Simulering av ett Gaskombiverk med kylning till fjärrvärmenätet

UMEÅ UNIVERSITET Laborationsrapport Tillämpad Fysik och Elektronik 2005-05-27 Simulering och Optimering D Simulering av ett Gaskombiverk med kylning till fjärrvärmenätet Håkan Jonsson ce00hjn@ing.umu.se Sammanfattning Syftet med denna laboration var att se vad som händer när man kopplar en ångcykel efter en gasturbin. Hur totalverkningsgraden och alfavärdet påverkas jämfört med enbart gasturbin och vilka följder det får för bränsletillförsel. Det visar sig att totalverkningsgraden ökade från 62,5 % till 84 % men alfavärdet ökade endast marginellt från 0,377 till 0,392. En anpassning av efterföljande ångcykel borde ge ett positivt resultat för alfavärdet utan att försämra verkningsgraden Laboration inom kursen Simulering och Optimering, 5 poäng Civ. Ing. Energiteknik, Umeå Universitet Handledare: Lars Bäckström

Innehållsförteckning Inledning... 2 Syfte... 2 Teori... 2 Gengas... 2 Total verkningsgrad... 2 Alfavärde... 2 Metod... 3 Gasturbin... 3 Ångcykel... 3 Resultat... 4 Enbart Gasturbin... 4 Gaskombikraftverket... 4 Storleksförhållandet mellan gasturbin och ångcykel... 5 Diskussion och Slutsats... 5 Billagor... 6 Gasturbin... 6 Ångcykeln... 7 Gaskombi... 8 1

Inledning I Sverige så har vi en god tillgång till biomassa och det är vanligt att elda biomassa i fjärrvärmeanläggningar. Ett intressant alternativ kan vara att tillverka gengas av biomassan för att driva ett gaskombiverk. Sedan kan man kyla ångcykeln och avgaserna med fjärrvärmenätet. El är en högkvalitativ form av energi som kan säljas och med stigande elpriser så kan det bli en lönsam affär. Syfte Syftet med denna simulering är att undersöka hur totalverkningsgrad och alfavärdet påverkas om man kopplar på en ångcykel efter gasturbinen. Systemet är tänkt att vara en lösning som passar en ort med ett fjärrvärmenät. Med denna simulering är det möjligt att beräkna storleksförhållandet mellan turbin och ångcykel. Teori Gengas Gengas produceras genom förbränning av bränsle med ett underskott av syre i en sk. förgasare. Den brännbara delen i gasen är dels kolmonoxid (CO), dels vätgas (H 2 ) samt smärre andelar lätta kolväten som tex. Metan(CH 4 ). De lätta kolvätena bildas genom krackning av tjära från veden. Total verkningsgrad Den totala verkningsgraden beräknas enligt följande: η=p nyttig /P tillförd (1) där P nyttig är den effekt man kan tillgodogöra och P tillförd är den effekt som man tillför. Vid beräkningar så ska man använda temperaturen 25 C som referenstemperatur. Den tillförda effekten är i första hand det tillförda bränslet men även pump och fläktarbete räknas dit. I den mån bränslet är förvärmt, tex tjock eldningsolja, så ska den tillförda effekten räknas som tillförd effekt och likadant om luften är förvärmd så att den väsentligt skiljer sig från referenstemperaturen. Vid eldning av fasta bränslen så är det ovanligt att temperaturen för bränslet väsentligt avviker från referenstemperaturen. Alfavärde Ett värmekraftverks alfavärde beskriver förhållandet mellan producerad el och fjärrvärme. Q α = (2) el Q fj Om man har en effektiv elproduktion så får man ett högt alfavärde. Ett normalt alfavärde ligger runt 0,25-0,35 för ett kraftvärmeverk med en ångcykel. 2

Metod För beräkningarna så användes programmet Aspen som har data för vatten/ångfaser, bindningsentalpier mm. för de vanligaste ämnena i sin databas. Modellen som har lagts in är förenklad och beskriver inte hur gengasen produceras och den tar inte hänsyn till ett eventuellt reningssteg som kan behövas mellan förgasaren och turbinen. Gasturbin Gengasen produceras i en förgasare där man använder 1,75 kg luft för varje kg biobränsle. Luften som behövs för förgasaren tas från den luft som lämnar kompressorn. Tryckfallet över förgasaren är något mindre än tryckfallet över brännkammaren så att gasen kan strömma till brännkammaren. Man omvandlar 89% av biobränslet till gas och har en temperatur på ca 750 C. Turbinens prestanda och gengassammansättningen beskrivs i tabell 1. Tabell 1. Gengassammansättning och gasturbinens prestanda Gengas Gastubinens prestanda var enligt följande Komponent Vol% Kompressor N 2 54 Isentropisk verkningsgrad 0,85 H 2 O 6 Tryckkvot 4,6 CO 2 12 Luftflöde (kg/s) 14,9 CO 18 H 2 7 Brännkammare CH 4 3 Utloppstemperatur C 830 Summa 100 Tryckfall 2% av inloppstrycket Turbin Isentropisk verkningsgrad 0,85 Utloppstryck Atmosfärisk Mekanisk verkningsgrad 0,98 Elektrisk verkningsgrad 0,99 Ångcykel För kraftvärmeprocessen så gäller följande data: Ångtryck och temperatur före turbininlopp ska vara 90 bar och 520 C Turbindel 1: Ångtryck efter reglersteg är 60 bar, η isentrop turbin är 68% Turbindel 2: Ångtryck efter reglersteg är 11 bar, η isentrop turbin är 87% Turbindel 3: Ångtryck efter reglersteg är 3,2 bar, η isentrop turbin är 89% Turbindel 4: Ångtryck efter reglersteg är 0,55 bar, η isentrop turbin är 87% Generatorns eleffekt antas att 5% av turbinens inre effekt omvandlas till mekaniska och elektriska förluster. Kondensorn kyls av fjärrvärme med en inloppstemperatur på 40 C och en utgående kondenstemperatur på 82 C. 3

En lågtrycksförvärmare och mavatank förvärms med avledningar från ångcykel så att framledning till panna har en temperatur på 137 C och ett tryck på 90 bar. Pumpens isentropiska verkningsgrad är satt till 0,7. Fjärrvärmen värms av avgaserna från turbinen och kondensorn. Fjärrvärmevattnets temperatur in var 40 C och önskad temperatur ut var 100 C. Övrigt så kyls inkommande gengas med fjärrvärme till 250 C i gaskombin för att kunna öka effekten för gasturbinen. En brännkammare sätts efter gasturbinen för att leda in ytterligare gengas. Detta för att höja temperaturen och få ett acceptabelt flöde av ånga i efterföljande ångcykel. En överhettare och en förångare kopplades in efter brännkammaren för att förånga det vatten som kommer från mavatanken i ångcykeln. Slutligen har man en värmeväxlare för fjärrvärmen Resultat Enbart Gasturbin Kvoten mellan massan biomassan och massan gengas kan nu beräknas till 0,89/(0,89+1,75) = 0,337 dvs för varje kg gengas så behöver vi tillsätta 0,337 kg biomassa. Massfödet gengas denna simulerade gasturbinen var 3,06 kg/s (se bilaga) så man får då ett massflöde på 0,337*3,06 = 1,03 kg/s biomassa vid full effekt. Den nyttiga effekten från anläggningen var 2625 kw el och 6965 kw fjärrvärme med ett luftflöde genom kompressorn på 14,9 kg/s. Verkningsgraden för anläggningen är lite svår att beräkna eftersom vi inte känner biobränslets fukthalt före förbränningen. Biobränslets värmevärde kan beräknas som: H i = 19,2 0,217 f ( MJ / kg) (3) där f står för biomassans fuktighet i vikt %. Med de uppgifter vi känner och med en antagen fuktighet på 20% i biomassan så får vi en verkningsgrad på 62,5%med hjälp av ekvation (1) och (3). Anläggningens alfavärde beräknas med hjälp av (2) och blev i denna anläggning 0,377 Gaskombikraftverket Massflödet gengas för den simulerade anläggningen var 4,54 kg/s (Figur x och Tabell x) så man får då en förbrukning av biomassa på 0,337*4,54 = 1,53 kg/s vid full effekt. Den nyttiga effekten från anläggningen var 5390 kw el och 13726 kw fjärrvärme med ett luftflöde genom kompressorn på 14,9 kg/s. Med hjälp av (1) och (3) så fås en verkningsgrad på 84% vid en antagen fukthalt på 20% i biomassan. Anläggningens alfavärde beräknas till 0,392 med hjälp av (2). 4

Storleksförhållandet mellan gasturbin och ångcykel En intressant aspekt i denna simulering är att dimensionera efterföljande ångcykel mot den tänkta gasturbinen. I detta utförande så produceras 3,16 kg ånga per sekund vilket ger en effekt för ångcykeln på 2,93 MW el. För gasturbinen så ger den 2,46 MW el. Motsvarande för fjärrvärmen är 6,41 MW för kondensorn och 7,32 MW för avgaskylaren. Man ser att gasturbinen producerar mindre el med en efterföljande ångcykel än det gör utan. Det beror på att mera komprimerad luft avleds till gengasgenerering för det ökade gengasbehovet Diskussion och Slutsats Verkningsgraden höjdes från 62,5% för en gasturbinanläggning till 84% för en gaskombianläggning vilket är en markant ökning. Däremot steg inte alfavärdet i samma grad. Endast från 0,377 till 0,392 En anpassning av tryck, temperatur och design i den efterföljande ångcykeln borde gynna alfavärdet. En av åtgärderna är att låta förvärmning av vatten efter kondensorn ske med hjälp av avgaser från turbinen i stället för ånga. I simuleringarna har flödet genom kompressorn i turbinen hållits konstant. Då behövs 50% mera biobränsle för att nå de erforderliga temperaturerna i processerna för kombikraftverket. Däremot så ökade produktionen av el och fjärrvärme med ca 100% vilket är mycket. Slutsatsen blir att man ökar verkningsgraden markant om man satsar på ett kombikraftverk. Förhållandet mellan gasturbinen och ångcykeln bör vara ca 45/55 i detta utförande, dvs ångturbinen producerar lite mera el. Denna skillnad påverkas om man anpassar ångcykeln så att ångturbinen blir effektivare. 5

Billagor Gasturbin GASIN BK AIRFORG AVGFCOMP TRYFALL VALVE SPLITFOR SSPLIT AIRCOMP2 AVGCOMP2 AIRCOMP1 AXEL WORK W COMP TURB AIRIN AVGASHOT FJVVXLAR FJIN FJUT AVGASCOL Figur 1 Kopplingsschema i programmet Aspen för kraftvärmeverket Tabell 2 Flöden i de olika strömmarna för figur 1 De olika flödena är uppgivna i kg/timme. gengas Stream ID AIRCOMP1 AIRCOMP2 AIRFORG AIRIN AVGASCOL AVGASHOT AVGCOMP2 AVGFCOMP FJIN FJUT GASIN Temperature C 174.2 174.2 174.2 0.0 130.0 544.5 830.0 830.0 60.0 119.8 750.0 Pressure bar 4.661 4.661 4.661 1.013 1.013 1.013 4.568 4.661 4.000 4.000 4.700 Vapor Frac 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 0.000 0.000 1.000 Mole Flow kmol/hr 1864.712 1610.797 253.914 1864.712 1984.496 1984.496 1984.496 1984.496 5536.012 5536.012 420.739 Mass Flow kg/hr 53640.000 46335.939 7304.061 53640.000 57354.636 57354.636 57354.636 57354.636 99732.806 99732.806 11018.697 Volume Flow cum/hr 14879.933 12853.759 2026.173 41794.925 65648.928 133140.497 39846.357 39051.311 103.986 111.239 7615.208 Enthalpy MMkcal/hr 1.950 1.684 0.265-0.325-16.866-10.601-5.930-5.930-374.433-368.168-7.614 Mole Flow kmol/hr N2 1512.686 1306.706 205.980 1512.686 1509.920 1509.920 1509.920 1509.920 203.214 H2O 115.919 115.919 115.919 115.919 5536.012 5536.012 66.997 CO2 124.186 124.186 124.186 124.186 45.159 CO trace trace trace trace 67.738 H2 trace trace trace trace 26.343 CH4 11.290 O2 352.026 304.091 47.935 352.026 234.472 234.472 234.472 234.472 6

Ångcykeln ANGAIN TURBIN1 ANGA12 TURBIN2 TURBIN3 TURBIN4 28 29 38 HTSPLIT ANGA23 FRTURB3 LTSPLIT ANGA34 ANGA4+ UPPSLT MIXER FSPLIT FSPLIT REDLT FORVMAVA AVLEDLT 9 MAVA FORVLT AVLEDNLT KONDENS FJVVUT WORK W 15 FJVVIN TILLKOND 10BAR 10BAR2 3BAR2 CONFPUMP TILLPANN 100PUMP 10PUMP 3BAR LTPUMP 14 13 Figur 3 Kopplingsschema för ångcykel 7

Gaskombi Figur 4 Kopplingsschema för gaskombiverket Tabell 3 Flöden för de olika strömmarna i figur 4 gengas Stream ID 3BAR 3BAR2 5 6 8 9 10BAR 10BAR2 11 38 AIRCOMP1 AIRCOMP2 AIRFORG AIRIN ANGA4+ ANGA12 ANGA23 ANGA34 ANGAIN AVGASCOL AVGASHOT AVGCOL2 AVGCOMP2 AVGFCOMP AVLEDLT AVLEDNLT CONFPUMP EBKHEAX FJVVIN FJVVUT FORVMAVA FRTURB3 GASIN HEAX12 SPLITBK TILLEBK TILLKOND TILLPANN Temperature C 82.1 107.0 99.9 130.0 250.0 83.7 107.3 134.3 81.2 267.5 174.2 174.2 174.2 0.0 83.7 474.6 267.5 145.2 520.0 780.7 547.0 378.2 830.0 830.0 130.0 145.2 82.0 850.0 40.0 68.0 267.5 145.2 750.0 303.3 250.0 250.0 83.7 136.9 Pressure bar 3.000 3.000 3.800 1.013 4.700 0.550 10.500 10.500 4.000 11.000 4.661 4.661 4.661 1.013 0.550 60.000 11.000 3.200 90.000 1.013 1.013 1.013 4.568 4.661 3.200 3.200 0.550 1.013 4.000 4.000 11.000 3.200 4.700 90.000 4.700 4.700 0.550 90.000 Vapor Frac 0.000 0.000 0.000 1.000 1.000 0.092 0.000 0.000 0.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 0.938 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 0.000 1.000 0.000 1.000 0.000 0.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 0.895 0.000 Mole Flow kmol/hr 600.041 600.041 10910.149 2042.411 624.162 30.002 600.041 631.623 10910.149 631.623 1864.712 1488.032 376.679 1864.712 570.039 631.623 600.041 570.039 631.623 2042.411 1931.535 2042.411 1931.535 1931.535 30.002 30.002 600.041 2042.411 10910.149 10910.149 31.581 600.041 624.162 631.623 499.330 124.832 600.041 631.623 Mass Flow kg/hr 10809.915 10809.915 196549.389 59150.625 16346.124 540.496 10809.915 11378.858 196549.389 11378.858 53640.000 42804.501 10835.499 53640.000 10269.420 11378.858 10809.915 10269.420 11378.858 59150.625 55881.400 59150.625 55881.400 55881.400 540.496 540.496 10809.915 59150.625 196549.389 196549.389 568.943 10809.915 16346.124 11378.858 13076.899 3269.225 10809.915 11378.858 Volume Flow cum/hr 11.541 11.873 214.100 67564.797 5776.347 148.916 11.877 12.922 209.647 2581.231 14879.933 11874.126 3005.807 41794.925 28836.851 654.488 2452.170 6195.433 462.805 176624.121 129987.309 109168.704 38782.732 38008.908 0.610 326.075 11.540 188231.184 200.779 206.674 129.062 6521.509 11297.083 336.345 4621.077 1155.269 28985.765 12.965 Enthalpy MMkcal/hr -40.345-40.059-729.881-25.682-13.921-1.989-40.056-41.817-733.730-35.219 1.950 1.556 0.394-0.325-33.007-34.067-33.458-32.369-33.805-15.077-14.136-21.833-9.581-9.581-1.989-1.704-40.345-13.856-741.706-736.356-1.761-34.072-11.295-35.025-11.137-2.784-34.996-41.782 Mole Flow kmol/hr N2 1508.583 301.465 1512.686 1207.117 305.569 1512.686 1508.583 1448.290 1508.583 1448.290 1448.290 1508.583 301.465 241.172 60.293 H2O 600.041 600.041 10910.149 171.964 99.389 30.002 600.041 631.623 10910.149 631.623 570.039 631.623 600.041 570.039 631.623 171.964 137.572 171.964 137.572 137.572 30.002 30.002 600.041 171.964 10910.149 10910.149 31.581 600.041 99.389 631.623 79.512 19.878 600.041 631.623 CO2 184.229 66.992 184.229 147.383 184.229 147.383 147.383 184.229 66.992 53.594 13.398 CO trace 100.488 trace trace trace trace trace trace 100.488 80.391 20.098 H2 trace 39.079 trace trace trace trace trace trace 39.079 31.263 7.816 CH4 16.748 16.748 13.398 3.350 O2 177.635 352.026 280.915 71.111 352.026 177.635 198.291 177.635 198.291 198.291 177.635 8