Kraftvärmeproduktion med naturgas

Kraftvärmeprduktin med naturgas

U (G) 1988/10 Kraftvärmeprduktin med naturgas Naturgas

Vattenfall~ swedc2as FUD-RAPPORT frln UG 1987-12-21 FOrlalla re Huvudmrtde/Prgr mmtde/prjt~ktmrldb Kl-n< Björn Svenssn BEG4 Vattenfalls Biblitek 162 87 VÄLLINGBY - Swedegas, 08/54 19 85 (även rekv. av rapprt) Gasprjekt G2 Rapprter hn <ekvireres tr~n statens Vattenfallsverk Älvkarlebylabratriet Dkumentatinscentralen 810 71 ÄLVKARLEBY tel 026/881 00 PrJ ktnummer 98453-03 003 Srikrd 1 Naturgas Kraftvärme Gasmtr 133 \Antal bliagsbld lxl On ly summary in English n Whle reprt in English n lt exists a brchure in Swedish/English n Other Rubrik KRAFTVÄRMEPRODUKTION MED NATURGAs Sammanfattning Föreliggande rapprt ger en sammanfattande beskrivning av teknikmradet kraftvärmeprduktin med naturgas. Framställningen är uppdelad i fyra huvudmraden: Teknik Tillämpningar ch marknad Eknmi Typanläggningar En översiktlig beskrivning görs av tekniken. Syftet är att behandla flertalet väsentliga aspekter, sä att rapprten i ett inledande skede kan användas sm underlagsmaterial ch faktasamling. Följande behandlas: bakmliggande samband, systemkpplingar, kmpnentch anläggningsutfrmning, prestandauppgifter, miljöfaktrer (i huvudsak emissiner) ch tillgänglig utrustning frän ett antal lika leverantörer. Beskrivningen täcker följande typer av system: Mt t rycksäng turb inan lägg n in g Gasturbin med värmeätervinning Kmbicykel Gasmtr med värmeätervinning Tnvikten har lagts vid de tre sista typerna. Möjliga tillämpningar för naturqasbaserad kraftvärmeprduktin fjärrvärme, lkal värmeprduktin ch industri. Sverige redvisas för Eknmiska underlagsdata, investeringskstnad, drift- ch underhållskstnad, prestanda ch alternativkstnader redvisas. Utifrän dessa data, ch en ansatt naturgasprisniva, görs en bedömning av elprduktinskstnad exklusive skatt för lika typer av anläggningar i strlek 1-200 MW, främst med tankepafjärrvärme installatiner. ~ Ett antal typanläggningar i Nederländerna ch USA presenteras. ~ Rapprten har tagits fram av Vattenfall UG. Arbetet har skett samarbete med Swedcgas.

SUMMARY IN ENGLISH COGENERA TION WITH NATURAL GAS The subject f this reprt is the technlgy f cmbined prductian f heat and pwer (cgeneratin) with natural gas. The presentatin is divided inta 4 main sectins: T echnlgy. Applicatins and market. Ecnmy. Typical plants. A general descriptin is made f the technlgy, with the purpse t briefly cver all main aspects. Thus in a preliminary stage the reprt may be used as backgrund material and t prvide basic facts. The fllwing subjects are discussed: basic cndiditins, system lay-uts, cmpnent and plant design, envirnmental aspects (mainly emissins) and equipment ffered by a number f manufacturers. The descriptin cvers the fllwing systems: Back pressure steamturbine plant. Gasturbine with heat recvery biler. Cmbined cycle. Gasengine with heat recvery biler. Interest in fcused n the three last system types. Pssible applicatins fr natural gas fired eegeneratin in Sweden, in industry and fr lcal and district heating, are discussed. Ecnmic backgrund data such as investment east, peratin and maintenance east and perfrmance figures are presented. Using these data, nd an assumptin fr the price f natural gas and the value f prduced heat, a calcultin f the electricity prductian east (excluding tax) is made. Different types and sizes f plants in the range 1-200 MW are studied. This reprt is prduced by The Swedish State Pwer Bard, UG, in caperatin with Swedegas.

INNEHALLSFÖRTECKNING!. INLEDNING 1.1 Syfte ch uppläggning 1.2 Frmer för arbetet 2. SVSTEM FÖR NATURGASBASERAD KRAFTVÄRMEPRO OUKTION 2.1 Grundläggande system 2.1.1 Mttrycksångturbinanläggning 2.1.2 Gasturbin 2.1.3 Kmbicykel 2.1.4 Gasmtr 2.2 Systemkpplingar 2.2.1 Mttrycksflngturbinanläggning 2.2.2 Gasturbin 2.2.3 Kmbicykel 2.2.4 Gasmtr 2.3 Prestandasammanställning 2.3.1 Verkningsgrader 2.3.2 Utbyggnadstid 2.3.3 Tid för uppstart av anläggning 2.3.4 Bemanning 2.4 Kmpnenter 2.5 Installatiner 2.5.1 Utfrmning av byggnader 2.5.1.1 Ängturbinanläggning 2.5.1.2 Gasturbin ch kmbicykel 2.5.1.3 Gasmtrer 2.5.2 Utrymmesbehv 2.6 Bränsleceller 2.6.1 Allmän teknikbeskrivning 2.6.2 Bränslealternativ 2.6.3 Verkningsgrad, elutbyte 2.6.4 Utvecklings- ch marknadsläge 2. 7 Utvecklingstendenser, knventinella system 3. KOMPONENTER OCH EXEMPEL PA TILLGÄNGLIG UT RUSTNING 3.1 Kmpnentutfrmning 3.1.1 Mttrycksängturbinanläggning 3.1.2 Gasturbin 3.1.3 Kmbicykel 3.1.4 Gasmtr 3.2 Exempel pa tillgänglig utrustning 3.2.1 Gasturbiner 3.2.2 Gasmtrer 3.2.3 Gasmtrmduler BEG4-BS-5/LH

Il 4. MILJÖASPEKTER 4.1 Avgasemissiner, allmänt 4.2 Svenska myndighetskrav beträffande avgasemissiner 4.3 Internatinella exempel på emissinskrav 4.4 Tillgänglig teknik för emissinsbegränsning 4.4.1 Gasturbiner 4.4.2 Gasmtrer 5. APPLIKATIONER INOM INOUSTRI- OCH UPPVÄRMNINGS MARKNAO 5.1 Fjärrvärme 5.1.1 Tekniska förutsättningar 5.1.2 Naturgasbaserad kraftvärme svenska fjärrvärmenät 5.2 Lkal värmeprduktin 5.2.1 Tillämpningar 5.2.2 Tekniska förutsättningar 5.2.3 Ptential för kraftvärmeprduktin värmecentraler 5.3 Industriell kraftvärme 5.3.1 Allmänt 5.3.2 Tekniska förutsättningar, generellt 5.3.3 Prcesser 5.3.4 Branscher 5.4 Dimensinerande data 5.4.1 Värmemedium 5.4.2 Elgenerering 5.4.3 Bränsletillförsel 5.5 Enhetsstrlekar lkala 6. EKONOMISKA UNOERLAGSOA T A 6.1 Investeringskstnader 6.2 Drift ch underhallskstnader 6.3 Nyckeltal för prestanda 6.4 Alternativkstnad för värme 7. EKONOMISK UTVÄRDERING 7.l Mdell för jämförelse 7.2 studerade system 7.3 Kalkylförutsättningar 7.4 Sammanställning 7.S Industrifall BEG4-BS-5/LH

lll 8. TYPANLÄGGNINGAR 8.1 Fjärrvärme Airnere kraftvärmeverk, Nederländerna 8.2 Lkalt värmenät SRI, Menl park, Califrnien 8.3 Fastigheter 8.3.1 stadshuset, Grningen, Nederländerna 8.3.2 Kaiser Permanente sjukhus, San Dieg, Califrnien 8.3.3 San Dieg Tribune. San Dieg, Califrnien 8.3.4 Smaskslig kraftvärme, s k Micrgeneratin 8.4 Industri 8.4.1 Heineken, Zeterwnde Nederländerna 8.4.2 Pappersbruk Crwn van Gelder, Velsen, Nederländerna BEG4-BS-5/LH

1:1 l. INLEDNING l. l Syfte ch uppläggning Syftet med denna rapprt är att pä ett äskadligt sätt presentera dagens kmmersiellt tillgängliga teknik för naturgasbaserad kraftvärmeprduktin. Rapprtens mälgrupp är Vattenfall/Swedegas internt samt de framtida naturgaskunderna, dvs primärt kmmuner ch industri. Med avsikt att ge en relativt heltäckande, men inte i detalj fördjupad, bild av ämnesmradet har rapprten dispnerats sa att tnvikten läggs vid fyra "huvudavsnitt": teknik- ch miljöfrägr, kapitel 2-4 applikatiner ch marknad, kapitel 5 eknmi, kapitel 6-7 typanläggningar, kapitel B Genm denna framställning presenteras lika teknikalternativ, redvisas möjliga svenska tillämpningar, presenteras underlag för eknmiska bedömningar ch visas lika typanläggningar sm kan studeras utmlands. 1.2 Frmer för arbetet Rapprten sm beställts av Trd lindb, Vattenfall UG (utveckling, naturgas), har dragits fram tillsammans med Swedegas AB, ch ingår i Vattenfalls ch Swedegas FUD-prgram J 987. Handläggare pä Vattenfall har varit Björn Svenssn BEG4, ch p~ Swedegas Thmas Carlqvist. Swedegas har utarbetat avsnitten m anläggningar i Nederländerna, ch i övrigt bidragit med underlagsmaterial av teknisk art ch beträffande marknadsförutsättningarna i Sverige. Vattenfall ch Swedegas har frtlöpande gemensamt granskat ch kmmenterat utarbetat material. BEG4-BS-5/LH

2: l 2. SYSTEM FÖR NATURGASBASERAO KRAFTVÄRMEPRODUKTION 2.1 Grundläggande system Detta avsnitt utgör en genmgång av grundläggande förutsättningar för de kraftvärmesystem sm är tänkbara för naturgasanvändning, med hänsyn tll1 utvecklingsnivån för dagens kmmersiellt tillgängliga teknik. Följande system är aktuella: mttrycksångturbinanläggning gasturbin kmbicykel klvmtr. I detta avsnitt behandlas dessa fyra typer av system krt med avseende på bakmliggande teretiska sammanhang ch uppbyggnad i strt. De följande avsnitten under kapitel 2 behandlar i högre grad den praktiska anläggningsutfrmningen, t ex vad gäller systemkpplingar, uppbyggnad av ingående kmpnenter, prestanda ch installatlnsteknik. Tyngdpunkten i dessa avsnitt, ch i den frtsatta framställningen, läggs på de systemtyper sm kan sägas vara speciellt intressanta, ch i viss mån specifika, för naturgas sm bränsle. Detta innebär att relativt litet utrymme ägnas "knventinella" ångturbinanläggningar för rnttrycksprduktin, eftersm naturgas inte kan ses sm det primära bränslealternativet för detta system (även m naturgaseldning givetvis är möjlig ch sannlikt ckså knkurrenskraftig även i denna typ av kraftvärmeanläggningar). 2.1.1 Mttrycksångturbinanläggning I den knventinella ångturbinanläggningen tillämpas väl känd teknik sm utvecklats ch förfinats sedan slutet av förra århundradet. BEG4-BS-5/LH

2:2 ÅNGA ÅNGTURBIN NATURGAS ÅNGPANNA MED ÖVERHETTARE VATTEN MATARVATTEN-..----- TANK MATARVATTEN PUMP KYLVATTEN ELLER VÄRMEBÄRARE Figur 2: l Principschema för ängturbinanläggning Ovanstående figur anger schematiserat kretslppet i en ångturbinanläggning. Denna princip, den s k Rankine-prcessen, tillämpas i alla ängturbinbaserade system, avsett m anläggningen är ett kraftverk för ren elprduktin, eller sm här en mttrycksanläggning med kmbinerad el- ch värmeprduktin. I enklaste utfrmning kan prcessen beskrivas via funktinen hs följande fyra huvuddelar: J ängpannan förbränns bränslet, dvs i detta fall naturgas, ch ånga med högt tryck ch överhettning prduceras. I ängturbinen expanderar ångan till lågt tryck ch mekanisk energi för drivning av generatrn utvinns. l kndensrn överförs energi frän ångan till ett värmemedium, t ex hetvatten, ch ångan kndenseras. (I industriella kraftvärmetillämpningar används nrmalt lågtrycksångan efter turbinen direkt i prcessen. Kndensatet från prcessen äterförs till ångpannan. Den ängvärmda prcessanläggningen 11 ersätter" m a kndensrn i dessa tillämpningar.)

2,} Matarvattenpumpen åstadkmmer den erfrderliga tryckstegringen av matarvattenflödet (knden!'latet) ch.1terför detta till ångpannan.., ' '",. - ---- s, T-diagram för vatten H,,;,. u 9,;,. ~J t kg K OfH"'' " "'." i 1---- -- - ' - -~- 1! '"" 1 -- ~---' '"" l l! ~ l.! - l ' ' --+---, -- '--~- -----r ---- -! l ; -~-- ----:- -t- 1 100 --- -. " _ ----.,--- _-J--~-+- -- - - "..,,-:_---- --'-- 7 ' kj/k9k Figur 2:2 Ångturbinprcess i temperatur/entrpidiagram Verkliga anläggningar arbetar i strt sett aldrig helt efter den förenklade princip sm redvisas van. Vanligtvis tillämpas följande metder för höjning av verkningsgraden: Matarvattenförvärmning (eventuellt i flera steg) med avtappningsånga från turbinen. Uppdelning av turbinexpansinen i två steg med mellanliggande överhettning av ångan (framför allt i stra anläggningar). Verkninl?sgraden i en anläggning av detta slag kan ttalt sett uppgå till 85 a 90%, se vidare avsnitt 2.3. Andelen elenergi sm kan prduceras i ångturbinen varierar med hänsyn thi anläggningens strlek, ch hur str investering sm kan anses mtiverad m h t en ttal eknmisk bedömning. Elverkningsgraden bestäms till största BEG4-BS-5/LH

2:4 delen av hur avancerade ängdata avseende tryck ch temperatur sm valts för panna ch turbin, samt även av kmpnentverkningsgrad för ingående utrustning, dvs i första hand turbin ch generatr. I en str anläggning, medeleffekt i strleksrdning 100-200 MW el, tillämpas med fördel avancerade ångdata, i strt sett jämförbara med data för ett strt bränsleeldat kraftverk. Exempel på dylika data: 180 bar, 54QOC. För mindre anläggningar väljs vanligen lägre värden för tryck ch temperatur. T ex rekmmenderar Värmeverksföreningen i en studie för anläggningar mindre än 25 MW el: 60-llO bar, 500-5200C I en Värmefrsk-rapprt anges följande sm ptimala data: lo MW el; 85 bar, 5QOOC 25 MW el; 105 bar, 52QOC 2.1.2 Gasturbin Principen för en gasturbin trde vara väl bekant, ch kan krt beskrivas på följande sätt: Den knventinella gasturbinen arbetar i en öppen prcess, dvs förbränningsluften tas från mgivningen, vid atmsfärstryck, ch avgaserna släpps ut i mgivande atmsfär. Förbränningsluften kmprimeras i en kmpressr till valt maxtryck för systemet. Kmpressrn drivs av en turbin, se nedan. Efter kmpressrn leds luften till brännkammare där naturgasen tillförs ch förbränns. Förhållandet luft/bränsle är relativt strt i en gasturbin ch styrs av hur hög den maximala temperaturen får vara i avgasflödet efter brännkamrarna. (Brännkamrarna är inte kylda, dvs all bränsleenergi mvandlas till värme i de heta avgaserna, ch ett strt luftöversktt, säg luftfaktr 3-4, erfrdras för att avgastemperaturen skall hållas inm rätt intervall.) De heta avgaserna expanderar i en turbin ned till atmsfärstryck. Under expansinen utvinns mekanisk energi sm dels åtgår för drivning av kmpressrn, dels driver generatrn. (I praktiken kan turbinen vara uppdelad i flera separata steg, t ex en turbin för drivning av kmpressrn ch en för drivning av generatrn.)

2:5 Efter turbinen släpps avgaserna ut i mgivande atmsfär. Avgasen håller dck frtfarande relativt hög temperatur, säg 400-6QOOC, ch detta utnyttjas i kraftvärmetillämpningar, vanligtvis genm att energin tillvaratas för äng- eller hetvattenprduktin i en avgaspanna sm instajieras efter gasturbinen. KOMPRESSOR NATURGAs ---1 BRANNKAMMA.,RE:..ll'-1 r--1 1---.. AVGASER AVGASPANNA LUFT TURBIN Figur 2:3 Principschema för gasturbin med avgaspanna En gasturbin enligt vanstående beskrivning arbetar efter en tenndynamisk cirkelprcess sm brukar benämnas Braytn- el!er Juleprcessen. En gasturbins mekaniska verkningsgrad bestäms av kmpnentverkningsgraden för turbin ch kmpressr ch av hur avancerade dimensinerande data sm valts vad gäller tryckförhåuande ch maximal temperatur i inlppet till turbinen. I den enkla idealiserade gasturbincykeln samverkar dessa dimensinerande data vad gäller påverkan på den mekaniska verkningsgraden så att det för en given högsta turbininlppstemperatur finns ett ptimalt tryckförhållande. Är gasturbinen i övrigt krrekt dimensinerad ger en ytterligare ökning av tryckförhållandet ingen ökad mekanisk verkningsgrad m inte även turbininlppstemperaturen höjs. För ett givet tryckförhållande kan däremt en förbättring uppnäs genm ytterligare höjning av turbininlppstemperat uren. BEG4-BS-5/LH

2:6 I praktiken är det mänga andra kriterier sm styr dimensineringen utöver denna "ptimala punkt" eller snarare "ptimala kurva" för relatinen tryckförhällande/max temperatur. Bland dessa kan nämnas: Ökad turbininlppstemperatur ger högre specifikt arbete per massflödesenhet genm turbinen. Detta utnyttjas framför allt i flygmtrt111ämpningar av viktbesparingsskäl, men får även en påverkan på marknadsutbudet av gasturbiner för statinärt bruk, i ch med att mänga enheter i grunden baseras på flygmtrknstruktiner ch utnyttjar l strt sett samma avancerade data. Vissa gasturbiner har inte så högt tryckförhållande sm skulle vara mtiverat m h t maximal turbininlppstemperatur. Orsaken kan t ex vara att höga tryckförhållanden ställer mycket stra krav på kmpnentverkningsgraden i kmpressr- ch turbins teg. Utvecklingen går frtlöpande mt högre turbininlppstemperaturer. Detta kräver dck allt mer avancerade lösningar vad gäller materialval ch utfrmning av kylningen, framför allt i första turbinstegets skvelblad. För att erhålla en ökning av den mekaniska verkningsgraden, utöver vad sm är möjligt med givna data ch en enkel gasturbinprcess enligt figur 2:3, kan vissa ytterligare steg införas i cykeln. Framför allt kan följande nämnas: Mellankylning Innebär att kmpressrn är utförd i flera steg, med mellanliggande kylning av förbränningsluften, vilket leder till mindre luftvlym ch minskat kmpressrarbete i nästföljande steg ch ttalt sett en viss förbättring av verkningsgraden. Reheat Innebär att turbinexpansinen sker i flera steg med mellanliggande återvärmning. Ttalt sett sker energitillförseln vid en högre genmsnittlig temperaturnivå, vilket nrmalt bidrar till en höjning av verkningsgraden. Rekperatr Innebär att verkningsgraden förbättras genm att en värmeväxlare tar vara på en delmängd av energin i avgaserna ch utnyttjar denna till förvärmning av luften före brännkamrarna. En förutsättning för detta är givetvis att avgastemperaturen ligger på en väsentligt högre nivå än förbränningslufttemperaturen efter kmpressrn. Detta temperaturspann minskar med ökande tryckförhällande. Dessutm kan naturligtvis knstateras att rekuperatrn utnyttjar en del av avgaseffekten ch därigenm minskar värmeprduktinsptentialen i en kraftvärmetillämpning. Förhållandet eleffekt/värmeeffekt, "alfavärdet", förbättras dck ch detta är i princip psitivt för kraftvärmeanläggningar.

Änginsprutning Genm att utnyttja avgasvärmet i en avgaspanna prduceras ånga med lämplig trycknivå sm sprutas in i gasturbinens brännkammarzn medelbart före turbinen. Detta ökar möjlig maximal eleffektprduktin utan att mängden bränsle sm tillförs behöver förändras i mtsvarande grad, dvs höjer elverkningsgraden. I en kraftvärmekppling ger ett krrekt dimensinerat änginsprutningssystem ökad flexibilitet i förhållandet ejprduktin/värmeprduktin. Samma sak gäller i princip för ett system med rekuperatr enligt vanstående punkt. Dessa system behandlas utförligare i avsnitt 2.2. Figur 2:4 Mellankylning, reheat, rekuperatr ch ånginsprutning, principutfrmning BEG4-BS-5/LH

2:8 2.1.3 Kmbicykel I de närmast föregående 2 avsnitten har de huvudsakliga principerna för ångturbin- ch gasturbinprcesserna presenterats. Siffrr för elverkningsgraden i lika tillämpningar av dessa system redvisas under avsnitt 2.3. Det kan knstateras att dessa verkningsgrader även med tillämpning av dagens bästa teknik ligger under 40%, vilket egentligen inte är särskilt impnerande. Ingendera typen av anläggning är ptimal när det gäller att mvandla bränsleenergin till elektricitet. (I kraftvärmetillämpningar erhålls dck hög ttalverkningsgrad.) l princip skulle man kunna säga följande: Vid förbränning av naturgas (eller annat bränsle) erhålls en hög temperatur. I en gasturbinanläggning tillförs prcessen energi vid en hög temperaturnivå (över l aac med dagens bästa teknik). "Restvärmet", sm inte tas tillvara, släpps dck ckså ut med hög temperatur, cirka 400-6QQOC. En ångturbinanläggning har via ångpannan "tillgång" till hög temperatur. Av lika skäl är emellertid den högsta ängtemperaturen i systemet max cirka 54QOC. I ett kraftverk kan sedan energin i ångan utnyttjas under sänkning av temperaturen ned till säg cirka 20-30 C. I en gasturbin utnyttjas med andra rd den frigjrda bränsleenergin på ett effektivt sätt endast vid höga temperaturer, medan en ängturbinanläggning arbetar i ett lägre temperaturintervall. Enligt termdynamiska grundsatser blir verkningsgraden för en arbetsprcess i princip högre m den kan arbeta inm ett större temperaturspann. En anläggning sm kmbinerar gasturbin ch ängturbin får m a en bättre ttalverkningsgrad än t ex en ren ängturbinanläggning, tu! följd av att den arbetar både vid hög temperatur (gasturbin) ch låg temperatur (ångturbin). Rent praktiskt mfattar en kmbicykel alltid en ångturbinkrets vars ånga prduceras av en avgaspanna sm utnyttjar de heta avgaserna från gasturbinen.

2:9 AVGASER VATTEN --, NATURGAS BRÄNN- KOM PRESSOR AVGAs PANNA ÅNGA KYLVATTEN/ VÄRMEBÄRARE KONOENSOR LUFT TURBIN ÅNGTURBIN Figur 2:5 Schematisk uppbyggnad av kmbicykel Detta är ett principschema över den enklaste frmen av kmbicykel med gasturbin ch ångturbin. I kraftvärmeanläggningar prduceras hetvatten för fjärrvärme i kndensrn efter ångturbinen eller utnyttjas avlppsångan för en industriell prcess. Det är även möjligt med tillämpningar där ångturbinen har en separat avtappning eller delar av ängflödet förbikpplas turbinen för att öka maximalt värmeuttag. Avgaspannan prducerar nrmalt max så mycket ånga sm kan åstadkmma m h t restvärmet i avgaserna från gasturbinen. Det går även att bygga avgaspannan för "tillsatseldning". Avgaserna är nämligen så syrerika att de duger sm förbränningsluft. Vid tillsatseldning kan ångprduktinen, ch därmed andelen el från ångturbinen ökas. Ttalverkningsgraden för elprduktin brukar dck minska vid tillsatseldning (se även figur 2:10). Kmbicykeltekniken dvs principen att krnbinera en gasturbin ch en ångturbinanläggning ger ckså vissa intressanta möjligheter att öka elprduktinen i en existerande kraftvärmeanläggning, genm att kmplettera med en gasturbin vars avgaser på lämpligt sätt tillförs den befintliga ångpannan. Mer m detta nämns i kmmande avsnitt. BEG4-BS-5/LH

2:10 2.1.4 Gasmtr statinära klvmtrer för naturgasdrift är väl lämpade att inga i ett kraftvärmesystem. Figur 2:6 redvisar principen för detta. NATUAGAS LUFT ---n } LADDLUFTKYLAAE GENE- RATOR l - e MOTOR VÅRHEBÅAAAE T EX HETVATTEN l ri; L... f- OLJEKYLA RE l~ VATTENKY LNING ' OVERLAODARE l' v v LUFT AVGASPANNA } ' AVGASER j ' Figur 2:6 Schematisk utfrmning av kraftvärmeinstallatin med gasmtr Kpplingen i figuren askadliggör en grundläggande förutsättning sm gäller vid alla kraftvärmetillämpningar med förbränningsmtrer, nämligen att värme maste atervinnas ur kylvatten ch ljekylare, förutm ur avgaserna, m hög ttalverkningsgrad skall uppnas. Det visade exemplet avser en mtr med avgasturb, varvid en kylare för leddluften nrmalt tillkmmer. En klvmtr knstrueras för att arbeta enligt en av de tvä grundläggande mtrprcesserna, dvs: Ottprcessen Dieselprcessen

2: l l Ottmtrn är den vanliga tändstiftsrntrn, där bränsle-luftblandningen antänds med en gnista i eller nära klvens övre dödpunkt ch en mycket snabb antändning ch förbränning sker av hela gasblandningen. Det teretiska kriteriet för en Ottmtrprcess är att förbränningsförlppet sker vid i strt sett knstant vlym. I en Ottmtr kmprimeras bränslet tillsammans med förbränningsluften. Under kmpressinen erhålls en kraftig temperaturhöjning i gasblandningen, ch risken för självantändning, ''knackning,, utgör en begränsande faktr vid val av kmpressinsförhållande. Mtrn verkningsgrad ökar i ch för sig med höjd kmpressin, ch detta medför en fördel vid naturgasanvändning i tändstiftsmtrer jämfört med bensin, eftersm naturgasen är mindre knackningsbenägen. En knventinell Dieselmtr utfrmad för drift med enbart lja fungerar enligt följande: Förbränningsluft sugs in i cylindern ch kmprimeras. Vid maximal kmpressin (sm vanligtvis är väsentligt högre än i en Ottmtr) har förbränningsluftens temperatur höjts ch ligger klart över bränslets självantändningstemperatur. Oljan sprutas då in i cylindern med högt tryck genm ett speciellt munstycke (spridare). Oljan finfördelas ch självantänder. Oljeinsprutningen styrs nrmalt för att anpassa mtrns funktin ch förbränningsförlppet till den teretiska dieselprcessen, vilket innebär att förbränningen sker under bibehållande av knstant tryck. Dieselprcessen kan även tillämpas i mtrer för gasfrmigt bränsle, ch då med fördel naturgas. I detta fall tillförs gasen med förbränningsluften ch kmprimeras, på samma sätt sm i Ottmtrn. Antändning sker genm att en liten del dieselbränsle sprutas in vid rnaxkmpressin. Gas-dieselmtrn måste följaktligen vara utrustad med samma dieselinsprutningssystem sm en knventinell dieselmtr. Andelen diesel-bränsle för antändning är relativt låg, säg mtsvarande 5 a 10% av ttala bränsleenergitillförseln vid fullast. Denna princip brukar benämnas 11 dual-fuel 11 eller 11 pilt-injectin 11 En fördel med det dubblerade bränslesystemet är att mtrn, vid nrmala utförande, kan övergå autmatiskt till 100% ljedrlft. Om gastillförseln av någn anledning avbryts fungerar dieselljan m a sm fullständig reserv. BEG4-BS-5/LH

2d2 2.2 Systemkpplingar Syftet med detta avsnitt är att nägt mer detaljerad, ch med inriktning pll tillämpning i lika slag av verkliga kraftvärmeanläggningar, beskriva funktinen hs de system sm redvisas i avsnitt 2.1. 2.2.1 Mttrycksängturbinanläggningar En gaseldad kraftvärmeanläggning med ångpanna ch mttrycksängturbin skiljer sig endast marginellt frän mtsvarande ljeeldade anläggning. (De miljömässiga ch övriga fördelar ur verkningsgrads- ch DU-synpunkt sm nrmalt uppstar vid övergäng från lje- till gaseldning i stra pannr är dck värda att nämna även i detta sammanhang.) De specifikt gastekniska delarna av installatinen utgörs av: Abnnentcentral/mät- ch reglerstatin, för leverans av naturgas frän distributinsnätet, eventuell tryckreducering, debiteringsmätning. Intern rördragning inm anläggningen. Gasbrännare, med gasarmatur för styrning ch reglering av flöde. 2.2.2 Gasturbin strleksintervall Gasturbiner förekmmer inm ett effektintervall frän ca 200 kw upp till över 100 MW. (De största enheterna på marknaden idag har max nminell effekt i strleksrdningen 140 MW.) Vid val av lämplig gasturbin är tillgänglighet i rätt effektstrlek en viktig faktr, jämsides med andra kanske ännu mer avgörande kriterier sm t ex verkningsgrad, drift ch underhällskstnader samt service- ch reservdelsrganisatin. Vad gäller effektstrlekar kan dck knstateras att ett mycket strt utbud av turbiner frän lika tillverkare finns i strt sett frän 200 kw ch uppa.t. Speciellt inm effektklasserna frän 10 MW till drygt 30 MW kan mänga lika typer ch fabrikat erbjudas. I klassen över ca 40 MW är urvalet väsentligt mindre, ch för ett max effektbehv på t ex ca 60-70 MW kan en kmbinatin av tvä gasturbiner med halva effekten vardera bli det bästa alternativet. Gasturbiner i den största effektklassen, 100 MW ch större, kan levereras av ett relativt strt antal tillverkare.

2,[ l Äng- ch hetvattenprduktin Avgaserna efter gasturbinen kännetecknas av bl a följande: Temperaturen är hög (inm intervallet IJ00-6QOOC vid nminell belastning ligger flertalet typer). Syrehalten är hög, ca 15% (jämför 2.1.2). Den höga avgastemperaturen gör att en avgaspanna för hetvattenprduktin kan dimensineras för en relativt hög genmsnittlig temperaturdifferens, dvs på ett eknmiskt förmånligt vis. Dessutm kan avgasångpannr med relativt avancerade data anslutas efter gasturbiner. Exempelvis kan en ängtemperatur i strleksrdningen 45QOC åstadkmmas med vissa typer av gasturbin ch lämplig avgaspanna. Förhållandet mellan elprduktin ch värmeprduktin i en gasturbinanläggning med avgaspanna (det s k alfa värdet) ligger överslagsmässigt l genmsnitt på ca 0,5, dvs dubbelt så str effekt kan tas ut ur avgaspannan sm i elgeneratrn (se vidare 2.3). Om det är önskvärt att tillfälligt eller kntinuerligt prducera mer värme än vad sm går att utvinna genm kylning av turbinens avgaser kan avgaspannan utrustas med gasbrännare för tillsatseldning. Genm att avgaserna har hög syrehalt kan de användas sm förbränningsluft, dvs avgaspannans tillsatsbrännare placeras direkt i avgasflödet ch endast naturgas behöver tillföras, ingen extra förbränningsluft erfrdras. Förutm att öka avgaspannans kapacitet kan temperaturnivån höjas genm tillsatseldning, t ex m mer avancerade ängdata önskas. Lastvariatiner Nminell maxeffekt för en gasturbin anges i flertalet fall vid nrmalt atmsfärstryck ch mgivningstemperatur JjOC. Vid högre mgivningstemperatur sjunker såväl maxeffekt sm verkningsgrad, pga att kmpressrns kapacitet minskar ch erfrderligt specifikt kmpressrarbete ökar. Vid lägre mgivningstemperatur stiger på mtsvarande vis gasturbinens maxeffekt över det nminella värdet ch ger även högre verkningsgrad (under vissa driftsbetingelser, i första hand vid hög luftfuktighet, finns risk för isbildning l kmpressrinlppet vid låg mgivningstemperatur. Om åtgärder inte vidtas kan denna isbildning leda till skadr i kmpressrn. System för undvikande av isbildning leder nrmalt till att insugningsluftens temperatur höjs någt. När dylika system är inkpplade mtverkas följaktligen den psitiva inverkan sm låg mgivningstemperatur ger på maxeffekt ch verkningsgrad). Dellastegenskaperna är vanligtvis inte särskilt gda för en gasturbin. Eftersm turbinen löper med knstant varvtal suger kmpressrn nrmalt samma mängd luft både vid maxlast ch låglast. Vid lägre belastningar tillförs mindre bränsleflöde ch avgastempera- BEG4-BS-5/LH

2:14 turen medelbart före turbinen sjunker, vilket försämrar verkningsgraden. Effekten av detta förlpp kan mtverkas genm t ex: Variabel inlppsgemetri med ställbara ledskenr i l:a kmpressrsteget för styrning av flödet. Separata axlar. Om kmpressrn på någt vis kan rtera med variabelt varvtal, frikpplat frän generatrdriften ökar flexibiliteten vid dellast. A vaneera de kpplingar Här beskrivs krtfattat ett antal mdifieringar av den enkla gasturbinprcessen sm syftar till: höjningavelverkningsgraden ökad flexibilitet i förhållandet ej/värmeprduktin. Den s k Cheng--cykeln, benämnd efter sin upphvsman, har utvecklats av det amerikanska företaget Internatinal Pwer Technlgy. Principen bakm det patenterade systemet är i krthet följande: Anläggningen består av en mdifierad gasturbin ch en ansluten avgaspanna för prduktin av prcessånga, dvs ett kraftvärmesystem. Avgaspannan är kmpletterad med en överhettarsektin ch gasbrännare för tillsatseldning. Ett variabelt flöde överhettad ånga kan ledas till gasturbinen ch injekteras i anslutning till brännkamrarna. I brännkammarznen hettas ångan upp till erfrderlig turbinlnlppstemperatur, ch expanderar genm turbinen tillsammans med det nrmala avgasflödet. Eftersm inget kmpressinsarbete åtgår i gasturbinen för det extra massflöde sm tillförs via ångan erhålls: en väsentlig höjning av effektuttaget en höjning av verkningsgraden, eftersm bränsleförbrukningen ökar relativt lite (extra bränsleenergi erfrdras endast för ökning av ångans överhettning, ej för kmpressin eller förångning). Systemet förutsätter givetvis att gasturbinen kan hantera det ökade massflödet genm turbinstegen sm änginsprutningen medför. Alla typer ch fabrikat av gasturbiner klarar inte detta, men i många fall är en ökad belastning möjlig efter endast mindre mdifieringar. Genm att avgaspannan har tillsatseldningsmöjlighet blir anläggningen mycket anpassningsbar till rådande el- ch värmebehv, t ex enligt följande:

2:15 Litet elbehv, strt värmebehv; ingen änginsprutning l turbinen tillsatseldning i avgaspannan. Strt elbehv, litet värmebehv; änginsprutning i turbinen ingen tlhsatseldning. Strt elbehv ch värmebehv; änginsprutning i turbinen tillsatseldning. Dessa driftfall illustreras av följande figur. Electrical Output Supplemenbl Fkinq, N Steam lnjectin Prcess Steem Output Figur 2:7 Cheng-cykel, grafisk representatin av driftfall Cheng-cykeln finns idag utvecklad ch kmmersiellt tillgänglig i en effektstrlek, baserad på en Allisen gasturbin. BEG4-BS-5/LH