Jäteveden ilmastusjärjestelmän sekä turbokompressorin mallinnus energiatehokkuuden parantamiseksi

In efforts to improve wastewater treatment plants’ energy efficiency, optimization of aeration process is often a point of interest due to its high energy intensity. Improvements in aeration blower technologies and process control strategies offer prospects for cutting down aeration energy consumption. Alternative to traditional blower technologies is the high-speed turbo blower, which along with improved energy efficiency offers many fringe benefits, which makes it a worthy candidate for blower replacement projects. With the high-speed technology, blower’s electrical complexity increases, creating some special considerations for the component manufacturers. This study attempts to characterize typical operation of a high-speed turbo blower in wastewater aeration process, in order to identify challenges and possibilities for energy efficiency improvements on equipment level. Study includes literature review on diffused aeration systems structure and control strategies, blower technologies and associated variable frequency drives and electric motors. A model of the diffused aeration system and high-speed turbo blowers of the Hermanninsaari wastewater treatment plant is developed for assessing the typical operating patterns and loadings of high-speed turbo blowers. Simulation results highlighted the challenges for energy efficiency optimization of highspeed turbo blower’s electrical equipment, whereas minimizing the backpressure through valve control optimization algorithms, could offer large savings for relatively small reductions in the backpressure. For systems operating larger blower groups, blower operating strategy has more possibilities for energy optimization.Pyrkimyksissä parantaa jätevedenpuhdistamojen energiatehokkuutta, jäteveden ilmastuksen optimointi on usein esillä, johtuen sen korkeasta energiantarpeesta. Ilmastuksessa käytettyjen kompressorien ja prosessin ohjausstrategioiden kehitys tarjoaa mahdollisuuksia ilmastuksen energiankulutuksen vähentämiseksi. Suurnopeus ilmastuskompressorit ovat varteenotettava vaihtoehto perinteisille kompressoritekniikoille, niiden energiatehokkuuden sekä muiden suurnopeusteknologian tarjoamien etujen ansiosta. Suurnopeustekniikka kuitenkin lisää kompressorien sähköistä mutkikkuutta, luoden erityisvaatimuksia laitevalmistajille. Tämän tutkimuksen tavoitteena on määrittää suurnopeuskompressorin tavanomainen toiminta jäteveden ilmastus prosessissa, jotta laitetason energiaoptimoinnin haasteet ja mahdollisuudet voitaisiin tunnistaa. Tutkimus sisältää kirjallisuuskatsauksen pohjailmastusta käyttävän järjestelmän kokoonpanosta ja ohjausstrategioista, kompressoritekniikoista ja niihin liittyvistä taajuusmuuttajista sekä sähkömoottoreista. Tutkimuksen kokeellisessa osiossa Hermanninsaaren jätevedenpuhdistamon ilmastusjärjestelmä mallinnettiin suurnopeuskompressorien tyypillisten käyttömallien ja kuormitusten arvioimiseksi. Mallilla tehtyjen simulointien tulokset osoittivat haasteita suurnopeuskompressorin sähkölaitteiden energiaoptimoinnille, mutta vastapaineen minimointi ohjausventtiilien ohjauksen optimoinnilla voisi tarjota suuria energiasäästöjä verrattain pienillä vähennyksillä vastapaineessa. Järjestelmille, jotka vaativat isompia kompressoriryhmiä, kompressorien ohjausstrategia tarjoaa enemmän mahdollisuuksia energiaoptimoinnille

High-speed Electrical Machine with Active Magnetic Bearing System Optimization

High-speed (HS) electrical machines provide high system efficiency, compact design, and low material consumption. Active Magnetic Bearings (AMBs) bring additional benefits to the high-speed system, such as elimination of the friction losses, reduced wear and maintenance, and a built-in monitoring system. High-speed drivetrains are usually designed for specific applications and require a high level of integration. This paper describes a design method of the HS electrical machine supported by AMBs, considering their mutual influence on the system performance. The optimization procedure, which takes into account both the electrical machine and bearing designs is developed. The optimization is based on a multiobjective differential evolution (DE) algorithm. The selected optimization parameters include the AMB and machine dimensions. The optimization objectives cover the electrical machine performance and the rotordynamics. The results of the proposed optimization algorithm are implemented in the constructed 350kW, 15000rpm induction machine with a solid rotor supported by AMBs. The prototype tests verify the design and optimization results.Peer reviewe