Hur kan vi förbättra driftseffektiviteten i IGCC-växter?

I IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle)-kraftverk är produktionen av elektrisk kraft kopplad till syngasflödet som genereras av gasifieraren. Denna process involverar en komplex samverkan mellan flera system, där var och en är beroende av de andra för att uppnå önskad effekt. GTCC (Gas Turbine Combined Cycle)-kraftverk använder syngas som bränsle för att driva gasturbiner som genererar elektricitet. För att säkerställa att produktionen av syngas och dess förbrukning är i balans med det önskade effektuttaget måste flödena av syngas, syre (O2) och kväve (N2) noggrant kontrolleras.

I en typisk IGCC-anläggning fungerar gasifieraren som den primära källan för syngas, där det omvandlas från fasta bränslen. Kontrollsystemet är utformat så att GTCC:s huvudkontroller genererar signaler som styr flödena av syngas och andra ämnen som behövs för att upprätthålla den önskade effekten. Gasifieraren och tillhörande system som luftseparationsenheten (ASU) är integrerade för att säkerställa att syngasproduktionen hålls på en nivå som matchar efterfrågan på elektricitet. Men vid drift under eller över designpunkten kan dessa interaktioner bli mycket komplexa och potentiellt problematiska.

Vid drift under normala förhållanden fungerar systemen i nära samverkan, vilket säkerställer att syngasflödet och kvävebehovet förbränns på ett effektivt sätt. Om flödet av kväve som används som förbränningsdiluent är otillräckligt, exempelvis vid högre last än vad systemet är designat för, måste kontrollsystemet automatiskt justera för att säkerställa att syngasproduktionen och kväveproduktionen förblir i balans. Detta kan dock leda till att effekten sänks för att undvika störningar i gasifierarens och gasturbineras drift.

I vissa fall, för att ytterligare optimera förbränningen, kan det vara möjligt att ersätta kväve med ånga som en co-diluent eller backup. Denna lösning kommer dock med sina egna utmaningar, inklusive förlust i termisk effektivitet eftersom ångan tas från ångturbinen och systemets komplexitet ökar med behovet av ytterligare rörledningar och kontrollsystem. Erfarenheter från drift av existerande IGCC-växter har visat att det är avgörande att minimera systemkomplexitet för att uppnå hållbar och tillförlitlig drift.

Vid drift utanför designpunkten, exempelvis vid minskade laster under lastnedgång eller vid nedstängning, blir interaktionen mellan systemen ännu mer komplex. Här kan det uppstå risker för störningar i gasifierarens funktioner, vilket kan leda till flaring av överskottsyngas och förlust av syngaskvalitet. Vid dessa tillfällen måste systemet kontrolleras noggrant för att undvika upprördhet och för att upprätthålla den korrekta syngasproduktionen och förbränningstemperaturen.

En annan stor utmaning för IGCC-växter är att försöka anpassa dem till samma driftscykler som används för konventionella naturgaseldade gasturbiner. Gasifierarna är inte utformade för att hantera snabb laständring eller kalla starter på samma sätt som naturgaseldade system. Detta innebär att särskild uppmärksamhet måste ägnas åt gasifierarens uppvärmning och nedkylning, samt de åtgärder som krävs för att snabbt återställa systemet till önskad effekt.

Vid start, särskilt kallstart, kan det ta lång tid innan gasifieraren är redo att leverera syngas. För vissa typer av gasifierare kan detta ta upp till 24 timmar, och även med förbättrade teknologier som refaktorväggar kan det ta flera timmar att komma upp i drift. För att optimera driftstiden och minska risken för driftstörningar vid nedstängningar och lastcykler har det föreslagits att lagra flytande syre och kväve för att minska beroendet av luftseparationsenheter och påskynda återstarten av systemen. Detta tillvägagångssätt kommer dock att innebära ytterligare kostnader och ökad systemkomplexitet.

För att upprätthålla hög tillförlitlighet och driftsäkerhet i IGCC-växter är det viktigt att överväga designalternativ som minimerar den komplexa integrationen av system. Reduktion av systemkomplexitet är ofta mer fördelaktigt än att försöka maximera effektiviteten till den yttersta decimalen. Det har visat sig att försök att pressa ut varje liten effektivitetspotential från ett system som är för komplicerat, ofta leder till driftproblem och ökad underhållskostnad.

Driften av IGCC-systemen ställer således stora krav på både teknisk design och driftspersonalens förståelse av systemens komplexitet och de potentiella riskerna vid avvikelser från designläget. För att uppnå optimal drift och långsiktig hållbarhet måste dessa faktorer beaktas från början, och beslut om systemets design måste balansera behovet av hög effektivitet med de praktiska begränsningarna som finns vid drift under varierande förhållanden.

Hur kan vi uppnå maximal effektivitet i kampen mot klimatförändringar genom rationalisering och beprövad teknologi?

I kampen mot klimatförändringar är det av största vikt att vi inte förlitar oss på mirakelmedel eller överoptimistiska lösningar. Den bästa vägen framåt innebär en noggrant planerad strategi, baserad på beprövade och robusta teknologier som kan implementeras snabbt och i stor skala. För att uppnå maximal effektivitet krävs en integrerad metod, där varje delsystem inte bara fungerar bra individuellt utan också optimerar och förstärker de andra. Den största utmaningen är att hitta sätt att kombinera dessa teknologier på ett sätt som gör det möjligt att producera energi med minimala koldioxidutsläpp, till ett överkomligt pris, och som kan implementeras globalt i stor skala.

För att uppnå detta är det viktigt att fokusera på beprövade teknologier som kan tillämpas omedelbart. De mest lovande lösningarna för en koldioxidneutral framtid innefattar:

• Kärnenergi för baslastproduktion: Kärnenergi har fördelen att den kan generera konstant, stabil energi, dygnet runt, utan beroende av väderförhållanden.

• Förnybara energikällor för baslastproduktion: Sol och vindkraft är oumbärliga, men de måste stödjas av energilagringslösningar för att kunna leverera kontinuerlig effekt när solen inte skiner och vinden inte blåser.

• Storskalig energilagring: Lagringsteknologier som vätgasproduktion genom elektrolys, pumpkraftverk och komprimerad luftenergilagring (CAES) är viktiga för att säkerställa att energi kan lagras och användas när den behövs.

• Förbränning av kol och syntetiskt naturgas (SNG): Teknologier som kolgasifiering och produktion av väte kan spela en nyckelroll i att säkerställa pålitlig och flexibel energiproduktion, särskilt om de kombineras med koldioxidinfångning och lagring (CCUS).

För att skapa ett effektivt system som kombinerar dessa olika teknologier krävs ett starkt och samordnat globalt engagemang. Det handlar inte bara om att skapa teknologier, utan även om att utveckla politiska ramverk och regleringar som tillåter snabb implementering. Det saknas idag en koordinerad strategi för att effektivt kombinera dessa lösningar och skapa en global plan som möjliggör en massiv omställning på kort tid.

Det som ofta saknas i dagens diskussion om klimatteknologi är en tydlig och realistisk plan för finansiering och implementation. Under andra världskriget samordnades gigantiska resurser för att bygga upp den industriella kapaciteten som krigsmaskineriet behövde. På liknande sätt måste världen mobilisera enorma investeringar för att bygga ut de teknologier som behövs för att möta klimatmålen. Det handlar inte om att hitta den enda perfekta teknologin, utan om att skapa ett system där många olika lösningar arbetar tillsammans för att lösa problemet effektivt.

För att detta ska bli verklighet krävs en verklig global ansträngning, där alla länder spelar en roll. Detta kan endast uppnås genom en stark politisk vilja att investera i framtidens energilösningar och att skapa lagar och policyer som gör det möjligt för industrin att snabbt skala upp dessa teknologier. Vi har inte råd att vänta på nästa mirakelmedel eller hoppas på en plötslig teknologisk genombrott. Vi måste satsa på beprövade lösningar och sätta i gång med implementeringen av dem idag.

Det är också viktigt att förstå att teknologin, oavsett hur avancerad den är, inte kan lösa klimatkrisen på egen hand om inte åtgärder tas på andra områden också. Det handlar om en samlad och långsiktig strategi där politik, ekonomi och teknik samverkar för att skapa de nödvändiga förutsättningarna för en hållbar framtid. Det är en stor utmaning, men om vi mobiliserar tillräcklig vilja och resurser, kan vi skapa ett system som är både hållbart och effektivt för att bekämpa klimatförändringarna på global nivå.

Hur man optimerar Rankine-cykeln och förstår de termodynamiska begränsningarna

I en ideell Brayton-cykel får vi direkt information om själva värmemaskinen, dvs. gasturbinen. I kontrast ger en ideell Rankine-cykel däremot inte direkt information om ångturbinen. Denna skillnad är viktig att ha i åtanke vid den termodynamiska analysen av ångturbiner. För att förtydliga de grundläggande begreppen är det värt att titta närmare på cykeldiagrammet i Figur 3.21. Det är en kvalitativ skiss, inte baserad på exakt termodynamisk data, utan snarare för att illustrera de relativa positionerna för viktiga cykeltemperaturer och deras (logaritmiska) medelvärden. Diagrammet visar en väldigt grundläggande cykel med endast en värmeväxlare (FWH) och subkritisk huvudångtryck. I moderna ångcykler med superkritisk ångtryck finns istället åtta eller nio FWH, vilket skulle göra diagrammet otydligt om alla visades utan att ge något nytt till en solid förståelse för de grundläggande begreppen.

Ett vanligt sätt att förklara Rankine-cykeln för lekmän är att använda en "Carnot-cykel"-proxy i diagrammet, som visas som en streckad rektangel inom H2O-fasdomänen. Det är dock en värdelös konstruktion, särskilt i subkritiska cykler, där det är uppenbart att METH (medel effektiv temperatur för värmeaddition) är lägre än den mättnadstemperatur som motsvarar huvudångtrycket. För att förstå detta bättre är det viktigt att se att även om man kan designa en perfekt cykel utan förluster och isentropiska pumpar och turbiner, är den resulterande effektiviteten fortfarande mycket lägre än den ultimata Carnot-effektiviteten, vilket definieras i ekvation (2.9). Denna effektivitet för en perfekt cykel är identisk med Carnot-cykelns effektivitet enligt ekvation (2.8).

Rankine-cykelns METL (medel effektiv temperatur för värmeavledning) är i själva verket lika med den verkliga temperatur TMIN, medan METH är en hypotetisk temperatur som förutsätter en isothermal värmeaddition mellan tillstånd 8 och 5 i Figur 3.21, vilket resulterar i samma värmeaddition som summan av de icke-isotermiska huvud- och återuppvärmningsprocesserna. Detta gör det möjligt att beskriva värmeaddition genom en generell ekvation som involverar entalpi och entropi vid konstant tryck. För specifika revärmepannor kan METH beräknas som summan av de olika entalpierna för de aktuella processerna.

För typiska subkritiska, superkritiska (SC) och ultra-superkritiska (USC) cykler finns det en relation mellan METH och ångcykelns huvud- och återuppvärmningstemperaturer. För högeffektiva cykeldesigner är återuppvärmningstemperaturen högre än huvudångtemperaturen, vilket minskar kondensatortrycket och minimerar fukt i de sista etapperna av lågtrycksturbinens blad, vilket i sin tur förbättrar effektiviteten och minskar erodering. Detta är en viktig aspekt att förstå när man designar för långvarig drift och hög effektivitet.

Låt oss nu överväga en avancerad ångturbin-cykel med 595°C huvud- och återuppvärmningstemperaturer och ett kondensatortryck på 50 mbar (mättnadstemperaturen är 33°C). Den ultimata Carnot-cykelns effektivitet i detta fall skulle vara cirka 64,7%. Genom att använda METH på 675 K, som erhållits från Figur 3.22, beräknas den ekvivalenta Carnot-cykelns effektivitet till 54,7%. Detta innebär att cykelfaktorn (CF) blir 0,845, vilket tyder på att den verkliga cykeln är omkring 85% så effektiv som den idealiserade Carnot-cykeln. Det är också värt att notera att för mer praktiska ändamål används ofta en standardtemperatur för TMIN, vilket förenklar analyserna genom att eliminera behovet av att ange kondensatortrycket, som kan variera beroende på plats och andra externa faktorer.

För att gå vidare med designen måste man också förstå de termodynamiska begränsningarna som ångcykeln ställs inför. En viktig faktor som påverkar effektiviteten är temperaturen på flamhärden (TFLM) i förbränningsprocessen, som vanligtvis är omkring 2000°C, samt temperaturen på rökgaserna när de lämnar pannan, som ligger runt 130°C. Den logaritmiska medeltemperaturen mellan dessa två värden är 808°C. Genom att använda dessa temperaturer i Carnot-ekvationerna kan man beräkna effekterna på effektiviteten för hela ångcykeln. Det bör dock beaktas att för en mer detaljerad analys av förbränningsprocessen krävs en noggrannare undersökning av pannans värmeöverföring och de termodynamiska förhållandena.

I dagens teknik är det möjligt att uppnå en teknologifaktor (TF) på mellan 0,80 och 0,85 för moderna SC och USC-designs, vilket motsvarar ett METH-område på 670-675 K. För att göra snabba uppskattningar kan man anta att varje 30 K förändring i METH motsvarar en förändring på cirka 1% i TF. Moderna elpannors effektivitet ligger vanligtvis mellan 90-95%, medan den auxiliära lasten för växtsystemet, som omfattar allt från kylsystem till avgasrening (AQCS), kan påverka den totala effektiviteten. Optimistiska värden för den auxiliära lasten är cirka 5-6% av STG:s utmatning, men dessa värden kan vara högre beroende på systemens utformning och miljöregler.

För att optimera Rankine-cykeln i praktiken är det viktigt att förstå att den teoretiska maximala effektiviteten aldrig helt kan uppnås. Det finns alltid förluster, inte bara på grund av de fysiska begränsningarna hos maskinerna själva, utan även på grund av externa faktorer som påverkar cykelns drift. En realistisk uppskattning är att en effektiv cykel kommer att vara mellan 70 och 85% så effektiv som den ideala Carnot-cykeln, vilket gör det möjligt att göra ekonomiska och praktiska val när man utvecklar termiska kraftsystem.

Hur kan regenerering och interkylning förbättra effektiviteten hos en sluten heliumgas-turbinkrets?

En grundläggande förståelse av Brayton-cykelns termodynamik presenterades i kapitel 3. Här ska vi ta upp en betydande brist i den direkta sluten cykeln med heliumgas och låg tryckförhållande (PRC): låg T2 och låg METH, vilket innebär låg cykeleffektivitet. Det kommer att framgå nedan varför det inte är genomförbart att öka PRC. Faktum är att även ett PRC på 4:1 är en ganska stor utmaning. Därtill krävs en reaktorkylvätsketemperatur på 550°C, vilket är mycket högre än kompressorns utsläppstemperatur på 254,7°C. Den ideala lösningen på detta dubbla problem är regenerering, det vill säga att utnyttja värmen i helium som strömmar ut från turbinens expander för att förvärma det komprimerade heliumet i en värmeväxlare. Den aktuella värmeväxlaren kallas för en återvinningsvärmeväxlare eller en "recuperator". En sluten, regenerativ gas-turbinkrets med värmeväxling visas i Figur 9.11.

I detta exempel, med en temperaturdifferens på ΔATA = 20°C, kan det komprimerade heliumet värmas upp till 380°C, vilket fortfarande är lägre än de specifika 550°C. Den enda lösningen för konstruktören är att reducera PRC för att höja expanderens utsläppstemperatur, T4, så att temperaturutsläppet från värmeväxlaren, T5, kan höjas. Notera att för den ideala cykeln gäller att T5 - T2 = T4 - T6. Genom att göra de nödvändiga beräkningarna finner man att för PRC = 2,28:1 och T3 = 900°C, T5 = 550°C, T6 = 441,8 K (168,6°C) och T4 = 570°C. METH och METL för den regenererade cykeln ges nu av METHr = T33 - T53 och METLR = ln(TT6). Substitueras temperaturerna i dessa uttryck får man att METHR = 987,8 K > METH = 790,5 K och METLR = 368,1 K < METL = 454 K. Detta resulterar i ett signifikant högre METH och ett lägre METL, vilket innebär en ökad cykeleffektivitet.

Nyckelfynden från denna övning, som är avgörande för designen av slutna gas-turbiner för kärnkraftsgenerering, kan sammanfattas som följer:

1. Återvinning förbättrar cykeleffektiviteten avsevärt genom att samtidigt öka METH och minska METL.

2. Ett lågt tryckförhållande (PRC), mindre än 3:1, är nödvändigt för både effektiv återvinning och för att uppfylla kravet på reaktorkylvätskans inloppstemperatur.

En annan förbättring av Brayton-cykeln är kompressorinterkylning, vilket minskar kompressionsarbetet och cykelns värmeavvisning. För samma cykel-PR på 2,28:1 beräknas varje komprimeringssteg, 1-2A och 1A-2, att ha ett PR på 1,51:1. Därmed, med T1a = T1 = 30°C, T2A = T2 = 84,4°C (357,6 K) och T6 = 377,6 K (104,4°C), ändras inte den genomsnittliga effektiva temperaturförändringstemperaturen, eftersom T5 och T3 inte ändras. Det innebär att METHIR = METHr = 987,8 K > METH = 790,5 K, men den genomsnittliga effektiva värmeavvisningstemperaturen är lägre (eftersom T2 och T6 är lägre). Cykelns effektivitet förbättras med tre procentenheter (lägre METL), vilket ger ett Carnot-faktorn, CF, på hela 0,93.

Den ideala cykelns effektivitet i Brayton-cykeln beror endast på PRC. För en ideal cykel med interkylning och regenerering är effektiviteten en funktion av både PRC och T3. För ATA = 0, det vill säga när T5 = T4 och T6 = T2, ges effektiviteten av nID,BIR = 1 - PRC-k / (1 - PRC-k), där T3 = T3/T1. För ett icke-noll ATA, det vill säga när T5 = T4 - ATA och T6 = T2 + ATA, beräknas effektiviteten som en mer komplex funktion där PRC och ATA spelar avgörande roller.

Slutligen, även om dagens avancerade turbiners tryckförhållanden (PRC) kan vara över 20:1, är sådana värden orealistiska för slutna Brayton-cykler som används för kärnkraftsgenerering. Anledningen till detta är tvådelad: För det första måste arbetsvätskans tryck vid kompressorns inlopp inte vara för lågt, eftersom detta skulle innebära för stora volymflödeshastigheter i rören som leder till kompressorn, vilket gör att storleken och kostnaden för systemet skulle bli orimligt höga. För det andra är arbetsvätskans tryck vid turbinens inlopp begränsat av tillgängligheten på material och av den termiska påfrestningen som uppstår vid höga temperaturer.

För heliumgas-turbiner är den realistiska PRC inte högre än cirka 3:1, eftersom högre värden skulle kräva en stor mängd kompressor- och turbinsteg för att uppnå önskad effektivitet, vilket skulle medföra betydande kostnader och tekniska utmaningar. Detta gör att PRC-värden över 3:1 inte är praktiska, även om metallurgiska överväganden tillåter högre tryck, till exempel 10:1 i vissa gaser.

Endtext