System med ångpannor och mottrycksturbiner för generering av processånga Förändringsmöjligheter för ångcentral på AAK Karlshamn

Transkript

1 ISRN LUTMDN/TMHP 10/5205 SE Kkk ISSN System med ångpannor och mottrycksturbiner för generering av processånga Förändringsmöjligheter för ångcentral på AAK Karlshamn David Åström Thesis for the Degree of Master of Science Division of Thermal Power Engineering Department of Energy Sciences Faculty of Engineering, LTH Lund University P.O. Box 118 SE Lund Sweden 1

2 Abstract In this study the possibilities for a new steam boiler and a replacement of the old back pressure turbine at AAK Karlshamn are investigated. AAK is a company that refines vegetable oils and one of the factories is in the town Karlshamn in Sweden. At AAK Karlshamn process steam and electricity is generated in a cogeneration facility whit several boilers and a back pressure turbine. To continue whit a reliable steam generation and electricity production a new boiler and steam turbine are required. There are many alternatives for the new boiler and turbine, for example the choice of boiler pressure and superheater temperature and the number of bleeds or extractions from the turbine. For estimation of electricity production and steam demand the power plants simulation program IPSEpro is used. At first a simulation of today s cogeneration facility was done as a base for the continued simulations of the future alternatives. The results from the simulations of the different solutions were then regarded in the decision of which alternatives to continue whit. To discuss the different alternatives and get a better idea of which specifications for the boiler and turbine that is reasonable contact was taken whit manufacturers of boilers and steam turbines. For the turbine Siemens in Finspång, Sweden was contacted and data for the use of process steam were used for their calculations resulting in a suggestion of a turbine. Some questions were sent to the steam boiler manufacturer MW Power in Finland to check if the specifications of the turbine also were realistic for the boiler. No clear choice of boiler or turbine has resulted from this study. The communication whit manufacturers of boilers and turbines has only begun and a big amount of technical and economical calculations is to be done. Svensk sammanfattning I detta arbete undersöks möjligheterna för en ny ångpanna och ett utbyte av den gamla mottrycksturbinen på AAK Karlshamn. AAK är ett företag som sysslar med förädling av vegetabiliska oljor och en av fabrikerna ligger i staden Karlshamn i Sverige. På AAK Karlshamn genereras processånga och elektricitet i en samgenereringsanläggning med ett flertal pannor och en mottrycksturbin. För att fortsätta med en pålitlig ånggenerering och elproduktion så behövs en ny panna och ångturbin. Det finns många alternativ för den nya pannan och turbinen, till exempel valet av panntryck och överhettartemperatur och antalet hålavtappningar eller kontrollerade avtappningar från turbinen. För uppskattning av elproduktion och ångbehov så används kraftverksimuleringsprogrammet IPSEpro. Först gjordes en simulering av dagens samgenereringsanläggning som de fortsatta simuleringarna av de framtida alternativen sedan baserades på. Resultaten från simuleringarna av de olika lösningarna beaktades sedan i valet av alternativ att gå vidare med. För att diskutera de olika alternativen och få en bättre uppfattning om vilka specifikationer för pannan och turbinen som är rimliga så togs kontakt med tillverkare av pannor och ångturbiner. För turbinen kontaktades Siemens i Finspång, Sverige och data över användning av processånga användes i deras beräkningar vilket resulterade i ett förslag på en turbin. Ett antal frågor skickades till ångpannetillverkaren MW Power i Finland för att kontrollera om turbinens specifikationer även var realistiskt för pannan. Detta arbete har inte resulterat i något klart val av panna och turbin. Kommunikationen med tillverkare av pannor och turbiner har bara börjat och en stor mängd tekniska och ekonomiska beräkningar återstår att göra. 2

3 Förord Detta examensarbete har gjorts som ett samarbete mellan Lunds tekniska högkola och AAK Karlshamn under höstterminen 2009 och delar av vårterminen Den mesta tiden har tillbringats på Kraftverksteknikavdelningen på Lunds tekniska högskola medans besök på AAK Karlshamn har gjorts med jämna mellanrum. Eftersom AAK Karlshamn är uppdragsgivaren så är arbetet gjort helt enligt deras önskemål och rapporten är huvudsak inriktad mot de förutsättningar som finns där. Jag har uppskattat att få göra detta examensarbete och tyckt att det har varit mycket intressant. Tack till Nils-Erik Magnusson (min handledare på AAK) som är den huvudsakliga källan till rapporten och som tillhandahållit det mesta materialet i arbetet. Tack till Klas Jonshagen (min handledare på LTH) för hjälp med simuleringar och med arbetets utformning i övrigt. Tack till min examinator Magnus Genrup (Kraftverksteknikavdelningen, LTH) för förmedling av examensarbetet och för hjälp och synpunkter under arbetets gång. Tack även till Magnus Andersson på AAK Karlshamn, Michael Mazur på Siemens Industrial Turbomachinery i Finspång samt Mikael Barkar och Thomas Claesson på MW Power. David Åström, Lund 19 februari

4 Innehållsförteckning Inledning... 7 Problembeskrivning och bakgrund... 7 Avgränsning Litteratur Metodik Syfte Forskningsfråga Undersökningsmetoder och struktur på undersökningar Kraftverksimuleringsprogrammet IPSE Anläggningar för processånga och elproduktion Framtidsutsikter Samgenerering med ångpanna och ångturbin Samgenrering för olika behov av processånga och elektricitet Att effektivisera anläggningar för samgenerering Strategier för förbättrad ånggenerering och elproduktion Systemtänkande och systematiskt effektiviseringsarbete Potential för energibesparingar Befintlig anläggning Inledning Metod Modell i IPSE Driftfall använda i simulering Uppskattning verkningsgrad turbin och generator Resultat November Maj Diskussion Olika alternativ för ny anläggning Inledning Metod Beskrivning av tänkbara alternativ IPSE-modeller alternativ för framtida lösning Resultat

5 Panna, turbin 40 bar Panna, turbin 70 bar Panna 70 bar, turbin 40 bar Simuleringar med majdriftfallet Diskussion Bedömning av olika alternativ Ny ångpanna Inledning Samproduktion av el och processånga Biobränsleeldade kraftverk Panntekniker Panna med cell för biobränsleeldning Pinnhålsroster Rörlig roster Skakroster Torkning och malning före eldning i brännare Fluidiserad bädd Bränslen Att elda träbränslen och andra biobränslen Kombinationer av biobränslen och fossila bränslen Komponenter i ångpannan Roster Bränslespridare Brännare Eldstad Överhettare Förångare Economizer Luftförvärmare Extern utrustning Förbränningsluftsystem Utsläpp och rökgasrening Rökgasreningsutrustning Miljöpåverkande utsläpp

6 Ungefärligt val av panna Val av teknik Krav på ny ångpanna för olika alternativ Ny turbin Olika typer av turbiner Konstruktion Teori Reglering För- och nackdelar olika alternativa lösningar Kapacitet och elproduktion Temperatur och tryck Avtappningar Ungefärligt val av turbin Krav på turbin för olika alternativ Metod för att välja turbin Förslag turbin Påverkan IPSE-simuleringar, vald turbins prestanda Slutsatser Referenser Bilagor Bilaga 1: IPSE-simulering av nuläge, novemberdriftfall Bilaga 2: IPSE-simulering av nuläge, majdriftfall Bilaga 3: IPSE-simulering ny panna och turbin 40 bar, avtappning 20 bar, novemberdriftfall Bilaga 4: IPSE-simulering ny panna och turbin 40 bar, avtappning 20 bar, majdriftfall Bilaga 5: IPSE-simulering ny panna och turbin 40 bar, ingen avtappning, novemberdriftfall Bilaga 6: IPSE-simulering ny panna 70 bar, turbin 36 bar, avtappning 20 bar novemberdriftfall Bilaga 7: IPSE-simulering ny panna 70 bar, turbin 36 bar, ingen avtappning, novemberdriftfall Bilaga 8: IPSE-simulering ny panna och turbin 70 bar, avtappning 36 och 20 bar, novemberdriftfall Bilaga 9: IPSE-simulering ny panna och turbin 70 bar, avtappning 20 bar, novemberdriftfall Bilaga 10: IPSE-simulering ny panna och turbin 70 bar, avtappning 20 bar, majdriftfall Bilaga 11: IPSE-simulering ny panna och turbin 70 bar, ingen avtappning, novemberdriftfall

7 Inledning Syftet med examensarbetet är att undersöka möjliga förändringar för ångcentralen på AAK Karlshamn. De förändringar som kan komma ifråga är att bygga en ny ångpanna och att byta ut den gamla turbinen. Det finns i ångcentralen tre stycken ångpannor som i huvudsak eldas med träpellets och restprodukter från tillverkningen. Den nya ångpannan ska ersätta dessa pannor som sedan endast ska användas som reserv för den nya pannan. Dessutom ska den äldsta pannan tas helt ur drift. Det finns en del problem med ångcentralens pannor och den äldsta pannan har speciellt låg verkningsgrad. Turbinen ska ersättas eftersom den inte är i speciellt bra skick så att det är osäkert hur länge till den kan köras utan att haverera. Dessutom har en betydande försämring av isentropverkningsgraden kunnat konstateras vid en mätning på turbinen. Problembeskrivning och bakgrund AAK i Karlshamn förädlar vegetabiliska fetter och i dessa processer används ånga vid olika tryck och temperaturer. Huvuduppgiften för de pannor som används idag är att förse dessa processer med ånga. Dessutom så produceras en mindre mängd elkraft med en mottrycksturbin som expanderar ångan från pannorna ner till 7 bar (abs). Endast några få procent av energin i bränslet som används i pannorna blir till elektricitet i turbinens generator. För den nya pannan och turbinen finns det olika valmöjligheter. En sak som behöver undersökas är vilka ångdata den nya pannan bör ha. Detta är sammankopplat med valet av turbin då turbinen måste klara dessa tryck och temperaturer. Att det är en mottrycksturbin innebär att trycket i turbinens utlopp är relativt högt vilket medför att tillräckligt mycket värme lämnas kvar i utloppsångan för att denna ska kunna användas som värmetillförsel i någon typ av processer. Detta till skillnad mot ett kondenskraftverk där trycket i turbinens utlopp skulle vara lägre än atmosfärstrycket och ångan ut från turbinen skulle ha kondenserats i en kondensor. Den varianten som används i ett kondenskraftverk har fördelen att mer elektricitet kan produceras medan mottrycksturbinen har fördelen att den lämnar kvar tillräckligt med värmeenergi i ångan som ska användas som värmekälla. I följande hs-diagram illustreras skillnaden mellan expansionen i en mottrycksturbin och en kondensturbin. Inlopps ångdata för turbinen är markerad med punkten 1 där trycket är 37 bar (abs) och 400 C. För mottrycksturbinen sker expansionen till trycket 7 bar (abs) vilket markeras med punkten 2M. I denna punkt är temperaturen 210 C vilket innebär att en hel del värme lämnas kvar i utloppsångan från turbinen. För att exemplifiera en turbin i ett kondenskraftverk så visas vad som händer i hs-diagrammet om expansionen fortsätter ner till 0,1 bar. Punkten 2K visar tillståndet i kondensturbinens utlopp vilket är en blandning av ånga och vatten. Denna blandning håller mättnadstemperaturen vid 0,1 bar vilket är 46 C. Till skillnad mot mottrycksturbinen så håller denna ång- och vattenblandning alldeles för låg temperatur för att användas till uppvärmning i processer. Det blir en betydligt större skillnad i entalpi mellan inlopps- och utloppsångan för kondensturbinen än för mottrycksturbinen. Entalpiskillnaden är det arbete som utförs per kg ånga som expanderar genom turbinen vilket för mottrycksturbinen betecknas w M och för kondensturbinen w K. Med samma ångflöde kan alltså mer elektricitet produceras i en kondensturbin än för en mottrycksturbin. 7

8 h (Entalpi) 1 37 bar abs bbarbar 400 C w M 7 bar abs w K 2M 210 C 0,1 bar abs; 46 C 2K s (Entropi) Figur 1: hs-diagram mottrycks- och kondensturbin En mottrycksturbin kan ha olika avtappningar för ånga med högre tryck då detta behövs för vissa processer. På AAK i Karlshamn används ånga med tre olika tryck för olika uppvärmningsbehov. Dessa är 35 bars ånga (36 bar abs), 20 bars ånga (21 bar abs) och 6 bars ånga (7 bar abs). 35 bars ångan kommer direkt från pannorna medan 20 bars ångan fås genom att sänka trycket på ångan från pannorna med en reducerventil. Den största delen av ångan från pannorna expanderar genom turbinen och används sedan som 6 bars ånga. Den radialturbin som används i dagsläget har alltså inga avtappningar. Den skulle kunna ha en 20 bars avtappning men detta har istället lösts genom att strypa ner 35 bars ånga till 20 bar. Figuren på nästa sida visar skovelsystemet för den mottrycksturbinturbin som finns på AAK Karlshamn. Detta är en Stal-Laval radialturbin med turbinskovlar som roterar åt motsatt håll, en så kallad motrotationsturbin. Turbinen har en maxeffekt på 3,2 MW vilket uppnås genom att använda överlastskanalen förbi första turbinsteget. Vid effekter över 3 MW så klarar inte första turbinsteg att ta emot all ånga så en del av ångan går endast genom andra turbinsteget vilken då står för den extra effekten över 3 MW. Normal ångdata i turbinens inlopp är 37 bar (abs) och 400 C medans den under kontinuerlig drift maximalt klarar 42,1 bar (abs) och 425 C. Turbinen regleras så att den håller mottrycket 7 bar (abs). Turbinens inlopp består av ett rör som i figuren är numrerad med siffran 12. Därifrån går ångan till första turbinsteget numrerat med siffran 1. Turbinsteget består av två mottroterande turbinskivor så att varannan skovel roterar åt det ena hållet och varannan åt det andra hållet. Detta medför att skovlarna relativt varandra får dubbelt så hög rotationshastighet som de båda turbinskivornas axlar. Även det andra turbinsteget som är numrerat med siffran 3 består av motroterande skovlar. Det första och andra steget förbinds med mellantryckskanalen numrerad 2. De turbinskivor i första och andra steget som roterar åt samma håll är förbundna med varandra så att de driver samma axel. Dessa par av turbinskivor är numrerade 4 och 6 respektive 7 och 8. Efter andra turbinsteget finns turbinens utlopp vilket syns överst i figuren. 8

9 Figur 2: Stal-Laval radialturbin Den frågeställning som har störs betydelse är huruvida ångdata ska vara densamma för den nya och de gamla pannorna eller om ett högre tryck och temperatur ska användas i den nya pannan. Fördelen med ett högre tryck och temperatur är att mer elkraft kan produceras med turbinen. Nackdelen är att detta ställer högre krav på pannan och turbinen då material måste användas som tål dessa höga tryck och temperaturer. Dessutom så gör den mer komplicerade ångkemin att föroreningar i matarvattnet kan ställa till problem. Eftersom huvudsyftet är att generera ånga så är ett högre panntryck endast att föredra då detta inte leder till en stor ökning av priset på en ny panna och turbin. Det lägsta tryck som kan väljas för den nya pannan är cirka 40 bar, alltså samma som för de gamla pannorna. Frågan är om det i dagsläget blir så mycket billigare med en sådan panna eller om man hellre skulle kunna välja 70 bar eller mer. Om 70 bar väljs så är tanken att ånga med detta höga tryck ska kunna användas istället för de två gasolpannor som finns externt det övriga ångnätet. Gasolpannorna finns i två olika byggnader en bra bit ifrån ångcentralen. Till dessa byggnader behövs ångledningar från den nya pannan och även kondensatledningar som återför kondensatet. Att det behövs 70 bar för detta beror på att gasolpannorna som finns där i dagsläget ger mättad ånga vid som mest 70 bar. Ännu högre tryck än 70 bar skulle kunna tänkas om detta inte blir för dyrt. En annan sak man skulle kunna göra för att öka elproduktionen är att sänka mottrycket för turbinen. I så fall måste det finnas användningsområden för denna ånga med lägre tryck. En idé är att sänka mottrycket till 3 bar men i så fall måste en hel del av de förbrukare av 6 bars ånga som finns idag gå över till 3 bars ånga istället. Det är inte säkert att detta går då 3bars-ångan håller en lägre mättnadstemperatur vilket gör att den inte kan användas för uppvärmning i alla applikationer. På ett ungefär kan mättnadstemperaturen räknas ut med sambandet där p är absoluttryck mätt i bar. Detta ger för 6 bars ånga (7 bar abs) och tre bars ånga (4 bar abs) mättnadstemperaturen 163 C respektive 141 C. Avläsning i ångtabell ger mättnadstemperaturen 165 C för ånga vid 7 bar (abs) och 144 C för ånga vid 4 bar (abs). 9

10 Avgränsning Examensarbetet är avgränsat främst till de tekniska aspekterna av en ombyggnad av ångcentralen. För att avgöra vilket alternativ som är det bästa så har även ekonomiska frågor betydelse. Resultatet är tänkt att bli ett antal rimliga lösningar med en ny panna och en ny turbin. I arbetet ingår det att ta reda på för och nackdelar för olika lösningar, vilka ombyggnader som behöver göras för de olika alternativen och vad som blir skillnaden i elproduktion. För beräkningarna ska kraftverksimuleringsprogrammet IPSE användas. För panna och turbin måste rimliga uppskattningar användas för prestanda. I ett senare skede skulle frågor kunna ställas till pann- och turbintillverkare. I första hand görs detta för att få reda på prestanda för rimliga val av panna och turbin men även i viss mån för att ta få en uppfattning om ekonomiska aspekter. Litteratur Litteratur som används i examensarbetet handlar dels om ångpannor och dels om turbiner. Så tanken är att litteraturstudien ska göras i två olika delar, en som handlar om pannor och en som handlar om turbiner. I den del som handlar om pannor så har jag tänkt skriva om olika typer av pannor där olika tekniker används till förbränningen. Detta för att komma fram till vilken typ av panna som är lämplig att välja. Dessutom kan det vara intressant att få reda på vilka skillnaderna blir för pannans konstruktion då ett högre tryck och temperatur används. Likaså är det av intresse att ta reda på vad skillnaderna blir för turbinen då mer avancerade ångdata används. Även här går det att skriva om vilka tekniker som finns och vad som skiljer dem åt. Metodik Tillvägagångssättet som används är att samla information om ångcentralen från anställda på AAK. Denna information utgörs bland annat av hur de viktigaste delarna av ångcentralen fungerar samt den statistik som finns för driften av ångcentralen. Detta används sedan för att göra en modell av ångcentralen i simuleringsprogrammet IPSE. IPSE används för att simulera termodynamiska processer och energiomvandlingar i kraftverk. Senare så görs nya simuleringar där olika förändringar med ny panna och ny turbin testas. Dessa byggs upp med modellen av den verkliga anläggningen som grund. Tanken är att IPSE-simuleringarna ska vara vägledande för att avgöra vilka alternativ som är de mest lämpliga. För att dessa simuleringar ska bli bra så krävs realistiska värden för pannans och turbinens prestanda. För att komma fram till dessa så behöver data tas fram för någon jämförbar panna och turbin. För detta kan det vara tänkbart att fråga någon panntillverkare och turbintillverkare. Syfte Målsättningen för examensarbetet är att komma fram till den för AAK i Karlshamn bästa lösningen för ombyggnad av deras ångcentral med en ny panna och en ny turbin. Problemet är alltså att hitta alternativa lösningar för ombyggnaden av ångcentralen och bedöma vilka av dessa som är de bästa. Resultatet av mitt arbete blir främst IPSE-simuleringarna. När jag är klar så kommer jag presentera flera olika alternativ och väga för och nackdelar emot varandra. Kanske kommer jag fram till en lösning som jag bedömer som mest lämplig enligt kriterierna i forskningsfrågan. Men detta behöver inte nödvändigtvis stämma överens med det AAK bestämmer sig för om nu några ombyggnader ska göras över huvud taget. Som diskussion i min rapport kommer jag ta upp för och nackdelar med de olika alternativen utöver de beräkningar jag har gjort. 10

11 Forskningsfråga Vilken konfiguration med panna och turbin passar bäst för AAK i Karlshamn? Den lösning som ska väljas är en som passar uppdragsgivarnas erfarenhet och som de tror på. Den ska ge bra prestanda enligt IPSE-simuleringar och bedömas som ekonomiskt försvarbar (någon fullständig utredning av kostnader ska ej ingå i examensarbetet). Lösningen som väljs ska passa även i framtiden vad gäller bränslen och ångkapacitet. Undersökningsmetoder och struktur på undersökningar De undersökningsmetoder jag använder i mitt examensarbete kan sägas vara intervjuer, matematiska experiment och fallstudier. Det som kan sägas vara intervjuer är undersökningen av utbudet av pannor och turbiner där frågor behöver ställas till tillverkare eller andra experter. Dessa frågor kan tillexempel handla om vad för ångdata som kan vara rimligt vid val av ny panna. Dessutom borde någon slags förfrågan ställas till pann- och turbintillverkare då det är klart ungefär vad för panna och turbin som ska väljas. Detta för att bättre få reda på vad för prestanda en ny panna och turbin skulle kunna ha. För att väga olika alternativ för panna och turbin mot varandra används simuleringar i IPSE. Detta är en typ av matematiska experiment vilka ska vara vägledande för att välja specifikationerna på den nya pannan och turbinen. För att få rimliga värden på prestandan för panna och turbin så kan en slags fallstudier användas. Man skulle till exempel från tillverkare kunna få fram data för pannor och turbiner som ungefär motsvarar de alternativ som övervägs för AAK i Karlshamn. De avsnitt i rapporten som handlar om IPSE-simuleringarna kommer ha en struktur där metod först beskrivs och sedan resultat och diskussion. Metoden är hur IPSE-modellen är uppbyggd, vilken indata/statistik som används i simuleringarna och vad som måste räknas ut. Resultatet är alla de parametrar som beräknats. Speciellt intressanta resultat är de olika verkningsgraderna samt elproduktionen. Olika variationer av parametrar skulle också kunna tas med i resultatet. Diskussionen går dels ut på att ta upp olika osäkerhetsfaktorer och diskutera rimligheten i resultatet. Dels går den ut på att bedöma utfallet av simuleringen. Vad i resultatet var bra och dåligt, vilka för och nackdelar finns utöver det som framkommit i IPSE-simuleringarna. Kraftverksimuleringsprogrammet IPSE IPSE är ett simuleringsprogram för termodynamik och energiomvandling i kraftverk och andra anläggningar. Det används främst för att simulera ångkraftcykler men även rökgaser från en panna eller gasturbin kan tas med i simuleringen. Då en modell av ett kraftverk byggs så används olika komponenter i vilka olika media passerar igenom. För varje komponent finns en modell som består av några rader (eller många rader) programkod med ekvationer som avgör vad som händer i komponenten. Detta kan tillexempel vara att värme i den ånga som passerar en turbin omvandlas till arbete på turbinens axel. Men den maximalt teoretiskt möjliga mängden värme kan inte omvandlas till arbete i turbinen. Därför har turbinen en verkningsgrad vilken utgör en av parametrarna i simuleringen som antingen måste vara bestämd från början eller räknas ut. Andra parametrar är tryck och temperatur för den ånga eller vatten som finns i ledningarna komponenterna är sammanlänkade med. Totalt sett så måste det i simuleringen finnas lika många ekvationer som det finns variabler, alltså de fria parametrar som man med hjälp av simuleringen vill räkna ut. IPSE fungerar som en ekvationslösare som löser de ekvationer som finns i komponenterna. 11

12 Anläggningar för processånga och elproduktion Annläggningar för att både generera ånga och producera elkraft har fördelen att den värme som inte tas till vara i ångturbinen istället används som processånga. Eftersom både elproduktionen och värmen i processångan är användbar energi så blir totalverkningsgraden för en sådan anläggning hög. Detta till skillnad mot ett kondenskraftverk där stora mängder värme måste kylas bort i en kondensor. I fallet med kondenskraftverket är endast elproduktionen den nyttiga energin och verkningsgraden blir därför betydligt lägre än då både elenergi och processånga genereras. Ytterligare ett alternativ är att generera processånga med ångpanna men inte använda någon turbin. Att ha en eller flera ångpannor för generering av processånga med eller utan turbin är de alternativ det står emellan i en industri där ånga behövs till uppvärmning i processer. Fördelen med att använda en turbin är att ångan med högt tryck och temperatur som kommer direkt från pannan inte behöver användas direkt som processånga utan först kan gå genom turbinen. Den ånga som kommer ut från turbinen har lägre tryck och temperatur och denna ånga duger till att använda till uppvärmning i vissa processer. På köpet så produceras turbinens generator elektricitet vilket är en mer lätthanterlig och användbar energiform än värmen i processångan. Då ånga med en högre temperatur behövs för andra uppvärmningsbehov så kan det finnas avtappningar i turbinen där ånga tas ut vid ett högre tryck än det som är turbinens mottryck. Denna ånga bidrar inte lika mycket till elproduktionen som den ånga som går hela vägen genom turbinen och därmed tas ut som processånga vid det lägsta trycket. (1) Elproduktionen från en anläggning med mottrycksturbin är beroende av tryck och temperatur på ångan före och efter turbin. Ju högre trycket och temperaturen är på ångan från pannorna och ju lägre trycket är i turbinens utlopp desto mer elektricitet kan produceras medans mängden processånga är oförändrad. Anläggningens elverkningsgrad kommer alltså att öka. Men det finns begränsningar i vilka tryck och temperaturer det är möjligt och ekonomsikt lönsamt att gå upp i. Speciellt i mindre anläggningar så kan inte speciellt höga tryck och temperaturer väljas då detta skulle leda till en alltför dyr panna och turbin. För trycket i turbinens utlopp finns begränsningen att ångan inte får bli så kall att den inte kan användas till uppvärmning i fabrikens processer. Det måste alltså finnas ett användningsområde för ångan ut från turbinen annars faller hela idén med att även ta till vara på den energi som inte går att använda till att producera el. För att höja elverkningsgraden ytterligare så kan en gasturbin användas där avgaserna används till en avgaspanna som genererar ånga för användning i turbin och som processånga. Vid detta alternativ så kan totalverkninggraden för anläggningen ligga mellan %. Men i princip så kan endast naturgas användas som bränsle för gasturbinen och detta är också en mera avancerad lösning jämfört med att endast använda sig av ångpanna och ångturbin. (1) Anläggningar för processånga och elproduktion inom industrin är vanligtvis mycket mindre än kraftverk vars syfte är att producera el och fjärrvärme till externa förbrukare. Förutom att totalverkningsgraden blir hög så finns det ytterligare ett antal fördelar med samgenerering av el och processånga. En av dessa är möjligheten att använda processånga till att producera fjärrvärme. Fjärrvärme kan produceras och säljas då behovet är särkilt stort så att anläggningen fungerar som en reserv till fjärrvärmenätet. Detta kan också göras för att hålla uppe elproduktionen under perioder då det egna behovet av processånga är lågt. (1) En variant för att producera fjärrvärme är att använda sig av en kondensdel på turbinen, en så kallad kondenssvans. Denna arbetar mot ett lågt tryck för vilket mättnadstemperaturen är anpassad efter 12

13 fjärrvärmens temperatur. Ångan ut från kondenssvansen används sedan till att producera fjärrvärme i en fjärrvärmekondensor. I figuren nedan visas en schematisk bild på turbinen med mottrycksdel och kondenssvans. Ångan från mottrycksdelen som i exemplet i figuren håller trycket 3 bar används dels som processånga och dels som inloppsånga i kondenssvansen. Fördelen med att ha kondenssvansen istället för att använda ångan från mottrycksdelen direkt för att producera fjärrvärme är att turbinens kondensdel ger en ökad elproduktion. Mottrycksdelen och kondenssvansen sitter på samma axel och måste därför vara igång samtidigt. För att kyla kondenssvansen så krävs det ett visst ångflöde genom denna även då ingen fjärrvärme produceras. Figur 3: Turbin med kondenssvans för fjärrvärme I fall det finns möjlighet att producera mer el än vad som behövs internt så kan detta göras då elpriset är särkilt högt eller då den egna elförbrukningen är låg. En annan fördel är att turbinen kan fungera som reservkraft så att en del elektricitet kan användas internt även vid strömavbrott. En anläggning för samgenerering av processånga och elkraft gör att behovet av att köpa in el utifrån minskar. Samtidigt tas den största delen av energin i bränslet tillvara vilket gör att kostnaderna för den egna elproduktionen blir låga. I fall den egna anläggningen endast skulle generera processånga och all elektricitet skulle produceras separat i ett kraftverk så skulle det totalt sett behövas mer bränsle än vid samgenerering. Den mindre mängden bränsle som går åt vid samgenerering av processånga och elektricitet gör att utsläppen generellt sett blir lägre. (1) Att en mindre mängd bränsle behövs och att utsläppen minskar gör att kostnaderna för samgenerering blir lägre än för att generera processånga separat och köpa in elenergi utifrån. Den mindre bränsleanvändningen och de minskade utsläppen visar sig indirekt genom de lägre inköpskostnaderna för elektricitet. Bränslekostnadernas andel av försäljningspriset på elenergi kan i ett kraftverk uppgå till %. På samma sätt så påverkas elpriset av kostnaderna för utsläppen, till exempel i form av olika avgifter. Dessutom så kan det i sig själv vara ett mål att minska utsläppen. Tabellen nedan visar typiska minskningar av utsläppsmängderna då både processånga och elkraft genereras i en anläggning där ångpannan är på 5,9 MW. Den totala utsläppsminskningen för att gå över till samgenerering av processånga och elkraft visas i tabellen för ett antal olika pannor som eldas med olika bränslen. Dessa bränslen är kol, eldningsolja och naturgas. (1) 13

14 Tabell 1: Minskningar i utsläpp vid övergång från separat generering av processånga och elkraft till samgenerering Bränsle Utsläppsmängder [kg/år] Bränslebesparing PM 10 SO x NO x CO Kol kr Eldningsolja kr Naturgas kr (1) Värdena i tabellen visar att den totala minskningen av utsläppsmängderna blir kg/år vid eldning av kol, kg/år för eldningsolja och 7500 kg/år för naturgas. Alltså blir vinsten i utsläppsmängder som störst för övergång till samgenerering vid eldning av kol medans minskningen blir betydligt lägre för olja och naturgas. Värdet av det bränsle som har sparats genom att gå över till samgenerering blir som störst för olja följt av naturgas. För dessa två är det i huvudsak minskade bränslekostnader som är vinsten medans vinsten för koleldning i högre grad är utsläppsminskningarna. (1) Framtidsutsikter Tekniken för att både generera elektricitet och ånga till uppvärmning har använts i över 100 år. Men förutom att det finns fördelar så finns det även en del hinder för en fortsatt utbyggnad. Att behovet av ny elproduktion inte ökar speciellt snabbt och att det finns svårigheter för samgenerering i industrier gör att utsikterna för nya anläggningar är dåliga. Men avregleringen av elmarknaden och målsättningen att minska användningen av fossila bränslen har gett ett ökat intresse för detta effektiva sätt att använda energin i bränslet. Dessutom finns det i dagsläget tillgång till nya tekniker för vilka det är möjligt att producera elektricitet till en lägre kostnad. Detta har ökat intresset för samgenerering i industrier med stora behov av processånga och elenergi. (1) Ytterligare avregleringar av elmarknaden kommer leda till att kombinerad generering av processånga och elenergi blir vanligare inom industrin. Med det finns fortfarande många hinder för en fortsatt utbyggnad. Fördelen med en avreglering av elmarknaden är att det blir ökad konkurrens mellan fler aktörer. Bland annat så kommer elektricitet som producerats till låg kostnad med samgenerering kunna säljas ut på elmarknaden. En avreglering innebär alltså att industrier som har möjlighet att producera mer elektricitet än de förbrukar internt kan sälja överskottet till externa förbrukare. Försäljning av elektricitet producerad med samgenerering har särkilt stor potential där elskatterna är höga eftersom priskonkurrensen där är hård så att den billiga elektriciteten från samgenerering har en stor fördel. (1) Samgenerering med ångpanna och ångturbin Vid samgenerering av processånga och elektricitet så används en panna med högt tryck. Denna ånga av högt tryck passerar genom en mottrycksturbin som dels genererar elektricitet och dels fungerar som en reducerventil som sänker trycket på ångan. Den ånga med lågt tryck och temperatur som kommer ut från turbinen är anpassad till att användas som processånga i fabriken. På detta sätt kan så gott som all värme i ångan från pannorna tas till vara som processånga och elektricitet. 14

15 Ett alternativ till samgenerering är att använda en turbin frikopplad från processångan där ångan ut från turbinen kondenseras istället för att tas tillvara som processånga. Vid detta fall så är panna och turbin konstruerade för ett lågt tryck så att ångan från pannan kan användas direkt i processen. En del av ångan från pannan används till turbinen där kondensering sker efteråt. Ångan ut från turbinen har alltså för lågt tryck och temperatur för att användas som processånga och därför måste ånga direkt från pannan användas istället. Processångan bidrar därmed inte till elproduktionen vilket medför att stora mängder energi går förlorad genom kondenseringen av ångan från turbinen. Det finns ett flertal saker som är karakteristiska för anläggningar med ångpanna och mottrycksturbin för samgenerering av processånga och elkraft. En av dessa är att inte speciellt stor del av energin i ångan från pannan omvandlas till elektricitet. Förhållandet mellan elproduktionen och energimängden i den genererade ångan är typiskt mellan 1/10 och 1/5 (10-20 %). Bland de bränslen som kan eldas i ångpannan till detta system finns eldningsolja, kol, naturgas, biobränslen, sopor och industriella restprodukter. Ångpannans storlek ligger typiskt sett omkring 10 MW men kan variera i ett intervall mellan 10 kw och 400 MW. Den totala termiska verkningsgraden i vilken både elproduktionen och processångan räknas med kan vara så hög som % eftersom ångan från turbinen tas till vara för uppvärmning i processer. Så hög kan endast verkningsgraden bli då pannan last är den optimala verkningsgradsmässigt. Systemets totalverkningsgrad kommer i princip bli densamma som pannans verkningsgrad och då pannan körs på en lägre last kommer verkningsgraden bli lägre. (1) För system med ångpanna och mottrycksturbin så är elproduktionen låg i förhållande till energimängden i den processånga som genereras. Därför är denna typ av anläggning användbar då det i första hand behövs processånga medans elproduktionen har mindre betydelse. Att mängden värme som omvandlas till mekaniskt arbete i turbinen är litet jämfört med energiinnehållet i mottrycksturbinens utloppsånga visas med ett exempel i hs-diagrammet på nästa sida. I detta exempel är den användbara värmeenergin i turbinens utloppsånga q som är 2333 kj/kg. Den användbara värmeenergin utgörs av entalpiskillnaden mellan ångan i turbinens utlopp och matarvattnet. Detta har illustrerats i figuren och i detta exempel är matarvattnet mättat vatten vid trycket 2,5 bar (abs). Den energi som omvandlas till arbete i turbinen är entalpiskillnaden mellan punkten 1 och 2, w vilken är 352 kj per kg ånga som går igenom turbinen. Alltså så generas det 6,6 gånger så mycket värmeenergi i form av processångan som det produceras elektricitet. 15

16 h (Entalpi) 1 37 bar abs bbarbar 400 C w = Δh = 352 kj/kg 7 bar abs C q = Δh =2333 kj/kg h MV s (Entropi) Figur 4: hs-diagram för mottrycksturbin, jämförelse utfört arbete med användbar värmeenergi i utloppsångan Förutom att elektricitet kan produceras i en samgenereringsanläggning med ångpanna och ångturbin så kan enskilda mottrycksturbiner ersätta elmotorer i mekaniska kopplingar med särkilt stort effektbehov. Kopplingar med ångturbiner är hållbara, pålitliga och svarar bra på laständringar. Utsläppen som sker vid samgenerering med ångpanna och mottrycksturbin beror helt på vilket bränsle som används. Eldning med kol eller biobränslen innebär att utsläppen av kväveoxider, svaveloxider, kolmonoxid och partiklar blir höga medans eldningsolja och naturgas ger stora utsläpp av kväveoxider och kolmonoxid. (1) Samgenrering för olika behov av processånga och elektricitet Olika tekniker används för att variera förhållandet mellan mängden ånga som generas och elproduktionen. För en samgenereringsanläggning med ångpanna och mottrycksturbin så finns det en reducerventilventil i vilken en del av ångflödet kan gå igenom istället för att passera genom turbinen. Detta är nödvändigt för att kunna leverera tillräckligt mycket processånga vid tillfällen då turbinens kapacitet inte räcker till. Då mer processånga behövs än vad som kan gå genom turbinen så måste reducerventilen användas för att reducera trycket på en del av ångflödet och sedan måste processångan kylas för att hålla rätt temperatur. Detta ger en minskning av cykelns elverkningsgrad men är nödvändigt för att turbinens verkningsgrad ska vara hög vid normala driftförhållanden och för att tillräckliga mängder processånga ska kunna levereras vid extrema driftförhållanden. Man kan alltså inte välja en turbin som klarar alla driftfall eftersom verkningsgraden vid normal drift då skulle bli väldigt låg. Om istället en kombicykelanläggning med både gasturbin och ångturbin väljs för samgenerering av processånga och elektricitet så kan stödeldning efter gasturbinen tillämpas ifall mer värme behövs för att generera ånga än gasturbinen klarar av att leverera. (1) 16

17 I följande figur visas ett exempel på en mottrycks ångturbin med en reducerventil. I detta fall regleras turbinen så att den håller mottrycket 7 bar (abs). Då mer processånga behövs än vad som kan gå igenom turbinen så kommer mottrycket sjunka. Om detta är fallet så öppnar reducerventilen och släpper igenom en del ånga förbi turbinen för att hålla uppe mottrycket. Processångan håller på detta sätt alltid rätt tryck även vid flöden som är större än vad turbinen klarar av. Figur 5: Mottrycksturbin med reducerventil Historiskt sett har samgenerering endast kunnat användas i industrier där behovet av processånga är stort med små variationer. Även elförbrukningen i industrin bör ligga på en jämn nivå då elektriciteten som produceras är tänkt att användas internt. Ett överskott av elektricitet kan förståss säljas externt, men i vissa fall är lönsamheten för detta dålig vilket gör att det är bättre att undvika det helt. Den teknik som används för större samgenereringsanläggningar är vanligtvis ångpanna med mottrycksturbin där ångan från turbinutloppet används som processånga. Men utvecklingen av nya småskaliga kombianläggningar med gasturbin och rökgaspanna har gjort att samgenerering även blivit intressant för industrier med låga behov av processånga. (1) De bästa ställena att tillämpa samgenerering på är industrier med jämn användning av både processånga och elektricitet där de båda behoven följer varandra åt. Om kostnaderna för att köpa in elektricitet och värme utifrån är höga så blir användningen av samgenerering särkilt lönsam. Exempel på verksamheter där samgenering av processånga och elektricitet lämpar sig är massa- och pappersindustrier, livsmedelsindustrier, kemiindustrier och metallindustrier. Anläggningen för att både generera processånga och elektricitet måste vara anpassad till variationerna i uttaget av processånga. Förutom att tillräckliga mängder processånga måste kunna genereras så måste det även finnas användningsområden för den elektricitet som produceras. Antingen så måste elenergin kunna användas internt eller kunna säljas på elnätet. En lösning som är helt perfekt för alla varierande behov av processånga och elektricitet kommer aldrig att hittas. Konstruktionen av systemet för samgenerering och dimensioneringen av ångpannan och turbinen måste göras så att verkningsgraden för normala driftförhållanden, pålitligheten och styrbarheten blir så hög som möjligt. (1) 17

18 Att effektivisera anläggningar för samgenerering Det är viktigt att användningen av processånga inte är större än den skulle behöva vara på grund av dåligt konstruerade system och ventiler som läcker. Om detta är fallet för nuvarande anläggning så kommer en ny anläggning för samgenerering av processånga och elektricitet baseras på dessa onödigt höga flöden av processånga. Därför bör effektiviseringar av processångeanvändningen genomföras innan en ombyggnad av samgenereringsanläggningen blir aktuell. Enkla åtgärder som kan vidtas är förändringar av styrning, reglering och underhållsrutiner. Tillämpningen av samgenerering kan inte ersätta väl anpassad styrning och tillräckligt underhåll. Det bästa är om ångbehovet är jämt över året och inte varierar för mycket under kortare tidsperioder så som ett dygn. Trender kan göras för variationerna i energianvändningen under ett genomsnittligt dygn eller år. Detta kan användas för att visa på skillnader i användningen av processånga och elektricitet mellan dag och natt respektive sommar och vinter. Vid vissa tillfällen kan en större elproduktion vara önskvärd än den som det blir då all ånga från turbinen tas till vara som processånga. I så fall skulle det kunna tänkas att man kondenserar en del ånga från turbinen för att öka elproduktionen. Nackdelen med detta är att den ånga man kondenserar går till spillo istället för att användas som processånga. Men vid tillfällen då elpriset är speciellt högt så kan den extra elproduktionen överväga denna förlust av värmeenergi. Trots att det är önskvärt att producera mycket elektricitet vid vissa tillfällen så finns det goda anledningar att hålla nere storleken på turbinen. Då en alltför stor turbin väljs så är det endast vid få tillfällen den extra kapaciteten jämfört med en mindre turbin verkligen kommer till användning. Resultatet blir istället en sämre verkningsgrad vid normala driftförhållanden och dessutom så är en större turbin dyrare. Då el och värme ska säljas till externa förbrukare är det viktigt att ha kontakt med ägare av det el- och fjärrvärmenät fabriken är ansluten till. Detta för att få reda på vad det finns för möjligheter att leverera elektricitet och fjärrvärme och vad det finns för villkor för detta samt om det finns någon möjlighet att fungera som reservkraft. Allt detta spelar roll vid dimensioneringen av anläggningen för samgenerering om man tänkt sälja elektricitet och fjärrvärme externt. (1) Strategier för förbättrad ånggenerering och elproduktion Det finns ett antal olika vägar att gå vad det gäller samgenereringsanläggningar för processånga och elkraft. Det är svårt att avgöra vilken lösning som kommer vara bäst i framtiden och därför är ett alternativ att avvakta med förändringar. Man fortsätter helt enkelt den nuvarande driften utan att genomföra några effektiviseringsåtgärder för samgenereringsanläggning eller distribution av processånga. Att inga förändringar görs över huvud taget kan bero på bristande tid och resurser. Speciellt en ombyggnad av samgenereringsanläggningen innebär en stor investering. En annan strategi är att i första hand genomföra de mest kostnadseffektiva förbättringsåtgärderna så som att effektivisera användningen av processånga. I andra hand kan man se över vilka behov av processånga som finns och effektivisera samgenereringsanläggningen efter detta. Det kan också vara så att en gammal anläggning måste moderniseras för att kunna fortsätta köras och det därför finns anledning att se över vilka effektiviseringar som kan göras vid byte till ny utrustning. Strategin att börja med de mest kostnadseffektiva åtgärderna kan till slut leda till en ombyggnad av anläggningen för samgenerering av processånga och elkraft så att cykeln blir mer effektiv med mindre värmeförluster och större elproduktion. Den större mängden elektricitet som produceras kan 18

19 användas internt eller om elproduktionen är större än den egna förbrukningen så kan överskottselen säljas. För fallet där det i dagsläget endast finns en anläggning för separat generering av processånga så kan optimeringsstrategin resultera i en övergång till samgenerering. Men eftersom detta innebär stora investeringar så är det inte den första effektiviseringsåtgärden som vidtas. Investeringarna kan bland annat bestå i en ny panna för ett högre tryck och en turbin för användning med denna panna. Detta är en omfattande och tidskrävande ombyggnad som kräver noga övervägande. Ett ytterligare alternativ är att låta en utomstående energileverantör ta över driften av samgenereringsanläggningen. På så sätt blir det detta företags ansvar att tillgodose behovet av processånga och att producera elektricitet. Man kommer alltså i fortsättningen betala till energileverantören för den processånga och elektricitet som genereras. Företaget kommer sträva efter att uppnå så stor energieffektivitet som möjligt och utifrån detta maximera elproduktionen. På detta sätt kan energileverantören maximera sina inkomster för försäljning av energi och minimera sina bränslekostnader så att vinsten blir så stor som möjligt. Villkoren för leveranserna av processånga och elenergi regleras med ett avtal mellan de båda parterna. Vem som äger samgenereringsanläggningen och hur vinsten för energibesparande åtgärder ska fördelas beror på hur avtalet är utformat. (1) Systemtänkande och systematiskt effektiviseringsarbete För att avgöra var det är mest lönsamt att göra effektiviseringar så kan fabriken ses som ett system där olika de olika delarna producerar och förbrukar energi. Samgenereringsanläggningen förbrukar exempelvis energi i form av bränsle och producerar ånga och elektricitet. Framför allt är det viktigt att se över förbrukningen av processånga och elektricitet i fabriken så att effektiviseringsarbetet inte enbart inriktar sig på samgenereringsanläggningen. Det finns ett antal olika steg som är användbara då man analyserar fabrik och samgenereringsanläggning som ett system. Dessa steg är baserade på enkla termodynamiska principer och är tänkt att vara ett hjälpmedel i effektiviseringsarbetet. 1. Det första steget är att ta reda på vad som går in och vad som kommer ut från de olika delarna av systemet. Dessutom behöver man ta reda på vilka riktlinjer som finns för driften av de olika fabriksdelarna. 2. Andra steget är att bestämma sig för vilka ändringar man skulle vilja göra i energianvändning och drift för de olika fabriksdelarna. 3. Sista steget är att komma fram till en väg för att uppnå dessa mål. Man måsta bestämma vilka effektiviseringsåtgärder man ska göra först och vad man ska vänta med. Dessutom kan man ändra riktlinjer och vanor för styrningen av fabriken. I idealfallet så skulle bränslekostnaderna för samgenereringsanläggningen vara så låga som möjligt och andelen bränsleenergi som omvandlas till värme i processångan och elektricitet vara så hög som möjligt. Samgenerering av processånga och elektricitet är en del av lösningen för att nå detta mål. (1) 19

20 Potential för energibesparingar Oavsett vilken av de olika strategierna för generering av processånga och elektricitet som väljs så kan alltid ångdistributionen och energianvändningen i processer effektiviseras. I nedanstående tabell visas på ett ungefär vad olika åtgärder kan leda till i energibesparingar. Tabell 2: Potential för energibesparingar genom åtgärder inom olika områden (1) Område Åtgärd Potential energibesparing Effektivisering av ångpanna 1-2 % Ånggenerering Värmeåtervinningsutrustning 2-4 % Rökgasreningsutrustning 1-2 % Summa 2-5 % Ångfällor 3-5 % Ångläckage % Distribution och underhåll Isolering 5-10 % Vattenbehandling % Summa % Energiåtervinning Kondensatåterföring % Totalt: % Värdena i tabellen är en bedömning som myndigheter i USA har gjort över hur mycket energi som kan sparas med olika effektiviseringsåtgärder. Totalt sett bedöms det att % av energianvändningen i en industri kan sparas då åtgärderna i tabellen tillämpas 1. I den potentiella energibesparingen för en åtgärd räknas den effektivisering som åstadkommes i hela systemet på grund av åtgärden. Detta för att en energiförlust inom ett område kan ha en stor påverkan på ett annat område. Ett exempel på detta är att läckor i distributionssystemet för ånga i sin tur kan påverka prestanda för ångpanna och processutrustning. Av tabellen kan slutsatsen dras att den största potentialen för energibesparingar finns utanför anläggningen för samgenerering av processånga och elektricitet. I detta ingår att åtgärda ångdistributionen, underhållsåtgärder samt kondensatåterföring. Men dåligt underhållna pannor kan trots allt göra att stora förluster sker internt i samgenereringsanläggningen. (1) Befintlig anläggning Inledning Ångcentralen som den ser ut idag består av 3 ångpannor som kan köras parallellt, en elpanna, en turbin samt ånglådor för uttag av processånga. De tre ångpannorna i ångcentralen genererar överhettad ånga vid cirka 36 bar övertryck och 400 C. Att det finns tre stycken pannor som körs parallellt gör att de kan fungera som reserv för varandra. Dessutom så skiljer sig möjligheterna för att elda olika bränslen vilket gör att flera pannor behöver användas samtidigt. Ångan från de tre pannorna används dels till turbinen som har ett mottryck på 6 bar övertryck. Ångan används även direkt som processånga i 35 bars nätet och efter trycksänkning i en reglerventil används den som processånga i 20 bars nätet. Ångan efter turbinen används som processånga i 6 bars nätet. För 1 U.S Dept. of Energy, Energy Information Administration, Emissions of Greenhouse Gases in the United States