Forunders0gelse af minigasturbine

Nils Peter Astrupgaard & Mogens Weel Hansen OK-TEKNIK

Nordisk Gasteknisk Center Nordie Gas Technology Centre

dk035

Forunders0gelse

af

minigasturbine

Nils Peter Astrupgaard

Mogens Weel Hansen

OK-TEKNIK

Oktober 1989

Indholdsfortegnelse

Sammenfatning og konklusion

Conclusion and summary

1.0 Indledning

2.0 Markedsforhold

3.0 Systemudformning og termodynamisk analyse

4.0 Matchning af turbine og kompressor­

karakteristikker

5.0 Vurdering af virkningsgrad hos potentiel

turbolader leverand0r

6. O Bramdkammer

7.0 Generatorsystem

8.0 Forslag til systemudformning

9.0 Drift af anl~g

Side

3

4

6

6

12

20

25

25

26

27

30

10.0 Overslagspriser, 0konomi og konkurrence for 32

andre energikonverteringssystemer, specielt

motorer

11.0 Milj0forhold

12.0 Andre udforrnninger og anvendelser for

minigasturbine

13.0 Samarbejdspartnere

Bil ag

36

37

38

41

~

dk035

--

Sammenfatning og konklusion

I n~rvrerende forprojekt er mulighederne for at anvende serie­

producerede turboladere som gasturbiner i st0rrelsen ca. 50-500

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~nd­

kammer, powerturbine og en mellemk0ler. Med denne udforrnning ap­

nås 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 1.000.000 kr

eller 4.000 kr/kW, dvs. inden for rammerne af det 0konomiske mål

på 3.500-4.500 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. Markedspoten­

tialet for de her n~vnte applikationer vurderes alene i Norden

til at udg0re rnindst 250 MW svarende til 1000 enheder.

dk03S

-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. 50-500 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 kW6

and more.

A 250 kW6 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.

NGC

Technical descriptions :

Technical data:

(180)

Cogeneration options :

-s-

250 kW GASTURBINE MWH OK Teknik

3 s haft gasturbina with i ntercooler and on e can e com­buster. Air is campressed in the lowpressure radial­

campressar 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 ga­

ses is accelerated in the nozzels at the highpressure inward-flow radial uncooled turbine. The gases are ex­

panded 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 ex­

pand in the power turbine which is connected to the ge­

nerator.

Power output

Pressure ratio Firing temp.

Exhaust gasflow

Exhaust gastemp.

Heatrate Efficiency

NOx emissions (N-gas)

· . . . '

250kW

7: 1

700 -750 C

2.3kg/s

425C

22500 kJ/kWh 16 o/o

< 125 mg/MJ

__,_ ~

GENERATOR

EXHAUST

'',~· . -;:t Drying ~ Campact GT bumer for fire-. . .

-6-

1.0 lodledning

N~rv~rende rapport er udf0rt på foranledning af Nordisk Gastek­

nisk Center som en forunders0gelse til belysning af muligheden

af at konstruere en lavpris gasturbine på 150-350 kW.

Gasturbinen t~nkes opbygget af kompressor og turbineelementer fra

masseproducerede turboladere, som er meget billige, hvilket skul­

le 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 korn­

mercielle gasturbiner idag. Endvidere kortl~gges en rrekke system­

udformninger for en gasturbine, som er opbygget ved hjrelp af tur­

boladerkomponenter, 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 100-500 kW kan placeres fordelagtigt

som kraftvarmeanl~g i en lang rrekke industrier og bygninger som

eksempelvis banker, forsikringsselskaber, st0rre offentlige byg­

ninger og institutioner. En unders0gelse udf0rt af OK-TEKNIK vi­

ser, at det alene i industrien i Danmark er teknisk muligt at la­

ve 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 industrivirksom­

heder 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. 2.1. er den pro­

centvise fordeling af energiforbruget vist efter virksomhedsst0r­

relse i Danmark. Området 1,0 - 4,0 MW kan efter kurven beregnes

at udg0re ca. 25% af forbruget. Kun halvdelen af virksomhederne

<1~035

-7-

har en arbejdstid på 4000 tirner/år og varighedskurven for virk­

somhedens energiforsyning viser ofte store udsving i produktions­

tiden, 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 poten­

tiale på ca. 65 MW el, svarende til 260 enheder. På fjernvar­

mecentraler kan minigasturbinen anvendes som br~nderenhed,

hvilket betyder at man på en eksisterende kedel vil kunne produ­

cere 250 kW el for hver 4-5000 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. 300-400 enheder. I Sverige og Finland vil potentialet

v~re noget tilsvarende dvs. i alt 900-1200 enheder.

t "

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

o 10000

T J/År__,..

Figur 2.1 %-vis energiforbrug som funktion af virksomhedsst0rrelse.

dk035

-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 vand­

kraft, en meget lav elpris, hvilket formodentlig betyder, at det

vil v~re tvivlsomt, om der kan v~re ekonomi i at ops~tte et gas­

turbinebaseret kraftvarmev~rk i Norge. Sverige unders0ger kon­

sulentfirrnaet 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 for­

ventes produceret for. I fig. 2.2 er pris-intervallet for gastur­

bineanl~ med generator og styringsudrustning optegnet som funk­

tion af generatoreffekten (x'erne angiver prisen for konkrete

anla!g).

1000 kr/kw

6,0

S,O

4,0 Forvpnh•t pris filr minignsturbinp

x

x 2,0

x

1,0

o~~:~--~-+--4---~--+-~~--+---> 0,1 0,2 0,5 1,0 2 5 10 20 50 MWe

Figur 2.2 -Pris for et komplet gasturbineanl~ som funktion af

generatoreffekt

dk035

-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.

6000-7000 kr/kW.

Den af OK-TEKNIK forslåede rninigasturbine forventes at koste ca.

4000 kr/kW, hvilket svarer til den specifikke pris for en kom­

merciel gasturbine på ca. l MW. Virkningsgraden for gasturbiner

under l MW el ligger almindeligvis fra 14-20%. Der findes spe­

cialapplikationer 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. 2.2.

De sidste 7 gasturbiner er såkaldte APU'er (Auxilary Power Units),

som ofte sidder på st0rre flymaskiner. Det er desv~rre ikke lyk­

kedes at fremskaffe komplette data for disse.

-lO-

~ Figur 2.2 - 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 5100 10.2 957 481 124 26840 12340 29.2 2 G.E. 6541B l 5100 11.8 1104 539 138 38950 11360 31.7 3 G.E. 7111EA l 3600 12.4 1104 531 293 83330 11022 32.7 4 G.E. 7191F l 3600 13.5 1260 594 403 141100 10463 34.4 5 G.E. LM500 2 7000 14.5 1127 513 16 3860 12172 29.6 6 LM/TG-1600 3 7000 22.0 1210 476 44 11830 10653 33.8 7 LM/TG2500PE 2 3600 18.4 1241 524 67 21985 9946 36.2 8 TG2500 ST40 2 3600 18.0 1160 503 68 26800 8923 40.3 g LM/TG5000PB 3 3600 25.0 1185 449 121 33500 9946 36.2

lO TG5000 ST80 3 3600 28.0 1149 413 137 46800 8617 41.8 11 TG5000 8120 3 3600 29.0 1177 407 140 51600 8332 43.2 12 LM/TG5000PC 3 3600 28.8 1224 446 120 33760 9862 36.5 13 UTC FT4C-3F 3 3600 13.8 1085 453 134 29810 11560 31.1 14 Sol Saturn l 22120 6.7 888 499 6 1080 15594 23.1 15 Sol Centaur l 14950 9.3 1010 516 17 3880 12973 27.7 16 Sol Mars 2 8568 15.7 1057 465 38 8840 11576 31.1 17 Jupitr/GT35 3 3600 12.0 824 362 91 16360 11233 32.0 18 Als 501KB5 l 14200 9.3 1035 532 16 3735 12657 28.4 19 Als 501KH S l 13820 11.5 1010 524 15 5150 9809 36.7 20 Als 570KA 2 11500 12. o 1177 563 19 4620 12868 28.0 21 Als 571KA 2 11500 12.7 1143 535 20 5600 11286 31.9 22 CW 251 BlO l 5420 14.0 1099 510 159 41400 11418 31.5 23 W 501 D5 l 3600 14.2 1127 519 362 106800 10653 33.8 24 ABB Type B l 6300 16.3 1171 523 177 46900 11423 31.5 2 5 ABB Typ 11N l 3600 12.4 1093 515 311 81600 11286 31.9 26 KWU VB4.2 l 3600 10.6 1121 538 349 103200 10864 33.1 27 Sulzer TylO 2 7700 13.6 1129 517 77 21840 10927 32.9 28 RRSpeySK15 3 5220 18.5 988 396 57 11630 11106 32.4 29 Avon/Cooper 2 5500 9.0 893 440 77 14600 12657 28.4 30 RB211/Coopr 3 4800 20.0 1163 466 89 25250 10126 35.6 31 Drsr DC990 2 7200 12.5 1049 481 20 4200 12762 28.2 32 Rstn TB5000 2 7950 6.8 899 492 21 3675 14608 24.6 33 Rstn Torndo l 11085 12. o 999 464 27 5950 12066 29.8 34 Mtsb MF111A l 9660 12.8 1135 544 48 12850 11760 30.6 35 Mtsb MF111B l 9660 14.6 1135 527 56 14850 11549 31.2 36 NvPgn PGTlO 2 7900 14.0 1068 463 40 9980 11075 32.5 37 Mtsui SB60 2 5680 12.4 1099 527 59 15190 11892 30.3 38 G.E. 9161E l 3000 12.2 1104 528 407 119150 10758 33.5 39 G.E. 9281F l 3000 13.5 1260 594 581 202300 10468 34.4 40 MW 701D(5) l 3000 13.8 1118 517 449 133750 10510 34.3 41 ABBType13D2 l 3000 12.5 1054 488 400 100500 11259 32.0 42 ABB Type13E l 3000 14.3 1154 524 498 145800 10758 33.5 43 KWU V94.2 l 3000 10.7 1121 543 499 150200 10779 33.4 44 UTC FT8 3 3600 19.0 1160 452 84 25420 9440 38.1 45 MW501F l 3600 14.2 1260 574 417 142000 10442 34.5 46 KWU V64.3 l 5400 15.0 1204 557 171 54000 10706 33.6 47 CW 251 Bl2 l 5400 14.8 1121 507 167 45000 11075 32.5 48 Rustn Typhn l 16570 12.8 1054 499 17 3900 12256 29.4

49 PWC ST63-77 2 6.9 874 525 3,7 559 17261 50 PWC ST6l-81 2 8.5 946 546 4,65 794 16131 51 PWC ST61-76 2 7.7 874 525 5,5 1026 16927 52 PWC SPW124-l 2 14.3 532 7,9 1790 12810 53 GARRETT GTP36 l 6000 4.0 899 649 1,06 143 54 GARRETT GTP85 l 6000 3.5 927 663 2,18 246

' 55 GARRETT GTP431 l 8000 8.8 939 538 2,72 215

-11-

2.1 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

11000-15000 kr/kW el, hvorved det ikke var s~rlig interessant.

I Japan fremstilles nogle mindre gasturbine-generators~t hos fir­

maet 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.· 30-40%, idet man påregner at kunne arbejde

med turbine indl0bstemperaturer på ca. 1200°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 100-1000 kW.

Hos Solar er man p.t. igang med at unders0ge markedspotentialet.

Garret Air Research unders0ger udover den automobile gasturbine­

enhed 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. 150 -300 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 konkurrencedyg­

tig 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. 900.000 kr. Disse APU'er er produceret i

et meget stort årligt stk. antal.

dkC35

-12-

3.0 Systemudformning og termodynamisk analyse

Gasturbineanl~gets systemudformning er afg0rende for den opnåe­

lige 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

GASTURBINE MED t.IEltEMKiilLER OG REI<UPERAlOR

t 04

c

0.3

0.2

1--

3

'-'

---

1---~· 1

- ' ' '

5 10 Try!< efter sidste kompressor

5

GA.SIURBINE I.IEO MELLEI.IKiilUR REKUPERATOR OG I.IELLEMO\IERHED~

JOO t

4 _s

f-'

12 200

4

1

..... 3 100

Figur 3.1 - 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 rnassestr0m­

men til f0rste kompressor, kompressorernes polytrope virknings­

grad = 0,87, turbinernes polytrope virkningsgrad - 0,85.

dk035

-13-

De komponenter, som indgår i minigasturbinen, har ringere virk­

ningsgrad, og den maksimale temperatur i turbineindl0bet (TIT) er

v~sentlig mindre end der er forudsat ved konstruktionen af fig.

3.1. 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 - 700°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 gas­

generatoren 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 fuldt variabel, dvs. geometrien

ikke er fastlagt.

Vores antagelse vedr0rende lejetabenes st0rrelser er blevet dr0f­

tet 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

-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 olie­

smurte 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. 3.2- 3.6 er vist tilstandsst0rrelserne gennem minigastur­

biner 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

2 3 4

l==\(/)

5 6

P( bar) l. 003 2,8 2, 702 1,468 1,454 1,030

T(K)

Q kW/kg L

Figur 3.2 -

288 411,1 923 792 ,s 792' 5 737,9

Simpel gasturbineproces. 't t = O, 80 Virkningsgrad på aksel 10,5 % Specifik effekt 62,2 kW/Kg luft

bramasels-effekt

575

u ~ 13

fl lq ~ ~

1o

l (U1

l

P(ba l. 00

T(K) 288

Q (kW/ kg L

2

2' 80

GASTURBINE MED MELLEMK0LER REKUPERATOR OG MELLEMOVERHEDER

3 4 5 6 7 8 9

2,78 7,78 7 '5, 3,59 3,450 1,880 l' 86 1

411', 343 489' 923 798' 923 818, 818,9

49 2 146 '5

Figur 3.3- Gasturbineproces med mellemk0ler og mellemover­hedning TIT= 650°C Virkningsgrad på aksel 16,6 % Specifik effekt 106 kW/kg luft

bramdsels-lO effekt

1,030

725,9

. 638,5

l >"

"' l

l

P! bar) 1,00

TIK l 288

Q kW/ kg L

- - -------

Figur 3.4 -

u l

7 g lq ~ lO

l (<n

GASTURBINE MED MELLEMK0LER REKUPERATOR OG MELLEMOVERHEDER

2 3 4 5 6 7

2,80 2,78 7, 78 7,51 3,746 3,615

411, 343 489, 973 850 973

548,' 147

------------------- ---------- -

Gasturbineproces med mellemk0ler og hedning. TIT= 700'C I: ~t= 0,80 Virkningsgrad på aksel 18,9% Specifik effekt 131,4 kW/kg luft

8 9

2,03 2,0201

870, 870,5

mellemover-

lO

1,03

bramdsels-effekt

695' 7

l >-'

"' l

u 2.

~ lq ~ ~

GASTURBINE MED MELLEMK0LER REKUPERATOR OG MELLEMOVERHEDE~

l 2 3 4 5 6 7

P(bar) 1,00 2,80 2,78 7. 78 7,51 3,90 3, 771

T(K) 288 411, J 343 489. l 973 850 973

Q 548, 147 kW/ kg L

Figur 3.5 - TIT= 700°C II: ?t= 0,85 Virkningsgrad på aksel 21,39 % Specifik effekt 148,8 kW/kg luft

8 9

2,20 2,1791

872, 872,5

-- ---

"' l (Vl

bramdsels-lO effekt

1,03

739,

695.7

l f-" __, l

~

l 2

u ll.

'1.~3 ~~

GASTURBINE MED MELLEMK0LER REKUPERA TOR OG MELLEMOVERHEDNING

3 4 5 6 7 8 9

P< bar> l' 003 2,8 2 l 18 7' 78 7,58 7, 28 3,631 3,52 1,982

t(K) 288

Q (kW/kg L)

Figur 3.6 -

411,1 343 489,6 713 973 850 973

304' 3 147

Gasturbineproces med mellemk0ler, og rekuperator. rt_ t= 0,80 Virkningsgrad på aksel 25,7 % Specifik effekt 116 kW/kg luft

me l lemoverhedning

870

lO 11

1,963 1,08

870,0 770,4

12

1,03

552,8

' '""" 00

'

bramdsels-effekt

451,3 kW

• il

t

l 2

p(bar) 1,003 2,8

T(K) 288 411, l

Q

(kW/kg L)

gur 3.

/O r-

9 tf ,-------,

l pj f PT f--l(\_)

IC 2lrLJ!.

3 4 5 6 7 B

2,78 7,78 7,51 3,908 3,869 2,03

343 489,6 973 850 850

548,7 '

asturbine proces m aksle

TIT = 700'C , qt = 85 % Virkningsgrad på aksel 20,0 % Specifik effekt 110 KW/kg luft.

737 7

og melle:

9

2,01

737 7

QHing

10

1,030 ~ 635 7 ---------

(E

l .... "' l

<lk005

-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 an­

vende en temmelig avanceret systemudformning.

Elvirkningsgradsm~ssigt er der ingen fordel ved at have to br~nd­

kamre {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 exergipo­

tentiale 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 mu­

ligvis 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 spe­

cifikke 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 VO'; ...!).s= Ahs 3/4

hvor 03 = udl0bsvolumenstr0mmen

N = orodrejningstallet

A h 5 = det isentrope enthalpifald

dk035

=~ ~ 0·9 'ö . 15

"" -•

Ed! _,.-kinetic

ene ro y

~ - 0·6 l--h,d-;;::!:;:-t-t-+T-1 . -]" 0·51--t;;;~~=+-++-+i E ä

Figur 4.1 - 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 Ah5 • <C= V 2 • ll.h5 ).

t 90

BO t .........-.. -<;1<o1diol A

~

o 70 <{

"' '-' 60 Ul '-' z z 50

"' "' 5 40

30

~-.

~ .!.& / .. ·

/l i/ If/ v

L.: ... .. ·..:.:.

.

~ ~: ·;;;- ' o'~

A B c D

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

HASTIGHEDSFORHOLD U/C --""-

Figur 4.2 - Isentropvirkningsgrad A,B,C og D repr~senteres forskellige profilformer for aksialturbiner

dk035

-22-

Det ses, at radialturbinen har en mere stejl karakteristik, hvor­

for 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.

.vo; Q= CJ . AJ . U= 'TT • N . N '

N s = 3/4 = 0,6 - 0,7;

D=V4.;;-Ad A hos Ahos= t c02

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

d k 035

-23-

I fig. 4.3 er vist et karakteristikdiagram for en radialturbine

. -L • • o

"' w K. kg/s

o 03 06 0.9 " ', Relol1ve. reduced speed .,;·

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 radial­

turbine ..

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.

4-4-

d~035

l 'l ~'

'

2, o

1, 5 /;. /

< " "'

-24-

l l f-.,

l fl IL

XI/ ~l/ m

'LZ Ii, !,!;

~ .,.

' 'l/ 'l

l '" fL 'j; 11' '/. ~ il; '" ;q '"

~ ... y~.,. 0,8 1.2 . 16

VtotV '

Figur 4.4 - Karakteristikdiagram for kompressor

Vt0 t= Volumenstr0m indl0b

Det ses af fig. 4.4, at det skulle v~re muligt at opnå en kom­

pressorvirkningsgrad på 80-82%. For kompressoren finder man lige­

som 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 for­

hold vil afklare det endelige valg af komponentudformning og om­

drejningstal.

d~035

-25-

5.0 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. 80-81%. 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 la­

vere ekspansionsvirkningsgrad kan muligvis forklares ved at tur­

boladerens turbinedel er udformet uden ledeskavle i dyseringen.

Demeget h0je virkningsgrader, som er beskrevet i afsnit 4 refe­

rerer 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 kom­

pressaren. Kompressionsvirkningsgraden er fortsat i overensstem­

melse 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 skal sikre, at der opnås

en h0j forbr~ndingsvirkningsgrad og en passende opblanding mellem

forbrmndingsprodukter og luft i et forhold, så den tilladelige

turbineindl0bstemperatur ikke overskrides. NOx dannelsen i br~nd­

kammeret kan reduceres, hvis man blander en del af luften med

brmndslet, f0r dette injiceres i brmndkammeret. Unders0gelser vi­

ser 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.Ud­

vikling 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.

dk035

-26-

Figur 6.1 - Br~ndkammer til gasturbine

Ved hj~lp af gasturbine/combined cycle simuleringsprogrammet

GTPRO kan man simulerer trykforholdene over br~ndkammeret på

f.eks. en Avon gasturbine. Med de tryk og temperaturer, der

t~nkes 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 - 700°C anses det for muligt at

anvende samme br~ndkammer til mellemoverheder, men dette skal

unders0ges nrermere.

7.0 Generator

Generatoren er en hurtigl0bende type, som er udviklet på Lappe­

enranta 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.

d~035

-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 power­

turbinen 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 h0jhastighedsgeneratortek­

nikken i deres turbocompound-systern, der udnytter restexergien i

afgasserne fra en stor dieselmotor, efter disse har passeret tur­

boladeren.

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

(lavtryksdelen)

(h0jtryksdelen)

(h0jtryksdelenl

(la vtryksde len )

generator med oroformer

udstedskedel

skorsten

dk035

-28-

Systemets komponenter har fået nummer i den r~kkef0lge, som

forbr~ndingsluften m0der dem.

Kompressor C!, der roterer med n1= 45000 o/m, suger fra den omgi­

vende luft og h~ver trykket fra atmosf~retryk til 2,8 bar. Efter

mellemk0leren er temperaturen faldet 70°C til ca. 70°C, mens trykket

kun er faldet marginalt.

Herefter komprimeres luften i kompressor C2, der roterer med n2= 54000 o/m, til ca. 2l0°C og 7,8 bar. I br~ndkammer l h~ves tem­

peraturen til ca. 700°C, hvorefter gasserne ekspanderer i turbine

T2 til ca. 580°C og 3,7 bar samt et iltindhold på ca. 17%.

I br~ndkammer 2 (hvis dette koncept anvendes) h~ves temperaturen

atter til ca. 700°C og gasserne ekspanderer efterf0lgende i tur­

bine Tl·

Tilstanden f0r powerturbinen PT, der roterer med n3= 30000 o/m,

er ca. 600°C og 2,0 bar. Efter ekspansion er udst0dsgasserne ved

atmosf~retrykket og temperaturen ca. 480°C. Herefter f0res

gasserne gennem en udst0dskedel ti1 skorstenen.

Med de anvendte komponentst0rrelser genereres 250 kW el med en

virkningsgrad på ca. 17-20% ud fra br~ndslets nedre brffindvrerdi.

Gasforbruget er ca. 135 Nm3/h.

~Luft

N

startluft

N

_.......,....., {8}1Brc:endkammer 2 -.--

~!Bramd­kammer

t NG

t NG

Udst"dnings­kedel .,.---

.. '- startluft =:IF= -E--

F rek ven som form er

N, = G~

T

N1 = 45.000 amdr./min

N2= 54.000 amdr./min

N3= 30.000 amdr./min

El effekt = 250 kW

~ l i!' l El-net

Figur 8.1

l

" "' l

dkD

9.0 Drift af anl~gget

START:

-30-

Anlffigget startes ved at reversere powerturbinen, så den virker

som en kompressor. Den herved frembragte trykluft ledes til

br~ndkammer l og derfra til turbine T2, der herefter begynder at

rotere. Når n2 er st0rre end 20% af max. n2, aktiveres t~nding

samt gastilf0rsel til br~ndkammer l, hvorefter der accelereres op

til ca. 45%, hvor startluften og t~nding frakobles og turbinen

k0rer i tomgang.

Samtidig med at n2 accelererer vil n1 også accelerere. Her g~lder

de samme forhold som for n2: 20% medf0rer t~nding og gastilf0rsel

til br~ndkamer 2, 45% medferer frakabling af t~nding.

Det må overvejes om brrendkammer 2 f0rst skal aktiveres ved h0jere last, idet vi kan se mulige reguleringsproblemer. Denne

problematik t~nkes vurderet ved projektets eventuelle fors~t­

telse.

Når gasgeneratoren <nr og n2> efterf0lgende acceleres op til fuld

netindkoblingshastighed, lukkes by-pass til skorsten langsomt, og

powerturbinen accelerer. Jf. i0vrigt fig. 8.1, der viser et blek­

diagram med et typisk start- og driftsovervågningsforl0b.

DRIFT: Under drift skal anl~get overvåges, så man kan få en indikation

af anlaqgets ydelse samt kritiske driftstilstande.

Kritiske driftstilstande er:

Omdrejningshastigheder for de 3 aksler

sm0reolietryk

sm0reolietemperatur

Turbinetemperatur

Lejevibrationer

Br~ndselstryk

10ndling

nej

Sluk for / jo Olietryk n0dpumpe > ?

.._

S<et 0nsket 1/ stop / ·a poweroutp. l' fejlstartsur ' N2>45%

""-Manuel/ n e ' Afbryd

L 7

starter ' Ingen

Sluk handling ' - ta:nding f '

start ~ '--- timetceller

~ ' 1/ l'

Accelleration ' ·a ' t il / sensorer indsots OK

Check ~

T ryk ' start

' start je Seet nedpumpe

0d/ opstart pumpetryk a minimum -procedurer --; starter / pump e

/ > ? driftstid

""- Manuel / nej

Ingen handling

Åben for 1/ ·a J Turbine 1/ Aktiver k:-bnendstof- l' N2>20%

' accelleration l' starter r tilf0rsel

nej

Motor 1/ k:-Ingen handling

adv.lys fra Tilslut

acceleration l' tamding l'

start 1/ ,-------------------------- fe j! startsur f' l l l ,......; Nedluknings-

sekvens

F orl0bet jo : .................................... ........................ tid > mis- l: l)i<kel star Aktiver Luk for Seet n0dlampe

---'; Sluk setpunkt n0dstop / bra:ndstof rj minimum / n0dlampe

driftstid

; ""' Manuel /$ ......................................... n e

....:; Afbryd starter

og teending / hvis de er

: Adverselslys aktive tamdes

/j' L:; Aktiver 0doliepump /

............................................. Normal Nedlukningssekvens ved fejl

motordrift Figur 9 .l.

l w >-' l

d~035

-32-

Herudover er der mange andre tryk og temperaturer m.m., der b0r

overvåges. Specielt kan n~vnes startt~ller samt driftstimet~ller,

idet disse er n0gletal i forbindelse med den torebyggende vedlige­

holdelse.

Reguleringsforholdene er rimeligt komplicerede og individuelle

forhold g0r sig g~ldende for forskellige gasturbiner. Vi har der­

for bedt en af de st0rre udbydere af styrings og regulerings­

udstyr til gasturbiner om at komme med et forslag til den simplest

mulige udrustning. Desv~rre har vi endnu ikke modtaget noget

svar.

10.0 Overslagspriser og 0konomi

Forel0bige overslagspriser ved en serie på ca. 100 stk. 250 kW el

system giver f0lgende hovedpriser

Turbolader l 65.000,- kr

Tur bolader 2 35.000,- kr

Power-turbine, oroformer samt generator 210.000,- kr

l brcendkanuner 120.000,- kr

Gassystem 100.000,- kr

Kontroludrustning 160.000,- kr

Diverse 150.000 -kr

Ia1t 790.000,-=============

Hertil kanuner en afgaskedel samt fortjeneste af salgsomkostninger på ca. 30%. Ialt sk0nnes prisen altså til 1.027.000 kr svarende

til 4.100 kr/kW. Priserne er frernkommet ud fra tilbud på turbola­der komponenter, brcendkammer samt generatorsystemer og gasramper.

Hvor tilbudene ikke har vceret ti1strcekkelig dcekkende eller har

vceret mangelfulde, har vi efter bedste overbevisning anslået en

pris.

dk035

-33-

Minigasturbiner contra motorer.

Man kan muligvis undre sig over hvorfor der er så stor interesse

i at udvikle små gasturbinegenratorenheder, når dette område i

forvejen er drekket af fuldt kommercielle gasmotorgeneratorenheder

med relativ god elvirkningsgrad. I nednestående oversigt er for­

dele og ulemper fors0gt frernf0rt for henholdsvis motorer og mini­

gasturbiner:

Motorer

Fordele

- Fuldt kommercielle

- Anvender kommercielle komponenter

og nerorne at servicere

- Lav pris ca. 6500 kr/kW

- Arbejder med lave orodrejningstal

dvs. ingen gearkasse

- Relativ flad virkningsgradskurve

H0j elvirkningsgrad

- Levetid på 20000 h ved 1500 RPM

U lemper

- St0j, lavfrekvent st0j og

vibrationer

- Afgastemperatur rn.rn. er lav

- Hyppige service eftersyn

svarende min 10 0re/kWh

- Relativ kort levetid

Minigasturbiner Fordele

Nresten ingen st0j, h0j

frekvens , nul vibration

- Få bev~gelige dele

- Lavt ernissionsniveau

Mindre vedligeholdelses­

udgifter - H0j afgasternperatur,

bedre udnyttelse

L~ngere levetid

- Gode muligheder for 0g­

ning af elvirkningsgrad

ved bottomning cycle

U lemper

Ny teknologi

Arbejder bedst i design

punktet

- Komponenter arbejder med h0j hastighed

- Virkningssgraden er lave­

vere hvis ikke bottomning

cycle implementeres.

d k 035

-34-

0konomi. Motor contra miniqasturbine.

I det felgende er 0konomien for henholdsvis en motor og mini-

gasturbinen behandlet. Afskrivningstiden eller levetiden er for

begge anl~g antaget til 15 år, selvom dette nok er i overkanten

af hvad man kan forvente af en motor med 5000 driftitmer pr. år.

De 0vrige foruds~tninger kan ses af nedenstående oversigt.

0konomi for industrielle kraftvarmev~rker.

Anlagstype GT

Anlagsstl!lrrelse MW el o, 25

Rådighedstal 0,98

cm-vardi o, 6

Total virk 0.8

Anlags levetid, ., 15

Bramdsel N-gas

Anlagspris mio. ., 1,25

Effekttils. mil. kr/MW o

varmegrundlag/y TJ 8

Elforbrug/y mio. ... o Drifttid/y timer so o o Varighedskurveindeks l

Anlmqsudnyttelae 0,57

Br~ndaelspris kr/MWh 80

Vedligeholdelse kr/MWh TH 28

LcDnomkostninger kr/MWh Tll o

Rente på real 0,07

K~bspris kr/MWh

Effektafg. mio. kr/MW

Elsalg kr /MWh

Prisudv.brandsel på o Prisudv. el på o Prisudv. l~n på o

Re f. kedelanlag

Bnmdsel, fuelolie

Virkningsgrad 0,95

Br~ndselspris kr/MWh 80

Orift+vedludg. kr/MWh o

Investering i evt. nyt dampanlag

mio. kr.

Gasmotor

O, 25

0,98

0,538-0?56

0,65-0,80

1,25

o

5,95-8,)6

o 5000

l

0,57

80

28

o

0,07

o o o

0,95

80

o

d~035

I fig. 10.1 er nuv~rdien optegnet for henholdavis motoranl~g -og

minigasturbine som funktion af naturgasprisen og totalvirknings­

graden. (Motoren vil have en lav totalvirkningsgrad hvis den skal

bruges i forbindelse med dampproduktion).

NUVJERDI1000 KRONER

1500

1000

500

o -500

-1000

-1500

~ -MINIGASTURBINE

GASMOTOR

NATURGAS PRIS

KW h

TOTAL=0,65

Figur 10.1 Nuv~rdi som funktion af gaspris og totalvirkningsgrad.

Det bem~rkes, at gasturbinen er motoren overlegen i det betragtede

område, hvilket for samme totalvirkningsgrad kan forklares ved

den for minigasturbinen lavere vurderede vedligeholdelsesudgift.

Hvis minigasturbinen t~nkes anvendt i varmere lande, hvor aircon­

ditlon er udbredt vil den v~re s~rdeles velegnet i forbindelse

med absorbtionsk0leanl~. Dette skyldes igen, at en st0rre del af

varmen forefindes ved en h0j temperatur.

dk035

-36-

11.0 Mi1j0forho1d.

Gasturbinens emission af milj0skadelige stoffer er f0rst og trem­

mest NOx og kulbrinter, idet der anvendes naturgas som br~ndsel.

Emissionen af NOx forventes at kunne ligge mellem 100 - 200 mg/MJ

indfyret effekt, som er under den gr~nsev~rdi Milj0ministeriet

foreskriver. Der anvendes vand eller vanddampinjektion eller pre­

mixed forbr~nding for at s~nke forbr~ndingstemperaturen. Kulbrio­

teemissionen forventes at udg0re en ~ngde svarende til en for­

br~ndingsvirkningsgrad på mindst 99%. Sammenlignes emissionsv~r­

dierne for minigasturbinen med gasmotorer vil emissionsniveauet

v~re lavere for gasturbinen selvom der sammenlignes motorer med

mager forbr~nding. De mindre motorer kan også anvende en 3-vejs­

katalysator, som er velkendt fra automobiler. Hvis en sådan an­

vendes vil emissionen af NOx v~re ca. 50 mg/MJ. Der må dog päreg­

nes ekstra driftsudgifter (ca. 5 0re/kWh for motor med katalysa­

tor) p.g.a., at katalysatoren skal udskiftes med j~vne mellemrurn.

dk035

-37-

12.0 Andre udformninger og anvendelser for minigasturbine Gasgeneratordelen (nl og n2> kan blive forholdsvis dyr at regu­

lere, da der indgår 2 brrendkamre, der skal styres individuelt

under iagttagelse af deres f~lles afh~ngighed.

For at simplificere kontroludrustningen samt neds~tte anl~gs­

omkostningerne kan det overvejes at udelade br~ndkammer 2, så

r0ggassen ikke genopvarrnes. n1 vil således kunne l0be med frit

omdrejningstal, hvilket er ganske normalt for fler-akslede gas­

generatorer. Udover kontroludrustning spares et ekstra br~nd­

kammer m.m.

Mindre gasturbiner har pga. deres h0je udst0dningstemperatur som

regel kun deres berettigelse i forbindelse med industrianl~g med

behov for procesdamp.

Ved anvendelse i forbindelse med varmtvandsproduktion vil motorer

grundet deres h0jere virkningsgrad ofte v~re at foretr~ke.

Anvendelsen af en simpel gasturbine baseret på en enkelt orobygget

turbolader, jf. dette projekt, kan derimod t~nkes at ~re et

udm~rket alternativ til en gasbl~sebr~nder. En sådan enhed vil

have en akselvirkningsgrad på ca. 11%.

Med de i dette forprojekt foreslåede turboladere kan laves br~n­

dere for kedler st0rre end 5 MW varme, men ved anvendelse af

mindre turboladere kan det t~nkes, at br~ndere kan laves i st0r­

relse fra 2 MW kedeleffekt.

Anvendelsen som gasbr~nder er ikke unders0gt n~rmere, men kan vi­

se sig at v~re en meget interessant 10sning, idet den specifikke

anlregspris kan blive meget lav, svarende til ca. 3000 kr/kWe·

Minigasturbinen kan også kobles med en dampturbine eller dampmo­

tor og således danne et kombianl~g. I bilag 3 er vist en bereg­

ning, hvor minigasturbinen er kombineret med en dampturbine.

Elvirkningsgraden vil derved kunne 0ges med ca. 17%

-38-

13.0 Samarbejdspartnere Vi har indtil nu haft kontakt med det tekniske universitet i

Lappsenranta samt High Speed Technology, Finland. Udtalelser fra

disse meget kvalificerade mulige samarbejdspartnere fremgår af

bilag 4.

Turboladeren fremstilles bl.a. af ABB, som formodentlig ikke

beh0ver n~rmere pr~sentation. Der er afholdt m0der med turbine­

specialister fra ABB i Baden, hvor mere detaljerade oplysninger

om turboladernes egenskaber samt Powerturbiner er blevet dr0ftet.

United Turbines i Malm0 har også v~ret kontaktet {se medereferat

bilag 4). United Turbines har de kundskaber, der er nedvendige

for at kornmercialisere minigasturbinen samt orofattende teknisk

viden om hejtemperaturteknik herunder keramiske materialer og

superlegeringer.

Forslag til forts~ttelse af projektet ved fase 2.

I forstudiet er mulighederne for at fremstille en minigasturbine

belyst ud fra en scanning over tekniske, 0konorniske og markeds-

m~ssige

prim~rt

forhold. Der er stadig en lang r~kke uafklarede forhold,

af teknisk- og 0konomisk karakter,

belyse n~rmere inden man beslutter sig for

som er n0dvendige at

evt. at bygge en pro-

totype. Vi fareslår derfor, at projektet udvides med en fase 2,

som indholder f0lgende:

- Detaljeret studie af kompressor turbine matchning for at be­

kr~fte en mulig ekspansionsvirkningsgrad på ca. 80-85%. Dette

anses for vigtigt, idet 5% virkningsgrads reduktion medf0rer

ca. 20% mindre effekt for de samme komponenter, hvilket er ens­

betydende med en h0jere specifikpris.

- Br~ndkammerudformning, indkapsling og br~ndselssystem må under­

S0ges, således at forbr~ndingsvirkningsgrad og emissionen af

milj0belastende stoffer kan opg0res.

Kontroisystemet og generatorenheden belyses n~rmere.

Der udf0res tegninger (skitser) af gasturbinegeneratorenhedens

hovedkornponenter samt som f~rdig sarnlet unit.

- Der udf0res en detaljeret tilbudsindhentning på komponenter og

systerner, således at der foreligger et veldokumenteret underlag

for en n0jagtigt produktionsomkastnings beregning.

0konorni for projektets fase 2.

Det forventes, at den foreslåede fase 2 kan udf0res for et samlet

bel0b på ca. kr. 650.000.

Tidsplan.

Projektet kan starte i jaunar 1990 og afsluttes i oktober 1990.

-40-

Projektets organisation.

Projektet gennemf0res med OK-TEKNIK som hovedansvarlige. Der vil

i et vist ornfang blive benyttet konsulenter fra AUC og det Tek­

niske universitet i Lappenranta.

-41-

Bilag

Bilag l. CP og gamma som funktion af temperaturen

Bilag 2. Rekupurator

Bilag 3. Minigasturbine med afgaskedel for dampproduktion

Bilag 4. Kommunikation med Finland

M0dereferat Finland

M0dereferat ABB

M0dereferat united Turbines

d~035

SPEC. VÄRME FÖR FÖRBRÄNNINGSGASER VID OLIKA LUFT- OCH BRÄNSLETAL (z).

BILAG l

@f. V~'-,·····.'·-- .1 .. F•;tT .. _ .. : ~~·L' • ~~'~· .. _··. 7 -. '

... ··•~~-:~:\--_.-., .. ··:-'·>-··-••···~ ,

'"'f+-H-t:c'C-\'-:' ---·· Il, ! l · !-- ' - l · · · · · \ · ·· • ; · '':,,·U•l'i• -., \ -' ' i : .

: l·· ' ' •- 1--' :\:l;\ . ; m! •••• · .... •••. ~ • •• •; •• o . ' ~\"- . . ~l . ,.,_.. . +'! .,...... :\ ., : ; ·. : ! l

~ :• ; , ~~~ ' : _ \!' \ -' : .. I ' -.~ •

R·-+=·· Il . ' . .. !_· . . . .... .. . ' ' 1!:•· ·-·l·' . . . l --~

•••.. l -•. ; \~ l l ·•. . ! . \.

E· • ··--·.•·· ---- i .• _\--'-\,......:"-'' _ -'-----1-- ___ _ i : .. ·. . . ----- ' i\\\ . --__ ---__ - -~-+"~-.·----r- .. _-_, i \V\\ ... --"'', ' i .. . • . ' \ _.J.l..A \,,\-:l, ---...;· _ _:__·+--i-' -" .•.•.••. ··········. 1-'·-· \ :

i . -•.• -~-· :-----! --+ i . .• . i\''' --- ... . ••• •• ! tlttf.- ! . • ... , ~ . ·.:·· · ... -:

• · :i: · • ... . . ',:_.· -·····-l -i\ ,_·_ ~,r

~~: .. -- ··l · 1 ·:_ · - ·- ·•-·! T'\'+!.;.: ·+··o·-·

.

d k 035

BILAG 2

d k 035

REKUPERATORELEMENT

COMPRESSEO AIR CHANNEL CORRUGATED

GAS CENTERS

EXHAUST GAS CHANNEL

PLATE

EXHAUST AIR

COMPRESSEO AIR

BILAG 3.

"- ~ .. ~ ...... " o • ·mo ... ~ ... (\)

'

~III m

•

'

' '

• ru rn

• ru o

' ' ru

l

' l------1.-g ~

J

•

' ~ '

'

•

>TPR0#8 OK-TEKNIK 01-24-1989 06:28:08

~INIGAS IC 3 SHAFT ~OGENS WEEL HANSEN

SYSTEM HUMMARY

l X MINIGAS IC 38 2.7 kg/s exh. @ 363 C. Gas to HRSG= 2.7 kg/s@ 363 C rype 6. Dual pressurs cc, extraction/induction/condensing turbins.

Jas Turbina (s) Steam Turbine(s) ?lant Total

Power Output kW LHV Heat Rate @ gen.term. net @ gen.term.

250 96

346

250 95

345

19500 37214 14077

lnergy input = 1354 kWth, LHV

kJ/kWh Elect. Eff. LHV % n et @ gen. term. n et

19500 37798 14138

18.46 9.67

25.57

18.46 9.52

25.46

?recess heat output= 535 kWth = 60.8 % of total output ?URPA eff. = 45.2 % , CHP eff.= 65 %.

lstimated costs (k$):-

3as Turbins/Generator, 1 unit = k$ 180 >RSG, l unit = k$ 167 Steam Turbins/Generator, l unit = k$ 55.1 3um of above cmpnts.= 403 k$ 1167 $/net kW.

GTPR0#8 OK-TEKNIK 01-24-1989 06:28:09 MINIGAS IC 3 SHAFT MOGENS WEEL HANSEN

ESTIMATED G.T. SITE PERFORMANCE

Fuel=CH4 G.T. @ 100 % rating, XIGV= O Site ambient conditions: 1.01 bar, 15 c, 60 % RH Inlet loss= 10 millibar, exhaust loss= 35 millibar Evap. inlet cooler to O % RH.

# Model PR TIT TET Mair c c kg/s

kWe H.R.LHV Mex N2+Ar kJ/kWh kg/s %

02 %

C02 %

H20 %

49 MINIGAS IC 0.0 o 363 3 250 19500 3 76.83 16.80 1.81 4.51

Fuel flow = .027 kg/s G.T. auxillary power = O kWe.

ESTIMATED G.T. CYCLE

STREAM TEMP. PRESS. MASSFLOW M.W. MOLE COMPOSITION % c bar kg/s N2+Ar 02 C02 H20

------------------------------------------------------------------------------· Alnbient air in 15 1.01 2.67 28.75 Compr. inlet 15 1.00 2.67 28.75 Turbina coolant mise. 0.85 Turbina exhaust 363 1.05 2.70 28.52

Compressor= O Turbine= O Mech. loss= 2.8 kW GT specific power @ gen term= 93.5 kW per kg/s

78.22 20.74 78.22 20.74

76.83 16.80

GT efficiency @ gen term= 16.64 % HHV = 18.46 % LHV

Energy in:

Inlet air Sensible

40

Energy out:

GAS TURBINE/GENERATOR HEAT BALANCE

Inlet air Latent

41

W ater Inj.

o

s team Inj ..

o

F u el HHV

1503

0.03 0.03

1.81

TOTAL IN

1585

1.0: l. o:

4. 5!

Incompl comb GT Mech. Gearbox Generator Exhaust Exhaust Electric TOTAJ & careass rad Losses Loss Loss Sensible Latent Output OUT

7 2 22 6 1038 190 250 151<

Quantities in kW Zero enthalpy: dry gases & liquid water @ 32 F (273.15 K) Heat Balance Error = In - Out = 70 kW = 4.43 %

•TPR0#8 OK-TEKNIK 01-24-1989 06:33:04 ~INIGAS IC 3 SHAFT ~OGENS WEEL HANSEN rype: 4 Subtype: 2

p T h bar c kJ/kg

Steam cycle p .. l

m UA Q A kg/s kW/K kW sq .. m

-------------------------------------------------------------------------------::nd rtrn 0.80 91.37 382.40 0.00 Pre rtrn 0.49 60.00 250.91 0.26 _'1akeup 0.49 15.00 62.93 0.00 FW sup l 0.49 60.12 251.41 0.26 LTE 0.26 o 22 5 from LTE 0.47 80.00 334.65 0.26 frm FWHB 0.47 80.00 2643.23 0.00 FWHB 0.00 o o o lltd. FW 0.47 80.00 334.65 0.26

-------------------------------------------------------------------------------'IPFW 4.03 80.02 335.11 0.26 'IPEl 0.26 l 35 11

6 3.88 111.31 467.93 0.00 'IPE2 0.26 o 6 2

7 3.80 116.73 490.92 0.00 iiPE3 0.26 l 22 12

8 3.73 136.22 573.66 0.00 Blwdn 3.73 141.22 594.89 0.00 HPB 0.26 7 564 98

9 3.73 141.22 2735.26 o.oo HPSl 0.26 o o o

lO 3.73 141.22 2735.26 0.00 i!PS2 0.26 o 24 2

11 3.59 183.33 2825.52 0.00 -------------------------------------------------------------------------------In to HPT 3.45 180.00 2819.16 0.26 HPT exit 1.49 116.73 2700.46 0.26

LPFW 1.55 80.01 334.79 0.00 LPE 0.00 o o o

l 1.49 106.31 446.55 0.00 Blwdn 1.49 111.31 467.70 0.00 LPB 0.00 o o o

2 1.49 111.31 2693.13 0.00

-------------------------------------------------------------------------------Inta LPT 1.49 116.73 2700.46 0.26 LPT bld. 0.83 94.65 2636.32 0.26 LPT proc 0.80 94.65 2629.34 0.26 LPT exit 0.80 93.59 2631.14 0.00

01-24-1989 06:33:04 Steam cycle p.2

STEAM TUREINE

No. of steps Exit Quality Efficiency(%)

To HPT exit To LPT bleed To LPT exit

2 2 2

Gross output= 47.7 kW Mech/Elect lesses= 1.91 kW

1.003 0.986 0.985

Mise. S.T. Auxillaries= .321 kWe Cooling water pumps= .001 kWe Feedpumps = .133 kWe

LPT exit saturation Condenser hot we l l Cooling water in Cooling water out

p bar

0.80 0.80 0.80

T c

93.59 93.59 91.37 15.00 21.67

Cooling water velocity= 2.74 m/s

76.60

67.94

CONDENSER

h kJ/kg

2631.14

382.40

m kg/s

0.00

0.00 0.08 0.08

Work (kW)

31

16.7

Number of passas= l UA= .03 kW/K Tubes: dia.= .025 m length= 1.16 m Cooling water pressure drop= .125 bar

Surface area= .007 sq.m number= .071

STEAM CYCLE HEAT BALANCE Energy in:

GT Exhaust GT Exhaust Duct Burner Makeup+Proc Sensible Latent Fuel HHV Condensate

1038 190 o 65

Energy out:

Pump Work

o

TOTAL IN

1293

Heat Blow Mech/Elec Stack Radiated down Losses Sens.

Stack Condnsr Process GTinj Electric TOTAI Latent c.w. Steam Steam Output OUT

lO o 2 359 190 2 684 o 46 1293

Quantities in kW Zero enthalpy: dry gases & liquid water @ 32 F (273.15 K) Heat Balance Error = In - Out = -O kW = -0.00 %

01-24-1989 06:33:04 Steam cycle p.3

HRSG GAS-SIDE PROFILE

:;as Tg c TwC HP/LP

DT C Qg/UA DELTA P UA Q g kW

V g m/s

Tube Lngth HP/LP C millibar kW/K Rows m

l

2

362.7

354.7

183.3

141.2

179.4

213.4

213.4

195.9 0.7 0.1 23.8 28.6 0.6

354.7

157.9

141.2

141.2 77.2 27.6 7.4 569.7 24.0 29.0

16.7

3 157.9 136.2 21.7 27.1 2.6 0.8 21.8 19.3

150.2 116.7 33.5

4 150.2 116.7 33.5 35.1 0.6 0.2 6.1 19.1

148.1 111.3 36.8

6 148.1 111.3 36.8 45.6 2.4 0.8 35.0 18.8

135.7 80.0 55.7

B 135.7 80.0 55.7 61.6 1.1 0.4 21.9 18.3

128.0 60.1 67.8

)uct burner fuel= O kg/s las mole composition:- 76.8 %N2+Ar 16.8 %02 1.81 %C02 4.56 %H20 ~lue gas dew point = 31 C

IRSG TOTALS

Q kW JA kW/K

A sq.m

Economisers

84 2

30

Evaparators Superheaters

564 7

98

24 o 2

TOTAL

672 lO

131

)rime surface= 8.26 fin surface= 122 sq.m . Averagad fin eff.= .644 IRSG frontal area= .292 sq.m . Gas mass flux= 15.7 kg/sq.m-s

3.4

0.7

3.3

1.5

IRSG length = 5.87 m, 38.5 tube rows, 1.92 m of tubes per row. !ased on .051 m dia. tubes with serratad fins, staggsred arrangement. ~in thickness/dia.= .03 , height/dia.= .4 , pitch/dia.= .1 ~ube transvarse pitch/dia.= 3 , row longitudinal pitch/dia.= 3

0.1

4.4

0.5

0.1

0.5

0.2

GTPR0#8 OK-TEKNIK 01-24-1989 06:33:02

MINIGAs IC 3 SHAFT MOGENS WEEL HANSEN

l X MINIGAS IC 3S 2.7 Type 4. Single pressure

SYSTEM SUMMARY

kg/s exh. @ 363 C. Gas to HRSG= 2.7 CC, extraction/condensing turbine.

kg/s @ 363 c

Elect. Eff. LHV ' Power Output kW @ gen.term. net

LHV Heat Rate @ gen.term.

kJ/kWh n et @ gen. term. ne·

Gas Turbine(s) Steam Turbine(s) Plant Total

250 46

296

Energy input = 1354 kWth, LHV

250 45

295

19500 78239 16480

19500 79024 16506

Process heat output= 618 kWth = 67.7 %of total output PURPA e f f. = 44.6 % , CHP eff .= 67.5 %.

Estimated costs (k$):-

Gas Turbins/Generator, l unit = k$ 180 HRSG, l unit = k$ 104 Steam Turbine/Generator, l unit = k$ 26.4 sum of above cmpnts.= 311 k$ 1052 $/net kW.

18.46 4.60

21.84

18.46 4.56

21.81

01-24-1989 06:28:20 Steam cycle p.3

HRSG GAS-SIDE PROFILE -------------------------------------------------------------------------------;as Tg C TwC

HP/LP DT C Qg/UA DELTA P UA Qg

kW V g m/s

Tube Lngth HP/LP C millibar kW/K Rows m

l

2

3 3

4 4

5

6 6

B

362.7

348.9

348.9

254.7

254.7 254.7

232.7 232.7

232.7 232.7

230.6 230.6

230.6

170.1

170.1 170.1

145.0 145.0

145.0

138.1

328.3

238.0

238.0

238.0

233.0 238.0

160.9 160.9

160.9 160.9

153.4 153.4

153.4

153.4

153.4 148.4

80.2 80.0

80.0

60.3

34.4

110.9

110.9

16.7

21.7 16.7

71.8 71.8

71.8 71.8

77.1 77.1

77.1

16.7

16.7 21.7

64.7 64.9

65.0

77.8

)uct burner fuel= O kg/s

65.3 2.3 0.6 40.7 23.3

49.7 14.5 5.5 275.5 21.3

40.9 4.0 1.6 63.5 19.2

74.4 0.2 O. l 6.1 18.7

39.5 9.4 4.4 173.1 17.6

36.7 4.0 1.9 71.3 16.0

71.2 0.5 0.3 19.3 15.4

;as mole composition:- 76.8 %N2+Ar 16.8 %02 1.81 %C02 4.56 %H20 ~lue gas dew point = 31 C

IRSG TOTALS

Q kW JA kW/K

A sq.m

Economisers

144 3

54

Evaparators Superheaters

444 lO

144

55 l

19

TOTAL

643 14

217

2.7

19.2

6.0

0.3

15.7

7.4

1.0

.>rime surface= 13.7 fin surface= 203 sq.m . Averagad fin eff.= .658 IRSG frontal area = .357 sq.m . Gas mass flux= 12.9 kg/sq.m-s IRSG length = 7.98 m, 52.4 tube rows, 2.34 m of tubes per row. lased on .051 m dia. tubes with serratad fins, staggsred arrangement. ~in thickness/dia.= .03 , height/dia.= .4 , pitch/dia.= .1 ~ube transvarse pitch/dia.= 3 , row longitudinal pitch/dia.= 3

0.4

2.9

0.9

0.0

2.4

1.1

0.2

01-24-1989 06:28:20 Steam cycle p.2

STEAM TUREINE

No. of steps Exit Quality Efficiency(%) Work (kW) --------------------------------------------------------------------To HPT exit To LPT bleed To LPT exit

5 4 5

Gross output= 100 kW Mech/Elect lesses= 4.01 kW

1.002 0.963 0.961

Mise. S.T. Auxillaries= .674 kWe Cooling water pumps= .003 kWe Feedpumps = .81 kWe

LPT exit Saturation Condenser hot well Cooling water in Cooling water out

p

bar

0.85 0.85 0.85

T c

95.23 95.23 93.01 15.00 21.67

Cooling water velocity= 2.74 m/s

80.35

76.66

CONDENSER

h kJ/kg

2580.59

389.32

m kg/s

0.00

0.00 0.19 0.19

47.6

52.7

Number of passas= 1 UA= .069 kW/K Tubes: dia.= .025 m length= 1.14 m

Surface area= .015 sq.m number= • 169

Cooling water pressurs drop= .123 bar

STEAM CYCLE HEAT BALANCE Energy in:

GT Exhaust GT Exhaust Duct Burner Makeup+Proc Sensible Latent Fuel HHV Condensate

1038 190 o 58

Energy out:

Pump Work

l

TOTAL IN

1286

Heat Blow Mech/Elec Stack Radiated down Losses Sens.

Stack Condnsr Process GTinj Electric TOTAl Latent c.w. Steam Steam Output OUT

------------------------------------------------------------------------------~ 9 o 4 388 190 5 593 o 96 1286

-------------------------------------------------------------------------------Quantities in kW Zero enthalpy: drygases & liquid water @ 32 F {273.15 K) Heat Balance Error = In - Out = -o kW = -0.00 %

lTPR0#8 OK-TEKNIK 01-24-1989 06:28:20 1INIGAS IC 3 SHAFT IOGENS WEEL HANSEN ~ype: 6 subtype: 2 Induction

~nd rtrn ?re rtrn 1akeup 'W supl ,TE :rom LTE :rm FWHB 'WHB ltd. FW

p

bar

0.85 0.49 0.49 0.49

0.47 0.47

0.47

T c

93.01 60.00 15.00 60.35

80.00 80.00

80.00

h kJ/kg

389.32 250.91

62.93 252.36

334.65 2643.23

334.65

m kg/s

0.00 0.23 0.00 0.23 0.23 0.23 0.00 0.00 0.23

UA kW/K

o

o

Steam cycle p.l

Q kW

19

o

A sq.m

4

o

-------------------------------------------------------------------------------IPFW IPEl

6 IPE2

7 IPE3

8 llwdn lP B

9 IPSl

lO IPS2

11

35.10

33.75

33.10

32.45 32.45

32.45

32.45

31.20

80.22 339.09

153.41 650.09

160.89 683.55

233.00 1006.02 238.00 1028.38

238.00 2803.59

238.00 2803.59

328.33 3069.34

0.15 0.15 0.00 0.15 0.00 0.15 0.00 0.00 0.15 0.00 0.15 o.oo 0.15 0.00

l 47 21

o 5 l

l 49 18

6 273 79

o o o

l 40 11

·------------------------------------------------------------------------------:n to HPT 30. 00 IPT exit 4.81

325.00 3064.16 152.95 2750.49

0.15 0.15

-------------------------------------------------------------------------------~PFW

:.PE l

nwdn JPB

2 ~PSl

3 JPS2

4

:nto LPT ,PT bld. .PT proc .PT exit

5.41

5.20 5.20

5.20

5.20

5.00

4.81 0.88 0.85 0.85

80.03 335.29

148.41 625.76 153.41 647.33

153.41 2750.35

160.89 2762.39

238.00 2934.62

180.50 96.31 96.31 95.23

2811.97 2585.14 2578.16 2580.59

0.08 0.08 0.00 0.00 0.08 0.00 0.08 0.00 0.08 o.oo

0.23 0.23 0.23 0.00

l

4

o

o

23 9

171 65

l o

14 7

-------------------------------------------------------------------------------

LAPPEC:NRANTA UNIVERSITV OF TECHNOI..OOY

BILAG 4 November 29, 1989

Mr. M. Weel-Hansen DK-Teknik

Gladsaxe M~llevej 15

DK-2860 S(6borg Denmark

Concerning development of a Minigasturbin

Thank you for your intereat in our high speed systems.

And thank you for the danish ca-generation report.

I include a statement of your projaet and a general

description of oy High Speed Tech LtQ. I auppose, that

Mr. Kunttu will send the price

already during this week.

Best reg-ards

estimation to you

Postal addrefl~~ Box 20, SF -53851 Lappeenranta Finland Telephone: + 358 53 5711 T el o x 58290 L TKK SF

FROM LTKK LPR 11.30.1988 12:20 '· 2

LAPPEENRANTA UN!VE:RSITY OF TE:CHNOLOGY

OK-Teknik

silborg

Denmark

Att. Mr. M. Weel-Hansen

November 29. 1988

Concerning development of a minigasturbin

On the basis of the received material we concider your

concept of a low-cost small gasturbina quite realistic.

We have a couple of years ago made rather similar

design of a small gas turbine, but by using customer

made gas generator. In this conneotian it was also made

a detailed design of a 250 KW high speed gGnerator.

Your idea to use standard turbocharger components is

obviously very good in saving costs.

Lappsenranta University research group has in ca-oper­

ation with Iielsinki University researchers and with

same privat enterprices made several prototypes (total­

ly 9) of high speed motors anä generators in the speed

ra.nge 27000-120 000 rpm. The research group is also

specialized. in the

turbines. For to be

design of radial

able to act more

campreseors and

commercially, it

is founded 1988 by the above mentioned partnere a

privat company by name Oy High Speed Tech Ltd. It is

acting in cc-operation with Oy Strömberg Ab, which is a

part of ADD-concern.

Postal address: Box 20t sr--53651 Lappeenranta Finland Telephone: • 358 53 5711 Tolex S8290 L TKK Sf'

p. :::

Oy High Speed. Tech Ltcl will give you a price estimat

o~ a 250 kW high speecl generator manuhotured ir serie of 100 piecea. The company. according to manag director Pekka Kunttu, is also ready to make a proi

type of this generator for your gas turbine.

Sincerelly,

~l~; Associate professor of fluid mechanics

dk03S

Referat af m0de i Finland

Baggrund:

1988-12-16

MWH/MC

Som et led i forstudiet vedr0rende udviklingen af en minigastur­

bine baseret på standardkomponenter indgår der en vurdering af

samarbejdspartnere i Norden. På det finske universitet i Lap­

penranta har man igennem en årr~kke arbejdet med udvikling og

kommercialisering af af h0jhastighedsteknologi til anvendelse

inden for pumper, kompressorer og ekspansionsmaskiner. For at

fremme kommercialisering, har man startet et firma ved navn High

Speed Technoliogy. Netop i forbindelse med minigasturbinen er

denne teknik uhyre interessant.

Mo>det:

På m0det deltog to reprresentanter fra Lappeenranta Universitet

og en person fra det nystartede firma High Speed Technology.

OK-TEKNIK pr~senterede projekt-ideen samt nogle muligheder for

et samarbejde mellem Finland og Danmark ved en videref0relse af

dette projekt.

På et tidspunkt havde universitet fors0gt sig med et lignende

projekt, dog med den forskel at gasgeneratorenheden var designet

fra bunden af. Projektet viste sig dog at blive for kostbart.

Ideen med at anvende turboladekomponenter og Avontypebr~ndkammer

til gasgenerator, fandt Finnerne god, idet de dermed også mente

at prisen ville kunne reduceres betydeligt. Med henblik på for­

studiet aftaltes at Finnerne skulle unders0ge hvor meget kostpri­

sen ville v~re for en power-generatorunit på 250 kW baseret på

en produktionsvolume å 100 stk./år.

Power-turbinegeneratorenheden kunne formodentlig bygges med

oliesmurte lejer. Finnerne har is~r arbejdet med gaslejer og

magnetlejer, hvilket is~r er fordelagtigt ved rneget h0jere

orodrejning stal.

d~03S

-2-

High Speed teknologlen fik vi efter vist i praksis, idet vi fik

en demonstration af en 40.000 RPM kompressor, ca. 50 kW med

magnetb~rende lejer samt en lille powerturbineenhed. Vibra­

tionsniveau varmeget lavt, hvilket blev bekrreftet af, at man

kunne stille en en-mark på h0jkant uden at den faldt ned.

Mogens Weel Hansen

dk035

1988-12-16

MWH/MC

Referat af m0de vedr0rende minigasturbine med

Mogens Andersen, ABB Danmark

Hans Ruedi Ammann, ABB Baden/Schweiz

Formålet med m0det var at afklare turbine-kompressor matchnings­

problematikken inden for rammerne af standardiseret turbolader­

komponenter.

Matchningen skal fors0ges tilpasset de tilstandsst0rrelser som

tilfredsstiller gasturbinesystemet med mellemk0ler og mellem­

overhedning. Lavtrykskompressor og lavtryksturbine som sidder på

f~lles aksel er off-design af forholdene i en normalturbolader.

Det er muligt at skifte til et andet turbinehjul fra en st0rre

eller mindre turbolader, således at man kan nå en mere optimal

udlregning.

Med henblik på h0jtrykskompressor og h0jtryksturbine har disse

tilstande som svarer til en turbolader.

Temperaturen indtil h0jtrykskompressoren er muligvis lidt for h0j

til et aluminiums kompressorhjul. På grund af det ret h0je tryk

efter h0jtrykskompressor skal der formodentlig tilf0res ekstern

sp~rveluft.

Olietrykket til lejerne skal v~re ca. 3-4 bar. Med henblik på

levetiden udtrykte man, at pga. det rene br~ndsel (CH4) ville den

v~re minimum 40.000h.

Powerturbinen kan i pricippet leveres fra ABB, idet man har

udviklet en sådan i forbindelse med Compoundsystemet. Kostprisen

for en sådan så dog ud til at v~re noget h0jere end h0jhastig­

hedsgeneratorsystemet.

dk035

-2-

ABB lovede at regne på systemerne, men kan ikke love resultater

f0r efter nytår. Mit indtryk var dog, at det ikke syntes helt

urealistisk at nå virkningsgrad på i n~rheden af 0,80-0,85 for

henholdsvis kompressor og turbinedele med passende difuser­

systemer.

Mogens Weel Hansen

d k 035

Bes0q hos United Turbines i Malm0

Deltagere: Lars Malmrap UT

Per Nielsen NGC

Michael Fors NGC

Mogens Weel Hansen OK-TEKNIK

1989-06-27

MWH/IS

Formålet med beseget hos United Turbines var dels at pr~sentere

konceptet med en rninigasturbine 100-300 kW fremstillet udfra mas­

seproducerede turboladere og at tage rede på de kundskaber, som

findes hos UT inden for gasturbineområdet.

Lars Malmrup fortalte, at UT er et firma i Volvo flygruppen, som

igennem 15 år har arbejdet på udviklingen af en gasturbine til

fremdrift af biler. Igennem denne periode er fremstillet 4 expe­

rimentmotorer baseret på keramiske materialer, således at turbi­

nerotorindl0bstemperaturer på 1200°C er mulig. Medarbejderstaben

er på 40 mand, hvoraf hovedparten udg0res af ingeni0rer. UT "bil­

gasturbine" er en rekupureret gasturbine med radialkompressor og

aksialturbine, hvor sidstn~vnte er fremstillet i helkeramik ved

hj~lp af en ASEA-proces. Virkningsgraden for gasturbinen er ca.

30%.

UT udf0rer en r~kke fors0g på delelementer til gasturbinen, som

bl.a. lavemissionsbr~ndkammer. Forel0bige resultater viser NOx

niveauer på 50 mg/MJ med diesel, som er farfardampet og blandet

med luft, inden det injiceres i brrendkammeret for at kunne opnå

en mager forbrrending. Br~ndkamrene fors0ges afpr0vet med variabel

geometri, således at lave NOx v~rdier også kan afstedkommes un­

der reduceret last. Emissionen af kulbrinter og kulmonoxid blev ikke n~vnt.

dk005

• -2-

Vedr0rende status for udviklingsarbejdet omkring gasturbiner med

keramiske hovedelementer n~vnte Lars Malmrup, at'fremstillings­

teknologien stadig er for dårlig, idet eksempelvis 80-90% af korn­

ponenterne må kasseres. Holdbarheden eller slagfaststyrken og

erosionsegenskaberne for fuldt keramiske aksialrotorer er heller

ikke tilfredsstillende. Mindre radialturboladerturbiner fremstil­

les i dag i Japan i kommersielskala. Japanerne anses også for at

v~re kommet l~ngst med fremstillingsteknologien.

Projektet, sponsoreret af GRI og DoE som udf0res af GARRATT, USA,

blev også n~vnt. Lars Malmrup fortalte, at Garratt var kommet

frem med utrolig h0je priser, hvilket måske kunne forklares ved,

at firmaets normale virke er inden for air and space research

applikationer. Videref0rslen af projektet er forel0big fra GRI's

side overdraget til STEWART and Stevenson, som er et firma som

"parker 11 gasturbiner.

Minigasturbineideen blev kort fremlagt af Mogens Weel Hansen, som

allerede på et tidligere tidspunkt havde fremsendt koncept og

varmebalance til Lars Malmrup. Lars Malmrup mente, at det rent

praktisk formodentlig ville vrere fuldt realiserbart, hvorefter

det aftaltes, at Lars Malmrup gennemgik rapporten og skrev kom­

mentarer til NGC. Markedspotentialet for en foreslået minigas­

turbineapplikation blev diskuteret med f0lgende konklusion:

Potentiale er is~r ved kombination med t0rringsprocesser, damp­

produktion og som "br~ndermodul" til fjernvarmekedler. Der b0r

dog foretages nogen mere vidtgående markedsunders0gelser, som

bedre kan indikere potentialet, f0r at VT evt. vil kunne beslutte

sig til at yde en stor indsats i en videref0relse af projektet.

Omkring det videre forl0b af projektet skitserede Per Nielsen

f0lgende plan:

l. Kontakt til GRI omkring f~lles projekt - oktober måned.

2. Opbygning af Demoanl~g f.eks. hos UT, som råder over meget fine fors0gsmuligheder.

dk035

-3-

Sluttelig viste Lars Malmrup os en del af fors0gscentret, som

bl.a. indeholdt opstilling med keramisk gasturbine, br~nder­

testning, afpr0vningsrig for str0mningsmaskiner. Til alle test­

anl~g var orofattende dataopsamlingsudstyr tilknyttet.

Mogens Weel Hansen