements set by the smart grid applications in the LVDC system. The main results concerning the applicability of the PLC concept and its limitations are presented, and suggestion for future research proposed.

Integration of Torrefaction with Steam Power Plant

Torrefaction is one of the pretreatment technologies to enhance the fuel characteristics of biomass. The efficient and continuous operation of a torrefaction reactor, in the commercial scale, demands a secure biomass supply, in addition to adequate source of heat. Biorefinery plants or biomass-fuelled steam power plants have the potential to integrate with the torrefaction reactor to exchange heat and mass, using available infrastructure and energy sources. The technical feasibility of this integration is examined in this study. A new model for the torrefaction process is introduced and verified by the available experimental data. The torrefaction model is then integrated in different steam power plants to simulate possible mass and energy exchange between the reactor and the plants. The performance of the integrated plant is investigated for different configurations and the results are compared.

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.

Mitigation possibilities to Greenhouse gas emissions from power production in India

Global warming is assertively the greatest environmental challenge for humans of 21st century. It is primarily caused by the anthropogenic greenhouse gas (GHG) that trap heat in the atmosphere. Because of which, the GHG emission mitigation, globally, is a critical issue in the political agenda of all high-profile nations. India, like other developing countries, is facing this threat of climate change while dealing with the challenge of sustaining its rapid economic growth. India’s economy is closely connected to its natural resource base and climate sensitive sectors like water, agriculture and forestry. Due to Climate change the quality and distribution of India’s natural resources may transform and lead to adverse effects on livelihood of its people. Therefore, India is expected to face a major threat due to the projected climate change. This study proposes possible solutions for GHG emission mitigation that are specific to the power sector of India. The methods discussed here will take Indian power sector from present coal dominant ideology to a system, centered with renewable energy sources. The study further proposes a future scenario for 2050, based on the present Indian government policies and global energy technologies advancements.

School Bullies’ Quest for Power: Implications for Group Dynamics and Intervention

Bullying is characterized by an inequality of power between perpetrator and target. Findings that bullies can be highly popular have helped redefine the old conception of the maladjusted school bully into a powerful individual exerting influence on his peers from the top of the peer status hierarchy. Study I is a conceptual paper that explores the conditions under which a skillful, socially powerful bully can use the peer group as a means of aggression and suggests that low cohesion and low quality of friendships make groups easier to manipulate. School bullies’ high popularity should be a major obstacle for antibullying efforts, as bullies are unlikely to cease negative actions that are rewarding, and their powerful position could discourage bystanders from interfering. Using data from the Finnish program KiVa, Study II supported the hypothesis that antibullying interventions are less effective with popular bullies in comparison to their unpopular counterparts. In order to design interventions that can address the positive link between popularity and aggression, it is necessary to determine in which contexts bullies achieve higher status. Using an American sample, Study III examined the effects of five classroom features on the social status that peers accord to aggressive children, including classroom status hierarchy, academic level and grade level, controlling for classroom mean levels of aggression and ethnic distribution. Aggressive children were more popular and better liked in fifth grade relative to fourth grade and in classrooms of higher status hierarchy. Surprisingly, the natural emergence of status hierarchies in children’s peer groups has long been assumed to minimize aggression. Whether status hierarchies hinder or promote bullying is a controversial question in the peer relations’ literature. Study IV aimed at clarifying this debate by testing the effects of the degree of classroom status hierarchy on bullying. Higher hierarchy was concrrently associated with bullying and predictive of higher bullying six months later. As bullies’ quest for power is increasingly acknowledged, some researchers suggest teaching bullies to attain the elevated status they yearn for through prosocial acts. Study V cautions against such solutions by reviewing evidence that prosocial behaviors enacted with the intention of controlling others can be as harmful as aggression.