A high efficiency microturbine concept

There is a growing trend towards decentralized electricity and heat production throughout the world. Reciprocating engines and gas turbines have an essential role in the global decentralized energy markets and any improvement in their electrical efficiency has a significant impact from the environmental and economic viewpoints. This paper introduces an inter-cooled and recuperated two-shaft microturbine at 500 kW electric output range. The microturbine is optimized for a realistic combination of the turbine inlet temperature, the recuperation rate and the pressure ratio. The new microturbine design aims to achieve significantly increased performance within the range of microturbines and even competing with the efficiencies achieved in large industrial gas turbines. The simulated electrical efficiency is 45%. Improving the efficiency of combined heat and power (CHP) systems will significantly decrease the emissions and operating costs of decentralized heat and electricity production. Cost-effective, compact and environmentally friendly micro-and small-scale CHP turbine systems with high electrical efficiency will have an opportunity to successfully compete against reciprocating engines, which today are used in heat and power generation all over the world and manufactured in large production series. This paper presents a small-scale gas turbine process, capable of competing with reciprocating engine in terms of electrical efficiency.

Estudio de viabilidad tecnico-economica para la conversion de hornos electricos en hornos a gas natural

Technical and economic feasibility of using natural gas as a non-polluting energy source was studied. Conversion of electric ovens to gas-fired ovens for the preparation of aluminum plates for laminations was used as an example of this application. Four cases were evaluated for the use of heat derived from residual gases following combustion of the natural gas. Additionally, two possibilities are included for the use of systems of co-generation; one using an internal combustion engine, and second using a gas turbine. Results suggested that it was technically and economically feasible to convert the electric ovens considered to natural gas-operated ovens.

Desarrollo de un modelo para la caracterización termoeconómica de ciclos combinados de turbinas de gas y de vapor en condiciones de carga variable

En la actualidad, el interés por las plantas de potencia de ciclo combinado de gas y vapor ha experimentado un notable aumento debido a su alto rendimiento, bajo coste de generación y rápida construcción. El objetivo fundamental de la tesis es profundizar en el conocimiento de esta tecnología, insuficientemente conocida hasta el momento debido al gran número de grados de libertad que existen en el diseño de este tipo de instalaciones. El estudio se realizó en varias fases. La primera consistió en analizar y estudiar las distintas tecnologías que se pueden emplear en este tipo de centrales, algunas muy recientes o en fase de investigación, como las turbinas de gas de geometría variable, las turbinas de gas refrigeradas con agua o vapor del ciclo de vapor o las calderas de paso único que trabajan con agua en condiciones supercríticas. Posteriormente se elaboraron los modelos matemáticos que permiten la simulación termodinámica de cada uno de los componentes que integran las plantas, tanto en el punto de diseño como a cargas parciales. Al mismo tiempo, se desarrolló una metodología novedosa que permite resolver el sistema de ecuaciones que resulta de la simulación de cualquier configuración posible de ciclo combinado. De esa forma se puede conocer el comportamiento de cualquier planta en cualquier punto de funcionamiento. Por último se desarrolló un modelo de atribución de costes para este tipo de centrales. Con dicho modelo, los estudios se pueden realizar no sólo desde un punto de vista termodinámico sino también termoeconómico, con lo que se pueden encontrar soluciones de compromiso entre rendimiento y coste, asignar costes de producción, determinar curvas de oferta, beneficios económicos de la planta y delimitar el rango de potencias donde la planta es rentable. El programa informático, desarrollado en paralelo con los modelos de simulación, se ha empleado para obtener resultados de forma intensiva. El estudio de los resultados permite profundizar ampliamente en el conocimiento de la tecnología y, así, desarrollar una metodología de diseño de este tipo de plantas bajo un criterio termoeconómico. ABSTRACT The growing energy demand and the need of shrinking costs have led to the design of high efficiency and quick installation power plants. The success of combined cycle gas turbine power plants lies on their high efficiency, low cost and short construction lead time. The main objective of the work is to study in detail this technology, which is not thoroughly known owing to the great number of degrees of freedom that exist in the design of this kind of power plants. The study is divided into three parts. Firstly, the different technologies and components that could be used in any configuration of a combined cycle gas turbine power plant are studied. Some of them could be of recent technology, such as the variable inlet guide vane compressors, the H-technology for gas turbine cooling or the once-through heat recovery steam generators, used with water at supercritical conditions. Secondly, a mathematical model has been developed to simulate at full and part load the components of the power plant. At the same time, a new methodology is proposed in order to solve the equation system resulting for any possible power plant configuration. Therefore, any combined cycle gas turbine could be simulated at any part load condition. Finally a themoeconomic model is proposed. This model allows studying the power plant not only from a thermodynamic point of view but also from a thermoeconomic one. Likewise, it allows determining the generating costs or the cash flow, thus achieving a trade off between efficiency and cost. Likewise, the model calculates the part load range where the power plant is profitable. Once the thermodynamic and thermoeconomic models are developed, they are intensively used in order to gain knowledge in the combined cycle gas turbine technology and, in this way, to propose a methodology aimed at the design of this kind of power plants from a thermoeconomic point of view.

Thermodynamic information system for diagnosis and prognosis of power plant operation condition

A thermodynamic information system for diagnosis and prognosis of an existing power plant was developed. The system is based on an analytic approach that informs the current thermodynamic condition of all cycle components, as well as the improvement that can be obtained in the cycle performance by the elimination of the discovered anomalies. The effects induced by components anomalies and repairs in other components efficiency, which have proven to be one of the main drawbacks in the diagnosis and prognosis analyses, are taken into consideration owing to the use of performance curves and corrected performance curves together with the thermodynamic data collected from the distributed control system. The approach used to develop the system is explained, the system implementation in a real gas turbine cogeneration combined cycle is described and the results are discussed. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Eficiência energética e a queima de combustíveis limpos

Mestrado em Engenharia Química

Software de apoio à implementação de sistemas híbridos de produção de energia eléctrica baseados em energias renováveis

O aumento da população Mundial, particularmente em Países emergentes como é o caso da China e da Índia, tem-se relevado um problema adicional no que confere às dificuldades associadas ao consumo mundial de energia, pois esta situação limita inequivocamente o acesso destes milhões de pessoas à energia eléctrica para os bens básicos de sobrevivência. Uma das muitas formas de se extinguir esta necessidade, começa a ser desenvolvida recorrendo ao uso de recursos renováveis como fontes de energia. Independentemente do local do mundo onde nos encontremos, essas fontes de energia são abundantes, inesgotáveis e gratuitas. O problema reside na forma como esses recursos renováveis são geridos em função das solicitações de carga que as instalações necessitam. Sistemas híbridos podem ser usados para produzir energia em qualquer parte do mundo. Historicamente este tipo de sistemas eram aplicados em locais isolados, mas nos dias que correm podem ser usados directamente conectados à rede, permitindo que se realize a venda de energia. Foi neste contexto que esta tese foi desenvolvida, com o objectivo de disponibilizar uma ferramenta informática capaz de calcular a rentabilidade de um sistema híbrido ligado à rede ou isolado. Contudo, a complexidade deste problema é muito elevada, pois existe uma extensa panóplia de características e distintos equipamentos que se pode adoptar. Assim, a aplicação informática desenvolvida teve de ser limitada e restringida aos dados disponíveis de forma a poder tornar-se genérica, mas ao mesmo tempo permitir ter uma aplicabilidade prática. O objectivo da ferramenta informática desenvolvida é apresentar de forma imediata os custos da implementação que um sistema híbrido pode acarretar, dependendo apenas de três variáveis distintas. A primeira variável terá de ter em consideração o local de instalação do sistema. Em segundo lugar é o tipo de ligação (isolado ou ligado à rede) e, por fim, o custo dos equipamentos (eólico, solar e restantes componentes) que serão introduzidos. Após a inserção destes dados a aplicação informática apresenta valores estimados de Payback e VAL.

Stochastic optimal bid to electricity markets with environmental risk constraints

There are many factors that influence the day-ahead market bidding strategies of a generation company (GenCo) in the current energy market framework. Environmental policy issues have become more and more important for fossil-fuelled power plants and they have to be considered in their management, giving rise to emission limitations. This work allows to investigate the influence of both the allowances and emission reduction plan, and the incorporation of the derivatives medium-term commitments in the optimal generation bidding strategy to the day-ahead electricity market. Two different technologies have been considered: the coal thermal units, high-emission technology, and the combined cycle gas turbine units, low-emission technology. The Iberian Electricity Market and the Spanish National Emissions and Allocation Plans are the framework to deal with the environmental issues in the day-ahead market bidding strategies. To address emission limitations, some of the standard risk management methodologies developed for financial markets, such as Value-at-Risk (VaR) and Conditional Value-at-Risk (CVaR), have been extended. This study offers to electricity generation utilities a mathematical model to determinate the individual optimal generation bid to the wholesale electricity market, for each one of their generation units that maximizes the long-run profits of the utility abiding by the Iberian Electricity Market rules, the environmental restrictions set by the EU Emission Trading Scheme, as well as the restrictions set by the Spanish National Emissions Reduction Plan. The economic implications for a GenCo of including the environmental restrictions of these National Plans are analyzed and the most remarkable results will be presented.

Voimalaitoksen höyryjärjestelmän paineensäädön hallinta

Diplomityön tavoitteena oli selvittää tapoja hallita voimalaitoksen höyryjärjestelmän paineensäätöä. Työ on tehty Neste Oilin Porvoon jalostamon energialaitoksen höyryjärjestelmästä. Energialaitos käsittää kaksi höyrykattilaa ja kaasuturbiinivoimalaitoksen, sekä öljynjalostamolla sijaitsevat höyrykattilan ja kaasuturbiinivoimalaitoksen. Höyryverkon häiriötilanteet aiheuttavat paineenlaskua höyryverkossa, jos jonkun höyryntuottajan tuotanto keskeytyy, tai paineennousua höyryverkossa, jos joku höyrynkuluttajista ei kuluta enää höyryä. Nykyisessä tilanteessa vakavin paineen laskua aiheuttava häiriötilanne olisi energialaitoksen höyrykattilan tuotannon keskeytyminen. Vakavin paineennousua aiheuttava häiriötilanne olisi suurimman kuluttajan,eli energialaitoksen vastapaineturbiinin, irtaantuminen höyryverkosta. Paineen hallinta voidaan toteuttaa oikeanlaisilla automaation ratkaisuilla, joita on mahdollista kehittää käyttökokemukseen perustuen järjestelmäpäivitysten yhteydessä. Häiriötilanteita voidaan yrittää ennakoida kunnossapidon keinoin niin, että vikaantuminen havaitaan ennen kuin vakava häiriö tapahtuu. Erityisesti kunnossapitostrategian kehittäminen auttaisi kohdistamaan kunnossapitotoimenpiteet oleellisimpiin kohteisiin kustannustehokkaasti. Lisäksi käyttöhenkilökunnan oikeanlaisella toiminnalla häiriön sattuessa voidaan häiriöiden aiheuttamia seuraamuksia tuotantoon ja turvallisuuteen lieventää. Käyttöhenkilökunnan toimintaa voidaan parantaa koulutuksella.

Competitiveness Comparison of the Electricity Production Alternatives

The competitiveness comparison is carried out for merely electricity producing alternatives. In Finland, further construction of CHP (combined heat and power) power plants will continue and cover part of the future power supply deficit, but also new condensing power plant capacity will be needed. The following types of power plants are studied: - nuclear power plant, - coal-fired condensing power plant - combined cycle gas turbine plant, - peat-fired condensing power plant. - wood-fired condensing power plant - wind power plant The calculations have been made using the annuity method with a real interest rate of 5 % perannum and with a fixed price level as of March 2003. With the annual full load utilization time of 8000 hours the nuclear electricity would cost 23,7 ¤/MWh, the gas based electricity 32,3 ¤/MWh and coal based electricity 28,1 ¤/MWh. If the influence of emission trading is taken into account,the advantage of the nuclear power will still be improved. Inorder to study the impact of changes in the input data, a sensitivity analysis has been carried out. It reveals that the advantage of the nuclear power is quite clear. E.g. the nuclear electricity is rather insensitive tothe changes of the uranium price, whereas for natural gas alternative the rising trend of gas price causes the greatest risk.

Lämmöntalteenottokattilan kehittäminen kaasumoottoreille ja teollisuuskaasuturbiineille

Tässä diplomityössä on kehitetty kustannustehokas lämmöntalteenottokattila savukaasun virtaukselle alle 150 kg/s. Kehitettävä kattila on luonnonkiertoinen ja pystyrakenteinen. Valitun kattilatyypin etuja muihin kattilatyyppeihin nähden on tarkasteltu. Erityistä huomiota kattilassa on kiinnitetty vedenkäsittelyn yksinkertaistamiseen. Tämä on saavutettu tulistinratkaisulla, jonka säätötarve on vähäinen. Tuorehöyryn lämpötilan säätöön käytettyjä säätömenetelmiä on tarkasteltu ja eri tulistinratkaisuja käyttämällä saavutettavia tuorehöyrymääriä ja säätötarvetta on tutkittu simulointiohjelmaa hyväksi käyttäen. Tulistinratkaisun lisäksi työssä on tarkasteltu syöttöveden käyttöä ulkoiseen lämmitykseen sekä lämmönsiirrinpakettien tuentaa. Lisäpolton toteutusta sekä syöttövesiventtiilin sijoittamista ja syöttövesipumpun valintaa on myös tarkasteltu. Osana työtä on lisäksi tehty kehitettyä kattilaa varten mitoitusohjelma ja mitoitettu sitä käyttäen esimerkkilaitos.

Lämmöntalteenottokattilan dynaaminen simulointimalli

Työssä mallinnettiin kombivoimalaitoksen lämmöntalteenottokattila Apros-simulointiohjelmalla. Simulointimalli valmistettiin vastaamaan Helsingin Energian Vuosaari B:n voimalaitoksen lämmöntalteenottokattilaa, joka toimii kahdella painetasolla. Kattila on Foster Wheelerin valmistama. Ennen mallinnuksen aloittamista tutustuttiin laitoksen termodynamiikkaan, jolloin saatiin riittävä teoreettinen tieto koko laitoksen toiminnasta. Kattilan reunaehtoina ovat kaasuturbiiniprosessi ja laitoksen höyrykierto. Kaasuturbiini korvattiin laskentayhtälöillä, jotka antavat alkuarvot mm. savukaasun massavirralle ja lämpötilalle ennen kattilaa kaasuturbiinin tehon funktiona. Kattila liitetään höyrykiertoon tuorehöyry- ja syöttövesilinjasta, jolloin reunaehtoina annetaan lämpötilat ja paineet massavirroille. Valmistettua mallia testattiin ylösajo- ja kuormanmuutostilanteessa. Ylösajotilanteessa saatuja laskentatuloksia verrattiin todellisen laitoksen mittaustuloksiin, jolloin varmistuttiin simulointimallin oikeasta fysikaalisesta toiminnasta. Kuormanmuutostilanteissa kaasuturbiinin tehoa muutettiin ja samalla seurattiin kattilan reagointia muutostilanteessa. Kuormanmuutosmittauksessa varmistettiin vielä, että kattila reagoi kuormanmuutokseen oikealla tavalla, eikä muutos aiheuta kattilan toiminnalle haitallista värähtelyä.

Lisäpoltolla varustetun maakaasukombivoimalaitoksen optimointi.

Voimalaitoksen sisäisellä optimoinnilla pyritään parantamaan prosessia ja lisäämään voimalaitoskonseptin kilpailukykyä energiamarkkinoilla. Tässä työssä optimoitiin lisäpoltolla varustettua, sähköteholtaan noin 125 MW:n maakaasukompivoimalaitosta. Työ on osa Fortum Engineering Oy:n konseptikehitysohjelmaa. Kaasuturbiinin savukaasun sisältämää happea voidaan hyödyntää lämmöntal-teenottokattilan savukaasukanavaan sijoitetussa lisäpoltossa. Lisäpoltolla saadaan nostettua savukaasun lämpötilaa ja lisättyä tuotetun tuorehöyryn määrää. Työssä tutkittiin lisäpolton kannattavuutta ja sen vaikutusta voimalaitoksen mitoitukseen. Lisäpolton lämpötila valitaan teknisten rajoitusten perusteella, jolloin siitä aiheutuvat investointikustannukset eivät nouse merkittäviksi. Optimointimenetelmä pohjautuu Fortum Oyj:ssä kehitetyllä voimalaitossimulaattori Solvolla laskettujen lämpötaseiden ja asiantuntija-arvioihin perustuvien investointikustannuskaavojen käyttöön. Taloudelliset lähtöarvot on valittu Itä-Euroopan markkinatilanteen mukaisiksi. Kannattavuuslaskelmat perustuvat nykyarvomenetelmään, jossa investointikustannuksille ja sähkön ja kaukolämmön myynnistä saaduille tuotoille lasketaan nykyarvo. Teknisten rajoitusten puitteissa suurimman nykyarvon antava tapaus on aina kunkin tutkittavan prosessisuureen optimitapaus. Tutkittavia prosessisuureita voivat olla esimerkiksi tuorehöyryn tila-arvot. Eräs työn tavoitteista oli selvittää lämmöntalteenottokattilan painetasojen optimaalinen lukumäärä. Lisäpoltto todettiin lämmitysvoimalaitoksella kannattavaksi ratkaisuksi kun nyt optimoitua laitosta verrattiin ilman lisäpolttoa mitoitettuun vastaavanlaiseen laitokseen. Kannattavuuslaskelmille tehtiin herkkyystarkastelut, joiden avulla tutkittiin mitoitetun konseptin herkkyyttä taloudellisten lähtöarvojen muutoksille. Herkkyysanalyysin avulla optimoitua voimalaitoskonseptia voidaan hyödyntää suuremmalla taloudellisten lähtöarvojen vaihteluvälillä.

Sähköä ja lämpöä tuottavien maakaasukäyttöisten pienvoimalaitosten kannattavuus Turengissa

Diplomityössä tutkitaan sähkön ja lämmön yhteistuotannon kannattavuutta Turengin nykyisen lämmöntuotannon yhteydessä. Tavoitteena on löytää taloudellisesti kilpailukykyiset tuotantovaihtoehdot Turengin energiahuollon kehittämisessä. Ensimmäisenä tarkasteltarkastellaan voimalaitoksen nykyiseen tuotantolaitteistoon kuuluvan vastapainehöyryturbiinin käyttöönoton mahdollisuuksia. Tämän jälkeen suoritetaan kannattavuuslaskelmat neljälle vaihtoehtoiselle investointitapaukselle. Voimalaitosinvestoinnit kohdistuvat kaasumoottori- ja kaasuturbiinivoimalaitoksiin, joilla tuotetaan sähköä, kaukolämpöä ja eräissä tapauksissa myös prosessihöyryä. Voimalaitosten nettosähkötehot ovat neljästä yhdeksään megawattia. Voimalaitosyksiköiden energiantuotanto määritetään Turengin lämpökuormien perusteella. Tuotannon määrityksessä apuna käytetään WinTEHO –ohjelmistoa, johon luodaan tarvittavat energiatiedostot. Kannattavuuslaskelmat suoritetaan vertaamalla investointivaihtoehtojen aiheuttamia vuotuisia kassavirtoja nykyisen tuotannon mukaisiin kassavirtoihin. Kassavirtalaskelmasta saadaan kullekin vaihtoehdolle nettonykyarvo, sisäinen korko ja takaisinmaksuaika. Tarkastelun tuloksena saatiin, että voimalaitosvaihtoehdoista kannattavin on investointi yhteen kaasumoottoriin, jolla tuotetaan sähkön lisäksi vain kaukolämpöä. Alhaisilla sähkön hinnoilla kaasuturbiinivaihtoehdot ovat suunnilleen yhtä kannattavia. Investointien nykyarvo valitulla korkokannalla on positiivinen, kun sähkön markkinahinnan keskiarvo tuotantokaudella ylittää likimain tason 130 mk/MWh. Nykyisillä markkinahinnoilla investoinnit eivät ole kannattavia. Investoiminen uuteen kaasumoottoriin tai -turbiiniin osoittautui kannattavammaksi kuin sähkön tuotannon aloittaminen laitoksen nykyisellä höyryturbiinilla. Merkittävin syy tähän oli höyryturbiinituotannon korkeat henkilöstökustannukset. Tehty selvitys tukee vallitsevaa käsitystä, että nykytekniikalla sähkön ja lämmön yhteistuotanto on taloudellisesti kilpailukykyistä myös pienessä kokoluokassa.

Kaasuturbiinin polttoainesuuttimien virtausmittaus

Tässä diplomityössä suunniteltiin ja rakennettiin kaasuturbiinin kaasusuuttimien virtausmittauslaitteisto. Suuttimien epätasainen toiminta kasvattaa kaasuturbiinin poistolämpötilahajontaa. Virtausmittauksien perusteella voidaan määrittää suuttimien efektiivinen virtauspoikkipinta-ala. Suuttimien asennusjärjestys opti-moidaan suuttimien välisten pinta-alaerojen mukaisesti, jolloin polttoainevirtaus polttokammioihin on mahdollisimman tasainen ja poistolämpötilahajonta pienenee. Kaasuturbiinin MS6001 esittelyssä keskityttiin tärkeimpiin komponentteihin sekä polttoainesuuttimien testauksen kannalta oleellisiin osiin ja niiden toimintaan. Teoriaosuudessa tarkasteltiin tilavuusvirran sekä suutinvirtauksen laskennassa käytettäviä yhtälöitä. Mittalaitteiston suunnittelu ja toteutus olivat tämän työn laajin osa-alue. Laitteiston keskeiset osat ovat kuristuselin ja suutintestausosa. Kuristuselintyypiksi valittiin rengaskammiollinen kuristuslaippa, joka suun-niteltiin standardin SFS-EN ISO 5167:2003 mukaisesti. Standardissa annettujen yhtälöiden antamia tuloksia verrattiin numeerisella virtauslaskentamallilla lasket-tuihin tuloksiin. Suutinrunkojen ja -kärkien mittauksien suunnittelussa sovellettiin samaa standardia sekä numeerista virtauslaskentaa optimaalisen sijainnin löytämiseksi paineyhteelle. Mittauksissa syntyvien epävarmuuksien arviointiin kiinnitettiin erityistä huomiota. Kokeellisessa osuudessa mitattiin yhden kunnostetun suuttimen, käytetyn suut-timen ja suutinrungon virtausta. Tuloksien perusteella laskettiin efektiiviset pinta-alat, joita verrattiin turbiinivalmistajan ilmoittamiin pinta-aloihin. Lopuksi arvioitiin mittaustulosten perusteella laitteiston toimivuutta. Virhe-arvioinnin ja mittaustulosten perusteella laadittiin teknisiä parannusehdotuksia suutintestauslaitteiston luotettavan toiminnan varmistamiseksi.

Sähkön ja lämmön yhteistuotannon optimointi

Työn tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitoksen tuotannon optimointi. Optimoinnin kriteerinä on tuotannon kannattavuus. Pyrittiin luomaan optimointimalli, joka ottaa optimoinnissa huomioon erityisesti kaukolämmön kulutusennusteen muutokset sekä sähkön pörssihinnan vaihtelut. Tuotannon kannalta olennaisin kriteeri on kaukolämmön kulutusennusteen pohjalta arvioidun kaukolämpökuorman tyydyttäminen mahdollisimman tehokkaasti ja taloudellisesti. Sähkön tuotannon merkittävimmiksi kriteereiksi muodostuivat sähkön tuotannon ennustettavuus ja tuotannon maksimointi sähkön pörssihinnan asettamissa puitteissa. Optimointiohjelmaa ei ole tarkoitus kytkeä suoraan voimalaitoksen ajojärjestelmään, vaan siitä on tarkoitus tulla erillinen ajosuunnittelijan työkalu. Itse ajosuunnitteluun vaikuttaa usein monipuolisemmat suunnittelukriteerit kuin pelkästään tuotannon tuottavuus. Näiden eri kriteerien painotuksia ei ohjelmassa huomioida, vaan ne päättää ajosuunnittelija. Tuloksena saatiin aikaan optimointiohjelma, joka laskee valittujen tuotantovaihtoehtojen kokonaistuotot eri kaukolämmön kulutusennusteiden ja sähkön pörssihintaennusteiden pohjalta.