Search

Chemical process simulation gives the initial data required for process design and engineering. Process simulation also provides a safe environment that can be used to train operators and optimize processes. Applications such as the HSC Chemistry® simulation platform can be used to model the complex behavior of chemical processes. The target of this thesis is to develop a dynamic Peirce-Smith converter simulation model using the HSC Chemistry process simulation platform. This work consists of two parts. A dynamic calculation unit for pyrometallurgical applications is developed in the first part of the thesis. In the second part the new calculation unit is demonstrated with a Peirce-Smith converter model. In addition, a literature study is conducted in order to introduce the fundamental theories behind copper extraction and process simulation. The design of the newly developed dynamic HSC unit is based on HSC’s existing steady-state units, combined with new features essential for dynamic simulation. The new unit introduces tank layers that can be used to conserve mass and energy. Moreover, individual tanks can interact with the surrounding layers through separate operations. The Peirce-Smith converter is modelled using separate tanks for slag, matte, blister and scrap metals. Chemical equilibrium is used to describe the boundary area between the different tanks. In addition, heat transfer and heat losses are described through model-specific formulas. The new Peirce-Smith converter model is tested using data from a real-world smelter. The simulation results are compared to corresponding samples from the real-world smelter as well as previous Matlab and HSC models. The results suggest that the simulated composition of blister is relatively close to real-world samples. The model still requires development and tuning in order to accurately model slag., Kemisk processimulering ger de grundläggande uppgifterna för processdesign och planering. Processimulering erbjuder även en trygg omgivning som kan användas för att utbilda operatörer samt optimera olika processer. Applikationer så som simuleringsplattformen HSC Chemistry® kan användas till att modellera olika kemiska processers beteende. Målet med denna avhandling är att utveckla en dynamisk Peirce-Smith konverter simulerings modell med hjälp av simuleringsplattformen HSC Chemistry. Detta arbete består av två delar. En dynamisk beräkningsenhet för pyrometallurgiska ändamål är utvecklad i arbetets första del. I den andra delen demonstreras den nyutvecklade enheten med hjälp av en Peirce-Smith konverter modell. Dessutom utförs en litteratur studie som behandlar grunderna bakom koppar utvinning och process simulering. Designen på den nyutvecklade dynamiska HSC enheten baserar sig på HSCs existerande statiska enheter tillsammans med en del nya koncept som är nödvändiga för dynamisk simulering. Den nya enheten introducerar lagringstankar, som kan användas till att lagra massa och energi. De Individuella lagringstankarna kan växelverka med omgivande lager genom olika operationer. Peirce-Smith konvertern modelleras genom at använda olika lagringstankar för slag, skärsten, råkoppar och skrot metaller. Kemisk jämnvikt används till att beskriva området mellan de olika lagringstankarna. Värmeöverföring och värme förluster kan därtill beskrivas genom modell specifika formler. Den nyutvecklade Peirce-Smith konverter modellen testas med hjälp av data från ett riktigt smältverk. Simuleringsresultaten jämförs med de motsvarande analyserna från den verkliga processen samt äldre Matlab och HSC modeller. Resultaten indikerar att de simulerade sammansättningarna för råkoppar är relativt nära de mätta värdena. Modellen måste dock ännu förbättras och kalibreras för att noggrant kunna modellera slag.

Industry is one of the largest energy consuming sectors creating a great environment for energy efficiency improvements. Thermal energy storage might be one of the attractive technologies for energy efficiency improvements in heat production because it is flexible in heat load balancing. This study analysed the improvement potential of the energy efficiency at a paper mill located in the Northern Europe. The mill mainly uses mechanical pulping for papermaking. Process heat is produced in a power plant combusting biomass and natural gas as a main fuels. The first aim of this study is to identify potential improvements and limitations when natural gas usage is decreased at the mill by replacing it with biomass and steam load fluctuations are balanced using a heat storage for steam (Case 1). The second main goal of this study is to determine potential improvements and limitations if excess heat produced in the summer is stored in a long term heat storage (Case 2). In both cases, heat storage options are compared to an option that uses drying of biomass instead of the heat storage. Cases are assessed by evaluating technical feasibility and economic savings of the options. Evaluations of the heat storage and drying options are based on simulation models using data that was recorded at the mill. Case 1 is simulated in three scenarios: Scenario A (20% decrease in natural gas usage), Scenario B (40% decrease in natural gas usage) and Scenario C (60% decrease in natural gas usage). This study concluded that steam accumulators offer more feasible option for balancing the heat load than belt dryers in Case 1. Furthermore, scenario B (40% decrease in natural gas usage) seems to be the most feasible scenario for steam accumulator in Case 1. In Case 2, the belt dryer option provides better operational characteristics for utilizing excess hot water than the hot water tank storage option with annual savings of 0.158M€., Teollisuus on yksi suurimmista energiaa kuluttavista sektoreista, mikä luo hyvät mahdollisuudet energiatehokkuuden parantamiselle. Hyödyntämällä lämpövarastoja voidaan mahdollisesti parantaa energiatehokkuutta lämmöntuotannossa, koska lämpövarastot ovat joustavia lämmöntuotannon ja -kulutuksen tasaamisessa. Työssä analysoitiin energiatehokkuuden parantamispotentiaalia Pohjois-Eurooppalaisessa paperitehtaassa, joka käyttää mekaanista massaa paperin valmistukseen. Prosessihöyry tuotetaan voimalaitoksessa polttamalla biomassaa ja maakaasua pääpolttoaineina. Työn ensimmäisenä päätavoitteena on määrittää potentiaaliset hyödyt ja rajoitteet, kun maakaasun käyttöä vähennetään lisäämällä biomassan osuutta höyryntuotannossa ja lämpövarastolla tasataan höyrykuorman vaihtelut (Case 1). Toisena tavoitteena on arvioida potentiaaliset hyödyt ja rajoitteet, jos kesäisin tuotettu hukkalämpö varastoitaisiin lämpövarastoon (Case 2). Molemmissa tapauksissa lämpövaraston käyttöä verrataan tilanteeseen, jossa biomassan kuivausta hyödynnetään lämpövaraston sijasta. Tapauksia arvioidaan teknisen toteutettavuuden ja taloudellisten säästöjen perusteella. Lämpövarasto- ja kuivausvaihtoehtojen arviointi perustuu työssä tehtyihin simulointimalleihin, joissa käytettiin paperitehtaalla mitattua dataa. Höyrykuorman tasausta (Case 1) tarkasteltiin kolmessa eri tilanteessa, joissa maakaasun käyttöä vähennettiin 20% (Scenario A), 40% (Scenario B) ja 60% (Scenario C). Tulosten perusteella höyryakku on toteutettavuudeltaan ja taloudellisilta säästöiltään parempi vaihtoehto höyrykuorman tasauksessa (Case 1) kuin kuljetintyyppinen kuivuri. Lisäksi, 40 % vähennys maakaasun käytössä (Scenario B) näyttäisi olevan paras tapaus höyryakun käytölle. Kuljetintyyppinen kuivuri on toteutettavuudeltaan parempi vaihtoehto kuin lämpöakku hukkalämmön hyödyntämiseen (Case 2). Sillä saavutettiin 0.158 M€ vuosittaiset säästöt.

Uusia alle 50 megawattia polttoaineteholtaan olevia polttolaitoksia on vuodesta 2013 koskenut Valtioneuvoston asetus 750/2013 (Pienten Polttolaitosten asetus, PIPO). Olemassa olevat polttolaitokset siirtyvät PIPO:n piiriin viimeistään vuoden 2018 alusta. Tulevaisuudessa pieniä polttolaitoksia tulee koskemaan myös Euroopan parlamentin ja neuvoston direktiivi (EU) 2015/2193 (MCP, engl. Medium Combustion Plant Directive), jonka piiriin olemassa olevat pienet polttolaitokset siirtyvät vuoden 2025 tai 2030 alussa riippuen laitoksen polttoainetehosta. Pieniä polttolaitoksia koskeva ympäristölainsäädäntö on energiapalveluliiketoiminnan kannalta tärkeässä roolissa, koska merkittävä osa liiketoimintaan liittyvistä polttolaitoksista on tässä kokoluokassa. PIPO ja MCP asettavat polttolaitosten hiukkas-, typenoksidi- ja rikkidioksidipäästöille aikaisempaa tiukempia päästöraja-arvoja. Lisäksi PIPO ja MCP sisältävät muita määräyksiä, joiden tarkoitus on rajoittaa polttolaitosten aiheuttamaa ympäristörasitusta. Kiristyvät päästörajat vaativat joissakin tapauksissa polttolaitoksen polttoaineen vaihtamista tai savukaasujen puhdistamista. Kokonaistaloudellisimman ja teknisesti sopivan ratkaisun löytäminen vaatii sekä eri polttoainelaatujen, että eri puhdistuskeinojen vertailemista tapauskohtaisesti eri polttolaitoksissa. Tässä diplomityössä on selvitetty PIPO:n ja MCP:n vaatimia muutoksia teollisuuden energiapalveluita tuottavan Suomen Teollisuuden Energiapalvelut – STEP Oy:n (lyhennettynä STEP) polttolaitoksissa. STEP tuottaa energiapalveluita teollisuusasiakkaille Harjavallan Suurteollisuuspuistossa, Koskenkorvalla, Seinäjoella ja Kaustisilla. Esimerkkeinä selvityksessä huomatuista tarpeellisista muutoksista ovat kemikaalisäiliöiden suoja-altaiden lisääminen tai suurentaminen, polttoöljyn purkupaikkojen asfaltointien parantaminen, sekä puuttuvien jatkuvatoimisten mittausten lisääminen. Suurimmat muutokset liittyvät uusien päästöraja-arvojen saavuttamiseen. Seinäjoen laitos täyttää, The Finnish government decree 750/2013 (PIPO, Finnish Pienet Polttolaitokset) is an environmental decree that is applied to new small-to-medium sized (below 50 megawatts of fuel power) combustion plants in Finland from 2013 and to the existing plants in Finland from 2018. Depending on the fuel power, from 2025 or 2030 also a new environmental EU Directive 2015/2193 (MCP, Medium Combustion Plant Directive) will be applied to the small-to-medium sized plants in the EU region. The legislation concerning small-to-medium sized combustion plants is fundamental in energy service business, since the majority of the combustion plants are in this size range. PIPO and MCP set stricter particle matter, nitric oxide and sulfur dioxide emission limits for the small-to-medium sized combustion plants. In addition PIPO and MCP dictate other orders aimed to the reduction of the environmental strain caused by the combustion plants. In some cases the tightening emission limits demand changing of the fuel or investing into flue gas cleaning systems. In order to find economically best alternatives, which are also technically viable, the different fuels and cleaning systems must be compared case-by-case. This thesis focuses on the changes required by PIPO and MCP in the combustion plants of the client of the thesis, Suomen Teollisuuden Energiapalvelut – STEP Oy. STEP is an energy service provider for industrial clients that operate in Harjavalta Industrial Park, Koskenkorva, Seinäjoki and Kaustinen. Most of the changes required were found to be minor. As an example can be mentioned adding or magnifying catchment tanks for chemicals, improving the asphalt of the fuel oil loading areas, and adding continuous emission meters to the existing boilers. The major changes concerned the stricter emission limits. Seinäjoki plant already fulfils the new emission limits. For Kaustinen plant the solutions are simple and require the usage of peat with lower sulfur content, and improving the multicyclon

Perinteisten polttoprosessien lämmöntuotantokulujen kasvava trendi on ajanut lämmöntuotantoa harjoittavat yritykset etsimään vaihtoehtoisia lämmöntuotantomuotoja. Pitkään jatkunut sähkön edullinen hintataso, erilaiset energiansäästöohjelmat ja valtion investointituet ovat tehneet lämpöpumpuista kilpailukykyisen vaihtoehdon perinteisten lämmöntuotantomuotojen rinnalle. Tämän diplomityön tarkoituksena on ollut käsitellä teollisen kokoluokan lämpöpumppuja teknisestä ja taloudellisesta näkökulmasta. Työ on toteutettu esittelemällä erilaisten teollisuudessa käytössä olevien tai käytössä olleiden lämpöpumppujen tekniikkaa ja erityispiirteitä. Jotta onnistuttiin muodostamaan käsitys tarjolla olevasta tekniikasta, analysoitiin pohjoismaisia teollisen kokoluokan lämpöpumppumarkkinoita ja toteutuneita hankkeita. Koska viime aikoina sähköllä toimivat mekaaniset kompressiolämpöpumput ovat yleistyneet eniten, keskityttiin taloudellisessa tarkastelussa erityisesti kompressiolämpöpumppujen talouteen. Käytännön osuudessa analysoitiin metsäteollisuusprosessin jätevesivirrasta kaukolämpöverkkoon energiaa siirtävää lämpöpumppukytkentää tavoitteena löytää eri tarkasteluvaihtoehdoista kannattavin. Eri vaihtoehtojen kannattavuuden arviointia varten rakennettiin dynaaminen laskentamalli, johon saatiin lähtötietona tarkat aikavaihtelutiedot ja niitä vastaavat sähkön ja vaihtoehtoisen polttoaineen hinnat. Laskentamallissa arvioitiin tarkkaan oheiskulut, jotta simuloitu tilanne vastaisi mahdollisimman tarkasti todellisuutta. Tuloksista voitiin päätellä parhaan laskentavaihtoehdon korollisen takaisinmaksuajan olevan noin 2,8 vuotta ilman investointitukia. Mahdollisilla tuilla voidaan saavuttaa korkeampi kannattavuus. Investointi säästäisi toteutuessaan 19.1 GWh primäärienergiaa ja pienentäisi CO2-päästöjä 4 732 tonnia vuodessa., Increasing costs of traditional combustion processes have forced companies to investigate alternative heat production methods. Recent low prices of electricity, different energy saving programs and investment subsidies offered by government have improved feasibility of industrial scale heat pumps compared to traditional processes. In this thesis it has been studied feasibility of industrial scale heat pumps from both technological and economical perspectives. Existing industrial heat pumps were screened and their technologies and specialities are presented. In order to form comprehensive understanding about available technology and current local market, recent heat pump projects in Nordic Countries have been investigated. According market data, the most popular heat pump type recently has been mechanical compression heat pump, which has been chosen to in-depth economic analysis. In the practical part of this work, there was a feasibility study carried out about heat pump connected to secondary heat flow of paper mill. The main goal of this study was to find the alternative with the best feasibility. In this case waste water including fibre particles was the heat source and the returning line of district heating network was the heat sink of the heat pump analysed. A dynamic calculation model with accurate time-related initial data was built for case evaluation purposes. All the additional costs corresponding the real world situation were included. According the results, the discounted pay-back period was around 2.8 years without any investment subsidies for the best alternative. The feasibility of this alternative would increase when taking possible investment subsidies into account. The investment would save 19.1 GWh primary energy and decrease CO2 emissions by 4 732 tons annually, if implemented.

The maintenance of the press section rolls compose a significant share of the paper mill’s overall maintenance costs, which is the reason its analyzation has been selected as a main focus of this thesis. This thesis has three objectives. The main objective is to investigate, if the maintenance need of the press section rolls can be noticed or predicted by utilizing the data gathered from the paper mill. The second objective is to analyze the energy saving potential of the paper mill. The third objective is to investigate, if Big data can be exploited, in general, in the paper machine maintenance. The paper machine of the target company generates data to several different systems and databases, whose integration gives Big data character to this thesis. The theoretical part of the thesis introduces the structure of the paper machine. Press section and its rolls are discussed more precise, as they are the main focus of this thesis. Moreover, traditional and more advanced maintenance concepts’ differences, weak-nesses and strengths are compared to each other. This comparison creates an understanding of the significance of the maintenance developing. The exploitation of the data is in a central role in this development, where the maintenance moves from preventive maintenance towards condition-based and predictive maintenance. Thus, the theory of fault diagnostics and prognostics are introduced in the theoretical part of this thesis. The investigation of the press section roll are in key role in this thesis, because the amount of their roll changes. The operation of these rolls are investigated from several perspectives and their influence to other process variables are profoundly analyzed. In addition to that, the energy consumption of paper machine and the possible energy saving potential are analyzed. The energy consumption of different sub processes are analyzed, and the different shifts’ and crews’ effect on the energy consumption are investigated. Moreover, this the, Paperikoneen puristinosan telojen kunnossapito muodostaa olennaisen osan koko paperikoneen kunnossapitokustannuksista, minkä takia sen analysointi on valittu tämän diplomityön pääkohteeksi. Tällä diplomityöllä on kolme tavoitetta, päätavoitteena on tutkia voidaanko kohteena olevan paperitehtaan puristinosan telojen kunnossapitotarvetta ennakoida tai ennustaa paperikoneesta saatavan datan avulla. Työn toisena tavoitteena on tutkia mahdollisia energiansäästökohteita koko tehtaan tasolla. Kolmas tavoite on tutkia voidaanko Big dataa ylipäänsä hyödyntää paperikoneen kunnossapidossa. Kohdeyrityksen paperikone tuottaa dataa lukuisiin eri järjestelmiin ja tietokantoihin, joiden yhdisteleminen antaa Big data-luonteen tälle työlle. Työn alussa esitellään paperikoneen rakenne, joista puristinosaa ja sen teloja tarkastellaan tarkemmin, sillä ne ovat tämän työn keskiössä. Teoriaosuudessa käsitellään sekä perinteisten että kehittyneempien kunnossapitokonseptien keskeisiä eroja, heikkouksia ja vahvuuksia. Näiden vertailu luo käsityksen kunnossapidon kehittämisen merkityksestä. Datan hyödyntäminen on keskeisessä osassa tässä kehittämisessä, jossa kunnossapito siirtyy ennakoivasta kunnossapidosta kohti kuntoon perustuvaa ja edelleen ennustavaa kunnossapitoa. Tämän takia käydään läpi dataan perustuvaa laitteen vikaantumisien määrittämisen ja ennustamisen teoriaa. Puristinosan imutelojen tutkiminen on keskeisessä roolissa tässä työssä, sillä niiden vaihtaminen on ollut tiheintä. Niiden toimintaa tutkitaan useasta eri näkökulmasta ja niiden vaikutusta muihin muuttujiin tutkitaan syvällisesti. Tämän lisäksi analysoidaan koko paperitehtaan energiankulutusta ja mahdollisia energiansäästökohteita. Paperikoneen eri osaprosessien energiankulutus analysoidaan ja tutkitaan miten eri työvuorot ja miehistöt vaikuttavat energiankulutukseen. Tämän lisäksi esitetään esimerkkejä Valmetin kilpailijoiden Big data-innovaatioita ja pohditaan niiden kautta Valmetin mahdollisuuksia hyödyntää Big dataa pa

Teollisessa tuotannossa karkaa ympäristöön prosessi- ja savukaasujen, jäte- ja jäähdytysvesien sekä poistohöyryjen mukana ylijäämälämpöä. Lämpöä voidaan ottaa talteen ja hyödyntää esimerkiksi teollisuuden prosesseissa, lämmityksissä tai kaukolämpönä. Hyödyntämällä ylijäämälämpöä voidaan tuotantolaitosten energiankäytön tehokkuutta parantaa, mikä vähentää polttoaineiden tarvetta ja kasvihuonepäästöjä. Harjavallan Suurteollisuuspuisto on laaja teollisuusalue Kokemäenjoen varrella. Tämän diplomityön tavoitteena on kehittää teollisuusalueen energiatehokkuutta löytämällä teollisuusprosesseissa syntyvälle ylijäämälämmölle käyttökohteita ja tarkastelemalla, miten ylijäämälämpöä voitaisiin hyödyntää tehokkaimmin. Jo nyt alueella hyödynnetään paljon ylijäämälämpövirtoja, mutta potentiaalia ylijäämälämmön hyödyntämiseksi on edelleen runsaasti. Lisäksi tämän tutkimuksen toteutusta puoltaa alueelle rakennettava uusi rikkihappotehdas, jonka myötä talteenotettavan lämmön määrä edelleen kasvaa. Alueen energiatehokkuuden tarkastelemiseksi muodostetaan alueen energiatase, ja perehdytään tarkasti alueen energiantuotantoon ja -jakeluun sekä tämänhetkisiin lämmitys- ja jäähdytystarpeisiin. Aikaisempien energia-analyysien ja tutkimuksien sekä energiataseen pohjalta arvioidaan toimenpiteitä, joilla ylijäämälämmön hyödyntämistä voidaan lisätä. Kaikkien toimenpiteiden vaikutuksia arvioidaan koko alueen energiataseen kannalta, jotta ei päädytä optimoimaan vain yksittäisten prosessien energiatehokkuutta. Työn tuloksena esitellään erilaisia konkreettisia toimenpide-ehdotuksia, joilla teollisuusalueen energiatehokkuutta voidaan kehittää. Työssä huomattiin, että vaikka alueen lämmitys- ja jäähdytystarpeiden integrointi on hyvällä tasolla, löytyy alueelta paljon kohteita, joissa lämmityksiä toteutetaan sähköllä tai höyryllä, vaikka matala-arvoisempikin lämmönlähde riittäisi. Työssä ehdotetuilla toimenpiteillä sähkön ja höyryn käyttöä voidaan korvata prosessilämmöllä yhteensä 26 GWh vuodessa. Lis, In industrial processes, a considerable amount of excess heat is generated and rejected to the environment with process or exhaust gases, waste or cooling waters and steam. That excess heat can be recovered and utilized internally in industrial processes and heating or externally in district heating. By recovering excess heat the energy efficiency of industrial processes can be improved, which leads to a reduced need of fuels and reduction in greenhouse gas emissions. The Harjavalta Industrial Park is a large industrial area on the banks of the Kokemäenjoki River. The aim of this study is to analyse the ways with which the energy efficiency of the area could be improved by recovering excess heat from industrial processes and how it could be used in the most efficient way. A considerable amount of excess heat is already utilized, but there is still potential for further integration. In addition, a new sulfuric acid plant that will be built in the area will increase the amount of excess heat. To analyse the energy efficiency of the area, an energy balance is formed and energy generation, distribution and current cooling and warming needs are analysed. Based on these and former studies of the energy system, some actions are evaluated to increase the utilization of excess heat. All the actions are analysed based on the overall energy balance in order to avoid optimising single processes only. As a result, different concrete actions to improve energy efficiency are presented. It was discovered that although the integration of heating and cooling needs is at a decent level, there are still some processes where electricity or steam is used in heating where hot water could be used instead. With the proposed actions there is potential to replace 26 GWh of steam and electricity with process heat per year. Additionally, it was discovered that by planning the heat recovery of the new sulfuric acid plant carefully, the need of fuels in energy generation can be reduced by 10 GWh

Teollisuusyritykset ulkoistavat usein energiahuoltonsa ulkopuoliselle palveluntarjoajalle yhden tai useamman käyttöhyödykkeen osalta. Tällöin palveluntarjoaja yksinkertaisimmillaan toimittaa teollisuuden tuotantolaitokselle energiaa esimerkiksi höyryn muodossa ja saa siitä toimitussopimuksen mukaisen korvauksen. Uusien palvelujen ja teknisten ratkaisujen liittäminen osaksi perinteistä energiantoimitusta sekä digitalisoinnin hyödyntäminen voisivat kuitenkin tarjota energiantoimittajille kyvyn erottautua kilpailijoistaan sekä kehittää tarjoamiinsa energiaratkaisuihin liittyviä asiakaskokemuksia. Tässä Vapo Oy:lle tehdyssä diplomityössä käsitellään teollisuusyritysten ulkoistamien energiaratkaisujen kehittämistä uusien palvelukonseptien avulla. Työn tavoitteena on kartoittaa teollisuusyritysten keskeisimmät energiaratkaisuihin liittyvät tarpeet sekä esittää potentiaalisimpia uusia palveluja, toimintatapoja ja teknisiä ratkaisuja, joilla näihin asiakastarpeisiin voitaisiin vastata aiempaa paremmin. Työn kirjallisuusosassa tarkastellaan teollisuuden ulkoistettuja energiaratkaisuja ja näihin liittyviä sopimusmalleja. Kirjallisuusosassa myös kuvataan yleisemmällä tasolla palveluja ja asiakaskokemusta sekä digitalisoinnin tarjoamia mahdollisuuksia. Työn soveltavassa osassa tarkastellaan Vapon teollisuudelle tarjoamien energiaratkaisujen nykytilaa sekä potentiaalisia keinoja, joilla ratkaisuja voitaisiin kehittää. Tutkimus koostui haastattelututkimuksesta ja kyselystä, joilla kartoitettiin Vapon asiakasyritysten sekä Vapon avainhenkilöiden näkemyksiä aiheeseen liittyen. Tutkimuksen yhteydessä havaittiin useita Vapon energiaratkaisuliiketoimintaan liittyviä ongelmia ja kehityskohteita. Varsinaisista uusista palvelumahdollisuuksista selkeästi potentiaalisimmaksi nähtiin teollisuusyrityksille tarjottavat energiatehokkuuspalvelut. Lisäksi havaittiin, että olemassa olevien automaatiojärjestelmien ja kerättävän prosessidatan aiempaa monipuolisempi hyödyntäminen sisältää suuren arv, It is common for industrial companies to outsource one or more energy related utilities to be supplied by an external service provider. In such a case, a service provider simply supplies a specified energy carrier - such as steam - to an industrial production plant and gets compensation according to a defined contract. However, offering of new services and technical solutions along with utilizing the benefits of digitalization might enable energy suppliers to differentiate themselves from their competitors and to develop the customer experiences related to the offered overall energy solutions. This master’s thesis was financed by Vapo Oy. The thesis examines the development of outsourced industrial energy solutions by means of new service concepts. The aim of this thesis is to clarify the most important customer needs the industrial companies have considering their energy issues, and to present the most potential new services, courses of action and technical solutions for better meeting these customer needs. In the theoretical part of the thesis, outsourced industrial energy solutions and related contracting models are being examined by means of literature review. Additionally, services, customer experience and digitalization are being reviewed on a more conceptual level. In the applied part of the thesis, the current state of Vapo’s industrial energy solutions is being examined along with defining the most potential means for developing these solutions. The empirical research consisted of several interviews and an online survey, which were used in order to map the viewpoints of the key personnel working for Vapo’s customers and Vapo itself. As a result of the research, many problems related to Vapo’s existing energy supply business were observed, and corresponding development proposals were presented. When it comes to actual new services, the services related to improving customer-side energy efficiency were seen by far as the most potential new opportunity for Vap

Increasing awareness of the effects of industrial emissions on the current climate change has got the authorities around the world to react by introducing legislation in order to regulate these emissions. Vast majority of the industrial emissions are predicted emissions such as combustion products and waste flows. Fugitive emissions are the unpredicted leaks and spills escaping the process uncontrollably. In industrial processes valves are generally concerned the most significant single source of fugitive emissions. In valves the dynamic stem sealing system is widely identified as the source of majority of the fugitive emissions. In this thesis most common stem sealing designs and sealing materials as well as the properties and characteristics of the stem sealing system affecting the fugitive emission performance of valves are introduced. Testing valve stem sealing systems for fugitive emissions is often complicated and demanding. The areas of special in-terest in this thesis are the various testing methods, leak detection principles and internationally recognized testing standards which all are studied and introduced. New, better ways to verify the fugitive emission performance of stem sealing systems are considered vital in valve manufacturer’s point of view when the target is to develop new better sealing solutions and to achieve better fugitive emission performance. The possibility to perform the verification testing of stem seals, often compression packing rings, quicker and with less resources is considered highly advantageous. Therefore a project to develop a test procedure and a test fixture to enable this verification testing was initiated at Metso Flow Control Oy. This thesis is a part of that project and the goal of this thesis is to define the best available methods and technics to implement the verification testing of valve stem sealing systems. As a concrete result of this master’s thesis a time saving testing procedure with which the fugitive emission, Kasvava tietoisuus teollisuuden päästöjen merkittävästä vaikutuksesta käynnissä olevan ilmaston muutoksen kiihdyttämisessä on saanut viranomaiset ympäri maailmaa kiristämään teollisuuden päästöjä koskevaa lainsäädäntöä. Selkeästi suurin osa teollisuuden päästöistä muodostuu ennakoitavista päästöistä kuten savukaasuista ja jätevirroista. Hajapäästöt tai emissiot ovat ennalta arvaamattomia vuotoja, jotka karkaavat teollisuuden prosesseista kontrolloimattomasti. Teollisissa prosesseissa venttiilit ovat yleisesti ottaen merkittävin yksittäinen hajapäästöjen lähde. Venttiileissä puolestaan nimenomaan dynaaminen akselitiiviste on ylesesti tunnistettu kaikkein merkittävimmäksi vuotoreitiksi ulkoisille vuodoille. Tässä diplomityössä esitellään tyypillisimmät akselitiivistemallit sekä tavallisimmat akselitiivisteissä käytetyt materiaalit. Myös akselitiivisteiden tiivistyvyyteen vaikuttavat tekijät esitellään tässä työssä. Venttiilien ja erityisesti venttiilien akselitiivisteiden testaaminen niiden emissiosuorituskyvyn varmentamiseksi on usein varsin vaativaa. Tässä diplomityössä erityisen mielenkiinnon kohteena ovat eri testaustavat ja vuodonmittausmenetelmät, sekä kansainvälisesti hyväksytyt testausstandardit. Uudet, yhä paremmat tavat verifioida venttiilien akselitiivisteiden suorituskykyä ovat venttiilivalmistajan näkökulmasta avainasemassa kun akselitiivisteiden suorituskykyä halutaan kehittää yhä paremmaksi. Verifiointitestauksen nopeuttaminen ja siihen vaadittavien resurssien vähentäminen toisi venttiilivalmistajalle suuren hyödyn ja uusia mahdollisuuksia tutkia tiivisteiden suorituskykyjä. Juuri näistä syistä Metso Flow Control Oy:ssä päätettiin aloitettaa projekti, jossa ventiilien akselitiivisteiden suorituskykyjen verifiointitestausta kehitettäisiin. Tämä diplomityö on osa tätä projektia ja työn tavoitteena on määrittää parhaat mahdolliset testausmetodit ja -tekniikat, joilla akselitiivisteiden suorituskykyä tulisi tulevaisuudessa verifioida. Tämän diplomityön tulo

The Vaasa region is known as a leading energy cluster in the Nordic countries and Europe. The purpose of this thesis was to find the strengths, weaknesses, opportunities and threats (SWOT) within the liquid natural gas (LNG) industry, specifically within the field of small- and mid-scale LNG infrastructure technologies in the Kvarken region. This was done in four parts, by: presenting the technologies and processes used within the field of small- and mid-scale LNG infrastructure, reviewing some well-to-wheel and well-to-propeller analyses of LNG value chains and comparing them to conventional oil-based value chains, mapping the companies within the field of LNG in the region and other relevant valuable partners, and finally by inter-viewing relevant actors within the area. Findings from these four parts were then gathered into a SWOT analysis where then solutions to some of the weaknesses and threats were pre-sented by utilizing the strengths and opportunities. The main findings presented in this thesis were the need for three different things in the region: larger portfolio of education within the field of LNG, an extended LNG distribution system, and further cooperation between compa-nies and schools. Education about LNG related topics was not found to be sufficient within educational establishments in the area, and therefore companies have a hard time finding the relevant know-how from students in the area. A distribution system in the form of the Midway Alignment project is planned in the area, which includes a LNG terminal, but currently LNG distribution infrastructure in the area is nearly non-existent. A LNG distribution system in the area could among other things work as a testing platform for companies, provide additional value for LNG education and increase interest towards LNG in the area. It was also found that extended cooperation, either in the form of a consortium, or simply further sharing of in-formation by seminars and brainstorming sessions, would, Vasaregionen är känd som en av Nordens och Europas ledande energi-kluster. Syftet med detta diplomarbete är att hitta styrkorna, svagheterna, möjligheterna och hoten (SWOT) mot flytande naturgas (LNG) industrin, specifikt för små och medelstora infra-struktur teknologier, i Kvarkenregionen. Detta undersöktes i fyra skeden: användning av små och medelstora flytande naturgas teknologier och processer i infrastruktur använd-ning undersöktes, skillnaden mellan flytande naturgas och olje-värde kedjor jämfördes med hjälp av well-to-wheel och well-to-propeller analyser, företag inom flytande naturgas branschen kartlagdes inom Kvarkenregionen och andra relevanta bolag inom branschen presenterades, och till sist intervjuades relevanta aktörer inom området. Resultaten från dessa fyra områden kombinerades till en SWOT-analys var lösningar för svagheterna och hoten söktes genom att utnyttja styrkorna och möjligheterna. De viktigaste resultaten från detta diplomarbete fanns inom tre olika områden: behov av en bredare utbildning om fly-tande naturgas inom universitet och yrkeshögskolor i Kvarkenregionen, ett flytande natur-gas distributionssystem i området, och mera samarbete mellan företag och skolor inom området. Skolningen gällande flytande naturgas inom Kvarkenregionen är för tillfället mycket knapp, vilket försvårar bolagens finnande av know-how inom branschen. Ett fly-tande naturgas distributionssystem är i planerna i området genom Midway Alignment-projektet, vilket skulle inkludera en flytande naturgas terminal i Vasa, men för tillfället är distributionssystemet obefintligt. Ett distributionssystem inom regionen kunde t.ex. fun-gera som en testplattform för bolag i regionen, ge mervärde för skolning inom flytande naturgas branschen eller överlag öka intresset om flytande naturgas i regionen. Ökandet av samarbete mellan bolag och skolor, var det sedan i form av ett konsortium eller endast ökande av informationsutbyte genom reguljära seminarier och brainstorming-tillfällen

Helen Oy lisää uusiutuvaa energiaa ja tavoitteena on nostaa tuotannossa uusiutuvien osuus 20 % vuoteen 2020 mennessä. Tavoitteiden saavuttamiseksi on puupelletin seospoltto aloitettu Hanasaaren ja Salmisaaren voimalaitoksilla, joiden pääpolttoaineena toimii kivihiili. Uusiutuvaa energiaa olisi tarkoitus lisätä 5 – 7 % voimalaitoksen kokonaispolttoainetehosta. Tähän päästääkseen on Hanasaaren voimalaitokselle rakennettu uudet pelletinsyöttölaitteistot. Hanasaaressa jatkuva seospoltto aloitettiin vuonna 2016. Hanasaaren voimalaitoksella on seosjauhatusta tutkittu vuonna 2012 ja tämän työn tarkoitus on tutkia seosjauhatusta ja palamista tarkemmin jatkuvassa seospoltossa. Työlle löytyy aikaisempia polttokokeita koelaitteistolla, mutta niiden kesto ja optimointi oli vähäisempää, jotta niistä voitaisiin luoda pitkäkestoisempia johtopäätöksiä kattilan toiminnasta ja palamisesta. Työssä käydään palamisen teoriaa läpi ja etsitty referenssejä ulkomailta seospolttoon liittyvissä asioissa. Seospolton palamisen optimointia haarukoitiin vuoden 2015 lopussa pelletinsyöttölaitteiston vastaanottokokeiden yhteydessä ja näin löydettiin kiinnostavimmat hiilimyllyjen kombinaatiot. Tarkempien säätöjen koeajojakson aikataulu sijoittui keväälle 2016. Kattilassa seospolttoa voi tehdä neljällä eri poltintasolla ja optimoinnilla haettiin prosessiarvoja pelletin seospoltolle. Työssä keskitytään palamisilman vaiheistuksen vaikutuksiin ja raja-arvot seospoltolle. Haastavaa optimoinnissa on suuri määrä muuttujia ja niiden vaikutukset toisiinsa ovat suuria. Työssä keskitytään löytämään voimalaitoksen täydellä teholla toimivat säädöt, koska rajoittavat tekijät tulevat tällöin selvemmin esiin. Tutkimuksen alussa kävi selväksi seospolton sotkevan myllyjen jauhatusta ja täten seosjauhatus on suositeltava tehdä vain yhdessä hiilimyllyssä. Seospoltossa yhdellä tasolla ei huomattu tarpeelliseksi muuttaa polttimen ilmanjakoa. Kokeiden alussa suurimmat ongelmat aiheutuivat hiilimyllyjen kytöpaloista, mutta, Helen Ltd invests renewable energy and aims to increase the production with renewable energy to share of 20% by 2020. To achieve these objectives one solution is the mixture of wood pellets combustion which has started at Salmisaari and Hanasaari power plants, where main fuel is coal. Renewable energy from wood pellets has been designed to in-crease from 5 to 7% of the total power plant fuel ratio. To achieve this objective Hanasaari power plant was built in the new pellet feeding equipment. Continuous pellet co-firing at Hanasaari was started in 2016. Hanasaari power plant has studied pellet co-firing at 2012 and the purpose of this thesis is to examine that in more detail in the aspect of co-firing and burning the pellet and coal mixture in a continuous combustion. There are some present studies which are made from the previous experiments by the previous version of the combustion test rig, but the duration and the value of optimization was lower, so that there was not possibility to confirm long-lasting conclusions about the activities and the burning in the boiler. This thesis presents the theory of combustion and introduces existing references in the matters in combustion of wood pellets co-firing. Optimization of the combustion and fuel mixture burning tests started at the end of 2015. Test trials and thus discovered the most interesting combinations of coal mills. More precise adjustments test run period, the schedule was ranked the spring of 2016. The boiler combustion of the mixture can be made at the level of four different burner levels and optimization was applied for process values pellets co-firing. This thesis will focus on combustion phasing effects and limitations of the co-firing. One of the greatest challenge is the optimization of a large number of variables, and how those affect to each other. This thesis will focus on finding the optimal adjustments for the full capacity of the power plant operation because the limiting factors are the easiest

The global shipping industry has been facing stricter international and national emission regulations during the past decade. The changes in the regulatory environment and fluctuating fuel prices along with tight competition for the hearts and minds of passengers have affected also the cruising industry. To meet the demands set by regulators, customers, owners and operators of shipyards need to be able to provide cruise ships that provide the best possible commodities and experiences while being as energy efficient as possible. To accomplish this, new energy efficiency concepts need to be designed and assessed. A passenger ship's energy system contains numerous interconnected components and has to provide electricity, heat, steam and cooling for different consumers with varying needs. A new discrete-event simulation tool was developed by using Matlab and Simulink to understand how the energy system of a passenger ship operates. The goal was to create a tool that could be used for running many simulations quickly and easily. The energy system simulation model was included with four new energy efficiency concepts: using a dual pressure steam system with a steam turbine, two ways of utilising engine cooling water by using heat pumps and using engine cooling water for preheating potable water. The simulation tool was validated against real data. 25 different energy system configurations were simulated and their performances were compared using the simulation tool. The validation and the simulation case studies show that the use of the simulation tool enables comparing results from multiple simulations and gives insight about how the new concepts affect the performance of the overall system. The results can be used to further develop the simulation tool and new energy efficiency concepts., Globaali merenkulku on viimeisen vuosikymmenen aikana joutunut kohtaamaan yhä tiukempia kansallisia ja kansainvälisiä päästörajoituksia. Tiukentuvat säädökset ja vaihtelevat polttoainehinnat yhdessä asiakkaista kilpailun kanssa ovat vaikuttaneet myös risteilyteollisuuteen. Jotta telakat pystyvät vastaamaan asiakkaiden, omistajien ja lainsäätäjien vaatimuksiin, pitää niiden pystyä toimittamaan laivoja, jotka pystyvät tarjoamaan entistä parempia palveluja niin energiatehokkaasti kuin mahdollista. Uusien energiatehokkuuskonseptien suunnittelu ja arviointi on siksi tärkeää. Matkustajalaivan energiajärjestelmä sisältää useita keskenään yhteydessä olevia järjestelmiä, jotka tuottavat eri kuluttajien tarpeisiin sähköä, lämpöä, höyryä ja jäähdytystä. Uusi diskreetti simulointityökalu kehitettiin Matlabillä ja Simulinkillä laivan energiajärjestelmän toiminnan ymmärtämiseksi ja parannuskohteiden löytämiseksi. Tavoitteena oli kehittää työkalu, jonka avulla useiden simulointien tekeminen nopeasti olisi mahdollisimman helppoa. Simulointityökaluun sisällytettiin neljä uutta energiatehokkuuskonseptia: kaksipaineinen höyryntuotanto yhdessä höyryturbiinin kanssa, kaksi tapaa käyttää lämpöpumppuja laivan moottorien jäähdytysveden hyödyntämisessä ja moottorien jäähdytysveden käyttö käyttöveden esilämmityksessä. Simulointityökalun tulosten oikeellisuus varmistettiin vertailemalla niitä todellisiin operointitietoihin. 25 eri energiajärjestelmän konfiguraatiota simuloitiin simulointityökalulla ja simulointien tuloksia vertailtiin keskenään. Validoinnin ja simulointitutkimusten perusteella voidaan todeta, että käytetty simulointityökalu mahdollistaa useiden simulointien tulosten vertailun ja antaa tietoa kuinka uudet energiatehokkuuskonseptit vaikuttavat kokonaisjärjestelmän toimintaan. Tuloksia voi käyttää simulointityökalun ja uusien energiatehokkuuskonseptien jatkokehitykseen.

Energiamarkkinoiden vapauduttua Pohjoismaissa, ja vähitellen muualla Euroopassa, on tullut laajalle levinnyt tarve kehittää uusia energianhallintajärjestelmiä. Saatavilla olevan tiedon määrä jatkaa kasvamistaan nopeasti ja samalla aikaa markkinakehitys tuo mukanaan täysin uusia tietorakenteita ja tiedonkäsittelyvaatimuksia. Näiden ja muiden syiden ohella 1990-luvulla ostettuja järjestelmiä täytyy päivittää, ja näiden järjestelmien modernisointiin kuuluu useiden ohjelmistosysteemien reaaliaikainen hallinta. Tämä tuo mukanaan joukon teknologisia, toiminnallisia ja projektihaasteita. Tässä diplomityössä paneudutaan ongelmamaailmaan, joka liittyy vanhasta energianhallintajärjestelmästä uuteen siirtymiseen. On olemassa useita termejä, jotka kuvaavat eri osia järjestelmämodernisoinnista, ja tässä työssä sanalla 'migraatio' tarkoitetaan siirtymistä vanhasta ohjelmistojärjestelmästä uuteen. Datamigraatio ja datakonversio ovat olennaisia käsitteitä tässä työssä. Datamigraatiolla tarkoitetaan tiedon siirtämistä tallennustyyppien, formaattien tai tietokonejärjestelmien välillä, kun taas datakonversiolla tarkoitetaan tiedon muuntamista tietyntyyppisestä tietokonedatamuodosta toiseen. Nämä molemmat ovat usein osa ohjelmistojärjestelmän käyttöönottoprojektia. Tämän diplomityön keskeinen tulos on `migraatio-checklist', jota projektipäälliköt ja muut migraatioprojekteissa työskentelevät voivat hyödyntää. Tämä checklist alkaa määrittelemällä keskeiset vaiheet ja edellytykset, jotka migraatioprojektiin liittyy. Määrittely tehdään yleisellä tasolla, joka on luonteeltaan samanlainen kaikille projekteille. Checklistin täytyy johtaa toteutussuunnitelmaan, jolla voidaan varmistaa toiminnallisten tavoitteiden saavuttaminen ilman tiedonhukkaa tavalla, jolla modernisointiprojekti tuottaa vastinetta rahalle. Kuvaus tämäntyyppisestä optimaalisesta projektilähetymistavasta laadittiin osittain kirjallisuudesta saatavilla olevan tiedon perusteella ja osittain case study projekteista saadun tiedon

Prosessiuunit muodostavat merkittävän osan öljynjalostamon energiankulutuksesta. Tässä diplomityössä käsitellään prosessiuunien ilmavuotojen vaikutusta uunin toimintaan ja polttoainekustannuksiin sekä tutkitaan keinoja ilmavuotojen määrittämiseksi, tavoitteena prosessiuunien energiatehokkuuden parantaminen. Kirjallisuusosassa esitellään ilmavuotojen lämpö- ja virtausteknisen laskennan perusteet osana uunin ilma- ja savukaasukiertoa. Lisäksi käsitellään ilmavuotojen vaikutuksia prosessiuunin toiminnalle sekä vuotojen paikantamisen ja mittaamisen mahdollisuuksia. Soveltavassa osassa tarkastellaan Nesteen Porvoon jalostamon kolmen prosessiuunin ilmavuotoja simulointimallien ja kentällä tehtyjen kokeellisten mittausten avulla. Simuointimallit pyrittiin saamaan mahdollisimman lähelle todellista prosessia käyttämällä simuloinnin lähtöarvoina prosessin mittaustietoja sekä prosessiaine- ja polttokaasuanalyyseja. Simuloinnista saatua palamisilmavirtaa verrataan mitattuun ilmavirtaan, jolloin saadaan määritettyä kokonaisvuotomäärä. Kokeellisia mittauksia tehtiin tarkasteltavien prosessiuunien tarkastusluukuille käyttäen mittaussuppiloa ja siipipyöräanemometria. Mittausten avulla saadaan selvitettyä mittauskohteiden vuodot sekä laskettua mitatulle vuotoaukolle kertavastuskerroin kirjallisuus-osassa käsitellyn teorian avulla. Kertavastuskertoimen avulla määritetään edelleen simuloinnista saadun vuotomäärän avulla uunin kokonaisvuotopinta-ala. Lopuksi ilmavuotojen aiheuttamia kustannuksia arvioidaan simulointimallien avulla. Tarkastelluissa uuneissa on sekä vuotamattomia että vuotavia uuneja. Vuotavat uunit tulisi pyrkiä korjaamaan, sillä vuodot aiheuttavat merkittäviä lisäkustannuksia ja huonontavat uunien energiatehokkuutta. Tässä työssä esiteltyä uunimallinnusta ja vuototarkastelua tulisi soveltaa säännöllisesti myös muihin prosessiuuneihin. Näin pystytään seuraa-maan uunin toimintaa jatkuvasti ja parantamaan uunien energiatehokkuutta., Process heaters represent a significant part of the energy consumption in oil refinery. This master’s thesis deals with the air leakage effects on operation and fuel costs of the process heater, as well as methods to determine the air leakage with the aim of improving the energy efficiency of process heaters. The literary section presents the fundamentals of the flow dynamics and thermodynamics of the air leakages as a part of process heater air and flue gas cycle. Furthermore, this section deals with the impacts of the air leakages and analyses leakage detection and measurement opportunities. The experimental section consists of air leakage determination of three process heaters in Neste’s Porvoo refinery by means of simulation models and field measurements. Simulation models were made to match with the real process as closely as possible. Simulation inputs consisted of process measurements, process fluid analyses and fuel gas analyses. The total amount of air leakage could be determined by comparing simulation models with process measurements. Field measurements were performed for the sight doors of each of the three process heaters by using a measurement funnel and a vane anemometer. The measurements could be used for the air leakage determination of the opening, as well as the calculation of the flow resistance coefficient of the leaky opening by using theory presented in the literary section. Furthermore, the resistance coefficient could be used for calculating the leakage area of the total leakage determined by the simulation models. Finally, the cost of air leakage is estimated using same simulation models. Both leaky and tight process heaters are found among the studied heaters. Leaky process heaters should be repaired because air leaks cause significant additional costs and decrease the energy efficiency of the heaters. The simulation modelling and leakage determination presented in this master’s thesis should be also applied to other process heaters on a r

Diplomityön tarkoitus oli tutkia Neste Oilin kaasuturbiinivoimalaitos 3:n (KTVL 3) soveltuvuutta osakuorma-ajoon. Kirjallisuusosiossa on esitetty lyhyesti kaasuturbiinin toimintaa sekä toimintaan vaikut-tavia tekijöitä. Osiossa on keskitytty kaasuturbiinin riskeihin ja rajoitteisiin osakuorma-ajossa. Työssä on myös esitelty osakuorma-ajon toteutustapoja ja ajon vaikutusta muun muassa höyryntuotantoon. Soveltavassa osiossa on esitelty KTLV 3:n instrumentointia. Mittaustuloksia, KTVL 3:n takuuarvoja sekä kahta KTVL 3:sta kuvaavaa Solvo-mallin viritystä on vertailtu toisiinsa. Vertailun pohjalta on valittu paras vaihtoehto, jolla osakuorma-ajoa on mallinnettu. Osakuorma-ajon kannattavuutta tutkitaan valitulla mallilla ensin suurella määrällä oletuksia. Käytetyistä oletuksista mainittakoon höyryreservi ja huoltokustannuksien arviointi. Tämän jälkeen oletuksia karsitaan yksitellen pois. Oletuksien karsimista kutsutaan työssä tarkkuusarvioinniksi. Arvioinnin avulla pystytään tutkimaan kunkin oletuksen vaikutusta osakuorma-ajon kannattavuuteen., The aim of this Master Thesis was to investigate the possibility of part load conditions at KTVL 3 (gas turbine power plant 3). The operation of gas turbine in general is presented in theory part. Factors affecting the operation are also introduced. The theory part concentrates on the risks and constrains that might be present at part load condition. Different methods of realizing part load condition and its effect on the operation of the gas turbine are shown. The instruments of KTVL 3 are introduced in applied part of this work. The measurement, the warranty values of the producer and two Solvo-models that describe KTVL 3, are compared to each other. From the comparison, the best model is chosen. The modeling of part load condition is done with this model. First the profitability of part load condition is studied with various hypotheses such as the steam reserve and the overhaul costs. Then the hypotheses are removed one at the time. In this work this method is called fidelity evaluation. The effect of each hypothesis to the profitability of part load condition with the evaluation are then examined.

Tämä diplomityö tehtiin Fortum Power and Heat Oy:lle. Työssä käsiteltiin turbiinin ohitusjärjestelmän ohitusventtiilin säätötavalle vaihtoehtoisia ratkaisuja. Työn tarkoituksena oli paloriskien takia päästä eroon hydrauliikkaöljystä, varmistaen järjestelmän turvallinen ja luotettava käyttö voimalaitoksen käyttöiän loppuun asti. Öljyvuodot aiheuttavat merkittäviä turvallisuusriskejä voimalaitosympäristössä, joten työssä lähdettiin ensisijaisesti etsimään ratkaisuja, joilla nämä riskit saataisiin eliminoitua. Järjestelmän varaosaongelmien takia työssä tarkasteltiin myös järjestelmän kunnossapitoa ja varmistettiin eri ratkaisujen kohdalla varaosien saatavuuden. Työssä esiteltiin neljä vaihtoehtoista ratkaisua ohitusventtiilin säädölle, joista pyydettiin tarjoukset eri toimittajilta. Ensimmäisenä vaihtoehtona käsiteltiin vanhan hydrauliikka-aseman peruskunnostus. Ratkaisuja löydettiin myös vaihtamalla säätötavan väliaine vedeksi ja ilmaksi, vesihydraulisen ja pneumaattisen järjestelmän muodossa. Säätöön tarvittaviin voimiin ei päästä pelkästään sähköllä toimivalla lineaaritoimilaitteella, joten päädyttiin sähköhydraulisen toimilaitteen tarkasteluun. Vaihtoehtoja ei työssä laitettu minkäänlaiseen paremmuusjärjestykseen, joten kaikki analysoitiin tasapuolisesti. Paloriskin vähentämisen kannalta on tietenkin selvä, että vesihydrauliikka tai pneumatiikka olisi paras vaihtoehto, mutta muutkin vaihtoehdot vaikuttavat siihen huomattavasti. Kaikki vaihtoehdot olivat kunnossapito näkökohdasta edullisempia kuin nykyinen järjestelmä. Työssä tehtiin myös kustannuslaskelmat eri vaihtoehdoista, mutta liikesalaisuuksien johdosta niitä ei julkaista., This master’s thesis has been carried out for Fortum Power and Heat Oy. The thesis considers alternative control solutions for a by-pass valve in a turbine by-pass system. In order to reduce fire risks, the aim was to stop using hydraulic oil and ensure the system’s safe and reliable operation until the end of the power plant’s life cycle. Oil leakages cause significant safety risks in power plant surroundings, and therefore, the primary task was to find solutions that eliminate these risks. Because of problems with the system’s spare parts, the work also dealt with the maintenance of the system and checked the availability of spare parts for different solutions. The thesis presents four control solutions for the by-pass valve, for which price quotations were requested from different suppliers. The first option involves the rehabilitation of the old hydraulic station. Other solutions were found by changing the control medium to water and air, in the form of water hydraulic and pneumatic systems. Forces required for controlling the system could not be achieved only by an electrically operated linear actuator. For this reason, this thesis also reviews an electro-hydraulic actuator. The solutions were not ranked. Therefore, every solution was equally analyzed. It is clear that the water hydraulics or pneumatics would be the best solution, from the point of view of fire risk reduction, but the other options also affect it considerably. From the maintenance point of view, all the new options were more favorable than the current system. Cost calculations were prepared for each solution, but they cannot be published due to business secrets.

Biomassoja hyödyntämällä ja jalostamalla voidaan vähentää fossiilisten raaka-aineiden käyttöä. Pyrolyysiprosessissa biomassoja lämpökäsitellään hapettomissa olosuhteissa biohiileksi. Prosessissa muodostuu myös kaasuja, joista osa voidaan kondensoida nesteiksi. Tässä työssä perehdyttiin pyrolyysiprosessiin, prosessista saataviin jakeisiin ja jakeiden hyödyntämismahdollisuuksiin laajan kirjallisuuskatsauksen sekä työssä laaditun massa- ja energiatasemallin avulla. Pyrolyysiprosessit eroavat toisistaan prosessiolosuhteiden ja lopputuotteiksi saatavien jakeiden koostumusten ja saantojen suhteen. Tässä työssä prosesseista esitellään torrefiointi sekä hidas ja nopea pyrolyysi. Tutkimuksen pääpainopiste kohdennettiin hitaalle pyrolyysille, jossa lämpökäsittely suoritetaan 500 °C:n läheisyydessä. Tyypillisesti lopputuotteiden massaosuudet jakautuvat tasaisesti kiinteän, nesteiden ja lauhtumattomien kaasujen välille. Lauhtumattomat kaasut käytetään pääasiassa energiantuotantoon, mutta kiinteälle biohiilelle ja nestemäisille tisleille on löydetty paljon erilaisia tuotteistamismahdollisuuksia. Biohiiltä voidaan hyödyntää metallurgisessa teollisuudessa, maanparannusaineena, aktiivihiilen raaka-aineena, voimalaitoksen polttoaineena, hajuhaittojen vähentämisessä, ruuanvalmistuksessa ja lämmityskäytössä. Tisleitä voidaan hyödyntää torjunta-aineina, polttoaineina, pintakäsittelyaineina, elintarviketeollisuudessa sekä maanparannuksessa. Suuri markkinapotentiaali tisleille on synteettisten torjunta-aineiden korvaamisessa. Euroopassa tisleiden rekisteröinti torjunta-aineeksi on vielä hankalaa ja kallista, mutta esimerkiksi Aasiassa tisleitä hyödynnetään laajasti. Suomeen on suunnitteilla useita pyrolyysiin perustuvia teollisen mittakaavan tuotantolaitoksia ja pyrolyysiprosessit sekä tuotejakeet ovat monien tutkimuksien kohteena. Työssä toteutetun mallin avulla voidaan tarkastella pyrolyysiprosessin massa- ja energiataseita. Tasemalli on jaettu raaka-aineen kuivaukseen, pyrolyysiin, sy, The use and refining of biomass reduce dependency of fossil raw material. Charcoal is produced by pyrolysis, the heating of biomass in the absence of oxygen. Pyrolysis also produces condensable liquids (pyroligneous acids) and non-condensable gases. In this thesis, the pyrolysis process as well as the pyrolysis fractions and their uses are examined by literature review and with the help of the mass and energy balance model developed in this study. Pyrolysis processes differ by process conditions and by yield and composition of end products. This thesis introduces torrefaction, slow and fast pyrolyses. The focus of the thesis was on slow pyrolysis, where final temperatures are around 500 °C. Typically, the mass yields of the end products divide evenly to solid, liquids and non-condensable gases. Non-condensable gases are generally used to produce energy, but charcoal and pyroligneous acids could be used in several ways. Charcoal is possible to utilize in metallurgy, soil amendment, activated charcoal, power generation, odour control, heating and cooking. Pyroligneous acids could be used as pesticide, preservative, food additive and fertilizer. Pyroligneous acids have great market potential in replacing synthetic chemicals. In Europe, the registration procedure of pyroligneous acids for pesticides is expensive and difficult, but in Asia pyroligneous acids are widely used. Many industrial scale pyrolysis plants are planned to build in Finland. Pyrolysis processes and end products are also objects in many research projects. In the experimental part, a pyrolysis model was created, which allows examining the pyrolysis process by mass and energy balance. The balance model is divided into raw material drying, pyrolysis, condensation and separation of the tar. Typical process parameters were identified from the literature and scientific reports, but the parameters are also changeable for the situation of individual cases. The results from the example cases corresponded well

Using heat storages in the combination with renewable energy, such as solar, in heating of buildings, it is possible to reduce CO2 emission in energy production and replace older technics in heating systems. The aim of this work is to study the suitability of inorganic phase change material for heat storage use in seasonal perspective. The objective of the work was to develop salt hydrate (Glauber´s salt) based storage mixture that can stand sufficient amount of melting and freezing cycles without losing its thermal capacity. The developed mixture could be used as a heat source for low-energy buildings or in other applications. In the work has been studied with help of literature the phase change phenomenon, different heat phase change materials and their properties. In the experimental part different storage mixtures were tested in two experimental set-up devices in-house-constructed by the author to see behaviour of the storage mixtures during and after several melting and freezing cycles. Water and air were tested as heat transfer fluids in the experimental part as well as it was determined thermal capacity of the mixture. Also the investment costs of the new type storage application were evaluated by the author for in 150 m2 single-family house and its expenses during 25 years taking into account rate levels and energy price development. Results have been compared to the conventional and unconventional heating systems. The results showed, that it was managed to develop a mixture that does not lose its thermal capacity in laboratory scale. Even after 77 heating and cooling cycles, it was not observed any signs of decreasing in thermal capacity. Significant observations in the tests were the effect of different additives in the mixtures and also the heat transfer. The calculated results showed a great advantage in operating costs in 25 years for storage in a low-energy single-family house. The cost was ca. 9 cent/kWh for the storage and for ground heating as well, Lämpövaraston käyttäminen yhdessä uusiutuvan energian, kuten auringon, kanssa talojen lämmitysjärjestelmänä, mahdollistaa CO2 päästöjen vähentämisen ja voi korvata vanhempia lämmitystekniikoita. Tämän työn tarkoituksena on tutkia epäorgaanisen faasinmuutosmateriaalin soveltuvuutta lämpövarastokäytössä kausivarastoinnin näkökulmasta. Tavoite työssä oli kehittää suolahydraattipohjainen (glaubersuola) varastomateriaali, joka kestää riittävän määrän lämmitys-jäähdytys- syklejä menettämättä lämpökapasiteettiään. Kehitettyä varastoseosta voitaisiin käyttää lämmönlähteenä matalaenergiataloissa tai muissa sovelluksissa. Tässä työssä tutkittiin kirjallisuuden perusteella faasinmuutosilmiötä, erilaisia faasinmuutosmateriaaleja sekä niiden ominaisuuksia. Kokeellisessa työssä testattiin erilaisia varastomateriaaleja kahdessa kirjoittajan kehittämässä ja rakentamassa koelaitteessa, jotta voitiin nähdä varastoseosten käyttäytyminen useiden lämmitys-jäähdytys- syklien aikana ja niiden jälkeen. Vesi ja ilma testattiin lämmönsiirtoväliaineina ja seoksen lämpökapasiteetti määritettiin. Työssä laskettiin kirjoittajan kehittämän uuden tyyppisen varaston investointi 150 m2 matalaenergiataloon ja sen käyttökulut 25 vuoden aikana huomioiden korkotason ja energiahinnan nousun vaikutukset. Tuloksia verrattiin perinteisiin lämmitysjärjestelmiin ja myös uudempaan järjestelmään. Tulokset osoittivat, että pystyttiin kehittämään seos, joka ei menetä lämpökapasiteettiään laboratoriomittakaavassa. 77 lämmitys-jäähdytys- syklin jälkeen ei havaittu heikkenemistä lämpökapasiteetissa. Testeissä merkittävinä asioina havaittiin myös erilaisten lisäaineiden vaikutus seoksissa ja lämmönsiirron merkitys. Laskennalliset tulokset osoittivat, että lämpövarastolla on huomattava etu käyttökuluissa. Varaston kokonaiskulut 25 vuodessa olivat 9 senttiä/kWh, kun maalämmön ja sähkön olivat 17 senttiä/kWh. Kaukolämpö ja öljylämmitys vastaavasti 19 senttiä/kWh ja 27 senttiä/kWh.

The development of power electronics continuously increases their power density and therefore creates challenges for their cooling. Conventional cooling methods, such as heatsinks, are no longer able to cope with the cooling of high heat densities, and therefore, new cooling methods are needed. Two-phase compact thermosyphon (COTHEX) cooling allows the cooling of higher heat densities without having to resort to using pumps. The standard COTHEX technology, however, cannot replace heatsinks due to their structure because it does not match with the cuboid shape of a heatsink. This thesis focuses on designing a thermosyphon concept for power electronics cooling that can replace a heatsink without the need to redesign the products in which they are installed. In this thesis, three thermosyphon based cooling elements were designed, and their structures were optimized to provide as effective cooling as possible with thermal simulation. The thermal performances of the optimized elements and a conventional heatsink of same size were then compared to determine the solution which most effectively transfers heat. The best thermosyphon cooling method was selected, and its features were studied in more detail. The most suitable thermosyphon cooling element substantially improved the cooling of the power electronic device, semiconductor, compared to a conventional heatsink of the same size. The selected thermosyphon construction was able to cool more effectively than the conventional heatsink at higher heat loads, higher surrounding temperatures and with lower air flows. The construction generates lower pressure drop and therefore allows higher air flow rates pass the finned structure of the cooling element. The coolant circulation enables stable heat distribution to the whole area of the baseplate in which the semiconductor is attached. Thus, thermosyphon technology provides heat transfer at the baseplate at a constant temperature, which offers many benefits. For example, even t, Tehoelektroniikan tehointensiteetti kasvaa jatkuvasti tekniikan kehittyessä mikä luo paineita tehoelektroniikan jäähdytykselle. Nykyisenä jäähdytysteknologiana käytetyt ripajäähdytteiset jäähdytyslevyt eivät enää kykene jäähdyttämään tarpeeksi tehokkaasti tehoelektronisia komponentteja ja siksi tarvitaan uusia jäähdytysmetodeja. Kompaktit faasimuutoslämmönvaihtimet (COTHEX) eli termosifonit mahdollistavat tehokkaamman jäähdytyksen ilman pumppuja. Jo käytössä oleva termosifonitekniikka ei kuitenkaan suoraan sovellu korvaamaan nykyisiä jäähdytyslevyjä, koska niiden muoto eroaa vahvasti suorakulmaisen särmiön muotoisista jäähdytyslevyistä. Tässä työssä suunnitellaan sellainen termosifonikonsepti tehoelektroniikan jäähdyttämiseen, joka voi korvata jäähdytyslevyn ilman että tuotetta, jonka sisälle se on asetettu, pitää muotoilla vahvasti uudelleen. Työhön ideoitiin kolme erilaista termosifonitekniikalla toimivaa jäähdytyselementtiä ja niiden rakenne optimoitiin lämpöteknisesti lämpösimulointiohjelmien avulla. Optimoitujen jäähdytyselementtien ja samankokoisen jäähdytyslevyn jäähdytystehoja verrattiin keskenään, jotta löydettäisiin tehokkain tapa siirtää lämpöä pois tehoelektronisesta komponentista. Paras termosifonitekniikalla toimiva elementti valittiin voittajakonseptiksi ja sen lämmönsiirrollisia piirteitä tutkittiin tarkemmin. Elementti paransi tehoelektronisen komponentin, puolijohdemoduulin, jäähdytystä merkittävästi, kun sitä verrattiin samankokoiseen jäähdytyslevyyn. Valittu termosifonirakenne jäähdytti paremmin niin korkeammissa lämpökuormissa ja ympäristön lämpötiloissa, kuin matalammissa jäähdytysilmamäärissä. Se tuottaa vähemmän vastapainetta ja siten päästää enemmän ilmaa lauhduttimen läpi perinteiseen jäähdytyslevyyn verrattuna. Termosifonin jäähdytysnesteen kierto mahdollistaa tasaisemman lämmön jakautumisen pohjalevyyn, johon puolijohdemoduuli on kiinnitettynä. Siten lämpötilajakauma pohjalevyssä on myös tasaisempi, mikä on todella toivottavaa puolijohtei