Import af gas & kraftvarmeanlæg

Transkript

1 Import af gas & kraftvarmeanlæg Jan de Wit og Lars Jørgensen Dansk Gasteknisk Center (DGC)

2 DGC har af Energinet.dk fået i opdrag At undersøge tekniske konsekvenser af import af gastyper med lavt Wobbetal/brændværdi (lavere end nugældende grænse). Hovedpunkterne i undersøgelsen er: Sikkerhed (apparater/anlæg) Drift Virkningsgrad Emission

3 Nugældende og ønsket Wobbetalsinterval Nugældende span kwh/m 3 n Ønsket udvidelse kwh/m 3 n

4 Importgastyper nævnt i forespørgslen

5 Undersøgelsesmetode mht. KV-anlæg Skrivelse udsendt til leverandører/fabrikanter primo september Indeholder præsentation/baggrund og fem spørgsmål. Sidenhen og telefonisk kontakt. Opfølgende møder i enkelte tilfælde. Opsamling/rapportering (nov./dec. 2010).

6 Caterpillar CAT 3400 CAT 3500 CAT 3600 G16CM34 Rolls-Royce-Bergen KVGS KRGS B35:40 Wärtsilä 175 SG 220 SG 25 SG 28 SG 32 DF 32 GD 34 SG Gasmotorer, Anlægsportefølje Mest betydende motorfabrikater/serier Jenbacher JMS 200 JMS 300 JMS 400 JMS 600 Andet JMS DEUTZ/MWM G 234 G 604 G 616/620 Waukesha GLD 18 VFG 18 H24 L36 P48 L5790 I alt ca. 700 motorer tilsluttet, inst. effekt er ca MW e, samlet årligt gasforbrug 490 mio. m 3 n Mere end 25 fabrikater, disse har ofte flere serier. Fire fabrikater > 90 % af gasforbruget.

7 Energidata for naturgas-fyrede gasmotorer i Danmark opgjort på motorfabrikater Elkapacitet [MW] Elproduktion [TJ] Naturgas-forbrug [TJ] Gasmotorfabrikat Naturgasforbrug, andel [%] Naturgasforbrug, akk. [%] A 228,9 2236,6 5598,5 28,8 28,8 B 227,2 1893,6 5032,4 25,9 54,8 C 238,5 1800,5 4239,9 21,8 76,6 D 179,9 1390,7 3417,4 17,6 94,2 E 11,4 150,3 456,1 2,3 96,5 F 43,2 157,7 306,7 1,6 98,1 G 5,0 44,6 129,0 0,7 98,8 H 2,0 37,4 95,9 0,5 99,3 I 5,3 13,3 39,4 0,2 99,5 J 7,7 14,0 37,8 0,2 99,7 K 1,1 10,0 29,7 0,2 99,8 L 0,7 3,3 10,0 0,1 99,9 M 2,8 2,0 5,2 0,0 99,9 N 0,2 1,1 4,3 0,0 99,9 O 0,0 0,5 3,9 0,0 100,0 P 2,5 1,6 3,7 0,0 100,0 Q 2,8 0,8 2,2 0,0 100,0 R 0,0 0,5 1,7 0,0 100,0 S 0,0 0,3 1,1 0,0 100,0 T 0,0 0,0 0,1 0,0 100,0 U 0,4 0,0 0,0 0,0 100,0 Hovedtotal 959,8 7758, ,9 - - KV anlæggene og de nye gasser_dgf Gastekniske Dage 2011

8 Installeret effekt og idriftsættelsestidspunkt for værker med naturgasfyrede gasmotorer Aldersspredningen medfører, at der på trods af opgraderinger, kan være forskel på bl.a. motorstyringernes udformning, hvilket igen har indflydelse på motorernes evne til at håndtere ændringer i gaskvalitet mht. driftsstabilitet, emissioner og virkningsgrad. KV anlæggene og de nye gasser_dgf Gastekniske Dage 2011

9 Siemens V-64 Tidl. EGT, nu Siemens Typhoon Tornado Rolls Royce TRENT 50 GE-General Electric GE- Frame 6 LM 2500 LM 6000 Solar Mars Centaur Gasturbiner Anlægsportefølje ABB GT 10 GT 35 Alison/Centrax KB 5 Centrax Turbec T-100 Ca. 44 gasturbiner tilsluttet, inst. effekt (GT) ca. 725 MW e, samlet årligt gasforbrug 690 mio. m 3 n. Oprindeligt 8 fabrikater, oftest flere serier. Fem fabrikater > 97 % af gasforbruget. Svar fra 4 ud af 8 fabrikater. Svarene repræsenterer ca. 25 % af gasforbruget på GT.

10 Naturgasforbrug for naturgasfyrede gasturbiner i Danmark Turbinefabrikat og -model Naturgasforbrug [TJ] Andel af naturgasforbrug [%] ABB 2870,3 10,5 Allison 117,6 0,4 EGT European Gas Turbines 3679,8 13,5 GE General Electric 9596,6 35,1 Rolls-Royce 6948,5 25,4 Siemens 3655,4 13,4 Solar Gasturbines 456,3 1,7 Turbec 27,0 0,1 Hovedtotal 27351,4 KV anlæggene og de nye gasser_dgf Gastekniske Dage 2011

11

12

13 Motorleverandører, der er skrevet til i den aktuelle undersøgelse # Navn Gasforbrugs andel % Respons modtaget? 1 Rolls Royce/Bergen v. RR Marine DK 22 Ja. 2 GE-Jenbacher (DK) 29 Ja, GE Jenbacher Østrig har deltaget i besvarelse, resultater drøftet. 3 Caterpillar (DK) 26 Ja, suppleret af indspil fra US eksperter. 4 Wärtsilä (DK) 18 Ja, suppleret fra flere udenlandske eksperter. 5 Deutz/MWM (DK) 1,6 Nej, rykket flere gange. 6 MAN B&W 0,2 Foreløbigt, rykket for endeligt svar. 7 Niigata (DK repræsentant) 0,01 Ja, suppleret af svar fra teknikere hos Niigata (JP) 8 Waukesha (DK repræsentant) 0,7 Ja, svar fra US formidlet via dansk repræsentant. 9 Senertec (via DK samt UK) ~0 Ikke anvendeligt svar p.t. 10 MiniFrichs 0,02 Ja. 11 MAN Rollo (via dansk serviceagent) 2,4 Ja.

14 Generel forventning mht. gasforbrug, last og virkningsgrad De helt umiddelbare KV-anlæg styres efter elydelsen. Falder denne (fx hvis brændværdi falder), kaldes der på mere gas. Principielt vil gas med højere metantal i sig selv ikke føre til lavere virkningsgrad; tværtom ligger der et potentiale for øget virkningsgrad, hvis indstilling eller andet ændres. Forbrændingsstabilitet, forbrændingshastighed og andet kan være anderledes for andre gasser. Motorindstilling skal tilpasses dette. For at sikre bedst opstart mv. vil det være optimalt/nødvendigt(?), om motoren/turbinen har kendskab til aktuel gas og diverse indstillinger hertil på lager.

15 Svar fra GM-fabrikanter/leverandører Sikkerhed: Ikke problematisk! Drift Motorer bør kunne køre på alle de viste gasser. Dynamik: På visse motorer eller anlæg vil formentlig skulle foretages udstyrsændring/udskiftning for at kunne håndtere skift. Et skift mellem yderpunktsgasser over ca. 20 minutter vil så kunne håndteres af hovedparten af motorerne. Et enkelt betydende fabrikat kræver iht. specifikationer væsentligt længere tid. For et antal motorer skal der ske fornyet indregulering/indtrimning af styring, gasrampe mv. Kendskab til aktuel gas ved start og indregulering vil være ønskelig/nødvendig

16 Svar fra GT-fabrikanter/leverandører Sikkerhed: Ikke problematisk på de anførte gastyper! Drift Gasturbinerne bør kunne køre på alle de viste gasser. Det må klarlægges, om det fornødne gastryk kan leveres ved gasforsyning med lav brændværdi. Flere leverandører anfører, at indregulering skal foretage med gas midt i området, frem for yderpunktsgas. Flere leverandører har +/- acceptgrænse på Wobbetal; udvidelsen vil kræve ekstraudstyr. Dynamik: Flere leverandører anfører, at et skift mellem gastyper skal/bør ske over minutter frem for sekunder.

17 Nugældende og ønsket Wobbetalsinterval Nugældende span Generelt I forhold til vanlig gas kwh/m3n +/- 4.7 % - 7.7/ % Ønsket udvidelse kwh/m3n +/- 5.9 % - 9.9/ %

18 Observerede problemer på KV-installationer ved import efterår 2010

19 Observerede problemer ved import efterår 2010 Gasturbiner Her er ikke rapporteret om problemer; der er observeret øget m 3 -forbrug. Gasmotorer Et antal motorer har ikke kunnet holde fuldlastydelse. Observeret øget m 3 -forbrug, på enkelte anlæg >15 %. Der er meldt om fald i virkningsgrad. Enkelte anlæg har haft problem med elnetsynkronisering. Enkelte med startproblem. Observationerne er alle fra det syd- og sønderjyske område; de fleste af motorproblemerne knytter sig til et fabrikat.

20 Et KV anlæg består af flere elementer Gasledningerne/gasnettet Gasrampen Styre- og sikkerhedssystem Kraftvarmeproducerende enhed (motor/turbine) Efterfølgende udstyr (lyddæmper/røggaskøler/katalysator, skorsten osv.) Delelementerne kan have indstillinger eller karakteristika, der kan rumme begrænsninger Udlæsning af driftsdata (forbrug, virkningsgrad mv. ) på skærm kan være forkert/misvisende, hvis der internt er regnet med fx fast brændværdi for naturgassen. KV anlæggene og de nye gasser_dgf Gastekniske Dage 2011

21 Måleserier på KV-anlæg (importgas/nordsøgas) Jan de Wit, Lars Jørgensen & Steen Andersen Dansk Gasteknisk Center (DGC)

22 Måleprojekt Forbrug, ydelse, virkningsgrad, emission, gastryk m.m. for gasmotorer og gasturbiner ved drift på importeret gas og gas fra de danske felter i Nordsøen. Udført af DGC i samarbejde med anlægsejere og leverandører. Finansieret af gasselskabernes Fagudvalg for Gasanvendelse og Installationer (FAU GI) samt SGC.

23 Der er gennemført måleserier på en åbenkammergasmotor to forkammergasmotorer en gasturbine Målingerne er gennemført med den indstilling, enhederne p.t. arbejder med. Måleserie på importgas uge 12/2011. Måleserie på nordsøgas uge 15/2011.

24 Importgas Enhed #1 Enhed Enhed #4 Usikkerhed (GM) #2&3 (GM) (GT) Brændværdi, nedre 1) kwh/m 3 n 10,12 10,13 10,22 +/- 0,04 Wobbeindeks 1) kwh/m 3 n 14,44 14,45 14,56 +/- 0,07 Densitet 1) kg/m 3 n 0,78 0,78 0,78 +/- 0,002 1) Iht. ISO 6976 Nordsøgas Enhed #1 (GM) Enhed #2&3 (GM) Enhed #4 (GT) Usikkerhed Brændværdi, nedre 1) kwh/m 3 n 10,98 10,97 11,00 +/- 0,04 Wobbeindeks 1) kwh/m 3 n 15,3 15,2 15,3 +/- 0,07 Densitet 1) kg/m 3 n 0,820 0,818 0,822 +/- 0,002 1) Iht. ISO 6976

25 Gasmotor 1 (åbenkammer)

26 Gasmotor 2 (forkammer)

27 Gasmotor 3 (forkammer)

28 Gasturbine

29 Konklusion, gasmotorerne For to af gasmotorerne måltes kun meget små og ikke-signifikante ændringer af indfyret effekt, last og virkningsgrad ved måleperioderne på henholdsvis importeret naturgas samt nordsøgas. For alle motorer måltes i varierende størrelsesorden forøget UHC- og NO x -emission ved drift på importgas; i flere situationer dog under måleudstyrets måleusikkerhed. Der kunne konstateres forskelle i barometertryk samt et lille fald i ilt-% (under måleusikkerheden), forhold der for NO x vedkommende kan forklare det sete. For den sidste motor (større forkammermotor) ses et mere markant fald i elvirkningsgrad (-0,8 procentpoint) ved drift på importgas. Dette, sammenholdt med at der her også måles øget CO- (+18 %) og UHC- (+24 %) emission, tyder på, at motoren med sin nuværende indstilling/forbrændings-styring kan have dårlige forbrændingsforhold ved drift på importgas.

30 Konklusion, gasturbine Højere akselydelse, men også en tilsvarende øget indfyret effekt, måltes ved måleperioden med importgas. Elvirkningsgraden var med importgas 0,1 %-point højere. Denne lille forskel er ikke signifikant, måleusikkerheden er større end den målte størrelse. De sete forskelle i indfyret effekt samt ydelse for gasturbinen er med overvejende sandsynlighed et resultat af mere gunstige omgivelsesbetingelser for gasturbinedriften i måleperioden med drift på importgas. I denne periode var der såvel en lavere udetemperatur som et højere barometertryk. For anlægget som helhed måltes en lavere totalvirkningsgrad i perioden med drift på importgas. Det lader sig dog ikke umiddelbart afgøre, hvad usikkerheden for den levere varme er; der indgår her værks-interne beregninger, herunder beregning ud fra damptabeller mv. Emissionskomponenterne: Ingen signifikant forskel mellem de to måleperioder. Emissionen af CO og UHC er generelt meget lav og for disse komponenter tæt ved eller under måleudstyrets detektionsgrænse.

31 Tak for opmærksomheden!

32 Extra OH s til evt. diskussion/demonstration

33 Bestemmelserne for den leverede gas, teknisk data findes i Gasreglementet (GR-A, Bilag 1 A). Meddelelse om gaskvalitet ved import af gas fra Nordtyskland, Meddelelse fra Sikkerhedsstyrelsen Dec Hvad der måtte stå i kontrakt med gasleverandør. De to første dokumenter kan downloades fra Sikkerhedsstyrelsens hjemmeside (

34 Emissioner fra mindre gasmotor et eksempel KV anlæggene og de nye gasser_dgf Gastekniske Dage 2011

35 Gasmotorer emissioner og virkningsgrad Hovedkonklusioner Få oplysninger om kvantitative ændringer i emissioner og virkningsgrad ved skift i gaskvalitet. Tre af de mest betydende leverandører forventer ingen betydende ændringer i NO x emissioner eller elvirkningsgrad. Der kan dog forekomme et marginalt fald i virkningsgrad afhængig af styringsstrategi (NOx, bankning mv.) Den fjerde af de 4 store leverandører forventer konstant elvirkningsgrad, 10 % fald i NO x, og % stigning i UHC ved skift fra dansk naturgas til tysk gas med lavt wobbetal. KV anlæggene og de nye gasser_dgf Gastekniske Dage 2011

36 Gasmotorer emissioner og virkningsgrad For små motorer, samt motorer med simple styringer, kan det ikke udelukkes, at ændring i emissioner og virkningsgrad bliver mere udtalte. På baggrund af eksisterende viden kan der forventes fald i NOx på mere end 50 % og stigning i UHC på ca. 40 % ved skift fra dansk naturgas til tysk gas med lavt wobbeindeks. Disse motorer omsatte under 10 % af det samlede naturgasforbrug i Danmark i KV anlæggene og de nye gasser_dgf Gastekniske Dage 2011

37 Gasmotorer emissioner og virkningsgrad Nogle motoranlæg kræver nye sensorer og kontrolsystemer for at emissioner og elvirkningsgrad kan holdes uændrede. Mindre fokus på fintuning af virkningsgrad driftsstabilitet prioriteres højere. Ved konstant-nox drift forventes 0,3 % point fald i elvirkningsgrad pr. 10 enheders stigning i metantal ved skift fra dansk til tysk gas (pga. mindre reduktion i forbrændingshastighed) KV anlæggene og de nye gasser_dgf Gastekniske Dage 2011

38 Gasmotorer emissioner og virkningsgrad Der kan være problemer med gasfremføring ved skift til gas med lav brændværdi. Øget gasforbrug kan medføre trykfald i gasrør og motorernes gasramper (ændrede gasramper eller kompressorer). Enkelte oplevelser med udsættere og ustabil drift ved fuldlast (tilskrives trykforhold i gassystemet). Metantalsmåler kan være et redskab til forbedret opstart efter stilstand og skift i gaskvalitet. KV anlæggene og de nye gasser_dgf Gastekniske Dage 2011

39 Gasmotorer varmevirkningsgrad Der kan forventes et fald på ca. 0,5 % point i varmevirkningsgrad ved skift fra dansk til tysk/russisk naturgas for motorer uden automatisk styring af gas/luft forholdet For motorer med automatisk regulering af gas/luftforhold, herunder motorer, der styrer efter konstant røggastemperatur, forventes ikke signifikant ændring af varmevirkningsgraden, da temperaturforhold og røggasmængder kun forventes at ændres marginalt ved skift i gaskvalitet. KV anlæggene og de nye gasser_dgf Gastekniske Dage 2011

40 Gasturbiner emissioner og virkningsgrad Seneste (men få) udmeldinger fra gasturbineleverandører: Der forventes ikke signifikante ændringer i emissioner eller elvirkningsgrad ved skift dansk og tysk naturgaskvalitet. Erfagruppen for gasturbiner meddelte i 2009, at gasturbineanlæggene generelt ikke var parat til at klare gasleverancer med en svingende kvalitet som den forventede import af tysk gas forventes at udgøre (driftsstabilitet og opstartsproblemer. KV anlæggene og de nye gasser_dgf Gastekniske Dage 2011

41 Gasturbiner emissioner og virkningsgrad Enkelte af de store kraftværksturbiner har installeret gaskromatograf (tilbagekoblede gaskromatografer kan være nødvendige for justering af brænderne). Et enkelt værk har investeret i et nyt pulsationsovervågningssystem for at understøtte flammestabilisering og derved undgå pulsering i brændkammer samt overholde emissionsgrænser, når gaskvaliteten varierer. Gasaturbiner med nyere low NOx (premix) brændere er mere følsomme for ændringer i gaskvalitet, idet der kan opstå pulsationer, flash back, auto-ignition og lean blowout. KV anlæggene og de nye gasser_dgf Gastekniske Dage 2011

42 Gasmotorer - styringsprincipper NOx / ppm (dry) IT=14 CAD BTDC 0 11,6 11, ,2 12,4 12,6 12,8 O 2 / % (dry) NOx / ppm (dry) O 2 = 12,1 % (dry) IT / CAD BTDC Effekt af variation af luftoverskud (O 2 ) og tændingsindstilling (IT) på forkammer motor Fra projektet: Environmental optimisation of natural gas fired engines IT=14 CAD BTDC UHC / ppm (dry) UHC / ppm (dry) O 2 = 12,1 % (dry) ,6 11, ,2 12,4 12,6 12,8 O 2 / % (dry) IT / CAD BTDC KV anlæggene og de nye gasser_dgf Gastekniske Dage 2011

43 Gasmotorer - styringsprincipper Drifts- og emissionssammenhænge for åbenkammermotor som funktion af luftoverskud (lambda)/iltindhold i røggas KV anlæggene og de nye gasser_dgf Gastekniske Dage 2011