Kogenerering termodynamikk og systemløsninger

Transkript

1 Kogenerering termodynamikk og systemløsninger rofessor NTNU - Institutt for Energi- og prosessteknikk KOGEN 2004 Haugesund Stiftelsen olytec og Norsk Gassenter AS 1 1

2 Institutt for Energi- og prosessteknikk Instituttet i tall 153 ansatte innenfor 4 faggrupper 94 dr.ing studenter (15 eksaminert i 2002, 14 i 2003 og ca. 20 i 2004) diplomstudenter per år 2100 studenter i grunnfagsundervisning per år 8 laboratorier med samlet 6000 m 2 laboratorieareal Gjennomfører flere hundre eksterne prosjekter per år med en samlet omsetning på 86MNOK (Fra NTNU: 42,5MNOK) 2 2

3 Institutt for energi- og prosessteknikk TERMISK ENERGI Hovedvekt på energiproduksjon og -konvertering INDUSTRIELL ROSESSTEKNIKK Hovedvekt på transport/sluttbruk av energi og industriell foredling ENERGIFORSYNING OG KLIMATISERING AV BYGNINGER Hovedvekt på innemiljø, varmeforsyning og bruk av energi i bygninger og installasjoner STRØMNINGSTEKNIKK Hovedvekt på strømningsmekanikk og hydraulisk energiproduksjon 3 3

4 Gassteknisk Senter NTNU-SINTEF Det største gass-relaterte FoU-miljøet i Norge Undervisning 80% av alle siv.ing./dr.ing. i norsk gassrelatert industri NTNU ca. 170 årsverk ca. 50 professorer 134 dr.ing.-stipendiater 15 post.doc.-forskere SINTEF ca. 100 årsverk Nærhet forskning <-> undervisning er viktig Nærhet langsiktig forskning <-> anvendt FoU & industri 4 4

5 Samproduksjon av kraft og varme CH, Combined Heat and ower, Cogeneration, Kogenerering Kraftproduksjon = elektrisitet eller direktedrevne kompressorer/pumper Varmeproduksjon = uttak av nyttbar varme, dvs. på et temperaturnivå som i praksis kan utnyttes til et gitt oppvarmingsformål. Varmen ansees som mer verdifull dess høyere temperaturen er. For eksempel kjølevann på 15 ºC er lite eller ikke nyttbar. 5 5

6 Samproduksjon av kraft og varme Kan skille mellom 3 typer systemer 1) Motor/gassturbin med varmegjenvinning fra eksos Motor Gassturbin Varm eksos Varmegjenvinner Kjel Eksos til skorstein Damp, trykksatt vann eller hetolje Kraft Varme Q Mengden varme (Q) som gjenvinnes påvirker ikke kraftproduksjonen () Q og kan variere uavhengig Q kan være null 6 6

7 Gassmotor Turbin type 4 stk. RR Bergen KVGS-18G3 Lean Burn Energi LNG MW 31,5 Massestrøm LNG kg/s 0,63 Energi gassmotorer til nett MW 13,3 El. virkningsgrad nett % 42,3 Varme eksos MW 10,7 Varme ladeluftkjøler MW 1,7 Varme motorkjøling MW 2,4 Varme smøreoljekjøler MW 1,76 Levert varme MW 16.6 Eksostemperatur før vannvarmer Temperatur etter vannvarmer C 100 C 7 7

8 Gassturbin + hettvannskjel Turbin type Solar Titan Energi LNG MW 39 Massestrøm LNG kg/s 0,78 Energi turbin el. MW 13,1 El. virkningsgrad % 33,6 Energi turbin til nett MW 12,2 El. virkningsgrad nett % 31,4 Levert varme MW 20,0 Totalvirkningsgrad % 82,7 Eksostemperatur før vannvarmer C 475 Temperatur ut av pipe C

9 Samproduksjon av kraft og varme Kan skille mellom 3 typer systemer 2) Kombinert gass-/dampturbin med dampavtapning Gassturbin Varm eksos Varmegjenvinner Kjel Eksos til skorstein Kraft Vann Høyttrykks damp Avtapningsdamp Dampturbin Damp, nær vakuum Varme Q Kondensator Kjølevann 9 Varme (Q) som tas ut reduserer kraftproduksjonen () i dampturbinen Q kan være null =maks 9

10 Gassturbin + dampturbin dampturbin med avtapning 10 10

11 Samproduksjon av kraft og varme Kan skille mellom 3 typer systemer 3) Kombinert gass-/dampturbin med mottrykk Gassturbin Varm eksos Varmegjenvinner Kjel Eksos til skorstein Kraft Vann Dampturbin Kondensator Høyttrykks damp Damptrykk tilpasset temperaturkrav, derav begrepet mottrykk Varme (Q) som tas ut bestemmer kraftproduksjonen () i anlegget ( låst forhold) Q=0 =0 Trykksatt vann eller hetolje Varme Q 11 11

12 Mottrykks dampturbinanlegg Energi LNG MW 26 Massestrøm LNG kg/s 0,52 Energi turbin el. MW 2,75 El. virkningsgrad % 10,6 Energi turbin til nett MW 2,69 El. virkningsgrad nett % 10,3 Levert varme MW 20,3 Temperatur ut av dampkjel C

13 Gassturbin + dampturbin Turbin type Solar Titan + dampturbin Energi LNG MW 39,0 Massestrøm LNG kg/s 0,78 Energi turbiner el. MW 15,5 El. virkningsgrad % 39,6 Energi turbiner til nett MW 14,5 El. virkningsgrad nett % 37,3 Levert varme MW 18.0 Eksostemperatur før vannvarmer C 476 Temperatur etter vannvarmer C

14 Virkningsgrad? Beskriver utnyttelsen av energien i brenslet kun kraft Tap Brensel: gass, olje, kull Effekt LHV [MW] η = LHV Kraft Effekt [MW] Brensel: gass, olje, kull Effekt LHV [MW] kraft & varme η = + Q LHV Tap Kraft [MW] Varme Q [MW] 14 14

15 Beskriver virkningsgrad teknisk godhet? Teknisk godhet * lavest mulig brenselforbruk ut fra gitte behov for kraft og varme For en gitt varmeproduksjon Q ( 0) så beskriver teknisk godhet η = LHV η = + Q LHV beskriver ikke teknisk godhet fordi denne virkningsgraden øker jo mer varme (Q) i forhold til kraft () som produseres, opp til ca. 90%. 15 * Teknisk godhet vil i praksis også omfatte andre forhold, som NO X -utslipp, tilgjengelighet og pålitelighet. 15

16 A Beskriver virkningsgrad teknisk godhet? Varmebehov i anlegg B større (100 MW) enn i anlegg A (50 MW), ellers identiske anlegg. Hva er best? Brensel LHV = 250MW Varm eksos Gassturbin Varmegjenvinner 1 f.eks. hetolje Eksos til skorstein = 40% Kraft = 100 MW Varme Q = 50 MW η = LHV + Q η = LHV = 60% B Brensel LHV = 250 MW Varm eksos Gassturbin Varmegjenvinner 2 f.eks. hetolje Eksos til skorstein = 40% Kraft = 100 MW Varme Q =100 MW η = LHV + Q η = LHV = 80% 16 16

17 Sammenheng mellom kraftproduksjon og varmeproduksjon dampturbin med dampavtapning Damp som benyttes til produksjon av nyttbar varme, kunne alternativt vært benyttet til å lage mer kraft varmeproduksjon reduserer kraftproduksjonen (gitt brenselforbruk) Hvordan reduseres kraftproduksjonen i forhold til varmeproduksjon: α = Q α < 1 < Q Sammenheng mellom varmeproduksjon og kraftproduksjon blir da: 17 η = Qα LHV 17

18 Forholdet mellom kraftproduksjon og varmeproduksjon, α α = Q = Q Typisk amin-koking Typisk fjernvarme 0.2 α eller papirtørking Forhold mellom reduksjon av kraftproduksjon og varmeproduksjon, α Mettet damp, temperatur [ 0 C] Beregningene som ligger til grunn for kurven er gjort for et stort kombinert anlegg hvor kondensatortrykket er 0.04 bar. Varmeuttaket skjer ved hjelp av en dampavtapning (mettet damp) fra anleggets dampturbin. Kondensat fra dampen returneres til kraftverket med en temperatur på 70 C, og dette ligger til grunn for beregning av verdien på varmeuttaket (Q) Damptrykk [bar] 18 18

19 Kombinert gassturbin+ dampturbin energiflyt eksempel: maksimalt uttak til fjernvarmenett KUN KRAFTRODUKSJON η = LHV = = 57% SAMRODUKSJON KRAFT/VARME 2 + Q η = = = 89.5% LHV η = = = 48.5% LHV α = = = 0.21 Q 41 Fjernvarme, turtemp 120 C MW Combined Cycle, realistisk case, GTRO 19

20 Kombinert gassturbin+ dampturbin energiflyt eksempel: maksimalt uttak til fjernvarmenett KUN KRAFTRODUKSJON SAMRODUKSJON KRAFT/VARME 400 MW gasskraft med kogenerering η = LHV = = 57% Innfyrt effekt: 400 MW / 57% = 702 MW 41% til varme: 702 MW * 41% = 288 MW 288 MW * 8000h = 2.3 TWh 2 + Q η = = = 89.5% LHV η = = = 48.5% LHV α = = = 0.21 Q 41 Fjernvarme, turtemp 120 C MW Combined Cycle, realistisk case, GTRO 20

21 Varighetskurve varmebehov: eksempel Effektbehov [MW] Kraf t/varme-anlegg Avfallsenergi For år 2004: Ef f ekt 133 MW Energi 400 GWh Timer Varighetskurve for fjernvarmenett i Trondheim. Avfallsforbrenning ligger som grunnlast i varighetskurven. Et tenkt kraft/varmeanlegg skal produsere ca. 80 GWh varme, med en total driftstid på ca timer

22 22 Årsvirkningsgrad CH EU-området (14 land) CH efficiency [%] Denmark (380) Ireland (18) Greece (13) Austria (77) Belgium (153) Netherlands (2464) Italy (681) EU total (5834) UK (549) France (531) ortugal (98) Spain (166) Germany (440) Sweden (129) Finland (135) Kilde: Eurostat All CH-plants? η annual = year d τ year + year LHV d Q d τ τ MWh MWh 22

23 Faktorer som påvirker årsvirkningsgrad Selv om design-virkningsgrad (Samproduksjon kraft/varme) kan være >90%, så vil årsvirkningsgrad kunne være betydelig lavere. Følgende forhold er viktige (NB! bildet er nokså nyansert, her generaliseres): 1) Anlegg som kjøres etter variasjoner i varmelast (kraft er bi-produkt ) gir høyere årsvirkningsgrad enn grunnlastanlegg for kraft 2) Små anlegg har generelt høyere årsvirkningsgrad enn store (sammenheng med punkt 1) 3) Anlegg hvor varmeavtager er døgnkontinuerlige industriprosesser (eks. papirfabrikk) har generelt høyere årsvirkningsgrad enn der hvor avtager er fjernvarmenett

24 Gitt varmebehov hva med å produsere kraft i tillegg? Brensel E1 η kjel Varme Q = E 1 η kjel Brensel E 2 Kogen - Varme Q anlegg Kraft Virkningsgrad for elproduksjon, E 2 > E 1 gitt varmeproduksjon ' η ' = E 2 E

25 Gitt varmebehov hva med å produsere kraft i tillegg? ' η ' = η a CH = Q E = ' η ' = 2 Q / η + Q E 2 CH kjel kraft/varme - forholdet a a η η kjel Tall fra '400MW'-eksempel η a CH = = ' η ' = ' η ' = + Q E 2 = = a a + 1 η η CH a a + 1 η η CH = 89.5% kraft/varme - forholdet kjel kjel 1 = 85% 1 = 90% = 93.7% = 89.1% 25 25

26 Takk for oppmerksomheten! 26 26