Simulering av ett Gaskombiverk med kylning till fjärrvärmenätet

Transkript

1 UMEÅ UNIVERSITET Laborationsrapport Tillämpad Fysik och Elektronik Simulering och Optimering D Simulering av ett Gaskombiverk med kylning till fjärrvärmenätet Håkan Jonsson ce00hjn@ing.umu.se Sammanfattning Syftet med denna laboration var att se vad som händer när man kopplar en ångcykel efter en gasturbin. Hur totalverkningsgraden och alfavärdet påverkas jämfört med enbart gasturbin och vilka följder det får för bränsletillförsel. Det visar sig att totalverkningsgraden ökade från 62,5 % till 84 % men alfavärdet ökade endast marginellt från 0,377 till 0,392. En anpassning av efterföljande ångcykel borde ge ett positivt resultat för alfavärdet utan att försämra verkningsgraden Laboration inom kursen Simulering och Optimering, 5 poäng Civ. Ing. Energiteknik, Umeå Universitet Handledare: Lars Bäckström

2 Innehållsförteckning Inledning... 2 Syfte... 2 Teori... 2 Gengas... 2 Total verkningsgrad... 2 Alfavärde... 2 Metod... 3 Gasturbin... 3 Ångcykel... 3 Resultat... 4 Enbart Gasturbin... 4 Gaskombikraftverket... 4 Storleksförhållandet mellan gasturbin och ångcykel... 5 Diskussion och Slutsats... 5 Billagor... 6 Gasturbin... 6 Ångcykeln... 7 Gaskombi

3 Inledning I Sverige så har vi en god tillgång till biomassa och det är vanligt att elda biomassa i fjärrvärmeanläggningar. Ett intressant alternativ kan vara att tillverka gengas av biomassan för att driva ett gaskombiverk. Sedan kan man kyla ångcykeln och avgaserna med fjärrvärmenätet. El är en högkvalitativ form av energi som kan säljas och med stigande elpriser så kan det bli en lönsam affär. Syfte Syftet med denna simulering är att undersöka hur totalverkningsgrad och alfavärdet påverkas om man kopplar på en ångcykel efter gasturbinen. Systemet är tänkt att vara en lösning som passar en ort med ett fjärrvärmenät. Med denna simulering är det möjligt att beräkna storleksförhållandet mellan turbin och ångcykel. Teori Gengas Gengas produceras genom förbränning av bränsle med ett underskott av syre i en sk. förgasare. Den brännbara delen i gasen är dels kolmonoxid (CO), dels vätgas (H 2 ) samt smärre andelar lätta kolväten som tex. Metan(CH 4 ). De lätta kolvätena bildas genom krackning av tjära från veden. Total verkningsgrad Den totala verkningsgraden beräknas enligt följande: η=p nyttig /P tillförd (1) där P nyttig är den effekt man kan tillgodogöra och P tillförd är den effekt som man tillför. Vid beräkningar så ska man använda temperaturen 25 C som referenstemperatur. Den tillförda effekten är i första hand det tillförda bränslet men även pump och fläktarbete räknas dit. I den mån bränslet är förvärmt, tex tjock eldningsolja, så ska den tillförda effekten räknas som tillförd effekt och likadant om luften är förvärmd så att den väsentligt skiljer sig från referenstemperaturen. Vid eldning av fasta bränslen så är det ovanligt att temperaturen för bränslet väsentligt avviker från referenstemperaturen. Alfavärde Ett värmekraftverks alfavärde beskriver förhållandet mellan producerad el och fjärrvärme. Q α = (2) el Q fj Om man har en effektiv elproduktion så får man ett högt alfavärde. Ett normalt alfavärde ligger runt 0,25-0,35 för ett kraftvärmeverk med en ångcykel. 2

4 Metod För beräkningarna så användes programmet Aspen som har data för vatten/ångfaser, bindningsentalpier mm. för de vanligaste ämnena i sin databas. Modellen som har lagts in är förenklad och beskriver inte hur gengasen produceras och den tar inte hänsyn till ett eventuellt reningssteg som kan behövas mellan förgasaren och turbinen. Gasturbin Gengasen produceras i en förgasare där man använder 1,75 kg luft för varje kg biobränsle. Luften som behövs för förgasaren tas från den luft som lämnar kompressorn. Tryckfallet över förgasaren är något mindre än tryckfallet över brännkammaren så att gasen kan strömma till brännkammaren. Man omvandlar 89% av biobränslet till gas och har en temperatur på ca 750 C. Turbinens prestanda och gengassammansättningen beskrivs i tabell 1. Tabell 1. Gengassammansättning och gasturbinens prestanda Gengas Gastubinens prestanda var enligt följande Komponent Vol% Kompressor N 2 54 Isentropisk verkningsgrad 0,85 H 2 O 6 Tryckkvot 4,6 CO 2 12 Luftflöde (kg/s) 14,9 CO 18 H 2 7 Brännkammare CH 4 3 Utloppstemperatur C 830 Summa 100 Tryckfall 2% av inloppstrycket Turbin Isentropisk verkningsgrad 0,85 Utloppstryck Atmosfärisk Mekanisk verkningsgrad 0,98 Elektrisk verkningsgrad 0,99 Ångcykel För kraftvärmeprocessen så gäller följande data: Ångtryck och temperatur före turbininlopp ska vara 90 bar och 520 C Turbindel 1: Ångtryck efter reglersteg är 60 bar, η isentrop turbin är 68% Turbindel 2: Ångtryck efter reglersteg är 11 bar, η isentrop turbin är 87% Turbindel 3: Ångtryck efter reglersteg är 3,2 bar, η isentrop turbin är 89% Turbindel 4: Ångtryck efter reglersteg är 0,55 bar, η isentrop turbin är 87% Generatorns eleffekt antas att 5% av turbinens inre effekt omvandlas till mekaniska och elektriska förluster. Kondensorn kyls av fjärrvärme med en inloppstemperatur på 40 C och en utgående kondenstemperatur på 82 C. 3

5 En lågtrycksförvärmare och mavatank förvärms med avledningar från ångcykel så att framledning till panna har en temperatur på 137 C och ett tryck på 90 bar. Pumpens isentropiska verkningsgrad är satt till 0,7. Fjärrvärmen värms av avgaserna från turbinen och kondensorn. Fjärrvärmevattnets temperatur in var 40 C och önskad temperatur ut var 100 C. Övrigt så kyls inkommande gengas med fjärrvärme till 250 C i gaskombin för att kunna öka effekten för gasturbinen. En brännkammare sätts efter gasturbinen för att leda in ytterligare gengas. Detta för att höja temperaturen och få ett acceptabelt flöde av ånga i efterföljande ångcykel. En överhettare och en förångare kopplades in efter brännkammaren för att förånga det vatten som kommer från mavatanken i ångcykeln. Slutligen har man en värmeväxlare för fjärrvärmen Resultat Enbart Gasturbin Kvoten mellan massan biomassan och massan gengas kan nu beräknas till 0,89/(0,89+1,75) = 0,337 dvs för varje kg gengas så behöver vi tillsätta 0,337 kg biomassa. Massfödet gengas denna simulerade gasturbinen var 3,06 kg/s (se bilaga) så man får då ett massflöde på 0,337*3,06 = 1,03 kg/s biomassa vid full effekt. Den nyttiga effekten från anläggningen var 2625 kw el och 6965 kw fjärrvärme med ett luftflöde genom kompressorn på 14,9 kg/s. Verkningsgraden för anläggningen är lite svår att beräkna eftersom vi inte känner biobränslets fukthalt före förbränningen. Biobränslets värmevärde kan beräknas som: H i = 19,2 0,217 f ( MJ / kg) (3) där f står för biomassans fuktighet i vikt %. Med de uppgifter vi känner och med en antagen fuktighet på 20% i biomassan så får vi en verkningsgrad på 62,5%med hjälp av ekvation (1) och (3). Anläggningens alfavärde beräknas med hjälp av (2) och blev i denna anläggning 0,377 Gaskombikraftverket Massflödet gengas för den simulerade anläggningen var 4,54 kg/s (Figur x och Tabell x) så man får då en förbrukning av biomassa på 0,337*4,54 = 1,53 kg/s vid full effekt. Den nyttiga effekten från anläggningen var 5390 kw el och kw fjärrvärme med ett luftflöde genom kompressorn på 14,9 kg/s. Med hjälp av (1) och (3) så fås en verkningsgrad på 84% vid en antagen fukthalt på 20% i biomassan. Anläggningens alfavärde beräknas till 0,392 med hjälp av (2). 4

6 Storleksförhållandet mellan gasturbin och ångcykel En intressant aspekt i denna simulering är att dimensionera efterföljande ångcykel mot den tänkta gasturbinen. I detta utförande så produceras 3,16 kg ånga per sekund vilket ger en effekt för ångcykeln på 2,93 MW el. För gasturbinen så ger den 2,46 MW el. Motsvarande för fjärrvärmen är 6,41 MW för kondensorn och 7,32 MW för avgaskylaren. Man ser att gasturbinen producerar mindre el med en efterföljande ångcykel än det gör utan. Det beror på att mera komprimerad luft avleds till gengasgenerering för det ökade gengasbehovet Diskussion och Slutsats Verkningsgraden höjdes från 62,5% för en gasturbinanläggning till 84% för en gaskombianläggning vilket är en markant ökning. Däremot steg inte alfavärdet i samma grad. Endast från 0,377 till 0,392 En anpassning av tryck, temperatur och design i den efterföljande ångcykeln borde gynna alfavärdet. En av åtgärderna är att låta förvärmning av vatten efter kondensorn ske med hjälp av avgaser från turbinen i stället för ånga. I simuleringarna har flödet genom kompressorn i turbinen hållits konstant. Då behövs 50% mera biobränsle för att nå de erforderliga temperaturerna i processerna för kombikraftverket. Däremot så ökade produktionen av el och fjärrvärme med ca 100% vilket är mycket. Slutsatsen blir att man ökar verkningsgraden markant om man satsar på ett kombikraftverk. Förhållandet mellan gasturbinen och ångcykeln bör vara ca 45/55 i detta utförande, dvs ångturbinen producerar lite mera el. Denna skillnad påverkas om man anpassar ångcykeln så att ångturbinen blir effektivare. 5

7 Billagor Gasturbin GASIN BK AIRFORG AVGFCOMP TRYFALL VALVE SPLITFOR SSPLIT AIRCOMP2 AVGCOMP2 AIRCOMP1 AXEL WORK W COMP TURB AIRIN AVGASHOT FJVVXLAR FJIN FJUT AVGASCOL Figur 1 Kopplingsschema i programmet Aspen för kraftvärmeverket Tabell 2 Flöden i de olika strömmarna för figur 1 De olika flödena är uppgivna i kg/timme. gengas Stream ID AIRCOMP1 AIRCOMP2 AIRFORG AIRIN AVGASCOL AVGASHOT AVGCOMP2 AVGFCOMP FJIN FJUT GASIN Temperature C Pressure bar Vapor Frac Mole Flow kmol/hr Mass Flow kg/hr Volume Flow cum/hr Enthalpy MMkcal/hr Mole Flow kmol/hr N H2O CO CO trace trace trace trace H2 trace trace trace trace CH O

8 Ångcykeln ANGAIN TURBIN1 ANGA12 TURBIN2 TURBIN3 TURBIN HTSPLIT ANGA23 FRTURB3 LTSPLIT ANGA34 ANGA4+ UPPSLT MIXER FSPLIT FSPLIT REDLT FORVMAVA AVLEDLT 9 MAVA FORVLT AVLEDNLT KONDENS FJVVUT WORK W 15 FJVVIN TILLKOND 10BAR 10BAR2 3BAR2 CONFPUMP TILLPANN 100PUMP 10PUMP 3BAR LTPUMP Figur 3 Kopplingsschema för ångcykel 7

9 Gaskombi Figur 4 Kopplingsschema för gaskombiverket Tabell 3 Flöden för de olika strömmarna i figur 4 gengas Stream ID 3BAR 3BAR BAR 10BAR AIRCOMP1 AIRCOMP2 AIRFORG AIRIN ANGA4+ ANGA12 ANGA23 ANGA34 ANGAIN AVGASCOL AVGASHOT AVGCOL2 AVGCOMP2 AVGFCOMP AVLEDLT AVLEDNLT CONFPUMP EBKHEAX FJVVIN FJVVUT FORVMAVA FRTURB3 GASIN HEAX12 SPLITBK TILLEBK TILLKOND TILLPANN Temperature C Pressure bar Vapor Frac Mole Flow kmol/hr Mass Flow kg/hr Volume Flow cum/hr Enthalpy MMkcal/hr Mole Flow kmol/hr N H2O CO CO trace trace trace trace trace trace trace H2 trace trace trace trace trace trace trace CH O