Kogenerering / combined heat and power (CHP)

Transkript

1 ..2 MAS Terodnaikk Kapittel Dapkraftskluser del 2 Kogenerering / cobined heat and power (CH) Mange industrielle prosesser trenger en kontrollert varekilde ved en bestet teperatur, for eksepel: Meieri: vare til pasteurisering av elkeprodukter Kjeisk industri: energiforsning av reaktorer i for av vare Tekstilindustri: tørking og annen varebehandling av stoffer Energien transporteres ofte i for av dap, so genereres i en dapkjel/-generator (boiler) under kontrollerte forhold. Energien (prosessvare) overføres fra dapen til prosessen so vare i en vareveksler (process heater). For bedre utnttelse av eksergien av brenselet i dapkjelen kobineres dapproduksjonen ofte ed produksjon av elektrisitet. Derfor heter denne prosessen kogenerering.

2 ..2 Kogenerering / cobined heat and power (CH) I den enkleste varianten brukes varen, so å føres bort av kraftsklusen i kondensatoren, fullstendig so prosessvare. Denne situasjonen kalles for ideell kogenerering. Betraktes sklusen so varekraftaskin er dens teriske virkningsgrad so vanlig W th netto,ut Q Q W ut Q For kogenereringsanlegg defineres et annet ål for effektivitet: Utnttelsesfaktor e u (utiliation factor) exportert energi W netto,ut Q e u overført vare til arbeidsfluid Q Derso pupearbeidet neglisjeres er utnttelsesfaktoren for et ideellt kogenereringsanlegg %. Kogenerering Kogenerering kan drives fra kw til MW skala. Institutt for askin- og arinfag har et eget ikro-ch-anlegg so vi arvet fra Statoil for noen år siden. XRGI-3 icro-ch facilit Basert på Toota-gassotor 3 kw elektrisk effekt 29 kw vareeffekt Opp til 9% utnttelsesgrad 3% 2.-lovs-virkningsgrad (J. Knutsen, aster thesis, UiB/HiB 2) Skal brukes til studentoppgaver på bachelor- og asternivå o for eksepel spillvaregjenving ved hjelp av organiske Rankine skluser (ORC) og/eller teroelektriske generatorer (TEG). 2

3 ..2 Kogenerering BIRs forbrenningsanlegg i Rådal Anlegget er et tpisk eksepel for en kounal strø- og fjernvareleverandør. Avfall er en delvis fornbar ressurs. MW prosess- og fjernvare MW elektrisk effekt Kapasitet for 22 tonn husholdningsavfall per år Kogenerering BIRs forbrenningsanlegg i Rådal Mottak, lagring, ating forbrenningsovn dapgenerator skorstein røkgassrensing Bunnaske uttak Flaskefilter hotos: BIR AS, Wikiedia Coons 3

4 Forbrenning av avfall er varekilden..2 Kogenerering BIRs forbrenningsanlegg i Rådal Flertrsekspansjon ed uttak av dap for bruk so prosessvare Vareveksling (VVX) ello dap fra turbinene og fjernvarenettet Alle assestrø vann/dap ved lavt trkk sales i atevannstank før trkkøkning i puper. Kobinasjon av ekspansjonsventil, turbin ed ett eller flere daputtak ved ulike ellotrkk gjør det ulig å betjene ulike prosessvare og elektrisitetsbehov ed sae anlegg. I det følgende forklares ulike konfigurasjoner. Maskial assestrø går gjenno boileren. 3 chaber 3 : brøkdel av den aksiale assestrø so går gjenno ekspansjonsventilen () : brøkdel av den aksiale assestrø so går gjenno kondensator og pupe I.

5 ..2 chaber 3, Ved ren kraftproduksjon går hele assestrøen gjenno hele turbinen (blå linjer og piler) og sklusen fungerer so en vanlig Rankine-sklus. chaber 3 Trengs både elektrisitet og prosessvare kan en del av dapen tas ut etter den første ekspansjonstr i turbinen og ledes til prosessvareveksleren (grønne piler). Etterpå å trkket økes til sae trkk so i tilstand 2.

6 ..2 chaber 3 Ved økende prosessvarebehov stenges lavtrkkstret i turbinen og hele assestrøen ekspanderes delvis i turbinen og ledes etterpå gjenno prosessvareveksleren. Denne situasjonen tilsvarer ideell kogenerering. chaber 3 Øker prosessvarebehovet enda videre tas ledningen gjenno ekspansjonsventilen i bruk og en del av høtrkksdapen vil ikke bidra til elektrisitetsproduksjon.

7 ..2 Derso alt dap trengs so prosessvare stenges turbinen helt ned og hele assestrøen går først gjenno ekspansjonsventilen og deretter gjenno prosessvareveksleren før den går tilbake til dapkjelen gjenno pupe II. chaber 3 Fleksibelt kogenereringsanlegg - energianalse Ved hjelp av en generell energibalanse på hver delprosess fer an ved stasjonær drift (Dke og Dpe neglisjeres, ingen trkk- og varetap tap i rør, etc.): Q h h3 Q ut h h Q h h h 2 W turbin, ut h h h h 3 3' W v v pupe, 2 3' chaber 3

8 ..2 Fleksibelt kogenereringsanlegg - energianalse Regnes det uavhengig av assestrøen så defineres og so assestrøforhold og an får q q w 3 qut h h h h h h h h h h h h h h h v v h h h turbin,ut w pupe, 2 3' 2 3 3' 2.-lovs-analse II X ødelagt bevart eksergi eksergiforbruk T S gen W Q T T ut L netto,ut X Q T X Q Q T Q H chaber 3 Oppgave -9/9/9 (././. utgave) En tekstilfabrikk trenger kg/s dap ved 2 Ma for dapproduksjon i en prosessvareveksler. Dapen ekstraheres fra en turbin av et kogenereringsanlegg. Der strøer dap i turbinen ved Ma, C og kg/s. Ved turbinens utløp er den ved 2 ka. Den ekstraherte dapen strøer ut av prosessoppvareren so ettet væske og blandes ed atevannet ved konstant trkk. Blandingen pupes til trkket i kjelen. Turbinen og pupene har isentropiske virkningsgrader på %. kg/s, Ma, C Beregn: a) Q kg/s 2 Ma 2 ka b) W prosess netto c) e u 2 ka x =

9 ..2 Organic Rankine Ccle (ORC) Brukes et organisk arbeidsfluid istedenfor vann i Rankinesklusen snakker an o en organisk Rankine-sklus (ORC). Organiske arbeidsfluider so alkoholer eller kuldeedier har lavere kritisk teperatur og trkk enn vann og egner seg derfor for lav-teperatur-spillvaregjenving (T H 2 C). De fleste har også noe an kaller for en tørr etningskurve. Metningskurven har en for hvor en (isentropisk) ekspansjonsprosess vil aldri havne under etningskurven. Ved spillvaregjenving (waste heat recover, WHR) er utfordringen at teperaturen i varekilden ikke er konstant. Kopakte ORC-enheter øker den teriske virkningsgraden av forbrenningsotorer i person- og lastebiler. Organic Rankine Ccle (ORC) Bachelorprosjekt i energiteknologi o uligheter for spillvaregjenving i BIRs forbrenningsanlegg ved hjelp av en ORC. Røkgass ved C Tillat teperaturfall på C for å unngå sredanning før srescrubberen. Enkelt ORC-odell ed/uten varegjenving ipleentert i Excel. Coolrop add-in for tilgang til teriske egenskaper av ulike arbeidsfluider. Lunde & Singelstad Andersen, bachelor thesis, HiB, 2 9

10 ..2 Spillvaregjenving i BIRs forbrenningsanlegg Saenligning av ulike arbeidsfluider ed hensn til: Lunde & Singelstad Andersen, bachelor thesis, HiB, 2 Teperaturfall i røkgassen (varekilde) Minst C teperaturforskjell ello kilde og arbeidsfluid Maks. T av ORC-fluid på C. Min. T på 3 C ved vareoverføring til ogivelsene ved C Mulig ed overheting Mulig ed Regenering Ikke ideell pupe, ekspander, regenerator % % 2% % Spillvaregjenving i BIRs forbrenningsanlegg net power output in kw Ra R3a R2fa R23e(Z) R23e(E) R233d(E) 2. %. % theral efficienc 3. %. % 9. %. % Røkgass so varekilde: tilgjengelig terisk effekt:, MW th tilgjengelig eksergirate:, MW % enkel, ideell ORC ed overheting % % hensn til trkktap i kilde og sluk 2% > 2 kw el ekstra effekt kan teoretisk % Ra R3a R2fa R23e(Z) R23e(E) R233d(E) produseres ed god terisk og eksergivirkningsgrad Lunde & Singelstad Andersen, bachelor thesis, HiB, 2 Fadnes Gregersen & Søvde Haugland, bachelor thesis, HiB, 2 % % % 3% 3% 2% 2% % % % % 3. % 2. % second law efficienc. % 2.9 % 2. %.3 % Ra R3a R2fa R23e(Z) R23e(E) R233d(E)