Kombinerad värmeoch kraftproduktion jämförelse mellan olika kraftverkstyper

Transkript

1 Kombinerad värmeoch kraftproduktion jämförelse mellan olika kraftverkstyper För kombinerad produktion av värme och kraft, så kallad kraftvärmeprocess, kan ångturbiner, gasturbiner eller en kombination av båda användas. Varje möjlighet erbjuder specifika fördelar, beroende på utnyttjat bränsle, produktionskostnader för kraft och värme, kraftverkstypen och effektområdet. n jämförelse mellan ekonomi, energiproduktionseffektivitet och reglerkarakteristik visar att kombikraftverket i de flesta fall är den mest ekonomiska och fördelaktiga lösningen. I denna artikel jämförs ett antal kombikraftverk med effekter över MW som efterfrågas av industrier och offentliga kraftbolag för att generera elenergi och värme. en största fördelen med kraftvärmeprocessen i jämförelse med separat produktion av värme och elektrisk energi är den högre bränsleutnyttnjandegraden, dvs att bränslekostnaderna blir klart lägre. et goda bränsleutnyttjandet i kombiprocessen beror i huvudsak på återvinningen av ångans kondensationsvärme, energi som går förlorad i konventionella kraftverksprocesser. Kraftvärmeprocessens fördelar är välkända sedan länge och har i decennier utnyttjats inom industrin och den offentliga kraftförsörjningen. et finns två möjligheter att samtidigt producera kraft och värme. en ena går ut på att ångan med hög temperatur utnyttjas för kraftproduktion. visar ett exempel med en mottrycksångturbin. en andra möjligheten innebär att expansionsvärmet från en högtemperaturprocess utnyttjas för att generera kraft. ärvid omvandlas förlustvärmet vid låg temperatur till elektrisk energi, vilken medför låg verkningsgrad. lternativet är sällan ekonomiskt fördelaktigt, utan i de flesta fall är det bättre att utnyttja förlustvärmet som processvärme. enna artikel behandlar endast värmeoch kombikraftverk av den förstnämnda typen, eftersom det endast är dessa som är av termodynamiskt intresse och som tillåter verklig energibesparing, dvs ekonomisk drift. Kraftvärmeprocessen följer termodynamikens lagar och bygger på att ångans kondensationsvärme utnyttjas bättre än vid konventionell kondensdrift. Med relativt stora ångpannor kan en bränsleutnyttjandegrad uppnås som är minst lika hög som den hos ett rent kraftvärmeverk. Sistnämnda erbjuder emellertid fördelen av att den elektriska energin produceras vid hög ångtemperatur och värmen vid lägre. Ur termodynamisk synpunkt utnyttjas alltså energi av lägre kvalitet för att producera värme. nton Rohrer Kraftwerke visar bränsleutnyttjandegraden hos kraftvärmeprocessen vid olika värme/ kraft-förhållanden, i jämförelse med skild produktion av värme och elektrisk energi. unkt representerar en ånggenerator som uteslutande genererar värme med en verkningsgrad på 90%. unkt visar i stället ren kraftproduktion i ett ångkraftverk med en verkningsgrad på %. en räta linjen mellan de båda punkterna representerar förhållandet mellan bränsleutnyttjandet och förhållandet /(+) för motsvarande kraftverk med separat värme- och kraftproduktion. en övre linjen visar samma förhållande för kraftvärmeprocessen. en betydligt högre bränsleutnyttjandegraden hos dessa alternativ framgår tydligt. Storleken hos fördelen med avseende på bränsleutnyttjandegrad representeras av den blå ytan mellan de båda linjerna (...). Investeringskostnaderna för kraftverk med värmeuttag är vanligen högre än för sådana med separat värme- och kraftproduktion. I den följande texten kommer nedanstående kraftverkstyper att jämföras med varandra: Ångkraftverk med gas- eller oljeeldning samt mottrycksångturbin fig. Ångkraftverk med gas- eller oljeeldning samt avtappningsångturbin Kombikraftverk med naturgas- eller oljeeldad gasturbin samt avgaspanna Kombikraftverk med naturgas- eller oljeeldning samt mottrycksångturbin Kombikraftverk med naturgas- eller oljeeldning samt avtappningsångturbin Koleldade kraftverk behandlas inte i detta sammanhang, eftersom de lägre bränslekostnaderna knappast uppväger de högre investerings- och driftkostnaderna vid mindre anläggningsstorlekar. Till detta kommer faktum att de allt strängare lagarna om emission i atmosfären kontinuerligt ökar den anläggningsstorlek vid vilken kolkraftverk blir ekonomiskt gynnsamma. etta till trots kan en förbättring enligt fig nås även för ett kolkraftverk enligt. Tidning /99

2 ffekt och driftområde v framgår driftområdena för värmeoch kraftproduktion som funktion av bränsleutnyttjandegraden för kraftverkstyperna till. Som vi kan se är det endast avtappningsångturbinen som är i stånd att ge önskad elektrisk och termisk effekt vid alla driftfall. För andra kraftverkstyper är detta möjligt endast inom ett begränsat driftområde. Om efterfrågan på kraft är liten i förhållande till den för värme från kraftvärmeprocess erbjuder mottrycksångturbinerna fördelar. I motsatt fall, dvs där kraft/ värme-kvoten är hög, är kombikraftverk med avtappningsångturbiner det bättre alternativet. Kombikraftverket med gas- turbiner och avgaspanna (typ ) ligger mellan de båda förstnämnda typerna. tt system för förbikoppling av ånga kan bredda driftområdet för värmeproduktion i mottrycks- och avtappningsångturbiner. n annan möjlighet att skjuta värme/kraft-förhållandet mera åt värmehållet vid kraftverkstyperna. och är att installera tillsatseldning i avgaspannan. Reglerbarhet och dellastverkningsgrad Regleringen av ett värmekraftverk eller ett kraftvärmeverk har till uppgift att anpassa produktionen av processånga eller värme till aktuell efterfrågan (se fullastdrift av en ånggenerator respektive en gasturbin i ). riftregleringen är inget problem för kraftverkstyperna till. etydligt mera komplicerat blir det i fall då den elektriska effekten samtidigt måste regleras, t ex då kraftverket arbetar isolerat, utan koppling till det nationella elnätet. I sådana fall är avtappningsångturbinen den bästa lösningen. en tillåter i stort sett oberoende reglering av de båda utgångsvariablerna värmemängd och elektrisk effekt, utan att ekonomin påverkas negativt. Mottrycksturbinen har liten flexibilitet och är därför det minst lämpade alternativet för denna dubbelfunktion. Överskott på processånga måste släppas ut genom en ventil. Om ventilen ofta öppnas är det lämpligt att föra den utsläppta ångan till Kraftverkstyp : Ångkraftverk med mottrycksångturbin (principschema) Ånggenerator Mottrycksångturbin Ång- respektive värmeförbrukare Matarvattentank/avgasare Ångförbikoppling ränsleutnyttjandegrad vid kraftvärmekoppling i jämförelse med separat värme- och kraftproduktion Kombinerad värme- och kraftproduktion S Separat värme- och kraftproduktion O Ren värmeproduktion O Ren kraftproduktion + fuel ränsleutnyttjandegrad Förhållandet kraft / kraft + värme + enererad elektrisk effekt (MW) enererad värmeeffekt (MW) fuel Tillförd bränsleeffekt (MW)... Förbättrat utnyttjande av primärenergin i värme-kraftkoppling.0 S fuel O + O Tidning /99

3 Kraftverkstyp : Ångkraftverk med avtappningsångturbin Ånggenerator vtappningsångturbin Ång- respektive värmeförbrukare Matarvattentank/avgasare Ångförbikoppling Kondensator en hjälpkondensor för återvinning av kondensatet. Vad beträffar reglering och dellastdrift ligger kombikraftverket med gasturbin och avgaspanna mellan de båda beskrivna gränsfallen. Med tillsatseldning i ånggeneratorn för värmeåtervinning kan kombikraftverket nå värden liknande avtappningsångturbinen. I båda fallen är emellertid ekonomin starkt beroende av gasturbinlasten, eftersom bränsleförbrukningen är relativt hög även vid dellastdrift. Moderna gasturbiner med ställbara ledskenor i kompressorsteget löser dock även detta problem. Utan tillsatseldning i avgaspannan begränsas reglerområdet för processångan uppåt, eftersom den maximala ångproduktionen är beroende av gasturbinlasten. Jämförelse av driftekonomin hos olika industrikraftverk enerellt sett är det svårt att hitta jämförbara ekonomiska analyser av värmekraftverk, eftersom varje sådan komplex anläggning är anpassad till specifika omständigheter. e flesta industrikraftverk har dock någonting gemensamt: de producerar i huvudsak antingen värme eller processånga. lektrisk energi kan nästan alltid levereras i tillräcklig omfattning från det offentliga nätet, men så är det inte med ånga. tt industrikraftverk förbrukar därför alltid minst så mycket bränsle som behövs för att en enkel ånggenerator ska kunna producera nödvändig processånga. ur mycket bränsle som därtill går åt motsvarar skillnaden mellan värmekraftverkets totala förbrukning och ånggeneratorn. lltså kan verkningsgraden för energiproduktionen definieras enligt följande: η = fuel η () där η fuel η Verkningsgrad för kraftproduktion enererad elektrisk effekt (MW) ränslets värmeeffekt (MW, MJ/s) enererad värmeeffekt (MW, MJ/s) Verkningsgrad hos ånggenerator Kraftverkstyp : Kombikraftverk med gasturbin och avgaspanna vgaspanna asturbin Ång- respektive värmeförbrukare Matarvattentank/avgasare Ångreducering Tillsatseldning (option) Skorstensförbikoppling (option) Tidning /99

4 Kraftverkstyp : Kombikraftverk med mottrycksångturbin vgaspanna asturbin Ång- respektive värmeförbrukare Matarvattentank/avgasare Ångförbikoppling Tillsatseldning (option) Skorstensförbikoppling (option) 8 Mottrycksångturbin 8 Kostnaden för energiproduktionen kan beräknas med hjälp av nedanstående formel, för att jämföras med investeringsoch driftkostnaderna för ett kraftvärmeverk eller ett kombikraftverk. Y = (I I )Ψ + Y fuel + N η + U U N + u u Y Kostnad för genererad elektrisk energi (valutaenhet/kwh) Y fuel ränslekostnad för genererad termisk energi (valutaenhet/kwh) I Investeringskostnad, inklusive skatter och försäkring (valutaenhet) N kvivalent årlig drifttid (h/år) u Variabla driftkostnader (valutaenhet/kwh) U Fasta driftkostnader, t ex personalkostnader (valutaenhet/år) Ψ Årlig amortering (/år) Verkningsgrad för kraftproduktion η () Med ekvation () går det att fastställa om det är mest ekonomiskt att generera elkraft i den egna anläggningen eller att köpa in den från det offentliga nätet, eller med andra ord om den egna anläggningen ska användas uteslutande för att generera ånga och värme eller om den också ska generera elenergi. konomin hos kraftverkstyperna till jämförs bäst via ett exempel: Tabell visar elkostnaderna för ett pappersbruk med ett effektbehov på MW. v tabell framgår att kombikraftverket med gasturbin och avgaspanna (typ ) levererar den billigaste elkraften. mellertid täcks inte hela behovet utan kompletterande elenergi måste köpas in via det offentliga nätet. en näst billigaste lösningen är att använda ett kombikraftverk med mottrycksturbin. å genereras emellertid mer kraft än vad som förbrukas i den egna anläggningen. Överskottsenergin kan säljas till det offentliga kraftbolaget så att driftkostnaderna minskar. ffekten hos Index Kombinerad värme- och kraftproduktion Värme- eller ångpanneanläggning Kraftverkstyp : Kombikraftverk med avtappningsångturbin 8 vgaspanna asturbin Ång- respektive värmeförbrukare Matarvattentank/avgasare Ångförbikoppling Tillsatseldning (option) Skorstensförbikoppling (option) 8 Mottrycksångturbin 9 Kondensator 9 Tidning /99

5 0.9 S F S riftområden för kraftverkstyperna till Ångkraftverk med mottrycksångturbin Ångkraftverk med avtappningsångturbin Kombikraftverk med gasturbin och avgaspanna Kombikraftverk med mottrycksångturbin Kombikraftverk med avtappningsångturbin S S S S O O S F Separat värme- och kraftproduktion i ångkraftverk Separat värme- och kraftproduktion i kombikraftverk Ren värmeproduktion Ren kraftproduktion rift med ångförbikoppling Utvidgning genom tillsatseldning i avgaspannan (tillval) + fuel O + O + fuel + fuel ränsleutnyttjandegrad Förhållandet kraft / kraft + värme enererad elektrisk effekt (MW) enererad värmeeffekt (MW) ränslets värmeeffekt (MW) Tabell : Jämförelse mellan olika typer av industrikraftverk för en pappersfabrik med ett effektbehov på MW el Kraftverkstyp Ångkraftverk Ångkraftverk Kombikraftverk Kombikraftverk Kombikraftverk med mottrycks- med avtapp- med gasturbin med mottrycks- med avtappångturbin ningsångturbin och ångturbin ningsångturbin avgaspanna lektrisk nettoeffekt MW 90 Verkningsgrad vid elkraftproduktion (se ekvation ) % 8,, 9 Merinvestering i jämförelse med ånggenerator 0 US,,,8 8, 9, Kapitalkostnader* 0 US/kWh,,,0,8, ränslekostnader* 0 US/kWh,,9,,,8 riftkostnader* 0 US/kWh 0, 0, 0, 0,8 0, lproduktionskostnader* 0 US/kWh,9,,,,8 Randvillkor: rocessångproduktion kg/s (90 t/h) rocessångtillstånd, bar / 90 ehov av elektrisk effekt MW kvivalent drifttid 000 h/a Årlig amortering,0% (8% ränta, 0 år) ränslepris (kan förändras) US,/J (naturgas) * Skillnad gentemot enkel ånggenerator 8 Tidning /99

6 0 F 8 0 US $ kwh 0 US $ kwh 0 Y 0 US $ 8 9 kwh h/a N Medelvärden för elkraftkostnad vid egen produktion 8 och försäljning respektive inköp av elektrisk energi... Kraftverkstyper F nläggning som producerar värmeenergi men inte elektrisk energi Medelvärden för elkraftkostnad vid egen produktion och försäljning respektive inköp av elektrisk energi lenergipris vid försäljning respektive inköp Kostnad för produktion av elenergi vid ekvivalent årlig drifttid, Kraftverkstyper Y lproduktionskostnad N kvivalent årlig drifttid 9 kraftverket med avtappningsångturbin motsvarar exakt behovet, men har samtidigt det högsta priset per kilowattimme. 8 visar medelenergikostnaden för de olika kraftverkstyperna vid egenproduktion med inköp av underskott respektive försäljning av överskott. () är skillnaden mellan tillgång och behov. eroende på elpriset är kombinerad produktion av värme och elkraft i så gott som alla lägen fördelaktigare än lösningar där elenergibehovet helt täcks via det of- Tabell : Jämförelse mellan olika typer av kraftvärmeverk vid ett värmebehov på 0 MW Ångkraftverk Ångkraftverk Kombikraftverk Kombikraftverk Kombikraftverk Kombikraftverk med mottrycks- med avtapp- med gasturbin med mottrycks- med avtapp- med avtappångturbin ningsångturbin och ångturbin ningsångturbin ningsångturbin avgaspanna Värmeeffekt MW 0,9 0,9,0 0,9 0, 0, lektrisk effekt MW,0,,9 8, 0, ränslets värmeeffekt MW 9,0 9, 9,, ränsleutnyttjandegrad % 88, 8, 8, 8 9, 8 Kapitalkostnader 0 US/kWh*) 0, 0,9 0, 0,8,8, ränslekostnader 0 US/kWh*),9,9,,,, riftkostnader 0 US/kWh*) 0,8 0,8 0,8 0, 0,8 0,8 Intäkter från elkraftförsäljning 0 US/kWh*),0,,, 8,, Värmeproduktionskostnader 0 US/kWh*),09,8 0,9 0,0, 0, Randvillkor: Värmeeffekt ca. 0 MW Vattnets framledningstemperatur 9 Vattnets returledningstemperatur 0 Årlig amortering 0,% (8% ränta, 0 år) ränslepris (kan förändras) US,/J (naturgas) lkraftpris (intäkt), 0 US/kWh *) kwh värme kvivalent drifttid 000 h/a Tidning /99 9

7 Y 0 US $ kwh 0 fentliga nätet. Försäljning av egenproducerad elkraft till det offentliga kraftbolaget kan vara en mycket fördelaktig lösning, allt efter kraftbolagets policy och vilket pris som kan förhandlas fram. enerellt gäller att kraft-/värmekvoten är hög i ett kombikraftverk, varför elkraft kan levereras till kraftbolaget. Kombikraftverket med avtappningsturbin kännetecknas av hög flexibilitet i värmeproduktionen och är dessutom så stort att elkraft kan säljas. enna variant är därför oftast den bästa i tillämpningar med hög driftflexibilitet. Vilka inkomster som kan förväntas från försäljningen av elkraft är dock en förhandlingsfråga. 9 visar den ekvivalenta drifttidens inverkan på elproduktionskostnaden för kraftverkstyperna och. 8 0 US $ 8 Y kwh lprisets inverkan på värmeproduktionskostnaden för olika typer av kraftvärmeverk... Y Y Kraftverkstyper Värmeproduktionskostnad Intäkter från försäljning av elenergi 0 Jämförelse av driftekonomin hos olika kraftvärmeverk För kraftvärmeverk är utgångsläget ett annat än för industrikraftverk. en mest ekonomiska lösningen är den som ger lägst produktionskostnader för värme. å kostnaderna för ett kraftvärmeverk Tabell : För- och nackdelar med kraftverkstyperna till Kraftverkstyp Fördelar Nackdelar Ångkraftverk med ög bränsleutnyttjandegrad egränsad flexibilitet mottrycksångturbin nkel konstruktion vid konstruktion och drift Lämpligt för bränslen av låg kvalitet Ångkraftverk med ög flexibilitet vid öga anläggningskostnader avtappningsångturbin konstruktion och drift Stort kylvattenbehov Lämpligt för bränslen av låg kvalitet Kombikraftverk med gasturbin ög bränsleutnyttjandegrad Måttlig verkningsgrad vid dellast och avgaspanna nkel konstruktion Mindre lämpat för bränslen Kort leveranstid av låg kvalitet Kombikraftverk med ög bränsleutnyttjandegrad Måttlig verkningsgrad vid dellast mottrycksångturbin Relativt låga investeringskostnader Mindre lämpat för bränslen av låg kvalitet Kombikraftverk med ög flexibilitet vid konstruktion Mindre lämpat för bränslen avtappningsångturbin och drift av låg kvalitet Medelhöga investeringskostnader Måttligt kylvattenbehov 0 Tidning /99

8 beräknas, betraktas den elektriska energin som en biprodukt som ger vissa inkomster, vilka kan avräknas från driftkostnaderna. e effektiva produktionskostnaderna för värmen kan beräknas enligt följande formel: Y = Y Y Y fuel I N Ψ Q fuel U I Ψ N + Q fuel Y fuel + U + N Y () Värmeproduktionskostnad (valutaenhet/kwh, termisk) Försäljningspris för elkraft (valutaenhet/kwh) ränslepris (valutaenhet/kwh) Investeringskostnader, inklusive skatter och försäkring (valutaenhet) kvivalent årlig drifttid (h/år) Årlig amortering (/år) enererad värmeeffekt (kw) Tillförd bränsleenergi (kwh) riftkostnad (valutaenhet/år) enererad elektrisk effekt (kw) I tabell jämförs olika kraftvärmeverkstyper med varandra, under förutsättning av ett värmebehov på ca 0 MW och en ekvivalent drifttid på 000 h/år. tt kraftvärmeverk täcker i regel bara basbehovet i ett värmedistributionsnät. n avtappningsångturbin i ett kombikraftverk eller i ett konventionellt ångkraftverk styrs däremot av rådande värmebehov och befinner sig därför i drift under mer än 000 timmar per år. nläggningen levererar samtidigt elektrisk energi som biprodukt och som en viktig inkomstkälla. å grund av det höga kraft/värmeförhållandet i jämförelse med andra kraftverkstyper får kombikraftverken störst inkomster från försäljningen av elektrisk energi. riftekonomin blir därmed beroende av elkraftprisets rörelse. Vid ett högt elkraftpris är kombikraftverket den mest ekonomiska lösningen. Sjunker priset blir andra kraftverkstyper fördelaktigare. 0 visar elkraftkostnadens inverkan på värmeproduktionskostnaden. Om elkraftpriset överstiger US 0,0/kWh är i detta exempel kombikraftverket ekonomiskt fördelaktigast, framför allt då kombikraftverket med avtappningsångturbin. Tack Kombikraftverket iemen i Nederländerna ett kraftvärmeverk av typ vare sin flexibilitet i värmeproduktionen produceras elektrisk energi som biprodukt under hela året. Slutsatser Tabell ger en översikt över för- och nackdelarna med olika koncept för kombinerad kraft- och värmeproduktion. et visar sig att kombikraftverk i de flesta fall erbjuder den bästa lösningen. Till detta kommer att kombikraftverk kan drivas på Tabell : Tekniska data för kombikraftverket iemen i Nederländerna ett enkelt och ekonomiskt sätt i kombination med hög bränsleutnyttjandegrad. tt exempel på en sådan anläggning är kombikraftverket iemen i Nederländerna. et kommer i år att ersätta de båda konventionella gas- respektive oljeeldade blocken iemen och, för att därmed säkerställa leveranserna till sydöstra msterdams fjärrvärmenät. en huvudsakliga fördelen med den nya anläggningen ligger i dess nettoverkningsgrad llmänna data Kraftbolag: nergieproduktiebedrijf UN Kraftverkstyp: Kombikraftvärmeverk, typ riftsättningsår: 99 ffektdata riftsätt lproduktion Värmeproduktion på sommaren på vintern Kombikraftverk med gasturbin x K- (T) Totaleffekt (brutto) MW 8 MW asturbinens elproduktion (brutto) MW MW Ångturbinens elproduktion (brutto) 9 MW MW Värmeproduktion 0 MW 9 MW Verkningsgrad (brutto), % 8, % ränsleutnyttjandegrad (netto), % 88 % Märkfrekvens 0 z NO x -emission g/j värmetillförsel Tidning /99

9 L I 8 9 I L 0 rincipschema för kombikraftverket iemen asturbingenerator Matarvattenpumpar ögtrycksdel Kompressor 8 Ångturbin I Mellantrycksdel rännkammare 9 Ångturbingenerator L Lågtrycksdel asturbin 0 Kondensor vgaspanna Värmeväxlare för fjärrvärmenätet Matarvattentank/avgasare Kondensatpump på,%, en av de högsta i världen. Tabell ger en översikt över anläggningens huvudsakliga tekniska data, medan visar anläggningens principschema. s beprövade ry low No x -Vbrännare sörjer för att Nederländernas stränga emissionskrav uppfylls med marginal, utan att verkningsgraden inskränks. Ångkraftverk är intressantare än kombikraftverk endast i de fall då bränsle av låg kvalitet måste användas, bränslen som endast i begränsad omfattning kan användas för gasturbiner. Å andra sidan kan vi konstatera att miljökraven ofta gör högvärdiga bränslen till den enda lösningen, och kombikraftverken blir då ändå det bästa alternativet. Referenser [] Schwarzenbach,.: rundsätzliche Überlegungen zur Strom-Wärme-Kopplung. rown overi Mitt. (980), 0. [] Kehlhofer, R.: Vergleich von Kraftwerken für Wärme-Kraft-Kopplung. rown overi Mitt. (980) 8, 0. [] Schwarzenbach,.; Wunsch,. K.: lanering av flexibla system för elproduktion. Tidning /89, 9. [] Ziegler,.; Lercher,.: egus, the world s most efficient power station. SM-publ., Oct. 990, district heating. [] lancherel,.: Kombiprincipen har etablerat sig som framtidens system för elproduktion. Tidning 8/9,. [] Nielsen,.; Warner, J.: tt omfattande urvalsförfarande möjliggör optimal dimensionering av kombikraftverk. Tidning 8/9,. [] Frutschi,. U.: asturbiner med sekventiell förbränning för kraftvärmeverk. Tidning /9, 9. Författarens adress nton Rohrer Kraftwerke ostfach -0 aden/schweiz Fax: + (0) 0 0 Tidning /99