Dimensionering av ackumulatortank för ånga till Tuvans rötgasanläggning joaved04@student.umu.se saanin04@student.umu.se Handledare: Lars Bäckström Åke Fransson
Sammanfattning I dagens samhälle är det viktigt att energieffektivisera för att minimera den klimatpåverkan som människorna utför på naturen. Ett mycket effektivt sätt att minska denna påverkan är att installera ackumulatortankar i befintliga förbränningsanläggningar. Syftet med detta projekt var att dimensionera en ackumulatortank för ånga till Tuvans rötgasanläggning. Deras problem är att pannan körs intermetent vilket både ger en dålig verkningsgrad för pannan samt större utsläpp av växthusgaser. Det ökar även slitaget på pannan. Med hjälp av driftsdata över ångbehovet och bränsleeffekten från Tuvan har en ackumulatortank dimensionerats, volymen bestämdes till 99 m 3 och dess urladdningstid är ungefär 2,5 timmar. Detta är dock den minsta möjliga volymen då tanken har döda zoner som inte går att utnyttja. 3
Innehållsförteckning 1 Inledning... 5 1.1 Bakgrund... 6 1.2 Ackumulatortankar för ånglagring... 6 2 Metod... 9 2.1 Volymsberäkningar... 9 3 Teori... 12 4 Resultat... 13 5 Slutsats och diskussion... 13 6 Referenser... 14 4
1 Inledning Dagens klimatförändringar och den ständigt ökade efterfrågan på biobränslen medför att det är viktigt att effektivisera de befintliga energisystemen. Med hjälp av olika energilagringstekniker kan energiöverskott lagras och användas vid ett senare tillfälle när det finns ett stort behov. Syftet med detta projekt är att utreda möjligheten till att lagra ånga, samt att dimensionera en lagringstank för ånga, till Skellefteå Krafts biogasanläggning i Tuvan. I dagsläget körs pannan intermetent, vilket ger dåliga driftegenskaper så som låg verkningsgrad och ett ökat slitage på anläggningen. Dessa problem skulle kunna minimeras med hjälp av en ackumulatortank för ånglagring. En sådan lösning jämnar ut och anpassar driften så optimalt som möjligt. 5
1.1 Bakgrund Tuvans biogasanläggning behöver ånga till rötningsprocessen för att hålla temperaturen kring 37ºC i anläggningen. Denna ånga produceras med en pelletspanna på 4,5 MW. Pannan körs idag intermetent på 700 kw med cirka 14 uttag per dygn. Två till fyra av dessa uttag är spetslaster för att kunna förse Tuvan med ånga. Spetslasternas effektuttag ligger omkring 2 MW. Ångbehovet ökar med minskande utomhustemperatur. Denna driftsituation är inte hållbar, då den ger ett stort slitage och dålig verkningsgrad på anläggningen. Genom att installera en ackumulatortank kan driften jämnas ut över dygnet, vilket medför att spetsuttagen från pannan minimeras. När pannan får arbeta med konstant last minskar bränslebehovet och slitage vilket medför minskade kostnader. Ackumulatortanken medför även en ökad driftssäkerhet vid ett eventuellt effektbortfall. Lagring av ånga kan ske på ett flertal sätt, den vanligaste metoden är att komprimera ånga och lagra det som vatten vid ett högt tryck. En annan metod är att använda fasövergångsmaterial för det aktuella temperaturintervallet. Vid inlagring av energi smälter materialet och vid urladdning stelnar det igen. En tredje metod är att värmeväxla ångan från pannan till ett slutet trycksatt system. Den tredje metoden med värmeväxling valdes för denna studie. Metoden med att komprimera ånga kräver en kompressor som använder mycket el, dessutom erhålls stora effektförluster vid komprimeringen. Fasövergångsmaterial är dyra och efter att antal cykler minskar dess förmåga att helt återgå till sin ursprungs form, vilket i sin tur ger försämrad lagringskapacitet. Även värmeväxlingen ger förluster, men dessa är mindre än för de övriga alternativen. 1.2 Ackumulatortankar för ånglagring Ackumulatortanken använder sig av en sensibel lagringsform vilket betyder att energilagras genom att ett material värms upp utan att det sker någon fasomvandling. Latentvärmelagring sker vid en konstant temperatur. Detta illustreras i figur 1. Figur 1 visar vilka områden som sensibel respektive latent lagring sker. [5] 6
En ackumulatortank för ånga förvarar egentligen vatten vid ett högt tryck så att vattnet inte börjar koka. Trycket skall vara högre än mättnadstrycket eller så måste temperaturen på vattnet vara lägre än mättnadstemperaturen. Trycket i tanken kan hållas på olika sätt, antingen kan det vara atomsfärstryck om vattnet är under hundragrader. Trycket i tanken kan även upprätthållas genom att bilda en ångkudde i toppen av tanken. Se figur 2. Med denna metod hålls trycket genom att förånga lite vatten eller att kondensera lite ånga. Lagrets kapacitet erhålls enbart från den sensibla delen av entalpin. För detta projekt kommer en tryckkammare med ångkudde att användas. Figur 2 visar hur en ångackumulator med ångkudde och glidande tryck fungerar. Ånga produceras genom att trycket sänks under urladdningen, därför kallas systemet för sliding-pressure storage, eller Ruths system efter uppfinnaren.[1] Eftersom vatten används både som lagrings- och arbetsmedium har systemet stora urladdnings möjligheter. Tankens kapacitet begränsas enbart av dess volym. 7
I bland kan det vara fördelaktigt att kunna leverera ånga med ett konstanttryck detta kan aningen åstadkommas genom en extern förångare. Då tas överhettat vatten från tanken med samma flödeshastighet som kallt vatten tillsätts till tanken. Detta medför en skiktadtank. Se figur 3. Figur 3 visar hur en tank med konstant tryck är konstruerad. Ackumulatortanken kan laddas på tre olika sätt antingen sker inladdningen med ånga varvid trycket i tanken ökar eller så sker den med överhettat vatten, då kommer trycket att vara konstant. Sedan kan tanken även laddas indirekt med en värmeväxlare, fördelen med en värmeväxlare är att trycken i de båda systemen är oberoende av varandra. För detta projekt kommer en tank som har konstanttryck och som laddas med hjälp av en värmeväxlare användas vid beräkningarna. Detta är en så kallad skiktad tank. [3] 8
2 Metod Det finns olika metoder att gå tillväga för att dimensionera storleken på en ackumulatortank. Jönsson beskriver i sitt examensarbete [4] tre stycken metoder som kan användas för olika situationer. Den första metoden är en ekonomisk metod där man jämför hur anläggningen körs med och utan ackumulatortank. Sedan bedöms besparingen av energi med en tank mot investeringskostnaderna för tanken. Olika storlekar på tanken jämförs för att se vilken som ger störst lönsamhet. Denna metod tar hänsyn till många ekonomiska faktorer så som förmodat elpris och bränslepris. Vid överslagsberäkningar kan detta leda till ett allt för ingående arbete En annan metod bygger på simuleringar av olika stora ackumulatortankar, den bygger på att pannan körs med så konstant last som möjligt över ett dygn. Därefter simuleras olika storlekar på tankarna och den tanken som ger största ekonomiska lönsamhet väljs. Ackumulatortanken kommer att visa sig lönsam genom att pannans drift kan ligga på en konstant effektnivå. Denna dimensioneringsmetod behöver dock inte vara den mest kostnadseffektiva, eftersom att den optimala driften inte behöver vara den mest lönsamma. Den tredje metoden använder produktionens medeleffekt som riktvärde. När effektbehovet ligger under medeleffekten kan överskottet av energi lagras in och när effektbehovet överstiger medeleffekten kan detta tas från energilagret. På detta sätt kan en uppskattning av hur stort energilager som behövs utföras. Denna metod tar inte hänsyn till de ekonomiska aspekterna, utan är bara en överslagsberäkning av dimensioneringen. I detta projekt kommer den tredje metoden att användas på grund av dess enkelhet samt att tillgången på tid och data är begränsad. Vid användningen av denna metod kommer inga produktionsstörningar uppstå. De krav som finns på ackumulatortanken är: Den ska kunna lagra tillräckligt med ånga för att täcka dygnsbehovet. Mättad ånga med ett tryck på 12-15 bar skall levereras. Kunna kompensera för bortfall vid kortare driftstopp. 2.1 Volymsberäkningar En ackumulatortank används som lager under en kortare period, till exempel för att jämna ut en dygnsvariation. För att beräkna den erforderliga tankvolymen måste ett medeldygnsbehov bestämmas. Dygnsbehovet av ånga styrs av utomhustemperaturen. Tankens volym måste vara tillräckligt stor för att täcka underskott, samtidigt som dem måste klara av inlagring vid överskott av värme. Biogasverket i Tuvan har bara behov att lagra värme på dygnsbasis, detta på grund av hur värmebehovet ser ut. Det som är av störst intresse är att undersöka hur behovet förändras timme för timme. 9
Det är behovet av ånga som styr hur mycket pannan måste köras, därför beräknas ett medelvärde på ångflödet med figur 4 nedan, för en representativ vecka då det är cirka fem minusgrader ute. Från figur 4 bestäms även medelvärdet på pannans uteffekt. Figur 4 visar ångflöde(svart linje), bränsleeffekt (rosa linje) och pannans uteffekt (orange linje) för en vecka då medeltemperaturen var ungefär -5ºC. Utifrån medelvärdet på ångflödet kan det beräknas hur mycket effekt i form av värme som kan lagras in i ackumulatortanken. I figur 5, som visar ångflödet för ett dygn är det lättare att läsa av ångflödet och därmed avläsa hur mycket effekt som kan lagras in respektive tas ut under det dygnet. 10
Figur 5 visar ångflöde, bränsleeffekt och pannans effekt under ett dygn, då det var ungefär 0ºC ute. Panntrycket kan variera mellan 12 och 15 bar, se figur 6, på grund av detta anses det bättre att använda ett system med värmeväxlare. Ackumulatortankens tryck kan då hållas konstant oberoende av vilket tryck pannan ger. Figur 6 den svarta linjen visar hur pannans ångtryck varierar under en vecka. 11
3 Teori Enligt boken Thermal Energy Storage, Dincer, Rosen, [2] beräknas erforderlig teoretisk vattenvolym för att lagra en given energimängd, Q: & Q = m & CP T [J] (1) Där: m = Massa per sekund [kg/s] Cp = Specifika värmekapaciteten [J/kgK] T = Temperaturdifferensen [K] T = T H T C (2) Temperaturen ut ur pannan antas vara mättnadstemperaturen för ånga vid 15 bar, denna temperatur är 198,3ºC. Den kalla temperaturen antas vara 85ºC, detta ger en temperatur differens på cirka 113,3ºC Behovet av ånga per dygn bestämdes utifrån figur 4 till cirka 35 ton. Energin som går behövs för att producera denna ånga är 12,6 MWh. För att räkna ut den volym som krävs för att lagra detta energiinnehåll använder vi sambandet: V = ρ 141 º C Q C P,141º C T Det beräknade medelvärdet är Qmedel = 12,6 MWh. (3) Volymen på tanken beräknades då till 99m 3. Tankens verkliga volym kommer dock att bli större eftersom kompensationer för döda volymer måste utgöras. En död volym är en volym som inte kan användas fullt ut. I botten har vätskan konstant temperatur för att förhindra materialrörelser i tanken beroende på hastiga temperaturförändringar. Dödvolymen i toppen av tanken används som expansionskärl för att förhindra hastig kondensation av ånga i det fall laddningstemperaturen skulle vara för låg. Vid dimensionering av en ackumulatortank är det även viktigt att ta hänsyn till eventuella driftstopp, det är önskvärt att ackumulatortanken klarar att täcka upp kortare driftstopp. Tiden det tar att ladda ur tanken beräknas med ekvation 4. t = ρ 141º C C P,141º C Q V T (4) Tiden bestämdes till 2,4 timmar om urladdnings effekten är 525 kw 12
4 Resultat Behovet av ånga under ett dygn har uppskattats till 35 ton. Detta ångbehov täcker enbart rötgasanläggningens behov av energi. För att producera 35 ton ånga per dygn krävs en effekt på cirka 12,6 MWh Den minsta volymen som tanken måste ha för att klara effekttopparna är 99 m 3 för att kunna lagra ett dygns behov då det är ungefär fem minusgrader utomhus. För att jämna ut pannans drift så att den inte behöver köras intermetent bör en något större tank väljas, då kan pannan köras på en högre effekt och mer energi kan lagras in. Denna tank på 99m 3 klarar av att distribuera ånga för ett driftstopp på ungefär 2,5 timmar. 5 Slutsats och diskussion Då beräkningarna av det erforderliga massflödet av ånga är högst osäkert, då det bara fanns en veckas mätvärden att tillgå är dessa beräkningar inte helt tillförlitliga. För att ta reda på osäkerheten i mätvärdena kan en standardavvikelse beräknas. Standardavvikelsen beräknades inte i detta fall eftersom att det var så svårt att beräkna ett korrekt massflöde per dygn. Det är sannolikt bättre att ha mätvärdena i tabellform, då dessa är lättare att avläsa. För att få bättre resultat måste beräkningar av massflödet utföras under en längre tid. Behoven av ånga till rötgasanläggningen är små, för att utnyttja pannan bättre kan kanske andra användningsområden av ångan hittas. Detta skulle ge en betydligt bättre verkningsgrad för pannan som skulle kunna köras optimalt. Då skulle det bli aktuellt med en större ackumulatortank för att även täcka dessa behov, det är troligen betydligt mer lönsamt att köpa en större ackumulatortank. Ackumulatortanken på 99 m 3 har en urladdningstid på cirka 2,5 timmar vilket är ganska lite i fall ett driftstopp skulle inträffa. En större ackumulatortank skulle kunna täcka upp behoven under längre tider. 13
6 Referenser Böcker 1. G. Beckham, P. V. Gilli, Thermal energy storage, springer-verlag, 1984 2. Dincer, Rosen, Thermal Energy Storage, Wiley and sons, 2002 Artiklar 3. Buffer storage for direct steam generation, solar energy, volyme 80 nuber 10 page 1277-1282 Finns även att hitta på följande hemsida: http://www.sciencedirect.com/science?_ob=articleurl&_udi=b6v50-4gmj7r2-3&_user=651667&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort=d&view=c&_acct=c000035278& _version=1&_urlversion=0&_userid=651667&md5=f4a1e4bafc4b2e442ffba9ba118bc9ae Examensarbeten 4. Jönsson, Daniel, Dimensionering av en hetvattenackumulator för Örnsköldsviks fjärrvärmesystem, 2001, Umeå Universitet Hemsidor 5. http://www.rubitherm.com/english/pages/04a_glossary_01.htm 14