Forunders0gelse af minigasturbine

Transkript

1 Forunders0gelse af minigasturbine Nils Peter Astrupgaard & Mogens Weel Hansen OK-TEKNIK Nordisk Gasteknisk Center Nordie Gas Technology Centre

2

3 Forunders0gelse af minigasturbine Nils Peter Astrupgaard Mogens Weel Hansen OK-TEKNIK Oktober 1989 dk035

4 Indholdsfortegnelse Side ~ Sammenfatning og konklusion 3 Conclusion and summary Indledning Markedsforhold Systemudformning og termodynamisk analyse Matchning af turbine og kompressorkarakteristikker Vurdering af virkningsgrad hos potentiel turbolader leverand0r O Bramdkammer Generatorsystem Forslag til systemudformning Drift af anl~g Overslagspriser, 0konomi og konkurrence for 32 andre energikonverteringssystemer, specielt motorer 11.0 Milj0forhold Andre udforrnninger og anvendelser for minigasturbine Samarbejdspartnere 38 Bil ag 41

5 -- Sammenfatning og konklusion I n~rvrerende forprojekt er mulighederne for at anvende serieproducerede turboladere som gasturbiner i st0rrelsen ca kw eleffekt unders0gt. Forelebige studier og kalkulationer viste, at området omkring 250 kw eleffekt ville v~re den nedre 0konomiske gr~nse. Forprojektet koncentreredes derfor om anl~g på 250 kwe og derover. En 250 kwe enhed fareslås udformet med to turboladere, et br~ndkammer, powerturbine og en mellemk0ler. Med denne udforrnning apnås en elvirkningsgrad på 16-18%. Ifelge vores overslag kan man fremstille en rninigasturbine baseret på turboladere med en effekt på ca. 250 kw for godt kr eller kr/kw, dvs. inden for rammerne af det 0konomiske mål på kr/kw. Anvendelsen af minigasturbinen vil f0rst og fremmest kunne ~re interessant i forbindelse med dampbaserede varmeleverancer eller t0rring. Desuden vil minigasturbinen kunne indgå som en specie! power br~nder unit i eksisterende fjernvarmekedler. Markedspotentialet for de her n~vnte applikationer vurderes alene i Norden til at udg0re rnindst 250 MW svarende til 1000 enheder. dk035

6 -4- CONCLUSION AND SUMMARY In the present pre-project the possibilities for application of serially produced turbo-chargers as gasturbinas within the range of approx kw electrical output have been examined. Preliminary studies and calculations showed that the range about 250 kw electrical output would be the lower economical limit. The pre-project was consequently concentratad on plants of 250 kw 6 and more. A 250 kw 6 unit is proposed to be designed with two turbochargers, a cornbustion chamber, power-turbine, and an intermedlate cooler. With this design an electricity efficiency of approx. 1~-18% is achieved. According to our estimate, a mini-gasturbine based on turbochargers with an output of approx. 250 kw can be rnanufactured for a good l million DKK, or 4,000 DKK/kW, i.e. within the frames of the eecnornie aim of 3,500-4,500 DKK/kW. Application of the mini-gasturbine might first and foremost be interesting in connection with heat deliverles or drying based on steam. Furthermore, the mini-gasturbine may form part of a special power burner unit in existing district heating boilers. The market potential for the applications mentioned here are evaluated - alone in the Nordie countries - to make out at least 250 MW, corresponding to 1000 units. dk03s

7 -s- NGC 250 kw GASTURBINE MWH OK Teknik GENERATOR EXHAUST Technical descriptions : 3 s haft gasturbina with i ntercooler and on e can e combuster. Air is campressed in the lowpressure radialcampressar and intercooled before the final compression in the highpressure radial compressor. The compessed airenters the combustion ch am ber where fuel (N-gas) is injected and mixed with air to satisfly a lean combustion to prevent formation of NOx and reaches a high combustion effieciency. Cooling air is mixed with the combustion gases through stots and dilution hales in the combustion liner. In this a uniform temperature about 700 C is reached just before the gases is accelerated in the nozzels at the highpressure inward-flow radial uncooled turbine. The gases are expanded in the inward-flow radial turbine which drives the highpressure compressor. The gases expands tuther though the lowpressure inward-flow radial turbine which drives the lowpressure compressor. At last the gases expand in the power turbine which is connected to the generator. Technical data: (180) Power output Pressure ratio Firing temp. Exhaust gasflow Exhaust gastemp. Heatrate Efficiency NOx emissions (N-gas) 250kW 7: C 2.3kg/s 425C kj/kwh 16 o/o < 125 mg/mj Cogeneration options :,~. -;:t '... ' Drying,_ ~ ~ Campact. GT bumer. for. fire-

8 lodledning N~rv~rende rapport er udf0rt på foranledning af Nordisk Gasteknisk Center som en forunders0gelse til belysning af muligheden af at konstruere en lavpris gasturbine på kw. Gasturbinen t~nkes opbygget af kompressor og turbineelementer fra masseproducerede turboladere, som er meget billige, hvilket skulle muligg0re fremstilling af en billig gasturbine. I rapporten redeg0res for de markedspotentialer, som kan forventes i Norden, samt de konkurrencem~ssige forhold som kommer fra kornmercielle gasturbiner idag. Endvidere kortl~gges en rrekke systemudformninger for en gasturbine, som er opbygget ved hjrelp af turboladerkomponenter, og de karakteristika, som knytter sig til dem. Ud fra et valgt system er drift- og startforhold for gasturbinen anskueliggjort. Endelig er kostprisen samt mulige samarbejdspartnere vurderet. 2~0 Markedsforhold Simple gasturbiner i området kw kan placeres fordelagtigt som kraftvarmeanl~g i en lang rrekke industrier og bygninger som eksempelvis banker, forsikringsselskaber, st0rre offentlige bygninger og institutioner. En unders0gelse udf0rt af OK-TEKNIK viser, at det alene i industrien i Danmark er teknisk muligt at lave kraftvarmeproduktion svarende til 700 MW el. Hvis man overf0- rer forhold fra industrien i Danmark til de andre nordiske lande, vil man finde en mulig gasturbineeffekt på minimum 3500 MW alene i industrien. Minigasturbinen vil kunne bruges i industrivirksomheder med et gennemsnitligt varmebehov på 1,0-4,0 MW over 4000 drifttimer pr. år. over dette område vil allerede eksisterende gasturbiner v~re mere konkurrencedygtige. I fig er den procentvise fordeling af energiforbruget vist efter virksomhedsst0rrelse i Danmark. Området 1,0-4,0 MW kan efter kurven beregnes at udg0re ca. 25% af forbruget. Kun halvdelen af virksomhederne

9 -7- har en arbejdstid på 4000 tirner/år og varighedskurven for virksomhedens energiforsyning viser ofte store udsving i produktionstiden, svarende til en kedelservicefaktor på f.eks. 0,65. Derudover spiller temperaturforholdene også en rolle. Med disse faktorer lodregnet finder man, at minigasturbinen har et potentiale på ca. 65 MW el, svarende til 260 enheder. På fjernvarmecentraler kan minigasturbinen anvendes som br~nderenhed, hvilket betyder at man på en eksisterende kedel vil kunne producere 250 kw el for hver kw varme. Hvis alle fjernvarmecentraler i Danmark med kedelydelser på ca. 3-6 MW påbygges en minigasturbinebr~nderenhed vil dette svare til ca. 100 enheder. Heraf fås, at det samlede potentiale i Danmark udg0r ca enheder. I Sverige og Finland vil potentialet v~re noget tilsvarende dvs. i alt enheder. t " o T J/År,.. Figur 2.1 %-vis energiforbrug som funktion af virksomhedsst0rrelse. <1~035

10 -8- De 0konomiske forhold ved sådanne installationer varierer fra land til land. Sverige og Finland har elpriser, som formodentlig i n~r fremtid vil v~re sammenlignelige med danske elpriser. Norge har, pga. en meget stor andel af elproduktionen baseret på vandkraft, en meget lav elpris, hvilket formodentlig betyder, at det vil v~re tvivlsomt, om der kan v~re ekonomi i at ops~tte et gasturbinebaseret kraftvarmev~rk i Norge. Sverige unders0ger konsulentfirrnaet VIAK p.t. markedet for små gasturbinebaserede kraftvarmev~rker i bl.a. boligområder. Unders0gelserne forventes at v~re frerdige ved udgangen af 1989, men vi vil få adgang til delresultaterne medio februar. Minigasturbinens muligheder afh~nger af den pris, som den kan forventes produceret for. I fig. 2.2 er pris-intervallet for gasturbineanl~ med generator og styringsudrustning optegnet som funktion af generatoreffekten (x'erne angiver prisen for konkrete anla!g) kr/kw 6,0 S,O 4,0 2,0 Forvpnh t pris filr minignsturbinp x x x 1,0 o~~:~--~ ~--+-~~--+---> 0,1 0,2 0,5 1, MWe Figur 2.2 -Pris for et komplet gasturbineanl~ som funktion af generatoreffekt dk035

11 -9- Det bemrerkes, at prisen stiger meget under 2 MW. Vi bed0mmer, at prisen for en kommerciel gasturbine på ca. 250 kw vil ~re ca kr/kw. Den af OK-TEKNIK forslåede rninigasturbine forventes at koste ca kr/kw, hvilket svarer til den specifikke pris for en kommerciel gasturbine på ca. l MW. Virkningsgraden for gasturbiner under l MW el ligger almindeligvis fra 14-20%. Der findes specialapplikationer med rekuperatorer, som har betydelig h0jere virkningsgrad, men de er til geng~ld meget dyrere. Vi har lavet en liste over de tekniske hoveddata for en rrekke af de gasturbiner, som findes på markedet idag. se fig De sidste 7 gasturbiner er såkaldte APU'er (Auxilary Power Units), som ofte sidder på st0rre flymaskiner. Det er desv~rre ikke lykkedes at fremskaffe komplette data for disse. dk035

12 -lo- ~ Figur Oversigt over gasturbiner på markedet - # Medel Shfts RPM PR TIT TET Mair!<We H.R. %LHV c c kg/s I<J/I<Wh l G.E. 5371PA l G.E. 6541B l G.E. 7111EA l G.E. 7191F l G.E. LM LM/TG LM/TG2500PE TG2500 ST g LM/TG5000PB lo TG5000 ST TG LM/TG5000PC UTC FT4C-3F Sol Saturn l Sol Centaur l Sol Mars Jupitr/GT Als 501KB5 l Als 501KH S l Als 570KA o Als 571KA CW 251 BlO l W 501 D5 l ABB Type B l ABB Typ 11N l KWU VB4.2 l Sulzer TylO RRSpeySK Avon/Cooper RB211/Coopr Drsr DC Rstn TB Rstn Torndo l o Mtsb MF111A l Mtsb MF111B l NvPgn PGTlO Mtsui SB G.E. 9161E l G.E. 9281F l MW 701D(5) l ABBType13D2 l ABB Type13E l KWU V94.2 l UTC FT MW501F l KWU V64.3 l CW 251 Bl2 l Rustn Typhn l PWC ST , PWC ST6l , PWC ST , PWC SPW124-l , GARRETT GTP36 l , GARRETT GTP85 l , ' 55 GARRETT GTP431 l ,72 215

13 Andre kommercielle minigasturbiner og minigasturbiner under udvikling eller studie APU 1 er og mindre helikopter-gasturbiner har flere gange ~ret fors0gt konverteret til egentlige elproducerende anl~g, dog uden st0rre held.* Firmaet Alison i USA kom f.eks. frem til, at man ved konvertering af en 250 Hp helikopter-gasturbine fremkom med en pris på mellem kr/kw el, hvorved det ikke var s~rlig interessant. I Japan fremstilles nogle mindre gasturbine-generators~t hos firmaet Janmar. Herfra er det oplyst, at en 296 kw enhed koster 2,3 mill. kr, svarende til 9000 kr/kw el. Virkningsgraden for disse gasturbiner er ca. 18%. Firrnaet Garret i USA har igennem de sidste 6 år arbejdet med udvikling af en fuld keramisk rekupureret gasturbine på ca. 100 Hp, beregnet til automobilbrug. Denne gasturbine har en h0j elvirkningsgrad, ca %, idet man påregner at kunne arbejde med turbine indl0bstemperaturer på ca C. Man har på det sidste foretaget afpr0vninger af kortere varighed. De keramiske materialer, som er en foruds~tning for den heje virkningsgrad, er dog langt fra stabile nok, til at man kan forvente et kommercielt gennembrud fer om ca. 10 år. Projektet er sponseret af DOE/NASA. Firmaet Solar i San Diego, USA, har planer om at udvikle en rekupereret gasturbine i sterre1sen kw. Hos Solar er man p.t. igang med at unders0ge markedspotentialet. Garret Air Research unders0ger udover den automobile gasturbineenhed mulighederne for at udvikle en gasturbinegeneratorenhed på ca. 50 kw el. Pga tekniske og ekonomiske forhold ser det ud til, at man er nedt til at bev~ge sig op i en sterrelse på ca kw el. Dette projekt stettes bl.a. af Gas Research InatituteG status kendes ikke, men det må formodes, at dette projekt ligger l~gere ude i fremtiden end den automobile gasturbinegenerator, med mindre man ikke t~nker at anvende keramiske turbinedele. Ud fra de oplysninger, som vi her har fremfert, syntes der ikke at v~re nogle minigasturbiner på markedet eller under udvikling, som inden for de n~rmeste 4-5 år vil v~re mere konkurrencedygtig end en minigasturbine opbygget af turbolader komponenter. * Vi har gennem SAS fået oplyst, at prisen på en APU enhed på ca. 100 kw unit udger ca kr. Disse APU'er er produceret i et meget stort årligt stk. antal.

14 Systemudformning og termodynamisk analyse Gasturbineanl~gets systemudformning er afg0rende for den opnåelige virkningsgrad og specifikke ydelse samt de termodynamiske tilstandsst0rrelser, som knytter sig hertil. Figur 3.1 viser sammenh~ngen mellem ovenn~vnte forhold for en r~kke forskellige systemudforrnninger. SIMPEL GASTURBINE CASTURBINE MED I.IEltEt.IKeLER GASTURBINE H(D REKOPERATOR 4 5 GASTURBINE MED t.ieltemkiiller OG REI<UPERAlOR t 04 GA.SIURBINE I.IEO MELLEI.IKiilUR REKUPERATOR OG I.IELLEMO\IERHED~ JOO t c '-' ' ' ' ~ Try!< efter sidste kompressor 4 _s f-' Figur Virkningsgrader 'L t og specifik ydelse q for en rcekke gasturbineprocesser( Minigasturbine udformet som applikation 5)--- specifik ydelse,---- virkningsgrad Forudscetninger: Br~ndkammertemperatur = 800 C, omgivelsesluftens tilstand = l5 C/1,013 bar, lufttemperatur f0r kompressorerne (kornpressoren) = l5 C, tryktab med hhv. uden rekuperator = 15% hhv. 10%, br~ndkammervirkningsgrad = 100%, l~agetab = 2,5% af rnassestr0mmen til f0rste kompressor, kompressorernes polytrope virkningsgrad = 0,87, turbinernes polytrope virkningsgrad - 0,85. dkc35

15 -13- De komponenter, som indgår i minigasturbinen, har ringere virkningsgrad, og den maksimale temperatur i v~sentlig turbineindl0bet (TIT) er mindre end der er forudsat ved konstruktionen af fig Dette betyder for minigasturbinen, at alle processerne vil få en lavere virkningsgrad, og at ekstremumsv~rdierne vi! flytte mod venstre (dvs. lavere tryk efter sidste kompressor). Dette er vist med bollem~rkning i fig. 3.1 for en af de udformninger, som vi har analyseret. Ved den termodynamiske analyse af minigasturbinen har vi anvendt f0lgende foruds~tninger som repr~sentative: Omgivelsestemperatur To = l5 C Orngivelsestryk P o = l, 013 bar Tryktabindl0bsfilter m.m. Pr = 0,010 bar Tryktab af g askedel P u = 0,027 bar Turbineindl0bstemperatur TIT = Gso c C Kompressorvirkningsgrad 'lp = o, 80 Turbinevirkningsgrad ~ts = o, 80 - o' 85 Tryktab i bramdkammer ApB = 3,5% Tryktab i rnellemk0ler.å PIC = 0,02 bar Generatorvirkningsgrad '1.~ = 0,92 ornforrnervirkningsgrad 'l.... = o,98 Lejetab VW'" l% af generatoreffekten Virkningsgraden for henholdsvis kompressor og turbine i gasgeneratoren foruds~tter et trykforhold på henholdsvis ca. 2,8 og ca. 1,8. Powerturbinen (den turbine som driver generatoren) er dog forel0big antaget for at v~re ikke er fastlagt. fuldt variabel, dvs. geometrien Vores antagelse vedr0rende lejetabenes st0rrelser er blevet dr0ftet med ABB's turbinespecialister i Baden, og de har bekr~ftet, at tabene ikke vil v~re kritiske, hvorfor det ikke er n0dvendigt atombygge turboladeren med gaslejer, der har mindre friktion. dk035

16 -14- Gassmurte lejer kunne have v~ret en l0sning, idet viskositeten og dermed tabet er betydelig mindre end for oliesmurte lejer. Det er dog langt fra sikkert, at man kan orobygge en turbolader fra oliesmurte til gassmurte lejer~ Effekten af for stort lejetab belyses ved f0lgende eksempel: En gasturbine har en akseleffekt til generatoren på 100 kw som er fremkornmet ved en samlet akseloms~tningseffekt på 350 kw. Er lejetabene 3%, betyder det 10% tab af generatoreffekten. I fig er vist tilstandsst0rrelserne gennem minigasturbiner med forskellig udformninger ved gennemregning med f0r n~vnte foruds~tninger. Middelvarmefylderne for luft og br~ndgas er udskrevet i bilag l. l > l==\(/) SIMPEL GASTURBINE l bramaselseffekt P( bar) l ,8 2, 702 1,468 1,454 1,030 T(K) , ,s 792' 5 737,9 Q kw/kg L 575 Figur Simpel gasturbineproces. 't t = O, 80 Virkningsgrad på aksel 10,5 % Specifik effekt 62,2 kw/kg luft dk035

17 u ~ 13 ~ fl lq 1o ~ GASTURBINE MED MELLEMK0LER REKUPERATOR OG MELLEMOVERHEDER l (U1 l bramdsels- effekt lo P(ba l. 00 2' 80 2,78 7,78 7 '5, 3,59 3,450 1,880 l' ,030 T(K) ', ' ' , 818,9 725,9 l >" "' l Q (kw/ kg L '5. 638,5 Figur 3.3- Gasturbineproces med mellemk0ler og mellemoverhedning TIT= 650 C Virkningsgrad på aksel 16,6 % Specifik effekt 106 kw/kg luft

18 u ~ l 7 g lq lo l (<n GASTURBINE MED MELLEMK0LER REKUPERATOR OG MELLEMOVERHEDER l P! bar) 1, ,80 2,78 7, 78 7,51 3,746 3, ,03 2,0201 1,03 lo bramdselseffekt l >-' "' l TIK l , , , 870,5 Q kw/ kg L 548,' ' Figur Gasturbineproces med mellemk0ler og hedning. TIT= 700'C I: ~t= 0,80 Virkningsgrad på aksel 18,9% Specifik effekt 131,4 kw/kg luft mellemover-

19 ~ ~ 2. u ~ lq "' l (Vl GASTURBINE MED MELLEMK0LER REKUPERATOR OG MELLEMOVERHEDE~ l P(bar) 1,00 2,80 2, ,51 3,90 3, ,20 2,1791 bramdsels- effekt lo 1,03 l f-", l T(K) , J l , 872,5 739, Q 548, 147 kw/ kg L Figur TIT= 700 C II:?t= 0,85 Virkningsgrad på aksel 21,39 % Specifik effekt 148,8 kw/kg luft

20 u ll. '1.~3 ~~ ~ GASTURBINE MED MELLEMK0LER REKUPERA TOR OG MELLEMOVERHEDNING ' 00 '""" ' l lo bramdselseffekt P< bar> l' 003 2,8 2 l 18 7' 78 7,58 7, 28 3,631 3,52 1,982 1,963 1,08 1,03 t(k) , , ,0 770,4 552,8 Q (kw/kg L) 304' ,3 kw Figur Gasturbineproces med mellemk0ler, og rekuperator. rt_ t= 0,80 Virkningsgrad på aksel 25,7 % Specifik effekt 116 kw/kg luft me l lemoverhedning

21 il t 9 tf, , /O r- l pj f PT f--l(\_) IC 2lrLJ!. l... "' l l 2 p(bar) 1,003 2, B 2,78 7,78 7,51 3,908 3,869 2,03 9 2, ,030 ~ T(K) Q (kw/kg L) , l , ,7 ' gur 3. asturbine proces m aksle TIT = 700'C, qt = 85 % Virkningsgrad på aksel 20,0 % Specifik effekt 110 KW/kg luft. og melle: QHing (E

22 -20- Det bem~rkes at den opnåelige virkningsgrad ligger mellem 11 og 26%, hvilket er relativt beskedent sammenlignet med meget store gasturbiner, men rimeligt ved sammenligning med små gasturbiner under 1,5 MW el. For at opnå virkningsgrader over 20% må man dog pga. temperaturbegr~nsningen på ca. 700 C i turbineindl0bet anvende en temmelig avanceret systemudformning. Elvirkningsgradsm~ssigt er der ingen fordel ved at have to br~ndkamre {rnellem overhedning), hvis gasturbinen ikke er forsynet med rekupurator. Til geng~ld vil en gasturbine med to br~ndkamre have en v~sentlig h0jere udst0dstemperatur og dermed st0rre exergipotentiale i afgasserne, som kan v~re en stor fordel. Vi har i dette forprojekt ikke foretaget en endelig optimering af komponenternes indbyrdes samspil. En endelig optimering kan muligvis for0ge virkningsgraden noget. ABB h~vder f.eks., at det vil v~re gunstigt at h~ve trykforholdet over et kompressortrin fra de antaget 2,8 til ca. 3,2. (Se mere herom i kapitel 4.0). 4.0 Matchning af turbine og kompressorkarakteristikken. Matchningen af kompressor og turbine er s~rdeles kritisk. Det skyldes is~r, at vi har fundet en turbine af radialtypen som mest gunstig pga. den lave kostpris. I fig. 4.1 er vist et typisk diagram for tabsfordeling i en radialturbine som funktion af specifikke hastighed. Af figuren ses, at relativt små afvigelser fra det optimale oml0bstal vil kunne have afg0rende betydning for virkningsgraden, hvis den kinetiske energi regnes for tabt (der kan i en diffuser maksimalt vindes 40-60% af turbinens kinetiske udl0bsenerg i). Det specifikke oml0bstal er defineret ved: 2'!1 N...!).s= Ahs 3/4 VO'; hvor 03 = udl0bsvolumenstr0mmen N = orodrejningstallet A h 5 = det isentrope enthalpifald <lk005

23 =~ ~ 0 9 'ö. 15 "" - ~ l--h,d-;;::!:;:-t-t-+t-1. -]" t;;;~~=+-++-+i E ä Ed! _,.-kinetic ene ro y Figur Virkningsgrad og tabsfordeling som funktion af specifik overl0bstal Sammenligner man en radialturbine med en aksialturbine kan resultatet ses af fig. 4.2, hvor virkningsgraden ~t er afbildet som funktion af forholdet mellem skovlhastigheden U ved indl0bet til turbinen og den hastighed C, som er ~vivalent med det isentrope enthalpifald Ah 5 <C= V 2 ll.h 5 ). t 90 ~ o 70 <{ "' '-' 60 Ul '-' z 50 "' 5 40 BO t <;1<o 1 diol A 30 ~-. ~.!.& /.. /l i/ If/ v L.: :.:. ~ ~: ' ;;;- A o'~ B c D HASTIGHEDSFORHOLD U/C --""- Figur Isentropvirkningsgrad A,B,C og D repr~senteres aksialturbiner forskellige profilformer for dk035

24 -22- Det ses, at radialturbinen har en mere stejl karakteristik, hvorfor den er mere f0lsom for hastighedsforholdet. Til geng~ld har den ofte en bedre virkningsgrad i bedste punkt. Den bedste virkningsgrad opnås for det såkaldte specifikke omdrejningtal. N N s = A hos Q=.vo;. CJ AJ. U= 'TT N. ' 3/4 = 0,6-0,7; Ahos= t c 0 2 D=V4.;;-Ad D For den ideelle radialturbine g~lder, at U/C= 0,707. Hermed kan man ved omregning samt anvendelse af avenstående formler udtrykke Ng ved geometriske forhold og hastighedsforhold N s = 0,336 [rad/s] hvor Ng er specifikt orodrejningstal på radialturbinen CJ er udk0bshastigheden Co den ~kvivalente hastighed AJ udl0bsarealet Aa arealet af turbineretcren dk035

25 -23- I fig. 4.3 er vist et karakteristikdiagram for en radialturbine. L - o "' w K. kg/s " ', Relol1ve. reduced speed.,; o Figur 4.3 -Karakteristik for en specifik radialturbine Det bem~rkes af fig. 4.3, at den hejeste virkningsgrad er ca. 86%, men der kan opnås virkningsgrader ap til 90% med en radialturbine.. Kompressoren er forbundet med en turbine igennem en f~lles aksel, hvorved orodrejningstallet for kompressor og turbine bliver det samme. De turboladere, som indtil nu er analyseret, har den bedste virkningsgrad, når kompressoren arbejder med et trykforhold på ca. 2,7-3,5, hvilket svarer til et trykforhold over turbinen på ca. 1,6-1,9. Karakteristikdiagrammet for kompressoren er vist i fig d k 035

26 -24- l 'l l l l fl f-., ~' ' 2, o 1, 5 /;. / < " "' IL XI/ ~l/ m 'LZ Ii,!,!; ~.,. 'l ' l 'l/ '" fl 'j; 11' '/. il; ;q ~ '" ~... y~.,. '" 0, VtotV ' Figur Karakteristikdiagram for kompressor Vt0 t= Volumenstr0m indl0b Det ses af fig. 4.4, at det skulle v~re muligt at opnå en kompressorvirkningsgrad på 80-82%. For kompressoren finder man ligesom for radialturbinen et optimalt specifikt omdrejningstal. Det er ikke altid muligt at få de to "tal" til at matche optimalt, idet kompressoren kan beregnes til at skulle have et lidt st0rre oml0bstal end turbinen, hvorved den kinetiske energi i udl0bet på turbinen bliver stort. Denne energi kan dog udnyttes delvis af den efterf0lgende power-turbine, men det kan formodentlig ikke blive helt optimalt. Et rnere detaljeret studie af ovenn~vnte forhold vil afklare det endelige valg af komponentudformning og omdrejningstal. d~035

27 Vurderinger hos potentiel turbolader leverand0r For at sikre at ikke kun teoretiske betragtninger ligger til grund for komponent effektiviteter er ABB Turbo Systems kontaktet for en objektiv vurdering. ABB Turbo Systems finder, at det kun vil v~re muligt at opnå en ekspansionsvirkningsgrad med en standard turbolader, radialturbine på ca %. Man mener derimod, at indl0bstemperaturen kan 0ges fra de estimerede 700 C til måske 750 C. Konsekvensen af ABB Turbosystems vurdering vil medf0re at akselvirkningsgraden vil reduceres fra 20% til 17,5% for den mest lovende anl~skonfiguration. (Se fig. 3.7). En årsag til den lavere ekspansionsvirkningsgrad kan muligvis forklares ved at turboladerens turbinedel er udformet uden ledeskavle i dyseringen. Demeget h0je virkningsgrader, som er beskrevet i afsnit 4 refererer til radialturbiner med ledeskavle i dyseringen. Derudover er turboladerturbiner udf0rt med h0jt specifikt orodrejningstal for at matche kompressoren, Ns-t/Ns-c = 1,1, hvilket betyder at turbinevirkningsgraden vil ligge under den virkningsgrad, som turbinen ville kunne opnå, hvis den ikke var forbundet med kompressaren. Kompressionsvirkningsgraden er fortsat i overensstemmelse med de teoretiske angivne v~rdier. 6.0 Brmndkammeret Br~ndkammeret, se fig. 6.1, er det sted, hvor man tilf0rer br~ndsel til den komprimerede luft. Br~ndkammeret en h0j forbr~ndingsvirkningsgrad skal sikre, at der opnås og en passende opblanding mellem forbrmndingsprodukter og luft i et forhold, så den tilladelige turbineindl0bstemperatur ikke overskrides. NOx dannelsen i br~ndkammeret kan reduceres, hvis man blander en del af luften med brmndslet, f0r dette injiceres i brmndkammeret. Unders0gelser viser dog, at blandingsforholdet ikke må overstige.a =l, 7, idet forbr~ndingsvirkningsgraden ellers reduceres kraftigt. Man kan også injicere vand eller damp for at reducere NOx dannelsen.udvikling af et br~ndkammer er en temmelig vanskelig aff~re. Det er derfor besluttet at anvende et br~ndkammer fra en jetmotor. Det vil v~re n0dv~ndigt at lave en del beregoinger til bestemmelse af luftstr0mmen gennem huller og slot's i brmndkammeret, således at den rette luftforbrmndingsproduktblanding og temperaturgradient i og på brmndkammeret kan findes. d~035

28 -26- Figur Br~ndkammer til gasturbine Ved hj~lp af gasturbine/combined cycle simuleringsprogrammet GTPRO kan man simulerer trykforholdene over br~ndkammeret f.eks. en t~nkes Avon gasturbine. Med de tryk og temperaturer, der anvendt i rninigasturbinen, er tryktabet ca. 3,5% over br~ndkammeret. Mere detaljerede oplysninger omkring br~ndkammeret har ikke kunnet fremskaffes fra Flyvematerielkommandoen og kan sandsynligvis kun fås fra jetmotorfabrikanterne. Pga. de relativ lave maksimum-temperaturer 650 C C anses det for muligt at anvende samme br~ndkammer unders0ges nrermere. på til mellemoverheder, men dette skal 7.0 Generator Generatoren er en hurtigl0bende type, som er udviklet på Lappeenranta og Helsinki Universitet i Finland. Der er indgået en forel0big mundtlig aftale om et samarbejde, såfremt det besluttes at forts~tte et udviklingsarbejde af en minigasturbine. Finnerne har startet et firma ved navn High Speed Technology. Det skal markedsf0re h0jhastighedsteknikken, indeholdende både generatorer og turbomaskineri. dk035

29 -27- High Speed Tech. har også udviklet et interessant Organic Rankine Cycle (ORC)-anlreg, baseret på h0jhastighedsteknikken. Et sådan ORC-anl~g er placeret på en finsk fabrik. Forelebige testresultater viser, at h0jhastighedsgeneratoren (ca. 500 Hz) har en virkningsgrad på 92%. Der skal anvendes en frekvens-omformer til omformning af frekvensen til 50 Hz. Omformervirkningsgraden er ca. 98%. Generatorsystemet har hidtil v~ret udfert med gaslejer, hvilket giver et langt mindre lejetab end oliesmurte lejer ger. Man har også benyttet magnetiske lejer, men disse er stadig ret kostbare. Vi har også vurderet en 50 Hz generator, som er koblet til powerturbinen via et epicyclisk gear. Denne konfiguration kan firmaet ASEA Brown Boveri fremstille. På nuv~rende tidspunkt kan vi ikke afgere hvilken af teknikkerne, som er mest gunstig at benytte. ABB har vist interesse for evt. at anvende h0jhastighedsgeneratorteknikken i deres turbocompound-systern, der udnytter restexergien i afgasserne fra en stor dieselmotor, efter disse har passeret turboladeren. Hvis ABB's interesse for high speed systemet bliver alvorlig, ville dette formodentlig resulterer i en kostpriss~nkning på high speed systemet, hvilket g0r det mere interessant at benytte i minigasturbinen. 8.0 Forslag til systemudformning På fig. 8.1 er vist det system, vi ud fra forunders0gelsen finder bedst egnet. Det ses, at f0lgende hovedkomponenter indgår: turbolader l turbolader 2 bramdkammer l ( brcendkammer 2) powerturbine generator med oroformer udstedskedel skorsten (lavtryksdelen) (h0jtryksdelen) (h0jtryksdelenl (la vtryksde len ) d~035