Examensarbetet har utförts på Siemens Industrial Turbomachinery AB i Trollhättan. Företaget tillverkar brännkammare till gasturbiner. Syftet med arbetet har varit att undersöka om kvalificerade mätningar kan utföras med Siemens Industrial Turbomachinery AB:s mätinstrument. Denna undersökning har utförts genom en mätsystemanalys. Syftet har även varit att undersöka om det går att införa statistisk processtyrning för en detalj. För att utföra denna studie har undersökningsdesignerna fallstudie och aktionsforskning använts. Fallstudien har varit till för mätsystemanalysen eftersom den berört ett specifikt fall som har analyserats. Aktionsforskning har nyttjats till undersökningen om statistisk processtyrning eftersom undersökningen har varit en del av planeringsarbetet för införande av en förbättring.För mätsystemanalysen har det använts tre detaljer av samma sorts artikel, tre operatörer och två mätomgångar per detalj. Det har även utförts mätningar på en passbit med kända mått. Mätningarna har sammanställts i ett Excel-ark och analyserats i programmet Minitab. Därefter har en VMEA utförts. Analys av mätningarna har tydliggjort att operatörerna varierar i både repeterbarhet och reproducerbarhet. Mätinstrumentet har bevisats stabilt och inte en grund till variation.Undersökningen om implementering av statistisk processtyrning har visat att det inte är möjligt att införa eftersom mätresultaten är alltför ostabila. Detta har lett till att företaget måste se över sina mätmetoder för att få en minskad spridning av mätresultaten. Att studien inte har använt tillräckligt många mätobjekt för ett statistiskt riktigt resultat bör poängteras. Hänsyn bör därmed tas till att studiens resultat inte är helt tillförlitligt, utan snarare indikerar att det är ett troligt resultat som framkommit. Förbättringsförslag som har framkommit under studien: • Detaljerna placeras inomhus tillräckligt länge innan de mäts. • Företaget inför ett eget, enskilt, anpassat rum för att mäta detaljerna. • Företaget ser över arbetsmetodiken för mätningarna. • Företaget uppdaterar arbetsinstruktioner för mätningar. • Företaget inför mätutbildning för operatörerna. Det som inte har utförts är själva införandet och framtagning av underlag för statistisk processtyrning. Detta eftersom mätresultaten har för stor variation för att SPS ska kunna användas. / The thesis has been performed at Siemens Industrial Turbomachinery AB in Trollhättan. The company manufactures combustors for gas turbines. The purpose of the work has been to investigate whether qualified measurements can be performed with Siemens Industrial Turbomachinery AB's measuring instruments. This study has been performed through a measurement system analysis. The purpose has also been to investigate whether it is possible to introduce statistical process control for a detail. To carry out this study, the study designs case study and action research have been used. The case study has been for the measurement system analysis because it concerned a specific case that has been analyzed. Action research has been used to investigate statistical process management since the survey has been part of planning work for the introduction of an improvement. Measurements on a gauge block with known dimensions have also been made. The measurements were compiled in an Excel sheet and analyzed in Minitab. Then a VMEA was performed. Analysis of the measurements made it clear that the operators vary in both repeatability and reproducibility. The measuring instrument has proved to be stable and not a basis for variation. The study on implementation of statistical process control has shown that it is not possible to be introduced because the measurement results are too unstable. This leads to the company having to review its measurement methods to achieve a reduced spread of the measurement results. That the study has not used enough measuring objects for a statistically correct result should be emphasized. Consideration should therefore be taken that the result of the study is not entirely reliable, but rather indicate that it is a probable result that has emerged. Suggestions that have emerged during the study is: • The details are placed indoors long enough before they are measured. • The company introduces a separate, customized room for measuring the details. • The company reviews the work methodology for the measurements. • The company updates work instructions for measurements. • The company introduces measurement training for operators. What has not been made is the actual introduction and making of user data for statistical process control. This is because the measurement results have a too great variation for the use of SPS.

The gas turbines in the Swedish secondary reserve are reaching the end of their technical lifetime, hence alternative solutions need to be considered. One of the solutions thought to have the greatest potential is the use of so called consumptionreduction. By entering contracts with large consumers, agreements are made to reduce consumption in the event of major disturbances in the power system and thus being used as a secondary reserve. This thesis investigates the feasibility of consumption reduction as part of the secondary reserve. This has been achieved by developing a requirement specification for the disturbance reserve and by studying the technical and economic potential for consumption reduction among a range of consumers.The technical potential for consumption reduction that fulfils the requirements for participating in the secondary reserve are on average 750 MW in SE 3 and 98 MW in SE 4. The result of this study shows that consumption reduction could work as a supplement to the gas turbines, but could not entirely replace the current solution. Furthermore, replacing the gas turbines would cause loss of features such as black start and automatic frequency regulation. Nevertheless, consumption reduction is considered as a workable solution for the disturbance reserve that is both cheaper and more environmentally friendly. Before launching consumption reduction as a reserve, a market model has to be developed, taking the findings of this thesis into account: high electricity prices have negative effect on availability and that low liquidity on the market causes short endurance.

There are many ways to produce energy, using e.g. gas or hydro turbines. To guarantee a stable power output, it is important to consider components that could control and adjust the output power automatically. The intention of this thesis work is to carry out a pre-study and system design of a mobileplatform simulator system that could be used by companies like Siemens and help them to reduce their OPEX (Operational expenditure) and easily evaluate their AVR (AutomaticVoltage Regulator) solutions and test improvements. In this document, Siemens has decided to call the simulator system, MPSS (Mobile Platform Simulator System). The pre-study includes the theory behind energy production, synchronous generator, simulator system, AVR, control systems and electrical grid. Furthermore, the pre-study includes selection of the proposed components for the simulator system and design of the complete simulator system that will be built by the Siemens R&D engineers at a later stage. The Mobile Platform Simulator System (MPSS) is intended to test the AVR performance, which is a component with its prime purpose being to maintain the output voltage values from the generator at a fixed value, regardless of the current being drawn by the load. It is important that these output values are constantly regulated during the process of producing electricity, so that problems such as overvoltage, overcurrent etc. can be prevented. The MPSS will also be able to simulate real working scenarios e.g. from the different components of an energy production system, such as gas and hydro turbine, synchronous generator, AVR, electrical grid and serve for personnel training. The MPSS will consist of three main components; Simulator, AVR and control system. Therefore, the report will initially provide the background and general theory behind the synchronous generator, AVR and control system used in power generation systems. General information about the electrical grid is also provided. Furthermore, the report suggests the best possible choice for the necessary components to build a MPSS as well instructions on how to perform event simulation. The necessary documentation, including a circuit diagram to support the building of the MPSS by the R&D engineers at late stage, is also provided. Finally, the general analysis of the technical and non-technical aspects related to the choice of components, work process, method and result are discussed in the end of this report. / Det finns många sätt att producera energi, genom användning av exempelvis gas- eller hydroturbiner. För att garantera en stabil produktion är det viktigt att noga överväga komponenter, som kan styra och justera uteffekten automatiskt. Avsikten med detta arbete är att göra en förstudie och systemdesign av ett simulatorsystem som kan användas av företag som Siemens, med avsikt att hjälpa dem att minska sin driftskostnad(OPEX), och lättare kunna utvärdera sina AVR-lösningar (Automatic Voltage Regulator)och möjliga testförbättringar. För detta arbete har Siemens bestämt att kalla systemet för ett mobilt simulatorsystem eller MPSS (Mobile Platform Simulator System). Förstudien innehåller teorin bakom energiproduktion, synkrongenerator generator, simulatorsystem, AVR, styrsystem och elnät. Ett urval av de olika komponenterna för simulatorsystemet och en slutgiltig design tas fram. Det kompletta simulatorsystemet kommer i ett senare skede att byggas av forsknings- och utvecklingsingenjörerna på Siemens. Simulatorsystemet är avsett att testa AVR-prestanda, vilket är en komponent vars huvudsakliga syfte är att upprätthålla utspänningsvärdena från en generator inom ett fast intervallvärde, oberoende av vilken effekt som en last drar. Det är viktigt att utgångsvärden ständigt regleras under elproduktionsprocesser så att utgångsvärden hålls inom systemets tillåtna gränser så att problem som över-/underspänning, över-/underström, över-/underfrekvens etc. kan förhindras. Simulatorsystemet kommer också att kunna simulera verkliga arbetsscenarier för olika komponenter i ett energiproduktionssystem, såsom gas- och hydroturbin, synkrongenerator, AVR och laster, exempelvis elnät, samt kunna användas vid personalutbildning. Simulatorsystemet kommer att bestå av tre huvudkomponenter; Simulator, AVR och styrsystem. Inledande beskrivning av arbetets bakgrund och allmän teoretisk kring komponenterna synkrongenerator, AVR och styrsystem, som används vid i kraftgenereringssystem, ges. Även en allmän bakgrund om elnätet och dess funktion presenteras. Därefter presenteras förslag på bästa möjliga val av nödvändiga komponenter för att bygga ett simulatorsystem. Ett förslag om hur händelse simulering görs samt vilken nödvändig dokumentation och kretsdiagram som behövs för att bygga ett simulatorsystem presenteras. I slutet av detta arbete presenteras en allmän analys av de tekniska och icke-tekniska aspekterna kring val av komponenter, arbetsprocess samt metod och resultat.

To support the large­scale integration of renewables in electricity grids, power­to­X­to­power (P2X2P) systems have been proposed. These systems serve to increase the flexibility of thermal power plants while potentially providing both economic and environmental benefits by allowing power from the plant to be redirected into an electrolyzer and converted to a gaseous energy carrier. In this study, the feasibility of a P2X2P system consisting of a combined cycle gas turbine (CCGT) power plant coupled with a PEM electrolyzer in the Italian power sector has been investigated. A dynamic technoeconomic model has been developed for both hydrogen and ammonia­based systems together with a profit maximizing dispatch strategy for operation in both day­-ahead and balancing electricity markets. As a part of this, a PEM electrolyzer model was also developed and validated against experimental data. Notable technical improvements were observed as a consequence of the implementation of a P2X2P system in the form of avoided shutdowns and a more even power output. However, any economic and environmental benefits of such improvements were not observed as the addition of the P2X2P system led to a reduction in net present value as well as higher specific emissions of carbon dioxide. When the gaseous energy carrier was utilized as fuel in the CCGT, similar technical performances were achieved by the hydrogen­based and ammonia­based systems. Due to the increased investment cost demanded by the ammonia production process the hydrogen­based system thus seems most suitable for this setup. / För att möjliggöra en storskalig utbyggnad av förnyelsebar energi har power­to­X­to­power­system (P2X2P) föreslagits som en potentiell lösning. Genom att omdirigera electricitet från kraftverket till en elektrolysator och därmed omvandla denna till vätgas kan dessa system förbättra den tekniska flexibiliten hos värmekraftverk samtidigt som de har potential att medföra både ekonomiska och miljömässiga fördelar. Detta examensarbete har undersökt den tekno­ekonomiska potentialen hos ett P2X2P­system bestående av ett gaskombikraftverk i anslutning till en elektrolysator i det italienska kraftnätet. En dynamisk, tekno­ekonomisk modell av både vätgas­ och ammoniakbaserade P2X2P­system samt en vinstmaximerande kontrollstrategi har utvecklats. En modell över en PEMelektrolysator har även utvecklats och validerats gentemot experimentella data. Införandet av ett P2X2P­system till kraftverket påvisade en teknisk förbättringspotential genom ett minskat antal uppstarter samt en mer jämn uteffekt. Huruvida denna tekniska förbättring också medför ekonomisk and miljömässig förbättring eller ej kvarstår att påvisa. Detta då nuvärdet minskade samtidigt som koldioxidutsläppen per producerad kilowatttimme ökade vid införandet av P2X2P­systemet. Då den producerade energibäraren, i form av vätgas eller ammoniak, enbart användes för att ersätta fossilgas som bränsle i kraftverket påvisades marginell skillnad i presetanda mellan de två systemen. De större kostnaderna som medförs av ett ammoniak­baserat system pekar därför på att ett vätgas­baserat system vore att föredra under sådana förutsättningar.

Denna rapport är ett resultat av utförd fallstudie på Siemens Industrial Turbomachinery AB. Studien utfördes som ett DMAIC-projekt i syfte att utvärdera befintlig processtyrning och ge förslag på nya styrparametrar för att styra och övervaka tillverkningsprocessen av rotorer. En rotor skapas genom montage av turbinmodul på kompressorrotor. För att säkerställa rotorns funktionalitet mäts rotorkast kontinuerligt under tillverkningprocessen. Stora rotorkast uppstår sporadiskt vid montaget varpå nuvarande avhjälpningsmetod  innefattar tids- och kostnadskrävande demontage och återmontage av turbinmodul på kompressorrotor.  Rekommendationer har utformats och baserats utifrån historiskt analyserad data, insamlad mellan åren 2013 och 2020, 19 intervjuer och 2 workshops. Rekommendationer innefattar implementering av statistisk processtyrning. Ett av argumenten till implementeringen är att börja utvärdera effekten av genomförda förbättringsprojekt. Denna studie identifierade ett förbättringsprojekt, genomfört år 2016, som ökade andelen defekter med 454%. Då förbättringsprojektet tros bidragit med en förbättring i ett annat processteg ges rekommendationen att utvärdera helheten av implementerad förbättringsåtgärd. Avslutningsvis rekommenderas att uppdatera dagens bristfälliga processtyrning genom beräknandet av nya toleranser baserat på önskad kvalitetsnivå och eliminera diskrepanserna mellan de idag använda toleranserna. / This report is a result of a case study carried out at Siemens Industrial Turbomachinery AB. The study was conducted as a DMAIC project with the aim of evaluating existing process control and proposing new control parameters for controlling and monitoring the manufacturing pro- cess of rotors. A rotor is created by the assembly of a turbine module on a compressor rotor. In order to ensure the functionality of the rotor, rotor-runout is continuously measured during the manufacturing process. Large rotor-runouts occur sporadically during assembly and the current method to fix the abnormalities includes time- and costly disassembly and re-assembly of the turbine module on the compressor rotor. Recommendations have been designed after analysis of historical data collected between 2013 and 2020, 19 interviews and 2 workshops. Recom- mendations include implementation of statistical process control. One of the arguments for the implementation is to start evaluating the effects of completed improvement projects. This study identified an improvement project, completed in 2016, which increased the proportion of defects by 454%. Since the improvement project is believed to have contributed to an enhancement in another part of the process, a more holistic way of evaluation is needed to follow up effects of improvements projects. Finally, it is recommended to update the tolerances by calculating new ones based on the desired quality level while also eliminating the discrepancies between the different tolerances used today.

Combined Cycle Power Plant (CCPP)s play a key role in modern powersystem due to their lesser investment cost, lower project executiontime, and higher operational flexibility compared to other conventionalgenerating assets. The nature of generation system is changing withever increasing penetration of the renewable energy resources. Whatwas once a clearly defined generation, transmission, and distributionflow is shifting towards fluctuating distribution generation. Because ofvariation in energy production from the renewable energy resources,CCPP are increasingly required to vary their load levels to keep balancebetween supply and demand within the system. CCPP are facingmore number of start cycles. This induces more stress on the gas turbineand as a result, maintenance intervals are affected.The aim of this master thesis project is to develop a dispatch algorithmfor the short-term operation planning for a combined cyclepower plant which also includes the long-term constraints. The longtermconstraints govern the maintenance interval of the gas turbines.These long-term constraints are defined over number of EquivalentOperating Hours (EOH) and Equivalent Operating Cycles (EOC) forthe Gas Turbine (GT) under consideration. CCPP is operating in theopen electricity market. It consists of two SGT-800 GT and one SST-600 Steam Turbine (ST). The primary goal of this thesis is to maximizethe overall profit of CCPP under consideration. The secondary goal ofthis thesis it to develop the meta models to estimate consumed EOHand EOC during the planning period.Siemens Industrial Turbo-machinery AB (SIT AB) has installed sensorsthat collects the data from the GT. Machine learning techniqueshave been applied to sensor data from the plant to construct Input-Output (I/O) curves to estimate heat input and exhaust heat. Resultsshow potential saving in the fuel consumption for the limit on CumulativeEquivalent Operating Hours (CEOH) and Cumulative EquivalentOperating Cycles (CEOC) for the planning period. However, italso highlighted some crucial areas of improvement before this economicdispatch algorithm can be commercialized. / Kombicykelkraftverk spelar en nyckelroll i det moderna elsystemet pågrund av den låga investeringskostnaden, den korta tiden för att byggaett nytta kraftverk och hög flexibilitet jämfört med andra kraftverk.Elproduktionssystemen förändras i takt med en allt större andel förnybarelproduktion. Det som en gång var ett tydligt definierat flödefrån produktion via transmission till distribution ändrar nu karaktärtill fluktuerande, distribuerad generering. På grund av variationernai elproduktion från förnybara energikällor finns ett ökat behov avatt kombicykelkraftverk varierar sin elproduktion för att upprätthållabalansen mellan produktion och konsumtion i systemet. Kombicykelkraftverkbehöver startas och stoppas oftare. Detta medför mer stresspå gasturbinen och som ett resultat påverkas underhållsintervallerna.Syftet med detta examensarbete är att utveckla en algoritm för korttidsplaneringav ett kombicykelkraftverk där även driften på lång siktbeaktas. Begränsningarna på lång sikt utgår från underhållsintervallenför gasturbinerna. Dessa långsiktiga begränsningar definieras som antaletekvivalenta drifttimmar och ekvivalenta driftcykler för det aktuellakraftverket. Kombikraftverket drivs på den öppna elmarknaden.Det består av två SGT-800 GT och en SST-600 ångturbin. Det främstamålet med examensarbetet är att maximera den totala vinsten förkraftverket. Ett sekundärt mål är att utveckla metamodeller för attskatta använda ekvivalenta drifttimmar och ekvivalenta driftcyklerunder planeringsperioden.Siemens Industrial Turbo-machinery AB (SIT AB) har installeratsensorer som samlar in data från gasturbinerna. Maskininlärningsteknikerhar tillämpats på sensordata för att konstruera kurvor för attuppskatta värmetillförseln och avgasvärme. Resultaten visar en potentiellbesparing i bränsleförbrukningen om de sammanlagda ekvivalentadrifttimmarna och de sammanlagda ekvivalenta driftcyklernabegränsas under planeringsperioden. Det framhålls dock också att detfinns viktiga förbättringar som behövs innan korttidsplaneringsalgoritmenkan kommersialiseras.

This thesis demonstrates the successful development of a software sensor for Siemens Energy's SGT-700 gas turbines using machine learning algorithms. Our goal was to enhance the robustness of measurements and redundancies, enabling early detection of sensor or turbine malfunctions and contributing to predictive maintenance methodologies. The research is based on a real-world case study, implementing the Cross Industry Standard Process for Data Mining (CRISP DM) methodology in an industrial setting. The thesis details the process from dataset preparation and data exploration to algorithm development and evaluation, providing a comprehensive view of the development process. This work is a step towards integrating machine learning into gas turbine systems. The data preparation process highlights the challenges that arise in the industrial application of data-driven methodologies due to inevitable data quality issues. It provides insight into potential future improvements, such as the constraint programming approach used for dataset construction in this thesis, which remains a valuable tool for future research. The range of algorithms proposed for the software sensor's development spans from basic to more complex methods, including shallow networks, ensemble methods and recurrent neural networks. Our findings explore the limitations and potential of the proposed algorithms, providing valuable insights into the practical application of machine learning in gas turbines. This includes assessing the reliability of these solutions, their role in monitoring machine health over time, and the importance of clean, usable data in driving accurate and satisfactory estimates of different variables in gas turbines. The research underscores that, while replacing a physical sensor with a software sensor is not yet feasible, integrating these solutions into gas turbine systems for health monitoring is indeed possible. This work lays the groundwork for future advancements and discoveries in the field. / Denna avhandling dokumenterar den framgångsrika utvecklingen av en mjukvarusensor för Siemens Energy's SGT-700 gasturbiner med hjälp av maskininlärningsalgoritmer. Vårt mål var att öka mätkvaliten samt införa redundans, vilket möjliggör tidig upptäckt av sensor- eller turbinfel och bidrar till utvecklingen av prediktiv underhållsmetodik. Forskningen baseras på en verklig fallstudie, implementerad enligt Cross Industry Standard Process for Data Mining-metodiken i en industriell miljö. Avhandligen beskriver processen från datamängdsförberedelse och datautforskning till utveckling och utvärdering av algoritmer, vilket ger en heltäckande bild av utvecklingsprocessen. Detta arbete är ett steg mot att integrera maskininlärning i gasturbinssystem. Dataförberedelsesprocessen belyser de utmaningar som uppstår vid industriell tillämpning av datadrivna metoder på grund av oundvikliga datakvalitetsproblem. Det ger insikt i potentiella framtida förbättringar, såsom den begränsningsprogrammeringsansats som används för datamängdskonstruktion i denna avhandling, vilket förblir ett värdefullt verktyg för framtida forskning. Utvecklingen av mjukvarusensorn sträcker sig från grundläggande till mer komplexa metoder, inklusive ytliga nätverk, ensemblemetoder och återkommande neurala nätverk. Våra resultat utforskar begränsningarna och potentialen hos de föreslagna algoritmerna och ger värdefulla insikter i den praktiska tillämpningen av maskininlärning i gasturbiner. Detta inkluderar att bedöma tillförlitligheten hos dessa lösningar, deras roll i övervakning av maskinhälsa över tid och vikten av ren, användbar data för att generera korrekta och tillfredsställande uppskattningar av olika variabler i gasturbiner. Forskningen understryker att, medan det ännu inte är genomförbart att ersätta en fysisk sensor med en mjukvarusensor, är det verkligen möjligt att integrera dessa lösningar i gasturbinssystem för tillståndsövervakning. Detta arbete lägger grunden för vidare studier och upptäckter inom området. / Esta tesis demuestra el exitoso desarrollo de un sensor basado en software para las turbinas de gas SGT-700 de Siemens Energy utilizando algoritmos de aprendizaje automático. Esto con el objetivo de contribuir a las metodologías de mantenimiento predictivo. La investigación se basa en un estudio industrial que implementa la metodología de Proceso Estándar de la Industria para la Minería de Datos, cuyo acrónimo en inglés CRISP-DM. La tesis detalla el proceso desde la preparación del 'dataset', la exploración de datos hasta el desarrollo y evaluación de algoritmos, proporcionando una visión holistica del proceso de desarrollo. Este trabajo representa un paso hacia la integración del aprendizaje automático en turbinas de gas. Nuestros hallazgos exploran las limitaciones y el potencial de los algoritmos propuestos, proporcionando un analisis sobre la aplicación práctica del aprendizaje automático en turbinas de gas. Esto incluye evaluar la confiabilidad de estas soluciones, su papel en la monitorización de la salud de la máquina a lo largo del tiempo, y la importancia de los datos limpios y utilizables para impulsar estimaciones precisas y satisfactorias de diferentes variables en las turbinas de gas. La investigación sugiere que, aunque reemplazar un sensor físico con un sensor basado en aprendizaje automatico aún no es factible, sí es posible integrar estas soluciones en los sistemas de turbinas de gas para monitorear del estado de la maquina.