Beta 1


Title Udnyttelse af mikrogasturbinens røggasser til elproduktion
Author Larsen, Jens Kenneth
Supervisor Qvale, Einar Bjørn (Institut for Mekanisk Teknologi, Danmarks Tekniske Universitet, DTU, DK-2800 Kgs. Lyngby, Denmark)
Elmegaard, Brian (Termiske Energisystemer, Institut for Mekanisk Teknologi, Danmarks Tekniske Universitet, DTU, DK-2800 Kgs. Lyngby, Denmark)
Institution Technical University of Denmark, DTU, DK-2800 Kgs. Lyngby, Denmark
Thesis level Master's thesis
Year 2003
Abstract Som en konsekvens af det liberaliserede elmarkedet er der åbnet op for, at alle kan producere deres egen strøm og eksportere overskydende el til andre. Denne udvikling har betydet investeringer i mikroskalaelproduktion, som er hurtigt og nemt at installere, og hvor tilbagebetalingstiden er kort. Mikroskalaelproduktion er ikke noget nyt. Men den seneste udvikling har bevirket, at anlæggene er blevet konkurrencedygtige på virkningsgrad, og at de desuden kan kombineres med varmeproduktion, som øger den totale virkningsgrad fra 30 % til 80 %. Formålet med dette projekt er således at undersøge de tekniske og økonomiske aspekter forbundet med brugen af mikroskalaelproduktion. Udgangspunktet er en mikrogasturbine ”T100”, som produceres af det svenske firma Turbec. Mikrogasturbinen har en elektrisk ydelse på 100 kWel samt 167 kWvarme. Da varmeproduktionen fra mikrogasturbinen ikke altid er anvendelig, er det søgt at udnytte varmeproduktionen til en yderligere elproduktion. Teknologien brugt til omdannelsen af lavtemperaturvarme til el er Organic Rankine Cycle (ORC). ORC er identisk med den velkendte Rankine Cycle, hvor fluidet (oftest vand) er udskiftet med et organisk (naturligt) kølemiddel. Som en indledning til projektet blev et litteraturstudie gennemført. Litteraturstudiet tjente det formål at give forfatteren den teoretiske baggrundsviden til at gennemføre projektet. I projektet er det lavet en model af et energisystem bestående af en mikrogasturbine sammensat med et ORC-anlæg i computerprogrammet EES. Der er udført følsomhedsanalyser og optimeringsanalyser på modellen. Resultatet af følsomhedsanalysen blev brugt til at bestemme hvilke driftsparametre, som havde størst indflydelse på det samlede system. Derudover blev den opnåede viden fra følsomhedsanalysen benyttet i optimeringsanalysen. Der er således gennemført en optimeringsanalyse på både komponentkonfiguration, fluid i ORCkredsen samt tryk- og temperaturforhold i ORC-kredsen. Resultatet viste, at det er muligt at opnå en systemvirkningsgrad på 44 %, når der benyttes en intern varmeveksler i ORC-kredsen samtidig med, at kredsen opererer med ammoniak som fluid. Optimeringen viste desuden, at røggassernes udledningstemperatur fra mikrogasturbinen har stor indflydelse på ORC-kredsens optimale driftpunkt. Ved at hæve røggassernes udledningstemperatur (og derved mindske den mulige energioverførsel) reduceres massestrømmen i ORC-kredsen, og en større grad af overhedning bliver mulig. ORC-enheder opererer typisk med en virkningsgrad mellem 10 - 20 % Fordelen ved ORC-enheden er, at den kan omdanne spildvarme til brugbar elektricitet. De høje omkostninger forbundet med køb/installation af ORC-anlægget betyder dog, at den tilførte varme skal være gratis for at systemet er rentabelt. Ved at sammenkoble ORC-anlægget med mikrogasturbiner er det således muligt, at producere yderligere elektricitet uden brug af yderligere naturgas. I de tilfælde hvor elnettet ikke har indflydelse på elprisen, er ORC-teknologi sammenkoblet med mikrogasturbiner, en økonomisk konkurrencedygtig systemløsning. Der er i denne rapport gennemført en grundigt analyse af de økonomiske aspekter vedrørende mikrogasturbiner og ORC-teknologi.
Abstract As a consequence of the free market in electricity trade, anyone can produce and or sell electricity on the market. This development has created a basis for microscale power production. Micro-scale power production is characterized by short payback times and simple installation. Micro-scale power production has been on the market for some time now, but recent developments have made microscale power production more attractive. With an electricity efficiency of over 30 %, and a total combined heat and power production efficiency of over 80 %, microscale production has made a commercial breakthrough. The purpose of this report is to examine the technical and economical aspects of operating a microscale power unit. As a basis for the study, a “T100” microturbine from the Swedish company Turbec is used. The “T100” has a maximum power production of 100 kWel and a maximum heat production of 167 kWheat. Since heat produced from the microturbine is not always useful, surplus heat can be used for additional power production. The technology applied for converting heat to power is Organic Rankine Cycle (ORC). The fluid used in ORC is an organic refrigerant contrary to ordinary Rankine cycle where water most often is used. As a foundation for the project a literature study was conducted. The aim of the study was both to be updated on recent technological developments and to generate ideas for further investigation. In this project a computer model for an energy-producing system consisting of a “T100” and an ORC-unit was developed in EES. A sensitivity and optimization analysis was conducted on the computer model for the system. The results of the sensitivity analysis were used to determine which parameters had the greatest influence on the complete system. The knowledge obtained from the sensitivity analysis was further used as a basis for the optimization analysis. The optimization parameters analyzed consist of the fluid used in the ORC-unit, the components to be used in the ORC-cycle, as well as pressure and temperature levels for the fluid in the ORC-cycle. The optimization analysis shows that it is possible to obtain an electrical efficiency of over 44 % for a system consisting of a “T100” and an ORC-unit. In order to obtain this, the ORC-unit shall have an internal heat exchanger and the fluid shall be ammonia. The optimization analysis further shows that the level for the temperature of the exhaust gas from the microturbine has an impact on the system efficiency. When the temperature of the exhaust gas from the microturbine is raised (thereby reducing the amount of energy to the ORC-unit) the amount of fluid In the ORC-unit is reduced. Thus, a higher level of superheating of the fluid is obtained causing higher system efficiency. The ORC-unit normally operates with electrical efficiency between 10 –20 %. The advantage of an ORC-technology is the possibility to convert low temperature heat to electricity. The high cost combined with buying/installing the ORC-unit dictates that the cost of the used heat shall be very low before the ORC-unit is a profitable system. Combined use of a microturbine and ORC-unit will give the possibility to produce more electricity without using more natural gas. Combined systems show good economical potential in remote areas. In this report a major economical evaluation of microturbine and ORC-technology has been conducted.
Imprint Technical University of Denmark (DTU) : Kgs. Lyngby, Denmark
Fulltext
Original PDF Jensrapport.pdf (2.27 MB)
Original PDF bilag.pdf (3.60 MB)
Admin Creation date: 2009-11-05    Update date: 2010-10-28    Source: dtu    ID: 252058    Original MXD