Uppgradering av kraftverk

Uppgradering av kraftverk Kmplettering med gasturbin Jussi Manninen Enda! Oy Nrdisk Gasteknisk Center Nrdie Gas Technlgy Centre

Uppgradering av kraftverk Kmplettering med gasturbin Jussi Manninen Enda! Oy August 1993

INNEHÅLL SAMMANDRAG 3 ABSTRACf 5 l. INIBONING 7 2. KOPPLINGSALTERNATIV 8 2.1 Kmplettering av värmepanna 8 2.2 Kmplettering av kraftvärmeverk 8 2.1.1 Luftfläktkppling 8 2.1.2 Matarvattenkppling 10 2.2 Kmplettering av avgaspanna till kmbikraftverk. 12 3. BEGRÄNSNINGAR 13 3.1 Tekniska begränsningar 13 3.1.1 Gasturbintekniska begränsningar 13 3.1.2 Panntekniska begränsningar 13 3.1.3 Ångturbintekniska begränsningar 14 3.1.4 Byggnadstekniska begränsningar 14 3.2 Eknmiska begränsningar 15 3.3 ÖVriga begränsningar 15 4. MODELLBERÄKNINGAR 16 4.1 Basdata 16 4.2 Prcessberäkningarnas nggrannhet ch pålitlighet 16 4.3 Beräkningarnas nyttavärde 17 5. BERÄKNADE KRAFTVERK 18 5.1 Hetvattenpanna 19 5.1.1 Pannberäkningar 19 5.1.2 Beräkningsresultat 20 5.2 Kraftvärmeverk utan mellanöverhettare 21 5.2.1 Parmberäkningar 22 5.2.2 Beräkningsresultat 23 5.3 Kraftvärmeverk med mellanöverbettare 27 5.3.1 Pannberäkningar 28 5.3.2 Beräkningsresultat 31 5.4 Kndenskraftverk 34 5.4.1 Pannberäkningar 34 5.4.2 Beräkningsresultat 37 6. EKONOMISK ANAL YS 39 6.1 Kalkylförutsättningar 39 6.2 Investeringskstnader 40 6.2.1 Gasturbin 40 6.2.2 Avgaspanna 41 6.2.3 Byggnader 41 6.2.4 Mdifiering 41 6.2.5 Elektrifiering ch instrumentering 41 6.2.6 Indirekta kstnader 42

6.3 Driftskstnader 6.3.1 Naturgas 6.3.2 Underhåll 6.3.3 Persnal 42 42 42 42 7. POTENTIAL I FINLAND 43 7.1 Datainsamling 43 7.2 Befintliga anläggningar 43 7.3 Ptentialreduktin av tektdska skäl 43 7.3.1 Befintliga kmbikraftverk 44 7.3.2 Befintliga gasturbinhetvattenpannaanläggningar 44 7.3.3 Anläggningar sm ska kmpletteras i en nära framtid 45 7.3.4 Anläggningar sm är svåra att kmplettera 45 7.4 Ptentialreduktin av eknmiska skäl 45 7.4.1 Anläggningar i kmmuner där det inte finns behv av ökad prduktin 46 7.4.2 Lönsamhetsberäktdngar 46 7.4.3 Anläggningar vars kmplettering är eknmiskt 46 7.5 Ptential efter reduktiner 47 7.6 Eleffekt ch naturgasknsumtin vid maximal installatin 47 7.6.1 Fjärrvärmeanläggningar 47 7.6.2 Industrianläggningar 48 8. POTENTIAL I SVERIGE 49 8.1 Ptential i fjärrvärmeprduktinen 49 8.1.1 Nya mråden 49 8.1.2 Befintliga anläggningar 49 8.2 Utöktdng av anslutning inm befintliga naturgasmråden 49 9. POTENTIAL I DANMARK 50 9.1 Beskrivning av fjärrvärmesektrn 50 9.2 Ptential i fjärrvärmesektrn 50 9.2.1 Stra kaikraftvärmeverk 50 9.2.2 Befintliga eller gdkända ktaftvärmeverk 50 9.2.3 Områden utanlär naturgasnätet 51 9.2.4 Områden med bimassa ch avfallsförbränning 51 9.3 Sammanfattning av ptential i fjärrvärmesektrn 51 9.4 Eleffekt vid maximal installatin i fjärrvärmesektrn 52 9.5 Industrianläggningar 52 9.6 Ptential i industrin 53 10. KONKLUSIONER 54 REPERENSER 56

SAMMANDRAG Ökad eleffekt ch ökat kraftutbyte är de viktigaste rsakerna till en kmplettering av ett befintligt kraftverk med en gasturbin. De två huvudsätten att kmplettera ett kraftverk med en gasturbin är att använda gasturbinen sm luftfläkt före pannan eller att använda den för matarvattenförvärmning. Om man ska kmplettera en hetvattenpanna finns det bara ett mbyggnadsaltemativ, vilket är att kppla en gasturbin före pannan ch använda pannan sm avgaspanna. I luftfläktkpplingen kan det förekmma prblem med pannan. Prblemen förrsakas av en förskjutning av värmeupptagningen frän eldstaden till knvektinsytrna ch av att rökgasernas mass- samt vlymflöde ökar genm pannan. För att uppnå maximal nytta av en mbyggnad bör man finna en gasturbin vars effekt är nära den ptimala effekten för ifrågavarande lcraftverk. Det kan ibland vara svårt eftersm gasturbiner tillverkas i standardstrlekar. För att kunna få en allmän bild av förändringarna i el- ch värmeeffekten, verkningsgraden ch kraftutbytet vid lika kpplingsalternativ, har prcessimuleringsberäkningar utförts för några lika slags anläggningar vilka representerar de vanligaste i Nrden förekmmande anläggningstyperna. Mdellberäkningar har gjrts för fyra lika anläggningstyper, nämligen hetvattenpanna, kraftvärmeverk utan mellanöverhettning, kraftvärmeverk med mellanöverhettning ch kndenskraftverk. Mdellberäkningarna visar att ett kraftverk kmpletterat med en gasturbin kan eleffekten i ett kraftvärmeverk ökas med 20-35 % ch kraftutbytet med 10-25%. För att bedöma kmpletteringarnas lönsamhet har alhnängiltiga lönsamhetsberäkningar utförts. Kalkylerna visar strleksklassen för de lika investeringarna men beaktar inte de lkala begränsningarna. Investeringskstnaderna, sm innehåller gasturbinen, avgaspannan, byggnaderna ch eventuella mdifieringar i den befintliga prcessen, varierar mycket berende på anläggningen ch de lkala förutsättningarna för en mbyggnad. Rörliga kstnader såsm bränslekstnader är mera allmängiltiga. För mdellanläggningarna har investeringskstnaderna ch de rörliga kstnaderna för ett rnadellår beräknats. En ränta pä 5% ch 10% ch en avskrivningstid på 10 år har använts då investeringskstnaderna har mvandlats till en års.kstnad. Elprduktinskstnad per prducerad MWh, Return n luvestment ch återbetalningstid har beräknats för att karakterisera mbyggnadens lönsamhet. Ombyggnadsptentialen för fjärrvärmeverk i Finland har beräknats vara 2-6 anläggningar med en ökning i eleffekten pä 53-83 MW ch en ökning i naturgasförbrukningen pä 650-980 GWh/a eller 68-102 milj. m 3 /a. Vid maximal installatin i industrin skulle eleffekten öka med ca 350 MW ch naturgasförbrukningen öka med ca 3800 GWh/a eller 395 milj. m 3 /a. I Sverige finns det inte ptential inm fjärrvärmesektrn eftersm det finns få kraftverk inm naturgasmrådet ch priset på naturgas är högt jämfört med priset på el.

I Danmark är ptentialen i fjärrvärmesektr 126-205 anläggningar med en installerad värmeeffekt pä 650-900 MW. Antalet ptentiella industrianläggningar är över 1000 varav över 90 % är anläggningar vars värmeeffekt är mindre än 10 MW.

SUMMAR Y An increase in the electrical pwer and a better pwer-t-heat rati are the mst imprtant reasns fr repwering a pwer plant with a gas turbine. The tw main alternatives f cnnecting a gas turbine t an existing pwer plant are either t cnnect it befre the furnace and replace the air fans with it r t use i t t warm up feedwater and cndensate. When repwering a ht- water hiler the nly alternative is t cnnect the gas turbine befre the furnace and use the hiler as a heat-recvery biler. Same prblems may ccur when cnnecting a gas turbine befre the fumace. Prblems are eaused by the decrease f heat transfer by radiatin and the increase in heat transfer by cnvectin, which results frm the increase in massand vlumeflw thrugh the steam generatr. A gas turbin e f an ptimal size shuld be installed in rder t achieve the maximum advantage f repwering. Finding a gas turbine f the right size can be di:fficult because gas turbines are nly prduced in standard sizes. In rder t get a general view hw the repwering alternatives affect n electrical and heat utput, pwer-t-heat rati and efficiency, prcess simulatin calculatins have been dne t varians types f pwer plants, which represent the mst cmmn types f pwer plants in Nrdie cuntries. Fur different types f pwer plants were calculated: A ht-water biler, a eegeneratin pwerplant withut reheat, a cgeneratin pwerplant with reheat and a cndensing pwerplant. Prcess calculatins indicate that in cgeneratin pwerplants the increase in electrical utput can be 20-35 % and in pwer-theat rati 10-25 % when the gas turbine is added t the prcess. General ecnmical calculatins have been dne t evaluate the ecnmics f repwering. Calculatins give a rund estimate n capita! csts but lcal limitatins have nt been taken inta accunt. Investments, which include the gas turbine, the heat recvery biler, bulldings and eventual mdificatins f existing plant plus additinal persnnel, vary a lat depending n the pwer plant and the mdificatin demands. Prductian csts as fuel csts are mre general. Capita! and prductian csts f a typical year have been calculated fr the pwer plants. Investment rates f 5% and 10% and an amrtizatin time f 10 years have been used when investment csts have been cnverted t annual capita! csts. Electricity prductian csts fr prduced MWh, Return n Investment and pay-back time have been calculated t characterize the prfitableness f repwering. The repwering ptential in district-heating pwer plants in Finland has been calculated t 2-6 pwer plants with an increase f 53-83 MW in electrical utput and an increase f 650-980 GWh r 68-102 millin m 3 in natural gas cnsumptin. In industry the increase in electrical utput wuld be abut 350 MW and the cnsumptian f natural gas wuld increase by 3800 GWh r 395 millin m 3 if all the technically ptential plants were repwered. In Sweden there are n ptential district-heating pwer plants due t the small number f pwer plants within the natural gas area and the high price f natural gas campared t the price f electricity.

In Denmark the ptential in district-heating pwer plants is 126-205 pwer plants with an installed heat effect f 650-900 MW. Number f ptential industrial plants is ver 1000 f which ver 90 % have a heat effect less than 10 MW.

7 l. INLEDNING Ett ratinellt sätt att med rimlig kapitalinsats/effekt förbättra kl-, lje-, bibränsle- ch naturgaseldade anläggningar är att kmplettera dem med en gasturbin. I detta prjekt utreds möjligheter att kmplettera befintliga nrdiska :fjärrvärme- ch industrianläggningar med en naturgaseldad gasturbin. I prjektet uppskattas även ptentialen för ökad naturgasbaserad el- ch värmeprduktin samt ptentialen för ökad naturgasknsumtin. Huvudvikten i prjektet läggs på att utreda de tekniska möjligheterna samt på att uppskatta den eknmiskt befgade naturgasptentialen vid eventuell installatin av gasturbiner. Uppdragsgivare för utredningen är Nrdisk Gasteknisk Center (NGC) ch utredningen har utförts avendat Oy i Finland med hjälp avdk-teknik i Danmark ch ÅF-Energiknsult i Sverige. De finska delägarna i NGC, Imatran Vima Oy ch Neste Oy, har krrekturläst manuskripten ch bid!agit med värdefulla kmmentarer.

8 2. KOPPLINGSALTERNATIV Ökad eleffekt ch ökat kraftutbyte är de viktigaste rsakerna till kmpletteringen av en befintlig ängprcess med en gasturbin eller i mindre anläggningar med en diesel. Det finns lika sätt att kppla en gasturbin eller diesel till en befintlig ångprcess. I ett kndenskraftverk måste man kunna utnyttja gasturbinens hela värmeinnehåll för ångprduktin, medan man i mttrycksanläggningar även kan utnyttja den värme sm inte används till förångning för prduktin av mttrycksvärme. Kraftverkets knstruktiva begränsningar kan ckså sätta speciella krav på kpplingen av en gasturbin till prcessen. 2.1 Kmplettering av värmepanna När en hetvattenpanna kmpletteras för elprduktin, finns det bara ett alternativ nämligen att kppla gasturbinen eller dieseln före hetvattenparman sm då används sm avgaspanna. 2.2 Kmpletlering av kraftvärmeverk Här presenteras de två vanligaste kpplingsalternativen för att bygga m ett befintligt kraftverk, dvs att använda en gasturbin för att förvärma matarvattnet eller att använda en gasturbin sm luftfläkt för pannan. Gemensamt för båda alternativen är att man även efter en mbyggnad utnyttjar samma bränsle i ångpannan sm före mbyggnaden. Därmed får man en kmbianläggning sm utnyttjar ett billigare huvudbränsle ch naturgas för gasturbinen. Verkningsgraden ch kraftutbytet för en anläggning med två bränslen blir inte lika gd sm för ett naturgaseldat kmbikraftverk men bränslekstnaderna är lägre. 2.2.1 LuftDäldkppling I detta alternativ kpplas gasturbinen före pannan ch gasturbinens rökgaser används sm förbränningsluft. Pannan kan i detta fall vara antingen en ångpanna eller en hetvattenpanna. Pannan används sm avgaspanna med tillsatseldning. Syreinnehållet i rökgaserna från gasturbinen är bara 2/3 av luftens syreinnehäll vilket betyder, vid knstant rökgasflöde, att pannans bränsle- ch värmeeffekt minskar. Bieffektökningen för en ängprcess är vanligen liten vid detta mbyggnadsalternativ, m rökgasflödet genm ångpannan inte kan ökas. Eftersm gasturbinens heta rökgaser används sm förbränningsluft, kan luftförvärmaren inte utnyttjas. Detta leder till 100-200 C högre rökgastemperatur ch större rökgasförluster. Man kan sänka rökgastemperaturen genm att sänka matarvattnets temperatur in till ecnmisern ch förstra ecnmisem. Rökgaser kan ckså kylas ner med fjärrvärmevatten, prcessvatten eller med kndensat. Om rökgaser kan kylas

9 ner, har detta alternativ mindre rökgasförluster än matarvattenkpplingen eftersm rökgasens massflöde är mindre. Rökgasernas sluttemperatur bestäms i detta fall av svavelhalten i huvudbränslet då avgaserna från gasturbinen blandas med huvudpannans rökgaser. Gasturbinernas avgastemperatur är 500... 550 C vilket leder till att flarntemperaturen i pannan även mediw-nox-brännare är sä hög att NOxbildningen blir relativt str m avgasernas syre utnyttjas helt. För att minska NOx-hildningen kan gasturbinens avgaser kylas med t.ex. matarvatten före pannans brännare men detta gör mbyggnads-alternativet mera kmplicerat. Emedan gasturbinen är den kmpnent sm bestämmer ångeffekten, är det viktigt att hitta en gasturbin sm passar till pannan. Det kan vara svårt att få tag på en gasturbin av lämplig strlek för pannr av lika strlekar eftersm gasturbinerna prduceras i standardstrlekar. Luftfläktkpplingen minskar kraftverkets egen elknsumtin då luftfläktarna inte används ch en minskad ängeffekt minskar elknsumtinen i hjälpaggregaten ch bränslesystemet. Å andra sidan kan rökgasernas mass- ch vlymflöden öka, vilket ökar rökgasfläktarnas energiknsumtin. Gasturbinen är fast knuten till pannan sm inte kan köras utan gasturbinen. Att använda de befintliga luftfläktarna sm reserv kan vara svårt på grund av luftspjäl sm måste göras täta. Det kan även vara svårt att fuma plats för både gasturbin ch luftfläktar jämte luftkanaler. Även helt nya kmbikraftverk byggs sällan så att pannan kan köras utan att gasturbinen är i drift. Av de i Nrden existerande kmbikraftverken ch gasturbin-hetvattenparme-anläggningarna är det endast en panna sm kan köras utan att gasturbinen är i drift. Reglertekniskt är detta alternativ kmplicerat eftersm gasturbinen är fast knuten till ångpannan. Att köra en gasturbin parallellt med en luftfläkt är i praktiken reglertekniskt svårt. Gasturbinens verkningsgrad är mycket lastberende. Detta medför att äng - ch eleffekten minskar kraftigt vid dellastdrift. Investeringskstnaderna kan variera mycket berende på anläggningen. De huvudsakliga investeringskstnaderna bestär av en gasturbin jämte nya luftkanaler ch nya brännare för pallllan samt en extra rökgasecnmiser för att kyla ner rökgaserna till samma nivå sm före mbyggnaden. Ofta måste även pallllan mdifieras, luftförvärmaren tas ur drift ch eventuelh måste även överhettaren ch ecnmisem byggas m ch rökgasfläktarna bytas ut.

I bild l visas en luftfläktkppling där rökgaserna kyls ner med en mbyggd fjärrvärme-ecnmiser. lo l Luftfläktkppling 2.2.2 Matarvattenkppling I detta fall används gasturbinens avgasvärme för att förvärma matarvattnet. De befintliga förvärmarna bypassas ch ersätts med en avgaspanna. Ångturbinens eleffekt ökar eftersm avtappningsångan får expandera genm hela turbinen. Den ttala eleffekten ökar både genm den tilläggskraft gasturbinen genererar ch till följd av att ångturbinens effekt ökar. I Finland har ett flertal anläggningar byggts m enligt denna princip. För ett kraftvärmeverk ökar även mttrycksvärmeeffekten då avtappningsångan expanderar genm hela turbinen ända till kndensr. Ökningen i värmeeffekten är dck mindre än eleffektökningen varför kraftutbytet förbättras. Genm att förvärma matarvattnet kan gasturbinens avgaser kylas till en temperatur på ca 160-190 C efter avgaspannan. Rökgasernas restvärme måste utnyttjas på någt sätt i kraftverksprcessen, i annat fall blir rökgasförlusterna för stra. Vanligen används denna restvärme i en extra rökgasvärmeväxlare där antingen fjärrvärmevatten eller kndensat uppvärms. När matarvattenförvärmarna bypassas ökar trycket i ångturbinens alla reglerade avtappningar. Detta ökar matarvattentankens mättnadstemperatur med 5-10 C.

11 Vid detta kpplingsalternativ är gasturbin - avgaspanna ch ångpanna - ängturbin två nästan helt separata system, vilket gör det lättare att köra anläggningen än m gasturbinen är kpplad till ångpannans luftsystem. Förvärmarna kan utan svårigheter användas sm reserv för gasturbinens avgaspanna. Rökgaserna från gasturbinen ch ångpannan blandas inte med varandra ch därför kan rökgaserna från gasturbinen kylas till en lägre temperatur än rökgaserna från ångpannan m den eldas med ett svavelhaltigt bränsle. Investeringar består av gasturbin, avgaspannr, rökgaskanaler, mbyggnad av matarvattnets förvärmningssystem ch andra eventuella knstruktinskstnader. Ångturbinen ch ängpannan behöver vanligen inte mdifieras. Gasturbiner tillverkas i standardstrlekar. Därför är det inte alltid möjligt att finna en gasturbin vars avgasvärme helt kmpenserar den värmeeffekt sm matarvattenförvärmarna har. För detta fall är det möjligt att välja en mindre gasturbin ch samtidigt bibehålla en eller flera matatvattenförvärmare i drift. I bild 2 visas ett exempel på en rnava-kppling där både matarvattnet ch kndensatet samt fjärrvärmevattnet värms upp med avgaserna från gasturbinen. t ---& T r ~vl c bc kg/",_,, --m-,--''--, --m = J] H ta ~ Lf L-rr 2 Matarvattenkppling

12 2.3 Kmplettering av avgaspanna till kmbikraftverk Vid detta kpplingsalternativ ersätts den gamla hetvattenpannan med en ångpanna. Ytterligare installeras en ångturbin. En ptimal prcess bestär vanligen av två gasturbiner ch en ångturbin, vilket ger en bättre dellastverlmingsgrad. Prcessen passar bäst för relativt stra kraftvärmeanläggningar. Kmbikpplingen har många fördelar. Anläggningens kraftutbyte är mkring l mt ca 0.7 för en gasturbin-hetvattenpanna, verkningsgraden är hög ch anläggningen kan perera på ett brett belastningsmråde. Den största nackdelen med detta kmpletteringsalternativ är de stra mdifieringarna ch därmed även höga kstnader.

13 3. BEGRÄNSNINGAR 3.1 Tekniska begränsningar 3.1.1 Gasturbintekniska begränsningar Gasturbiner tillverkas i standardstrlekar. För att uppnå maximal nytta av en mbyggnad bör man finna en gasturbin vars strlek är så nära sm möjligt den ptimala för ifrågavarande kraftverk. Nyttan av en mbyggnad kan minska radikalt m gasturbinens effekt avviker mycket från den ptimala effekten. Det finns ingen gasturbin där värmeinnehållet av rökgaserna är mellan 100-200 MW. Det finns kraftverk för vilka den ptimala gasturbinstrleken är inm detta effektmråde. I dessa fall måste man installera två mindre gasturbiner, vilket ökar kstnaderna eftersm gasturbinernas pris per prducerad elenhet minskar med ökad eleffekt. Å andra sidan får man en bättre verkningsgrad på de11ast genm att gasturbinernas reglermråde är större. Ävenså blir anläggningens tillgängligbet bättre m man installerar två turbiner då pannan ch ångturbinen kan köras på en last m 50 % m den ena gasturbinen är ur drift. 3.1.2 Panntekniska begränsningar Panntekniska begränsningar förekmmer bara vid luftfläktkpplingen. Rökgaserna från gasturbinen har en temperatur på ca 500-550 C ch syreinnehållet är ca. 14 %, vilket betyder att bränsleeffekten kan vara endast 2/3 av den brlinsleeffekt sm uppnås med sannna massflöde av förbrännlngsluft. Tillsatseldningen i ångpannan mtsvarar en situatin med en rökgasåterföring m ca 40% vilket betyder en kraftig sänkning av värmeupptagningen i eldstaden ch en lika str ökning av värmeupptagningen i knvektinsdelarna, i synnerhet i överhettarna. Den lägre syrehalten i förbränningsluften leder till betydligt större mass- ch vlymflöden genm pannan m man vill bibehålla den ursprungliga ångeffekten. Ökningen i massflödet kan vara 30 %. Om pannan ursprungligen är byggd för rökgascirknlatin går det lättare att genmföra detta mbyggnadsalternativ. Orsaken till att värmeupptagningen förskjuts från eldstaden mt knvektinsytrna är den lägre temperaturen i eldstaden, sm minskar strålningen. Det större mass- ch vlymflödet samt en ökad rökgashastighet förbättrar knvektinen i överhettarna. Den förbättrade knvektinen medför högre materialtemperaturer i överhettamas tubslingr, högre ängtemperaturer ch ökade insprutningsmassflöden. Ängeffekten måste minskas m insprutningskapacitet inte kan kyla ner ångan till en acceptabel temperaturnivä. Alternativt kan överhettarna delas upp i flera delar ch antalet ångkylare ökas för att utvidga ängtemperaturens reglermråde.

I vissa fall kan denna kppling försämra en stabil förbränning då den adiabatiska förbränningstemperaturen minskar ch det finns flera inerta gaskmpnenter i förbränningsluften. 14 Vid detta mbyggnadsalternativ måste man göra strukturella förändringar i pannan. Luftförvärmare ch luftfläktar behövs inte mera ch man måste bygga nya luftkanaler ch förnya brännarna. Vanligen måste knvektinsdelar dvs överhettarna ch ecnmisern mdifieras. Luftförvärmare behövs inte mera ch den måste bypassas vilket resulterar i en högre rökgastemperatur ch ökade rökgasförluster. En lösning är att kyla ner rökgaserna med en extra värmeväxlare, sm värmer upp antingen matarvattnet eller fjärrvärmevatten. Då en gasturbin används sm luftfläkt för pannan bör man kunna placera gasturbinen nära pannan då det är tänkbart att dra långa kanaler från gasturbinen till pannan. Detta gör att det rent lay-utmässigt kan vara svårt att genmföra detta alternativ. Det andra alternativet, där gasturbinens restvärme används för att förvärma matarvatten, erbjuder en större rörelsefrihet för placeringen av gasturbinen då vattenledningar kan dras längre sträckr än luftkanaler. En ptimering av värmefördelningen i pannan med mbyggda värmeväxlare ökar tryckfallet i pannan ch gasturbinens mttryck, vilket minskar effekten på gasturbinen. 3.1.3 Ångturbintekniska begränsningar När man bypassar förvärmarna, ökar ängflödet genm turbinen. Högtrycksmatatvatten-förvärmarna kan vanligen bypassas utan svårigheter eftersm ångturbinernas beskavling ch generatrn ftast är dimensinerad för detta lastfall men m man ckså vill bypassa lågtryckskndensatförvärmarna är det möjligt att beskavlingen i turbinens lågtrycksdel blir överbelastad eller att generatrn överbelastas. Återföring av leckageånga från akseltätningar eller utjämningsklven till en avtappning kan medföra att denna tappning inte kan stängas. Om en slidan avtappning stängs går den heta leckageångan in i turbinen, vilket kan medföra värmespänningar. 3.1.4 Byggnadstekniska begränsningar För gasturbinen ch avgaspannrna behövs ett eget utrymme. I några fallligger kraftverken så, att det är svårt att finna plats för gasturbinanläggningen. I synnerhet m kraftverket ligger i en tätrt. Kraftverket kan ckså vara byggt på ett sådant sätt att det är möjligt eller svårt att göra förändringar i prcessen. Vid luftfläktskpplingen behövs det J?.lats för att mdifiera de befintliga värmeväxlarna ch bygga en ny ecnmiser. Avenså bör det finnas utrymme för en gasturbin nära pannan.

15 3.2 Eknmiska begränsningar De eknmiska begränsningarna innehåller investerings- ch driftskstnader, prisskillnaden mellan bränsle ch el samt lika skatter. Investeringskstnaderna ch lönsamhetsberäkningarna är framställda i kapitel 6. 3.3 Övriga begränsningar Bränslets tillgänglighet kan vara en begränsning. Finland fär all sin naturgas från Ryssland ch för leveranssäkerhetens skull brde det ckså finnas en annan leverantör. Naturgasen är den renaste av alla fssila bränslen ch bränslet förrsakar minimala utsläpp. Till följd av den höga förbränningstemperaturen i knventinella gasturbinbrännkammare reagerar kväve med syre ch bildar så kallad termisk NOx. För att kunna minska NOx-utsläppen till en tillåten nivå finns det lika möjligheter. Det billigaste sättet är att installera sk Lw- NOxbrännare. Det finns sådana brännare till mänga gasturbiner ch det medför inga andra kstnader än investeringskstnaderna. Den andra möjligheten är insprutning av vatten eller ånga i brännkammaren ch katalytisk rening av rökgaserna. Vatteninsprutningen försämrar gasturbinens verkningsgrad ch förrsakar extra slitage. Både insprutning ch katalytisk rening medför stra driftskstnader eftersm vattenförbrulrningen i insprutningssystemet är str ch katalysatrns material måste förnyas. Om lcraftverket ligger nära ett bstadsmråde, kan det förekmma prblem med gasturbinens ljud, sm i några fall kan förhindra ett byggnadstillstånd.

16 4. MODELLBERÄKNINGAR 4.1 Basdata För att kunna göra en ADB-mdell av en kraftverkprcess, behöver man ett prcess-schema ch mtsvarande prcessdata för både ångpannan ch turbinen. Vid simuleringsberäkningar kan man sm utgångsdata använda mätresultaten från ett garantiprv eller leverantörens beräkningar. Mätresulten från ett garantiprv eller en knditinstest är mycket nggranna ch mfattande. De innehåller data för temperatur, tryck ch massflöde i alla väsentliga prcesspunkter. Alla mätdata måste dck behandlas kritiskt då de kan innehålla mätfel. En verklig kraftverkprcess är kmplicerad ch den innehåller lika små äng ch vattenflöden, ängflöden till lika hjälpaggregat samt läckage ch tätningsflöden. De viktigaste av dessa flöden bör vara med i en ADB-mdell. Även m prcessen har förenklats (mdellen innehåller ca 60-80 kmpnenter), mtsvarar beräkningresultaten verkliga prcessdata. Det lönar sig inte att använda tid för mdellering av alla små flöden ch kmpnenter m deras inverka pä beräkningsresultatet är minimalt. 4.2 Prcessberäkningarnas nggrannhet ch pålitlighet Även m man gör upp en rätt grv mdell av prcessen, kan man beräkna ändringar i effekten ch bränsleförbrukningen med en nggrannhet av några %-enheter. Beräkningsnggrannheten kan förbättras till mycket under en prcent genm att göra ADB-mdellen mera detaljerad ch genm att lägga ner mera arbete på att berälma mera exakt alla parametervärden i ADBmdellen. För förstudier kan man nöja sig med en lägre beräkningsnggrannhet, men m man närmar sig ett beslut att antingen genmföra eller helt avstå frän en mbyggnad, bör man öka beräkningsnggrannheten. Basfallets berälmade resultat kan jämföras med uppmätta värden vid lika lastfall ch därmed kan man justera de lika parametrarna i ADB-mdellen sä att mdellen kan användas över ett större lastmräde, vilket ökar beräkningsnggrannheten för de lika mbyggnadsalternativen. I Nrden är det Amerikanska ASPEN PLUS ch Endat Oy:s PROSIM prgram mycket utnyttjade lcraftverksprcess-simuleringsprgram.

17 4.3 Beräkningarnas nyttvärde Prcess-simuleringsberäkningarna visar eventuella begränsningar i den befintliga prcessen sm kan förhindra en kmplettering av kraftverket med en gasturbin. Beräkningarna ger ckså en allmän bild av förändringarna i el - ch värmeeffekten, verlmingsgraden, bränsleknsumtinen ch kraftutbytet. Genm att utföra prcess-simuleringsberäkningar för ett kraftverk kmpletterat med lika gasturbintyper kan man finna den ptimala gasturbinen för ifrågavarande kraftverk ch även beräkna hur känsliga de lika mbyggnadsalternativen är för valet av gasturbin. Det finns taliga möjligheter att bygga m kraftverk till gaskmbikraftverk. Med simuleringsberäkningar kan man studera de lika alternativens för- ch nackdelar. Shnuleringsberäkningarna skall mnfatta ett flertal lika lastfall vid varierande utetemperaturer för att ge ett representativt jämförelsematerial för de beräknade alternativen.

18 5. BERÄKNADE KRAFTVERK Energiplitiken i de lika nrdiska länderna har lett till lika kraftverkstyper sm kan tänkas bli kmpletterade med en gasturbin. I Finland ch Sverige finns ett relativt strt antal kmmunala kraftvärmeverk, sm fta är enkla kleller trveldade ängprcesser utan mellanöverhettning ch utan kndensatinssteg i turbinen. strleken på dessa kraftvärmeverk Varierar frän 30/60 MW ( el/vänne) till 100/200 MW. Danmark har mänga små kraftvärmeverk men ckså stra kraftverk med mellanöverhettning ch kndensatinsbeskavling på turbinen. De kraftverk för vilka mdellberäkningarna har utförts representerar de i Nrden vanligaste kraftverkstyperna. Mdellberäkningarna ger en uppskattning m hur en kmplettering med en gasturbin påverkar effekt. kraftutbyte ( elivärmeprduktin) ch verkningsgrad i de lika beräknade kraftverken. Ävenså visar beräkningarna för- ch nackdelar med de lika mbyggnadsalternativen ch vilka begränsningar ch mbyggnadskrav lika prcessalternativ leder till. Fyra lika typers kraftverk har valts sm beräkningsexempel: - ljeeldad 40MW hetvattenpanna. - kraftvärmeverk utan mellanöverbettare - kraftvärmeverk med mellanöverbettare - kndenskraftverk

19 5.1 Hetvattenpanna En tjckljaeldad hetvattenpanna. Pracesschemat i bild 3... ~ - '. FN..L l 3 Fall I 5.1.1 Pannberäkningar l referensfallet är värmeeffekten 42 MW. I fall I kpplas före pannan en gasturbin av typ EGT Typhn, vars eleffekt är 3.8 MW, ch den används sm luftfläkt. l fall Il är kpplingen den samma sm i fall I men pannan används sm avgaspanna utan tillsatseldning. Fjärrvärmevattnets temperaturer är 55 f 85 C.

20 5.1.2 Beräkningsresultat Resultaten finns i tabell 1. Tabell l. Ref I II Fannbränsle MW 44,0 32,2 Gasturbinbränsle MW 12,9 12,9 El MW 3,8 3,8 Fjärrvärme MW 41,9 38,2 7,5 Verkningsgrad 0,95 0,93 0,88 Kraftutbyte 0,1 0,51 Den minskade fjärrvärmeeffekten berr på att förbränningstemperaturen i eldstaden är lägre. Eldstadstemperaturen minskar med mera än 200 C då gasturbinen används sm luftfläkt I fall I blir kraftutbytet litet eftersm rökgasernas massflöde begränsar användning av en större gasturbin. Om ljepannan endast utnyttjas sm avgaspanna blir kraftutbytet bättre men fjärrvärmeeffekten minskar märkbart. Även den ttala verkningsgraden minskar någt.

21 5.2 Kraftvärmeverk utan mellanöverbettare Kraftvärmeverket är ett naturgaseldat kraftvärmeverk. Det består av tre identiska pannr, varav två matar ånga till en 38/99 MW turbin ch en till en 81/195 MW turbin. Pannrna är ursprungligen dimensinerade för brännlja men i dag används naturgas sm bränsle. Prcesschemat för det ena blcket bestående av en panna ch en turbin visas i bild 4.,...D.,.,.,,_vl c kg/il b,.. kj/k REFERENS 4 Referensfall

22 5.2.1 Panaberäkningar För att bedöma möjligheterna att bygga m anläggaingen med en gasturbin har kraftverksprcessen mdellerats ch sju lika mbyggnadsalternativ har beräknats. Referenslastfall: 190 t/h ånga per panna med naturgas sm bränsle ch pannrna i befintliga skick Följande mbyggnadsalternativ har beräknats: I. Gastrbin sm pannfläkt Fall 1.1 : GT före pannrna. GT-avgastemperatnr 500 C. GT- ch ÅPbränsle natnrgas. Ångflöde 185 t/h per panna. 1-f ;:1-;;-;;] ~ l' n"~ -'*' FIIU... l~ ' ~ J.!.1 S Fall!.l Fall 1.2: Fall 1.3: Såsm 1.1, men ängflöde 205 t/h GT före pannrna. Avgaskylare mellan GT ch ÅP,för att minska NOx-bildningen, temperatur före brännare 210 C. Naturgas. 185 t/h. Mava-förvärmarna bypassade. FN.J... 1.a 6 Fall!.3

23 Fall!.4: Falll.5: Såsm!.3 men sprayvatten till överhettamas kylare tas direkt frän matarvattenpumparna vid en temperatur pä 175 C. Detta för att ängtemperaturen i fall!.3 stiger för högt dä de befintliga ängkylarnas kapacitet är för liten för denna mbyggnad. GT (mindre) före pannr. GT-avgaser ch kalluft blandas 50/50 för att minska NOx-bi1drringen,blandrringstemperatur 276 C. Naturgas. 185 t/h. II. Gasturbin i matarvattenkretsen Fall!!.1: Matarvattentemperatur till pannr 275 C. Matarvattnets temperatur före mbyggnad är 250 C. Ängflöde 205 t/h. Rökgaserna kyls ytterligare genm att förvärma kndensatet ch genm att förvärma fjärrvärmevattnet. ~- l~' c~ r:j. ~ ~ 11 F/OU. '!J: ~ 2.1 7 Fall II.1 Fall Il.2: Såsm Il.l, men ängflöde 210 t/h. 5.2.2 Beräkningsresultat De detaljerade parmberäkningarna visar att några av de vannämnda mbyggnadsalternativen med gasturbinen sm pannfläkt är fullt möjliga men man uppnär en betydligt större effektökning m gasturbinens restvärme används för att förvärma matarvattnet. Generellt kan man säga att för de flesta mbyggnadsalternativen med en gasturbin sm parmfläkt tenderade ångans överhetinadstemperatur ch även överhettamas materialtemperatur att stiga för högt. Ävenså är eldstaden ch knvektinsdelarnas rökgaskanaler någt för trånga för det större rökgasflöde sm detta mbyggnadsalternativ resulterar i vid förändrat ångflöde. Det fall sm ger den största effektökrringen är att gasturbinen kpplas till en avgaspanna sm förvärmer matarvattnet till 275 C, även kndensatet uppvärms till 146 C före matarvattentanken ch sist kyls rökgaserna med fjärrvärmevatten till 85 C.

24 Dimensineringsdata: Ångflöde,turbin l Ångflöde,turbin 2 rnavaternperatur FV -vattentemp. referensfall t/h 190 t/h 380 C 230 C 58/98 kmbi 205 410 275 58/98 Sm gasturbin väljs General Electric Frame 5 på 26,3 MW för den mindre ängturbinen ch Frame 6 pä 38,3 MW för den större ångturbinen. Beräkningarna är i detalj redvisade i bifgade tabeller ch värmebalanser. Huvuddata är samlade i tabellerna 2 ch 3. Ur tabellerna kan man se att effektökningen då gasturbinen används sm pannfläkt endast är 8,5 MW eller 12 %. För detta mbyggnadsalternativ är pannans rökgaskanaler för trånga, varför ängprduktinen är mindre än för referensfallet. Därmed minskar även ångturbinens el- ch fjärrvärmeprduktin någt. Om gasturbinens rökgaser kpplas till matarvattenförvärmningen är effektökningen 27,5 MW eller 72%. Effektökningen berr pä att man för detta mbyggnadsalternativ kan utnyt\ja en större gasturbin ch även pä att då matarvattentemp.:eraturen kan ökas med 25 C ökar ckså pannans ängprduktin. Ängturbinen kan svälja hela ängflödet ch då ökar dess effekt med 6.8 MW eller 18 %. Ångturbinens effektökning berr även på att förvärmaren bypassas ch på att mttrycket är lägre då fjärrvärmevattnet efter turbinkndensrn leds till gasturbinens avgaspanna där slutuppvärmningen sker.

25 Tabe112. Turbin l Re f 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 II. l II.2 Massflöde, ånga t/h 190 185 205 185 185 185 205 210 T-förbränningsluft "C 325 500 500 210 276 210 180 180 T-matarvatten "C 230 275 275 260 232 260 275 275 Vlymflöde rökgas m 3 /s 246 239 273 303 280 302 251 259 Massflöde rökgas kg/s 46,1 52,1 58,3 63,8 57 63,7 48,2 49,4 Furnace utlet "C 1599 1336 1368 1392 1448 1392 1553 1562 temperature Massflöde inspr. I kg/s 5 3,3 2,9 6,1 5,5 5,1 6 6,1 Massflöde inspr. Il kg/s 6,3 2,9 4,6 6,9 3,7 5,4 3,7 4 T-mava efter ec "C 267 303 305 307 271 304 302 302 T-ÖH1,ut "C 391 373 377 409 383 402 379 380 T-ÖH2,in "C 335 342 351 337 334 335 332 333 T-ÖH2,ut "C 509 486 509 544 489 535 476 479 T-ÖH3,in "C 407 443 443 427 434 427 427 427 T-ÖH3,ut "C 528 528 528 528 528 528 528 528

26 Tabell 3. Turbin l Referens 11.1 1.1 Ångeffekt t/h 190 205 185 Bränsleeffekt MW 144,4 144,7 115,2 Gasturb. bränsle MW 79,9 39,5 P gen MW 38,1 44,9 37,1 pgt MW 20,7 9,5 El ttalt MW 38,1 65,6 46,6 Fjärrvärme Turbin 1 MW 99,3 120,9 96,7 Fjärrvärme GT MW 14,9 Fjärrvärme rökgas MW 7,0 6,7 7,0 Fjärrvärme ttalt MW 106,3 142,5 103,7 Kraftutbyte 0,358 0,46 0,45

27 5.3 Kraftvärmeverk med mellanöverbettare Kraftvärmeverket är ett kleldat kraftvärmeverk med mellanöverhettning ch en mttrycksturbin utan kndenseringssteg. Den består av två identiska blck, vars nminella ele:ffekt är 113 MW ch maximala värmeeffekt 210 MW. I bild 8 visas prcesschemat av kraftvärmeverket med mellanöverhettning. ~ L~ l ~~ 't r f<_ ~fl rhcti"' ~ ~ ~ r'<=) :T d~ _rb - 8 Referensfall

28 5.3.1 Pannbcräkningar I alla mbyggnadsalternativen har sm gasturbin valts General Electrics Frame 6 på 38,3 MW ch fjärrvärmetemperaturerna är 48.5 C j 80.4 C. I fallen la ch m är gasturbinen kpplad före pannan sm luftfläkt ch pannan eldas med kl. Syrehalten i rökgaserna är den samma sm i referensfallet. Pannans ängprduktin är då direkt prprtinell med gasturbinens rökgasflöde ch syrehalten i rökgaserna. I fallen IlA ch!ffi är gasturbinen kpplad till matarvattenkretsen. Matarvatten-förvärmarna är bypassade. Referenslastfall: Mttagningsprvets fullastfall dvs. ängeffekt 446 t/h, eleffekt 113 MW ch fjärrvärmeeffekt 194 MW. Matarvattnets temperatur före pannan är 314 C ch rökgasernas sluttemperatur är 130 C. I Gasturbin sm pannfläkt Fall la: Bypassade rnava-förvärmare ch en ecnmiser sm ersätter luftförvärmaren för att kyla ner rökgaser med matarvatten. Matarvattnets temperatur före pannan är 307 C. Ångeffekt är 400 t/h. ~.,c~ J. -f IL Y~~ r----c "-' c?i w rju. ~ 9 Fall la

29 Fall IB: Rökgaskylning med fjärrvärmeecnmiser. Matarvattnets temperatur till pannan är 324 C, ängeffekten är 420 t/h..c!l - 1 l. >J. H. '*' ;)-.: ~ ~ ~l ' ~ [L "- li!3'ä 1 ~.. 10 Fall IB II Gasturbin i matarvattenkretsen Fall IlA: Avgaspannan bestär av en matarvattenecnmiser ch en fjärrvärme - ecnrniser. Matarvattnets temperatur till pannan är 314 C. Ångeffekt är den ursprungliga 443 t/h. H l ~ c ~ l ~..-c::-1., ~ L_ ~ " 1 ~.. 11 Fall IlA

30 Fall IIB: Avgaspannan består av en matarvattenecnmiser ch en kndensat-ecnmiser. Kndensatförvärmarna är bypassad ch kndensatet uppvärms med rökgaser. Kndensatets temperatur till rnava-tanken är 124 C ch matarvattnets temperatur till pannan 311 C. Ångeffekt är den samma sm i fall IlA ~. ~ If u -0 12 Fall IIB ': ~ ~ 'l ~...,. Ett fall med en gasturbin sm luftfläkt ch ingen värmeväxlare efter ecnmiser beräknades, men rökgasernas temperatur efter ecnmisern var ca 350 grader mt 135 C i referensfallet, vilket är alltför högt. Detta mbyggnadsalternativ skulle ge en ttalverkningsgrad på endast 77%.

31 5.3.2 Beräkningsresultat Beräkningsresultaten är sammanfattade i tabeller 4 ch 5. Tabell4. Re f la IB IlA I1B Massflöde, ånga t/h 447 400 420 447 447 T-luft till brännare c 261 525 525 262 259 ÅP- c 135 190 134 136 136 skrstenstemperatur GT- c 190 134 80 95 skrstenstemperatur T-mava före ec c 166 180 180 164 168 T-mava efter ec c 314 309 324 314 311 Vlymflöde rökgas m 3 /s 976 981 982 967 984 Massflöde rökgas kg/s 166 180 180 164 168 Furnace utlet c 1268 1212 1210 1265 1269 temperature Massflöde inspr. l kg/s 0,1 5,7 3,6 0,5 Massflöde inspr. II kg/s 1,6 3,1 2,3 1,3 1,6 M~ssflöde inspr. kg/s 2,2 2,4 3,3 1,9 2,1 MOH T-ÖH1,ut c 404 426 417 404 406 T-ÖH2,in c 404 398 401 404 404 T-ÖHZ,ut c 485 485 485 483 485 T-ÖH3,in c 475 468 469 475 475 T-ÖH3,ut c 536 536 534 536 537 T-MÖH,in c 366 357 348 381 381 T-MÖH,ut c 537 535 533 534 536

32 Av de lika fallen kan man knstatera följande: la: IIB: Detta alternativ har det bästa kraftutbytet. Rökgasflödet genm pannan är inte väsentligt större än i referensfallet. Insprutningsflödena är nästan tre gånger större än i referensfallet. För att kunna reglera ängtemperaturen måste överhettare 3 eventuellt spjälkas upp i två delar med en extra ångkylare. Matarvattnets temperatur 309 C till ångdmen var den lägsta av alla beräknade fall ch därför är ängprduktinen lägst i detta fall. Rökgasernas skrstenstemperatur efter ecnmisern är hög, 180 C, förrsakad av att luftförvärmaren ersatts med en matarvattenecnmisers ch matarvattnets temperatur in till ecnmisern är 164 C. Vid denna kppling uppnås den högsta verkningsgraden. Insprutningsflödena är litet mindre än i tidigare fall men frtfarande höga, ca 135% större än i referensfallet (9 kg/s). Mavatemperaturen efter ecnmisern är den högsta, vilket leder till större ängprduktin än i fall la. Rökgasernas temperatur ut är nrmala tack vare fjärrvärmevattnets låga temperatur varmed rökgaserna kan kylas ner till önskad temperatur. IlA: Inga stra förändringar i prcessparametrarna dvs temperaturer, äng - ch insprutningsflöden. Verkningsgraden är lika hög sm i referensfallet men kraftutbytet steg från 0.58 till 0.66. IIB: Litet bättre verkningsgrad än i fall IlA men trligen inte realistiskt på grnd av att ångturbinens beskvlig belastas hårt eftersm massflödet genm turbinens slutsteg ökar med 28 %.

33 Tabel!5. Ref la m IlA IIB Ångeffekt t/h 447 400 420 447 447 Bränsleeffekt MW 370,4 299,8 299,8 352,3 357,5 Gasturbinens bränsle MW 144,3 144,3 144,3 144,3 Bränsle ttalt MW 370,4 444,1 444,1 496,6 501,8 P gen MW 112,7 114,2 107,8 125,0 127,2 Pgt MW 39,1 39,1 39,1 39,1 El ttalt MW 112,7 153,3 146,9 164,1 166,3 Fjärrvärme turbin MW 194,2 210,3 185,4 232,3 253,9 Fjärrvärme GT MW 17,4 Fjärrvärme rökgas MW 41,6 Fjärrvärme ttalt MW 194,2 210,3 227,0 249,7 253,9 Rökgasförluster MW 31,4 36,5 25,4 43,1 45,2 Verkuingsgrad 0,83 0,82 0,85 0,83 0,84 Kraftutbyte 0,58 0,73 0,65 0,66 0,66

34 5.4 Kndenskraftverk Kndenskraftverket är ett ljeeldat kndenskraftverk pä 278 MW. I bild 13 visas kndenslcraftverkets prcesschema. ~ el l:h ~!D bd lött_ 'i r h f 'i 13 Referensfall 5.4.1 rannberäkningar I luftfläktkpplingen dvs fall I kpplas en gasturbin av typ KWU 64.3 pä 60,5 MW framför pannan ch i pannan finns tillsatseldning samt nrmal friskluftsförbränning för att uppnä den nminella ängeffekten ch syrehalten i rökgaserna. I rnava-kpplingarna är ängeffekten den samma sm i basfallet. I fall IlA värms matarvattnet med tvä gasturbiner av typ GE Frame 6 pä 38,3 MW,i fall IIB värms matarvattnet ch kndensatet med en ABB GT13 pä 97,9 MW ch i fall lic med en Turb Pwer FT8 Twin pä 51,3 MW. Alla högtrycksrnava-förvärmare kan inte bypassas eftersm matarvattenpumpturbinen inte kan köra rnava-pumpen när alla avtappningar i pumpturbinen är stängda. Mava-förvärmare 1 är i nrmal drift ch alla andra är bypassade.

35 Referensfall: Ängeffekt 812 t/h. Fall I: Tre mavaförvärmare bypassade ch ersatta med en mbyggd mavamec. Mavatemperatur till pannan 286 C. limil "V ~--ti;!!hf ' ~~~~ ~ ~ 14 Fall I II Gasturbin i matarvattenkretsen Fall IlA: Tre mavaförvärmare bypassade. Mavatemperatur till pannan 277 grader. _j ~~ L ~ ~ ~ ~~ L ~ c...,., -.l l Pt.t<.J!/1 15 Fall IlA

36 Fall IIB: Tre mava- ch alla kndensatförvärmare bypassade. Mavatemperatur samma sm i fall IlA. ~ H. J L 16 Fall IIB :-,) l Il "L_ J l _J, ~ l ~ Fall lic: En mava- ch en kndensatförvärmare bypassade. J '-"'l-j, ~ ~. ~ L ~fl ~ 17 Fall lic l -l _j_ "" lihlii,..,_,,.,

37 5.4.2 Beräkningsresultat Beräkningsresultaten finns i tabeller 6 ch 7. Tabell 6. Ref I IlA IIB lic Massflöde, ånga t/h 812 812 812 812 812 T -luft till brännare c 353 536 351 350 352 ÅP- c 122 200 119 119 123 skrstenstemperatur GT- c 200 231 105 110 skrstenstemperatur T -mava före ec c 248 169 260 260 257 T -mava efter ec c 269 286 277 277 275 Vlymflöde rökgas m 3 /s 1832 1983 1752 1752 1772 Massflöde rökgas kg/s 270 329 254 254 257 Furnace utlet c 1293 1241 1287 1287 1292 temperature Massflöde inspr. I kg/s 2,7 11,4 Massflöde inspr. II kg/s 0,6 3,3 Mf_t:Ssflöde inspr. kg/s MOH T-ÖH1,ut c 402 428 393 393 395 T-ÖH2,in c 397 397 393 393 395 T-ÖH2,ut c 492 499 481 481 485 T-ÖH3,in c 490 486 481 481 485 T-ÖH3,ut c 539 539 528 528 532 T-MÖH,in c 297 314 303 302 296 T-MÖH,ut c 529 530 489 489 506 Av de lika fallen ka man plcka ut följade: 1: Rökgasernas vlymflöde ökar bara med 10 % men massflöde med över 20 %. Insprutningsflödet efter ÖH1 ökar avsevärt då värmeöverföringen i knvektinsöverhettarytrna ökar.

38 IlA, l ffi: Rökgasernas massflöde är litet mindre än i referensfallet berende på att mavatemperaturen in till pannan är högre än i referensfallet. Mellanöverhettaren är för liten för att önskad mellanöverhettningstemperatur kan uppnås. Trts detta ökar inte fukthalten i avlppsångan med mera än en prcentenhet från 8% till 9% jämnfört med referensfallet. Fall IIB kan vara realistiskt då ökning i ängflödet till kndensrn är 35 % vilket trligen medför att turbinens sista steg överbelastas. lic: Tabell 7. Detta mbyggnadsalternativ har den bästa verlmingsgraden berende på minskade rökgasförluster. Mellanöverhettaren är frtfarande för liten trts att ängtemperaturer är högre än i fallen IlA ch IIB. Re f I IlA IIB n c Ängeffekt t/h 812 812 812 812 812 Bränsleeffekt MW 650,2 667,0 609,7 609,7 610,6 Gasturbinens bränsle MW 170,3 241,8 300,2 132,0 Bränsle ttalt MW 650,2 837,1 851,5 909,9 742,6 P gen MW 277,8 304,2 293,2 295,1 283,8 pgt MW 58,1 71,8 91,5 47,9 El ttalt MW 277,8 362,3 365,0 386,6 331,7 Rökgasförluster MW 35,1 71,6 97,3 74,1 49,0 Verkningsgrad 0,43 0,43 0,43 0,42 0,45 Anläggningens ttala verkningsgrad ökar bara vid ett kpplingsalternativ ch ökningen är 2 %-enheter. Vinsten med en gasturbinkppling är dä endast den att effekten ökar ch att denna gasturbineffekt kan genereras med samma verkningsgrad sm för en ängprcess med mellanöverhettare, dvs en verkningsgrad sm är nästan 10% bättre än för en öppen gasturbinprcess. Trligen lönar det sig inte att kmplettera kndenslcraftverk med en gasturbin, m det inte finns behv av värme av lägre temperatur, dvs fjärrvärme eller hetvatten.

39 6. EKONOMISK ANALYS För att kunna bedöma kmpletteringarnas lönsamhet, har allmängiltiga beräkningar utförts. De kalkyler sm har gjrts är översiktliga ch visar strleksklassen för de lika investeringarna. Investeringskstnaderna för en mbyggnad är naturligtvis mycket berende på anläggningen ch de lkala förutsättningarna för en mbyggnad. Bränslekstnaderna ch övriga rörliga kstnader är däremt mera allmängiltiga. Elpriset för den el sm tilläggsprduktin ersätter, kan även det variera mellan de lika anläggningarna. Kalkylförutsättningarna ch de lika kstnaderna är beskrivna i följande kapitel. Beräkningar har gjrts för några anläggningar i samband med ptentialbedömningen. 6.1 Kalkyll"drutsättningar Utnyttjningstiden för elprduktinen i Finland ch Sverige har bedömts på basis av energistatistiken för år 1991. l kmmuner med flera kraftvärmeverk bestäms körrdningen för kraftvärmeverken på basis av bränslekstnaderna ch kraftutbytet, så att de vars rörliga kstnader är lägst får den längsta utnyttjningstiden. I några fall har den mdifierade anläggningen, tack vare ett förbättrat kraftutbyte, blivit fördelaktigare än de andra gamla anläggningarna. Därmed har den mbyggda anläggningen fått en längre utnyttjningstid än före mbyggnaden. I dessa fall har kstnadsdifferens mellan naturgas ch det bränsle sm det ersätter beaktats. Vid en eventuell fjärrvärmeeffektreduktin har man förutsatt att en befintlig anläggning kan täcka effektbrtfallet med samma prdnktinskstnader. För mdellanläggningarna har investeringskstnaderna ch de rörliga kstnaderna för ett medellår beräknats. En ränta på 5 % ch 10% ch en avskrivningstid på 10 är har använts då investeringskstnaderna har mvandlats till en årskstnad. Nya kmpnenters tekniska livslängd kan vara längre än 10 är, men den gamla anläggningens livslängd kan vara krtare än 10 är. Detta medför mänga säkerhetsmment ch därför har en för kraftverksberäkningar måttlig avskrivningstid använts. Tre karakteristiska värde har beräknats för att karakterisera lönsamheten av en mbyggnad: -Elprduktinskstnad FIM per prducerad MWh -Return On lnvestment (ROI) -å terbetalningstid

40 6.2 Investeringskstnader Investeringskstnaderna har mräknats till finska mark enligt följande valutakurser. (Februari 1993) l FIM = 0.17 $ l FIM = 1.32 SEK Priserna på gasturbinerna baserar sig på 1992-1993 Gas Turbine Wrld Handbk. Ovriga investeringskstnader har bedömts med hjälp av NGCutredningen 11 Energiprduktinskstnader med naturgas" ch kstnadsuppgifter från existerande anläggningar. 6.2.1 Gasturbin Tabell 8 anger priser ch specifika priser, dvs pris per prducerad kw el, för några gasturbinpaket. I gasturbinpaketet ingår gasturbin, generatrn, bullerskydd, luftkanaler ch filter för insugsluften, avgaskanaler samt ljuddämpare, standardreglering ch startsystem. Priserna är listpriser ch de kan variera berende på marknadsläge ch på kundens speciella krav t.ex. Lw-NOx-brännare. Tabell 8. /8/ Tillverkare ch typ Bieffekt MW ~e Pris ($) Specifik pris (ISO) (%) ($l kw) Slar Centaur H 3,9 28,0 l 540 000 381 EGTTrnad 6,3 30,3 2 650 000 424 ABB GTlOB 24,6 34,2 9 300 000 378 GELM5000 33,8 36,3 12 800 000 379 GEFrame 6 38,3 31,4 9 700 000 253 ABBGT13 97,9 32,3 20 700 000 211 Det specifika priset minskar nrmalt då man går mt större gasturbiner. Flygderivat-gasturbiner är dyrare än industriella gasturbiner men de har en bättre verkningsgrad ch dellastprestanda. När gasturbinen är mnterad på plats ch färdig att tas i drift har kstnaden ökat med ca 50 %. Denna öktring innehåller övrig utrustning, frakt, tull ch mntage.

41 6.2.2 Avgaspanna Priset på avgaspannr har antagits vara följande: 8 MW 30MW 70MW 1,5 MFIM 6 " 8 " I priset ingår pannans trycksatta delar, rörledningar, kanaler, säkerhetsanrdningar, stödknstruktin ch islering samt mntage. 6.2.3 Byggnader I byggnadskstnaderna ingår utrymmen för gasturbin ch avgaspanna. Byggnadskstnaderna har beräknats med hjälp av byggnadsvlymen ch mtsvarande vlyrnkstnad. De genmsnittliga vlymkstnaderna i Sverige jämfört med Finland har bedömts vara: 131 Finland 100 Sverige 108 Vlymkstnaderna blir då följande: 131 Finland FIM l m 3 520 Sverige SEK l m 3 738 6.2.4 Mdifiering Mdifieringskstnaderna varierar mycket berende på kpplingen, anläggningen ch de lkala förhållandena. I bästa fall vid luftfläktkpplingen räcker det med att installera nya rökgaskanaler ch bypassa luftförvärmaren. l värsta fall måste man investera i nya rökgasfläktar samt mdifiera överhettaren ch ecnmisern. Vid matarvattenkppling utgör bypassningrörledningama den största mdifieringskstnaden. 6.2.5 Elektrifiering ch instrumentering Till elektrifieringen hör transfrmatr, generatrbrytare, generatrskydd, 110 kv fält, ledningar ch kraftverksinstallering. Instrumenteringskstnaderna innehåller styr- ch reglerutrustning, krskpplings-utrustning, kntrllrumsutrustning samt fältinstrumentering ch - kablar.

42 Elektrifierings- ch instrumenteringskstnaderna representerar ca 18 % av investeringskstnaderna för anläggningar sm inte tidigare är anslutna till elnätet ch 9 % för anläggningar sm är anslutna till kraftnätet. 6.2.6 Indirekta kstnader De indirekta kstnaderna innehåller prjektering, administratin, anläggningens igångkörning ch byggtidens specifierade kstnader. Dessa kstnader har antagits vara 7 % av de direkta kstnaderna. 6.3 Driftskstnader Driftskstnader har uppdelats i bränsle-, underhålls- ch persnalkstnader. 6.3.1 Natnrgas Finland Sverige Priset på naturgas har bestämts enligt Neste Oy:s allmän gastariff M92. Gastariffen består av två alternativa tariffer: Energitariff ch distributinstariff. Energitariffen har större fasta kstnader, men energikstnaden är lägre. Energitariffen innehäller säsngrabatter på 10 % på våren ch hösten samt 15 % på smmaren. I lönsamhetsberäkningarna har man använt den tariff, sm blir fördelaktigare för ifrågavarande anläggning. Priset på naturgas är bestämt enligt NGC-utrednlngen "Energiprduktinskstnader med naturgas 11 6.3.2 Underhåll Gasturbinens underhållskstnader, sm innehäller översyn, reparatiner ch försäkringar, har antagits vara 3 FIM l MWh. 6.3.3 Persnal Man har förutsatt att den befintliga persnalen i kraftvärmeverk kan köra anläggningen även efter mbyggnaden. För hetvattenpanneanläggningar, sm kmpletteras med en gasturbin, är persnalbehvet l persn, eller en extra persn i dagskift. De ärliga persnalkstnaderna, sm innehåller de direkta ch indirekta lönekstnaderna, har antagits vara följande: Finland 175 000 FIM/år