2.4 WKK met gasturbine
Van het WKK-systeem gebaseerd op een gasturbine worden in deze paragraaf de volgende aspecten toegelicht:
1. Thermodynamische grondslagen
2. Elektrische en thermische vermogens
3. Elektrische en thermische rendementen
4. Deellastgedrag
Thermodynamische grondslagen
De gasturbine bestaat uit een compressor, een verbrandingskamer en een expansieturbine, zoals weergegeven in figuur 2.4-1.
Figuur 2.4-1: Geïdealiseerd pV- en Ts-diagram gasturbineproces
De werking van de gasturbine is als volgt.
Omgevingslucht wordt aangezogen en door de compressor gecomprimeerd,
zodat druk en temperatuur van de lucht aanzienlijk stijgen (druk van 1
naar 6 tot 30 bar; temperatuur van 15 naar circa 350 °C). De gecomprimeerde,
voorverwarmde lucht wordt naar de verbrandingskamer gevoerd, waarin een
fossiele brandstof (meestal aardgas, kan ook olie zijn) wordt bijgevoegd,
zodat verbranding van de brandstof kan plaatsvinden.
Aangezien de in de verbrandingskamer intredende lucht een aanzienlijk
drukniveau heeft, dient ook het aardgas onder druk te worden toegevoerd
in de verbrandingskamer: afhankelijk van de gasturbine zijn drukken tussen
20 tot 35 bar vereist.
Vervolgens worden de hete verbrandingsgassen (meer dan 1000 °C) geëxpandeerd
over de expansie- of vermogenturbine, die mechanische energie levert.
Het asvermogen van de expansieturbine wordt via een generator omgezet
in elektrisch vermogen.
De uitlaatgassen van de expansieturbine hebben nog een temperatuur van
350 tot 550 °C; deze temperaturen laten toe om warmte in de vorm van
bijvoorbeeld hoge druk stoom te kunnen recupereren.
Gasturbines in warmtekrachttoepassingen kunnen worden onderscheiden in :
· aëroderivative (luchtvaartafgeleide) gasturbine
· heavy duty (industriële) gasturbine
De luchtvaartafgeleide gasturbine werd, zoals de naam al zegt, ontwikkeld
vanuit de vliegtuigtechnologie, waarbij in het bijzonder een laag gewicht,
een compact ontwerp en een minimaal brandstofverbruik belangrijke objectieven
zijn.
Om aan deze aspecten te kunnen voldoen dient de verbrandingstemperatuur
zo hoog mogelijk te zijn. Nieuwe ontwikkelingen bij gasturbines richten
zich daarom onder andere op verbeteringen van materialen die tegen hoge
temperaturen bestand zijn; ook de koeling van de hete delen gebeurt op
een steeds meer gesofisticeerde wijze.
Een belangrijk aandachtspunt bij de luchtvaartafgeleide gasturbine is
dat deze gasturbine tamelijk kritisch is ten opzichte van de brandstofsamenstelling.
De 'heavy duty' of 'industriële' gasturbines zijn ontwikkeld vanuit
'landtoepassingen' en hebben andere uitgangspunten.
De industriële gasturbines zijn aanzienlijk zwaarder en robuuster
in vergelijking met de luchtvaartafgeleide gasturbines. Ook is het bij
deze turbines beter mogelijk om een andere brandstof dan aardgas te gebruiken.
Thermodynamisch gezien werkt de gasturbine volgens de Joule- of Brayton-cyclus, waarin zich in het ideale geval 4 fazen laten onderscheiden (figuur 2.4-1):
1-2: isentrope compressie in de compressor
2-3: isobare warmtetoevoer
3-4: isentrope expansie in de turbine
4-1: isobare warmteafvoer
Figuur 2.4-1 toont voor het ideale gasturbineproces het pV- en TS-diagram
Een belangrijke parameter bij het gasturbineproces is de drukverhouding
over de compressor p2/p1; deze heeft zoals verderop zal blijken een grote
invloed op het rendement van de gasturbine.
Elektrische en thermische vermogens
Elektrisch vermogen
Het mechanisch vermogen van een gasturbine wordt via een generator omgezet in elektrisch vermogen.
Figuur 2.4-2 toont het elektrisch vermogen van commercieel beschikbare gasturbines gerelateerd aan de drukverhouding over de compressor.
Figuur 2.4-2: Drukverhouding en elektrisch vermogen van concrete gasturbines
Figuur 2.4-2 toont dat gasturbines commercieel beschikbaar zijn van 1 MWe tot ruim 200 MWe.
Vanwege relatief hoge specifieke investeringskosten en relatief lage
rendementen van de 'kleine' gasturbines (bijvoorbeeld 1 MWe) is de economische
haalbaarheid van dergelijke installaties meestal niet interessant.
De laatste jaren werden een aantal zeer grote gasturbines ontwikkeld tot
vermogens van meer dan 240 MWe: een dergelijk formaat van gasturbine wordt
bijna uitsluitend gebruikt in elektriciteitscentrales.
In WKK-toepassingen, waarbij de warmte van de WKK-installatie gevaloriseerd
moet worden, zien we in veel gevallen dat de geïnstalleerde gasturbines
niet groter zijn dan 40 MWe. Indien men grotere gasturbinevermogens als
WKK wil installeren opteert men eerder voor een aantal gasturbines in
parallel.
Ook toont figuur 2.4-2 dat de drukverhouding over de compressor sterk
varieert naargelang de turbine: de compressieverhoudingen bij luchtvaartafgeleide
gasturbines liggen in het algemeen hoger dan bij de 'heavy duty' gasturbines.
Belangrijk is op te merken dat het asvermogen van een gasturbine afhankelijk
is van volgende zaken:
· omgevingscondities (lage buitentemperaturen in de winter leiden
tot een groot vermogen; hoge temperaturen in de zomer leiden tot een lager
vermogen)
· vervuiling van compressor en luchtfilter
Thermisch vermogen
In paragraaf 2.2 en 2.3 is getoond dat het thermisch vermogen van WKK-systemen
met motoren een complexe zaak is omdat bij deze systemen niet alle valoriseerbare
warmte op hetzelfde temperatuurniveau beschikbaar is.
Een voordeel van WKK-systemen met gasturbines is dat bij deze systemen
alle valoriseerbare warmte in de uitlaatgassen vervat zit; deze uitlaatgassen
hebben afhankelijk van de turbine een temperatuur tussen globaal 450 en
500 °C.
Figuur 2.4-3 toont schematisch het schema van een WKK met gasturbine en
recuperatieketel.
Figuur 2.4-3: Basisschema WKK-installatie met gasturbine
Het thermisch vermogen dat met een afgassenketel uit de rookgassen gehaald
kan worden is voornamelijk afhankelijk van de temperatuur van de rookgassen
en van de condities van de gevraagde warmte.
Om een beeld te krijgen van het thermisch vermogen dat met WKK-systemen
met gasturbine behaald kan worden, toont figuur 2.4-4 per commercieel
beschikbare gasturbine de productie van verzadigde stoom van 10 bar.
Figuur 2.4-4: Stoomproductie WKK-systemen met gasturbine
Uit figuur 2.4-4 kan globaal afgeleid worden dat bij verzadigde stoom van 10 bar circa 2 ton/uur gevaloriseerd worden per MWe.
Omdat bij gasturbines de uitlaatgassen als gevolg van de hoge luchtovermaat bij de verbranding nog een hoog volumepercentage zuurstof (circa 15 %) bevatten, is het mogelijk in de uitlaatgassenketel extra brandstof te verstoken met een relatief hoog rendement. In de praktijk wordt vaak bijgestookt tot een temperatuur van 750 °C aan de ingang van de afgassenketel; in specifieke gevallen kan tot 800 of zelfs tot 850 °C bijgestookt worden.
Op deze manier kan bij gelijkblijvende elektriciteitsproductie meer stoom worden geproduceerd, waardoor de warmtekrachtverhouding regelbaar is.
Figuur 2.4-5 toont de WKK-installatie met gasturbine met 'bijgestookte' afgassenketel.
Ten gevolge van bijstook kan voor de productie van stoom van 10 bar de stoomproductie verdubbeld worden; natuurlijk is dit een richtcijfer en moet de situatie per concrete gasturbine bekeken worden.
Figuur 2.4-5: Schema WKK-installatie met gasturbine met bijgestookte
ketel
Rendementen
Elektrisch rendement
Met behulp van de thermodynamica kan het rendement van het ideale proces afgeleid worden:
Cp: soortelijke warmte bij constante druk
Cv: soortelijke warmte bij constant volume
Opgemerkt wordt dat met ec in bovenstaande formule de drukverhouding over
de compressor wordt bedoeld; dit in tegenstelling met hoofdstuk 2.1 over
motoren waarin met e de voluminaverhouding bedoeld wordt.
Figuur 2.4-6 toont het theoretisch rendement is functie van de drukverhouding over de compressor en de k-waarde.
Figuur 2.4-6: Theoretisch rendement van de ideale gasturbine-cyclus
Uit figuur 2.4-6 blijkt dat theoretisch zeer hoge rendementen behaald kunnen worden met gasturbines: in de praktijk komen compressieverhoudingen voor variërend tussen 5,5 en 28,8 waarmee theoretische rendementen mogelijk zouden zijn van 39% respectievelijk 62%.
Dergelijke hoge rendementen worden in de praktijk niet gehaald bij de
genoemde drukverhoudingen.
In werkelijkheid heeft het gasturbine-proces echter o.a. de volgende afwijkingen
t.o.v. de eerder voorgestelde ideale cyclus:
· compressie en expansie zijn niet-omkeerbare processen, waarbij
een toename van de entropie optreedt, en de processen zijn derhalve niet
isentroop;
· wrijvingsverliezen: wrijvingsverliezen in lagers, gaswrijving
resulteert in drukverliezen;
· de waarden van Cp en k variëren gedurende de cyclus als
gevolg van veranderingen in temperatuur en tijdens de verbranding als
gevolg van verandering in de chemische samenstelling van het medium;
· de massastroom door de turbine is groter dan die door de compressor
vanwege de bijkomende massa van de toegevoegde brandstof.
Figuur 2.4-7 toont de elektrische rendementen van op de markt beschikbare gasturbines, zoals die door de leveranciers zijn opgegeven, ten opzichte van de theoretisch maximale mechanische rendementen. Hieruit blijkt duidelijk het verband tussen de drukverhouding van de compressor en het elektrisch rendement.
Figuur 2.4-7:Elektrische rendementen concrete gasturbines ten opzichte
van
theoretisch maximale waarden
Figuur 2.4-8 toont voor een aantal concrete gasturbines het elektrisch
rendement ten opzichte van het elektrisch vermogen.
Het elektrisch rendement van de op de markt beschikbare gasturbines met
een vermogen tussen 1 en 3 MWe ligt tussen 15 en 25%.
Met gasturbines van 3 tot 10 MWe worden rendementen tussen 20 en 30% gerealiseerd.
Voor gasturbines met een vermogen tussen 10 en 40 MWe liggen de elektrische
rendementen tussen 30 en 40%. Gasturbines groter dan 40 MWe behoren tot
het industriële type en hebben rendementen tussen 30 en 35%.
Figuur 2.4-8: Elektrisch rendement van concrete gasturbines
Thermisch rendement
Figuur 2.4-9 toont het thermisch rendement voor WKK-systemen met gasturbine
bij de productie van verzadigde stoom van 10 bar.
Figuur 2.4-9: Thermisch rendement WKK-systemen met gasturbine
Uit figuur 2.4-9 blijkt dat het thermisch rendement zich globaal situeert
tussen 40 en 60% met enkele uitschieters naar erg hoge en naar erg lage
thermische rendementen. Ook zien we in figuur 2.4-9 dat enkele WKK-systemen
met gasturbines van circa 40 MW met hoge elektrische rendementen relatief
lage thermische rendementen hebben.
Vergelijking van deze thermische rendementen met die van de WKK-systemen
met gasmotor kan de indruk wekken dat de thermische rendementen van WKK-systemen
met gasturbine lager zijn dan die van WKK-systemen met gasmotor. Dit wordt
veroorzaakt door de gevaloriseerde warmte bij de WKK-systemen met gasturbine
op een aanzienlijk hoger temperatuurniveau ligt. Indien de warmte uit
WKK-systemen met gasturbine op een laag temperatuurniveau gebruikt kan
worden, zullen de thermische rendementen hoger liggen.
Tot slot toont figuur 2.4-10 de combinaties van elektrisch en thermisch rendement voor de beschouwde WKK-systemen met gasturbine.
Figuur 2.4-10: Combinatie elektrisch en thermisch rendement WKK-systemen
met gasturbine
In vergelijking met de WKK-systemen met gasmotor, hebben de WKK-systemen met gasturbine een groter spreidingsgebied van elektrische en thermische rendementen.
Deellastgedrag
De deellastkarakteristieken van gasturbines zijn minder gunstig. Als
het WKK-systeem toch in deellast bedreven moet worden, wordt vaak een
ondergrens van 70 - 75% van het nominale vermogen aangehouden. Door regeling
van de inlaatschoepen de nadelen van deellastbedrijf op het rendement
zoveel mogelijk beperkt.
Ook is er een verschil in de deellastrendementen van industriële
en luchtvaartafgeleide gasturbines.
Er werd voor twee gasturbines (industriële: Frame 6 en luchtvaartafgeleide
: LM 6000B) met een vergelijkbaar elektrisch vermogen van circa 40 MW
het elektrisch rendement in functie van de belasting uitgerekend. Hierbij
werd gerekend met maatregelen, zoals regeling van de inlaatschoepen, om
het deellastrendement zo hoog mogelijk te houden.
Figuur 2.4-11 toont het verloop van het elektrisch rendement als functie
van de belasting.
Figuur 2.4-11: Elektrisch rendement als functie van de belasting
Het elektrisch rendement bij luchtvaartafgeleide gasturbines is in absolute waarden gezien significant hoger dan bij industriële gasturbines. Ook het deellastrendement van luchtvaartafgeleide gasturbines is duidelijk gunstiger in vergelijking met industriële gasturbines.
Als we het deellastbedrijf aan de zijde van de warmteproductie bekijken zien we in figuur 2.4-12 dat de conclusies zoals die voor het elektrische gedeelte in figuur 2.4-11 gelden juist omgekeerd worden: in thermisch opzicht presteert de industriële gasturbine beter dan de luchtvaartafgeleide.
Figuur 2.4-12: Thermisch rendement als functie van de belasting