Miljöaspekterna ökar intresset för gasturbiner

av Bjarne Nyman Forum 1990-04, sida 16-17, 08.03.1990

Taggar: Teman: gasturbiner

Miljöaspe intresset för gasturb

Text: Bjarne Nyman

Enligt en undersökning av gasturbinernas tekniska nivå och utvecklingsriktningar, som Nordisk Gasteknisk Center i Danmark har låtit utföra är ”gasturbinen och kraftproduktion som baseras på denna ett pålitligt och konkurrenskraftig alternativ”.

Konklusionen med högsta sannolikhet riktig, vilket bland annat påvisas av östra och södra Finlands nyvakna intresse för denna form av kraft- och värmeproduktion.

asturbiner är inget nytt feno men för elproduktion. De ha redan länge använts bland annat i vårt land för att jämna ut topplaster och som reservkraft. Dock dyr sådan, eftersom lätt brännolja har utnyttjats som bränsle.

Idag, när naturgasen är starkt på frammarsch, är det naturligt att även intresset för gasturbiner växer. Naturgasen är ju det klart miljövänligaste av våra fossila bränslen, eftersom svavelinnehållet i gasen är praktiskt taget noll. Koldioxidutsläppen blir också mindre per producerad energienhet, eftersom gasen till största delen består av väterik metan (CHj).

Naturgasen är emellertid inte problemfri. För att nå acceptabla verkningsgrader hos en gasturbin måste inloppstemperaturen liksom flamtemperaturen hållas på hög nivå, vilket resulterar i stora utsläpp av kväveoxider (NOy). Kväveoxiderna — termisk NOx — bildas genom reaktion mellan luftens kväve och syre vid den höga förbränningstemperaturen.

IVO:s gaskraftverk i Kouvola representerar gasturbinteknik, och är ett sk kombikraftverk. 40,6 MW.

16

Med den gasturbinteknik, som idag utnyttjas, går det inte att pruta på kvävedioxidutsläppen och samtidigt behålla verkningsgraden. Typiska värden för NOx-utsläpp för gasturbiner drivna med naturgas ligger med nuvarande teknik (diffusionsförbränning) på nivån 200—-700 mg/MJ. Används olja som bränsle varierar utsläppen från 600 till 1200 mg/MJ.

Det vanligaste sättet att minska utsläppen av termisk NOx är att sänka inloppstemperaturen, vilket inte är speciellt svårt tekniskt sett. Det kan enkelt åstadkommas genom att man sprutar in vatten eller ånga i processen. Problemet är att en del av den tillförda energin i bränslet går åt till att förånga vattnet — eller värma ångan ytterligare — och detta minskar givetvis verkningsgraden. Metoden är inte attraktiv för kraft- och värmeproducenter, eftersom den höjer kostnaderna för produkten.

Långt utvecklad teknik

Gasturbinerna är teknisk sett mycket avancerade. De bygger på den beprövade teknik, som omger oss i form av moderna flygplansmotorer. Många av dagens gasturbiner är direkta derivat av flygmotorer, andra är specialkonstruerade för industrins behov och därmed något mer avklädda än sina flygande systrar och bröder. Men principen är densamma.

Forskningen i gasturbinteknik har hittills i främsta rummet tagit sikte på att höja verkningsgraden. Då detta sker bäst genom att inlopps- och fiamtemperaturen höjs, är det naturligt att materialtekniken och närliggande ytbehandlingsteknik kommit i förgrunden. Materialen måste klara av de höga temperaturerna.

Idag är trenden en annan. Den största forskningsinsatsen görs numera inom området emissionsbegränsning.

kterna ö ar iIner

De flesta turbintillverkarna koncentrerar sig på så kallade dry low-NOysystem, vilket innebär att gasturbinen har en specialutvecklad brännare, som ger hög verkningsgrad utan att stora utsläpp av NO uppstår som biprodukt. Dylika system finns redan på marknaden.

Det är också möjligt att katalytiskt rena rökgaserna. I praktiken har NOx-reduktioner på upp till 80 procent rapporterats. Metoden kräver dock tilläggsutrustning på rökgassidan, vilket höjer kostnaderna. Det största intresset är därför koncentrerat på själva förbränningen. Man vill helt enkelt hindra uppkomsten av kvävedioxider.

Avancerade kopplingar

En annan trend är utvecklingen mot mer avancerade kopplingar för att få ut så mycket energi som möjligt ur bränslet. Dagens gasturbinverk är vanligtvis gasturbiner kombinerade med en avgaspanna för värmeproduktion. Denna koppling ger en hög total verkningsgrad, men elverkningsgraden blir normalt inte högre än ca 30 procent. Moderna flygmotorderivat har dock rapporterats kunna ge elverkningsgrader på hela 38 procent.

För kraftproducenterna och industrin av idag är det elverkningsgraden som är intressant. Det är givetvis bra att nå höga totala verkningsgrader, men högvärdig elektricitet är alltid mera användbar och värdefull än lågvärdig värme.

Detta är vägledande för moderna industrikopplingar, så kallade kombikopplingar. Ett av de viktigaste kriterierna för en kombikoppling är att den skall ha ett högt alfa-värde, dvs erhållen eleffekt dividerad med värmeeffekten. För den enkla kopplingen gasturbin-avgaspanna är alfavärdet ca 0,6, medan det för en kombikoppling i bästa fall kan överstiga 1.0. Elverknignsgraden kan stiga till över 50 procent med dagens teknik. och det antas vara möjligt att höja verkningsgraden ytterligare några procentenheter.

Den enklaste kombikopplingen består av en gasturbin kombinerad med en ångpanna (kombipanna) och en ångturbin. Ångproduktionen sker med hjälp av rökgasen från gasturbi 4/1990 FORUN nen liksom även förvärmningen av matarvattnet till ångpannan. Gasturbinen utnyttjas också som fläkt för ufttillförseln till ångpannan.

Det överskuggande problemet me dessa kopplingar — och gasturbinen är en sådan — är att de fungerar tillredsställande, dvs har hög verkningsgrad endast vid full belastning. Vid dellast försämras verkningsgraden betydligt. Inom industrin har det därför blivit vanligare med mera avancerade koppingar, till exempel två gasturbiner, vå kombipannor och en ångturbin. Trots belastningsvariationer är det med denna koppling möjligt att åstadkomma relativt hög verkningsgrad. i det fall att en av gasturbinerna och en av ångpannorna kan köras med full effekt. Dessutom har systemet den fördelen att kraftverket inte behöver stoppas helt till exempel vid turbinservice.

Ytterligare möjligheter att höja alfa-värdet och verkningsgraden för kombikopplingar är att arbeta med två eller tre olika trycknivåer i processen.

Är det lönsamt?

Det går inte att generellt jämföra länsamheten hos gasturbinkopplingar med till exempel kolkraftverk. Fördelar, som kommer gasturbinerna till godo, är bland annat relativt låga investeringskostnader, låga personaloch miljöskyddskostnader, bög totalverkningsgrad och högt alfa-värde. Men variablerna är många och ofta även lokalt betingade.

En jämförelse är också beroende av vilka krav som ställs på utsläppen av NO,. Och hur skall man i kalkylerna beakta att naturgasen ger mindre utsläpp av koldioxid än andra fossila bränslen per enhet producerad energi? Det har i alla fall gjorts försök till jämförelser, bl a av Ekono. Med dagens gas- respektive kolpriser i Finland och Sverige och med miljökravet att NOx-halterna reduceras till 50 mg/ MJ för ett kombiverk och till 70 mg/ MJ för kolkraft utföll jämförelsen klart till kombikraftverkets fördel. Skillnaden var störst vid lägre drifttider per år. då kolkraftens högre kapitalkostnader tydligen gör sig gällande.

En jämförelse kan naturligtvis också ge det motsatta resultatet. eftersom utgångsantagandena dominerar kalkylen. Det oaktat befinner sig gasturbintekniken i ett intressant utvecklingsskede. Kopplingen till flygindustrin garanterar massiva satsningar på forskning och utveckling. som i sinom tid kommer industriturbinerna till godo. LJ

FÖRUN, 4/1990

De tre vinnarna i Nordisk Gasteknisk Centers idétävling. I mitten vinnaren Kjeld Poulsen, Danmark, flankerad av Timo Talonpoika till vänster och Pentti Heitto till höger.

Text: Bo Ingves

Naturgasidéer

Världen är full av forskare och andra innovatörer. Det enda problemet är att få dem att köra igång. En bra metod att aktivera dem är att utlysa en tävling, då brukar det bli liv i d grå cellerna.

enna metod har också omfat tats av Nordisk Gasteknisk

Center, NGC som i fjol utlyste en nordisk tävling för att vaska fram förslag till forskningsprojekt inom naturgasområdet.

Glädjande är att andra och tredje pris kammades hem till Finland. Första pris och 50 000 DKK gick till en dansk arbetsgrupp som representerades av Kjeld Poulsen vid Institutet för bioteknologi vid Tekniska högskolan i Danmark.

Vinnarförslaget gällde en metod att torka spannmål så att angrepp av giftiga mögelsvampar samtidigt förebyggs. Metoden går ut på att spannmålet hettas upp under en kort tid i hög värme med hjälp av en naturgasbrännare.

verassistent Timo Talonpoika vid Tekniska högskolan i Villmanstrand fick andra pris i tävlingen. Han har utvecklat en metod hur man bättre kan ta tillvara energin från förbränningsprocessen i en kondenspanna så att energikostnaderna blir lägre och energiutbytet förbättras. Egentligen är hans metod tudelad. Genom att för det första låta förbränningen i pannan ske under tryck förbättras pannans värmeöverföringskoefficient. Detta innebär att man med en mindre och därmed billigare panna kan få samma värmeeffekt som med en traditionell. större kondenspanna. Om man i kombination med detta dessutom tillvaratar rökgasernas latentvärme kan också pannans verkningsgrad höjas. I normala pannor är rökgaserna så pass svala att det går åt lika mycket energi att ta tillvara värmen som man skulle vinna på det. I en övertryckspanna är däremot rökgasernas temperatur så mycket högre att det lönar sig att tillvarata latentvärmen genom kondensering av den vattenånga som finns i rökgaserna. Talonpoika har beräknat att man p ett ekonomiskt lönsamt sätt kan förbättra verkningsgraden tre —åtta procent jämfört med traditionella kondenspannor. Investerings- och brukskostnaderna torde också vara lägre. Apparaturen utgör inget problem eftersom den modell Talonpoika har utarbetat bygger på delar som redan allmänt används.

Rökgaserna i en dylik anläggning får inte innehålla fasta partiklar eller frätande ämnen. Eftersom naturgasens rökgaser är fria från dessa ämnen är naturgasen det främsta bränslealternativet.

tredje pris i tävlingen gick till DI

Pentti Heitto från PI-Consulting Oy. Hans tävlingsbidrag gäller direkt naturgasuppvärmning av ventilationsluften i en byggnad.

Bakgrunden till intresset för naturgasuppvärmning av ventilationsluften ligger närmast på det ekonomiska planet. Jämfört med vattenvärmeväxlare, som vanligtvis används för att värma tilluftströmmen i ventilationssystem, kunde investeringskostnaderna nämligen kännbart sänkas om ventilationsluften i stället värmdes med en gasbrännare.

Problemet härvid är dock att förbränningsutsläppen följer med tilluften till de ventilerade utrymmena. Även om utsläppen understiger de tillåtna normerna, utgör de en bromsande psykologisk faktor.

För att undvika problemen med utsläppen har Heitto därför utvecklat en metod enligt vilken man i stället placerar gasbrännaren i frånluftströmmen. På detta sätt leds utsläppen ut ur byggnaden tillsammans med frånluften. Värmen tas däremot tillvara med hjälp av det värmeåtervinningsaggregat som vanligtvis finns mellan från- och tilluftkanalerna. På detta sätt överförs största delen av gaslågans värme till tilluften.

17