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.

LTO- laitteiden vuosihyötysuhteiden vertailututkimus

Tämän työn tavoitteena oli laskea ja vertailla eroja lämmön talteenottolaitteistojen vuosihyötysuhteissa. Tavoitteena oli erityisesti löytää selkeät perusteet Suomen Rakennusmääräyskokoelman osassa D2 esitetyille arvoille vuosihyötysuhdetta laskettaessa. Työn kirjallisuusosassa on käsitelty yleisellä tasolla erityyppisten lämmön talteenottolaitteistojen teoriaa, toimintaperiaatteita ja soveltuvuutta erilaisiin käyttöolosuhteisiin. Työn empiirisessä osassa selvitettiin laboratorio-olosuhteissa virtauksessa mitattujen lämpötila- ja kosteusolosuhteiden vaikutusta lämmön talteenottolaitteiden toimintaan. Lisäksi työssä esitellään yleisellä tasolla mittauksissa käytettyjen mittalaitteiden toimintaa. Suoritettujen mittausten ja laskennan perusteella havaittiin, että laitteistojen vuosihyötysuhteiden välille saatiin odotetunlaisia eroja. Parhaimpiin tuloksiin päästiin regeneratiivisella lämmön talteenottolaitteella.

Optinen kolmiulotteinen mittaus ohutlevytuotteiden laadunvalvonnassa

Ohutlevyteollisuuden markkinatilanne on muuttunut, kun tuotantomäärät ovat kasvaneet, laatuvaatimukset tiukentuneet ja markkinat globalisoituneet. Konenäön avulla on mahdollista tehostaa laadunvalvontaa, jolloin virheet voidaan havaita nopeammin ja siten säästää tuotantokustannuksissa. Muotoiltujen ohutlevyosien tarkastamiseksi tarvitaan kolmiulotteisia mittausmenetelmiä, joilla pystytään varsin nopeasti ja tarkasti analysoimaan kappaleita. Erityisesti fotogrammetriaan perustuvaa rakenteista valoa on sovellettu erilaisissa mittalaitteissa, ja menetelmä on myös varsin joustava sekä edullinen käyttää. Fotogrammetriaan ja rakenteiseen valoon perustuvista mittalaitteista valittiin arvioitavaksi Mapvision 4D. Testeissä tutkittiin laitteen tarkkuutta, nopeutta ja soveltuvuutta teollisuusympäristöön sekä erityisesti taivutuskulmien, reikien halkaisijoidenja etäisyyksien mittaamista. Sovittamalla mitattu data CAD-malliin pystytään kappaleen mitoitus tarkastamaan vaaditulla 0,1 millimetrin tarkkuudella. Testitulosten perusteella voidaan todeta sekä mittalaitteen että mittausmenetelmän soveltuvan ohutlevykappaleiden laadunvalvontaan, kunhan reunojen määrityksessä esiintyvä säännöllinen epätarkkuus otetaan huomioon.

Maakaasulla tuotetun aluelämmön tekniset edellytykset ja kilpailukyvyn arviointi

Tässä diplomityössä tutkitaan maakaasulla tuotetun aluelämmön teknisiä edellytyksiä sekä tuotetun lämmön kilpailukykyä. Työon tehty Helsinkikaasu Oy:n tilauksesta käyttäen tutkimuskohteina heidän olemassa olevia lämpökeskuksia. Helsinkikaasu Oy:n lämpökeskukset ovat tehoiltaan alle10 MW, joka on myös työssä tarkasteltavien lämpökeskuksien maksimiteho. Diplomityössä määritellään kyseisen teholuokkaan suunnittelu- ja mitoitusperusteet, tarkastellaan lämpöliiketoimintamalleja sekä arvioidaan liiketoiminnan kasvupotentiaali. Diplomityön on tarkoitus toimia työkaluna HelsinkikaasuOy:n laajentaessa lämpöliiketoimintaansa.

Levylämmönsiirtimen mitoitus ja optimointi erityisesti lämpöpumpuissa

Työn tavoitteena on laatia käsikirjamainen läpileikkaus levylämmönsiirtimen rakenteesta ja käytöstä lämpöpumppulaitteistoissa. Kylmäprosessin tarkastelun lisäksi on eri lähteistä haettu yhtälöitä lämmönsiirron ja painehäviönlaskentaan. Lähdeaineistona on käytetty lämmönsiirron oppikirjoja, joiden lisäksi on käyty läpi suuri joukko tieteellisen tutkimuksen julkaisemia tutkimusraportteja levylämmönsiirtimen mitoituksesta erilaisissa käyttökohteissa. Oppikirjoissa ei ole esitetty varsinaisesti levylämmönsiirtimen laskentamenetelmiä, vaan niissä esitetään lämmönsiirron perusyhtälöt. Varsinainen lämmönsiirtolevyprofiilin laskentaan perustuva lähdeaineisto on löytynyt lämmönsiirtoon erikoistuneista julkaisuista. Lämmönsiirto tapahtuu aina kuumemmasta kylmempään tilaan. Lämmönsiirto eri virtausaineiden välillä toteutetaan lämmönsiirtimien avulla. Lämmönsiirrintyyppejä on olemassa lukuisia, joista yksi yleisesti käytetty tyyppi on levylämmönsiirrin. Tässä konstruktiossa on mahdutettu paljon lämmönsiirtopintaa ulkomitoiltaan pieneen tilaan. Tämä siirrintyyppi on eduksi silloin, kun virtaavat aineet ovat puhtaita ja niillä ei ole likaavaa vaikutusta lämmönsiirtopinnoille. Lämpöpumpulla tarkoitetaan laitetta, jolla voidaan käyttää hyödyksi lämmönlähteen matalaa lämpötilatasoa nostamalla lämpötilatasoa kompressorin puristustyön avulla korkeampaan lämpötilatasoon. Lämpöpumppulaitteiston toiminta perustuu kylmäprosessin toimintaan. Kylmäprosessin läpikäynti auttaa lukijaa hahmottamaan, millainen prosessi on kysymyksessä ja mitä komponentteja liittyy kylmäprosessiin. Tässä diplomityössä esitetyt yhtälöt antavat suuntaa, millä tavalla levylämmönsiirtimien ominaisuuksia voidaan laskea ja mitkä tekijät vaikuttavat siirtimien mitoittamiseen. Tarkemmat vaihdinkohtaiset laskentakorrelaatiot muotoutuvat vasta sitten, kun valmis tuote on testattu laboratorio-olosuhteissa ja siitä on saatu lämpötila-, virtaus- ja painesuhteet selville. Tämän jälkeen voidaan mittaustuloksiin perustuen rakentaa matemaattinen malli, jolla laskennallisesti määritelläänvaihtimien ominaisuudet. Lisäksi on esitetty yleisiä tapoja, joilla voidaan määritellä lämmönsiirtimien lämpöpintoja.

Terässiilojen mitoitusohjelman kehittäminen

Siiloja käytetään jauhemaisten ja rakeisten aineiden varastointiin ja annosteluun maataloudessa sekä mm. lasi-, laasti- ja tasoiteteollisuudessa. Tällaiset laitokset toimitetaan usein kokonaistoimituksina, joissa tavanomaisten teräsrakenteiden kustannusvaikutus voi olla jopa 30 % koko toimituksen arvosta. Niinpä osaltaan siilojen tehokkaalla mitoituksella ja erilaisiarakenneratkaisuja vertailemalla voidaan alentaa toimitusten kokonaiskustannuksia. Tässä diplomityössä perehdyttiin siilojen rakenteisiin ja niiden lujuustekniseen mitoitukseen etenkin tuentaratkaisujen osalta. Mitoituksen osalta työssä perehdyttiin pääasiassa uusiin Eurooppalaisiin standardeihin SFS-EN 1991-4 ja SFS-EN 1993-4-1. Niiden mukaan määritetään mitoituskuormat sekä tehdään lujuustekninen mitoitus. Työn tuloksena laadittiin Microsoft Excel -pohjainen mitoitusohjelma, jolla voidaan nopeasti mitoittaa siilojen olennaisimmat teräsrakenteet. Ohjelmalla voidaan määrittää mitoitus koskien siilon lieriön ja kartion seinämiä sekä tuentaratkaisuja. Ohjelma nopeuttaa erityisesti tarjousvaiheen suunnittelua ja antaa pohjan varsinaiselle siilojen yksityiskohtaiselle mitoittamiselle ja suunnittelulle.

Direct-on-line axial flux permanent magnet synchronous generator static and dynamic performance

In distributed energy production, permanent magnet synchronous generators (PMSG) are often connected to the grid via frequency converters, such as voltage source line converters. The price of the converter may constitute a large part of the costs of a generating set. Some of the permanent magnet synchronous generators with converters and traditional separately excited synchronous generators couldbe replaced by direct-on-line (DOL) non-controlled PMSGs. Small directly networkconnected generators are likely to have large markets in the area of distributed electric energy generation. Typical prime movers could be windmills, watermills and internal combustion engines. DOL PMSGs could also be applied in island networks, such as ships and oil platforms. Also various back-up power generating systems could be carried out with DOL PMSGs. The benefits would be a lower priceof the generating set and the robustness and easy use of the system. The performance of DOL PMSGs is analyzed. The electricity distribution companies have regulations that constrain the design of the generators being connected to the grid. The general guidelines and recommendations are applied in the analysis. By analyzing the results produced by the simulation model for the permanent magnet machine, the guidelines for efficient damper winding parameters for DOL PMSGs are presented. The simulation model is used to simulate grid connections and load transients. The damper winding parameters are calculated by the finite element method (FEM) and determined from experimental measurements. Three-dimensional finite element analysis (3D FEA) is carried out. The results from the simulation model and 3D FEA are compared with practical measurements from two prototype axial flux permanent magnet generators provided with damper windings. The dimensioning of the damper winding parameters is case specific. The damper winding should be dimensioned based on the moment of inertia of the generating set. It is shown that the damper winding has optimal values to reach synchronous operation in the shortest period of time after transient operation. With optimal dimensioning, interferenceon the grid is minimized.

Induction motor versus permanent magnet synchronous motor in motion control applications: a comparative study

High dynamic performance of an electric motor is a fundamental prerequisite in motion control applications, also known as servo drives. Recent developments in the field of microprocessors and power electronics have enabled faster and faster movements with an electric motor. In such a dynamically demanding application, the dimensioning of the motor differs substantially from the industrial motor design, where feasible characteristics of the motor are for example high efficiency, a high power factor, and a low price. In motion control instead, such characteristics as high overloading capability, high-speed operation, high torque density and low inertia are required. The thesis investigates how the dimensioning of a high-performance servomotor differs from the dimensioning of industrial motors. The two most common servomotor types are examined; an induction motor and apermanent magnet synchronous motor. The suitability of these two motor types indynamically demanding servo applications is assessed, and the design aspects that optimize the servo characteristics of the motors are analyzed. Operating characteristics of a high performance motor are studied, and some methods for improvements are suggested. The main focus is on the induction machine, which is frequently compared to the permanent magnet synchronous motor. A 4 kW prototype induction motor was designed and manufactured for the verification of the simulation results in the laboratory conditions. Also a dynamic simulation model for estimating the thermal behaviour of the induction motor in servo applications was constructed. The accuracy of the model was improved by coupling it with the electromagnetic motor model in order to take into account the variations in the motor electromagnetic characteristics due to the temperature rise.

Voimalaitoskytkennän lämpö-ja virtaustekninen optimointi teollisuusprosessiin

Diplomityössä on selvitetty UPM-Kymmene-konserniin kuuluvan Voikkaan paperitehtaan höyryvoimalaitoksen liityntärajapintaa paperikoneprosessiin. Selvitys tehtiin, koska nykyinen voimalaitos on suunniteltu korvattavaksi uudella lähivuosina. Työn teoriaosassa tarkastellaan mm. eri voimalaitostyyppejä, prosessivoimalaitoksen säätöjärjestelmiä sekä väliottovastapaineturbiinilta saatavan sähkötehon laskemiseksi tarvittavaa teoriaa. Käytännössä suurin työ on tehty nykyisen tuotantoprosessin voimalaitokselle asettamien vaatimusten selvittämisessä. Tämä on toteutettu tarkastelemalla online-mittauspositioita hyödyntäen laitoksen eri historiatietokantoja. Tulevan voimalaitoksen väliottovastapaineturbiinilta saatavaa sähkötehoa on tarkasteltu vuoden 2000 prosessihöyryn massavirtoihin perustuen. Kirjalliseen työhön on sisällytetty kuvaajat prosessin tärkeimmistä tila-arvoista. Yksityiskohtainen rajapinnan tarkastelu kuvaajineen ja lukuarvoineen on toimitettu diplomityöpaikalle tiedostomuodossa.

Kuplivan leijukerroksen poltto- ja lämpötekninen tarkastelu

Työn tavoitteena oli luoda menetelmä leijukerroskattilan petin lämpötilojen ja toiminta-alueen arvioimiseksi annetuilla lähtötiedoilla. Toimintatapana oli tutkia polttoaineen ominaisuuksien ja kattilan geometrian vaikutuksia petin energiataseeseen ja tätä kautta petin lämpötilaan kattilan ajotapa huomioiden. Työn teoriaosassa esitellään aluksi biopolttoaineiden ominaisuuksia ja leijukerroskattilan toimintaa petin toimintaympäristön selvittämiseksi. Teoriaosan lopussa käsitellään perusteellisesti petin hydrodynamiikkaa ja reaktiokinettikkaa sekä petin alueen mekaanista mitoitusta. Lisäksi polttoaineen syöttötapa ja palaminen petissä tuodaan esille. Tutkimusosassa selvitetään petin energiatasemallin määrittämistä teoriaan ja diplomityön aikana eri kattiloilla suoritettuihin mittauksiin perustuen. Mittauksista on erillinen selvitys seitsemännessä kappaleessa. Lopuksi kuvaillaan petin energiatasetta mallintavan menetelmän toimintaa sekä siihen syötettäviä lähtötietoja. Tuloksena on saatu suppealla alueella toimiva laajennettavissa oleva petin energiataseen malli. Menetelmän testaamiseen käytetään mittaustietoa kahdelta kattilalta, joita ei olla käytetty petin energiatasemallin virityksessä.

Lämmöntalteenottokattilan kehittäminen kaasumoottoreille ja teollisuuskaasuturbiineille

Tässä diplomityössä on kehitetty kustannustehokas lämmöntalteenottokattila savukaasun virtaukselle alle 150 kg/s. Kehitettävä kattila on luonnonkiertoinen ja pystyrakenteinen. Valitun kattilatyypin etuja muihin kattilatyyppeihin nähden on tarkasteltu. Erityistä huomiota kattilassa on kiinnitetty vedenkäsittelyn yksinkertaistamiseen. Tämä on saavutettu tulistinratkaisulla, jonka säätötarve on vähäinen. Tuorehöyryn lämpötilan säätöön käytettyjä säätömenetelmiä on tarkasteltu ja eri tulistinratkaisuja käyttämällä saavutettavia tuorehöyrymääriä ja säätötarvetta on tutkittu simulointiohjelmaa hyväksi käyttäen. Tulistinratkaisun lisäksi työssä on tarkasteltu syöttöveden käyttöä ulkoiseen lämmitykseen sekä lämmönsiirrinpakettien tuentaa. Lisäpolton toteutusta sekä syöttövesiventtiilin sijoittamista ja syöttövesipumpun valintaa on myös tarkasteltu. Osana työtä on lisäksi tehty kehitettyä kattilaa varten mitoitusohjelma ja mitoitettu sitä käyttäen esimerkkilaitos.

Kaukolämpöjärjestelmän suunnittelu Liljendalin kunnassa

Tämän työn tavoitteena on löytää suositeltavat mitoitusarvot Liljendalin kunnan kaukolämpöjärjestelmään. Kirjallisuuden perusteella tarkastellaan kaukolämpö-järjestelmän suunnittelua ja mitoitusta sekä lämmön hinnoittelua ja niistä annettuja määräyksiä, suosituksia ja ohjeita. Työssä käsitellään mahdollisuuksia ja keinoja kaukolämmityksen siirtolämpötilojen pienentämiseen. Lisäksi vertaillaan nykyarvomenetelmällä laskemalla kaukolämpöjärjestelmän siirtokustannuksia eri mitoituslämpötiloilla, putkikoolla ja eristyspaksuuksilla. Lämmön myyntihinnalle on tehty tariffiehdotus. Lopuksi on esitetty lämpökeskuksen hankintaa koskevia tietoja. Laskennan tuloksena havaittiin, että siirtolämpötilojen, putkikoon ja eristyspaksuuden oikealla valinnalla voidaan säästää lämmönsiirron kustannuksissa. Laskelmien perusteella suositellaan Liljendalin kunnan kaukolämpöjärjestelmän mitoituslämpötiloiksi 100/50°C ja eristyspaksuudeksi III-luokan eriste. Putkikoon oikealla valinnalla voidaan säästää merkittävästi varsinkin, kun kyseessä on lyhyt siirtoetäisyys. Putkikoon valinnassa on kuitenkin huomioitava mahdolliset tulevaisuuden laajennukset verkossa ja kulutuksen kasvu.

Kestomagneettitahtikonekäytön soveltaminen paperiteollisuuden linjakäytöissä

Tässä työssä tutkitaan kestomagneettitahtimoottorin soveltuvuutta paperiteollisuuden linjakäyttöihin. Aluksi perehdytään taajuusohjatun kestomagneettitahtimoottorin häviöiden syntymiseen ja niiden jakautumiseen. Työssä esitellään kestomagneettitahtimoottorin koon valintaan vaikuttavia tekijöitä ja vertaillaan oikosulkumoottorin ja kestomagneettitahtimoottorin mitoituksen eroja. Lisäksi tarkasteltiin linjakäytön vaihtosuuntaajan ja syöttöryhmän mitoitusta, kun kestomagneettitahtimoottoria käytetään paperiteollisuuden linjakäytössä. Kestomagneettitahtimoottorin virran riippuvuutta kuormituksesta laskettiin ja mitattiin yhden kestomagneettitahtimoottorin virta eri kuormituksilla. Näin voitiin suorittaa vertailu laskennan ja todellisuuden välillä. Mittaus osoitti laskentatavan tarkkuuden. Selvityksessä löydettiin riittävän tarkka laskentatapa, jonka avulla voidaan määrittää linjakäytön invertterin koko.

Monitelakalanterin esisuunnitteluaineiston luonti tuotekehitysprojektissa

Työ liittyy uuden sukupolven monitelakalanterin tuotekehitysprojektiin. Työssä tutkittiin uuden monitelakalanterin tuoterakennetta, esisuunnitteluaineistoa ja mahdol- lisuuksia parametriseen 3D-suunnitteluun. Työssä ei suoritettu teknistä laskentaa. Uuden monitelakalanterin modulaarinen tuoterakenne ja esisuunnitteluaineisto pohjautuu markkinoilla olevaan OptiLoad-monitelakalanteriin. Tuoterakenteella ja esisuunnitteluaineistolla ohjataan monitelakalantereiden asiakastoimitusprojekteissa eri kokoluokkien kustannuksia, suunnittelua ja tuotantoa. Modulaarisella tuoterakenteella, jolla on selkeät mitoitusperusteet vaikutetaan oleellisesti asiakastoimitusten luotettavuuteen. Huomioimalla tuotekehitysprojektissa asiakaskohtaiset muutokset modulaarisessa tuoterakenteessa voidaan tehdä alustava esisuunnitteluaineisto. Parametrinen 3D-suunnittelu sekä lopullinen esisuunnitteluaineisto vaatii uuden monitelakalanterin rakenteiden tuotteistusta, standardointia ja elementtimenetelmään perustuvaa lujuuslaskentaa.

Energiantuotanto kuivalla puupolttoaineella

Diplomityössä esitetään taustatietona puupolttoaineen ominaisuuksien vaikutusta energiantuotantolaitoksen mitoitukseen ja käyttöön. Työssä esitellään ensimmäisessä vaiheessa tehty laskentamalli, jolla on tehty 20 MW laitoksen mitoitus kolmelle eri polttoaineen kosteudelle. Mitoitustulosten perusteella määritellään jokaiselle laitokselle energiantuotantohinta, joita vertaillaan. Vertailun avulla saadaan tieto siitä, onko uusi laitos syytä mitoittaa kuivatulle puupolttoaineelle investointisäästöjen vuoksi. Työssä tarkastellaan myös risutukkien ominaisuuksia, hyödyntämismahdollisuuksia sekä niiden varastokuivatuksen taloudellisuutta.