HCO-systeem op een gasturbine

Transcriptie

1 Resultaten en bevindingen van project HCO-systeem op een Dit rapport is onderdeel van de projectencatalogus energie-innovatie. Tussen 2005 en 2011 kregen ruim 1000 innovatieve onderzoeks- en praktijkprojecten subsidie. Ze delen hun resultaten en bevindingen, ter inspiratie voor nieuwe onderzoeks- en productideeën. De subsidies werden verleend door de energie-innovatieprogramma's Energie Onderzoek Subsidie (EOS) en Innovatie Agenda Energie (IAE). Datum Februari 2007 februari 2010 Status Definitief Sloe Centrale B.V., e.a. in opdracht van Agentschap NL

2

3 Colofon Projectnaam Programma Regeling Projectnummer Contactpersoon HCO-systeem op een Energie Onderzoek Subsidie Demonstratie DEMO07034 Sloe Centrale B.V. Hoewel dit rapport met de grootst mogelijke zorg is samengesteld kan Agentschap NL geen enkele aansprakelijkheid aanvaarden voor eventuele fouten.

4 Openbaar eindrapport Demonstratie van een HCO-systeem op een Sloe Centrale B.V.

5 Openbaar eindrapport 1. Gegevens project Projectnummer: DEMO07034 Projectnaam: Demonstratie van een HCO-systeem in een Naam penvoerder: Sloe Centrale B.V projectperiode: van 10 februari 2007 tot 10 februari 2010 Contactpersoon: Jaap Wolters Telefoon: Inhoudelijk eindrapport Samenvatting DELTA en EDF hebben in een joint venture, SloeCentrale B.V., een nieuwe gasgestookte elektriciteitscentrale (combined cycle gas turbine, CCGT) gebouwd. Het subsidieproject betreft de demonstratie van een Hydraulic Clearance Optimization (HCO) systeem als onderdeel van de s, waarmee een verhoogde elektriciteitsopbrengst kan worden gerealiseerd ten opzichte van s zonder HCO systeem. Het project is uitgevoerd met subsidie van het Ministerie van Economische Zaken, regeling EOS: Demonstratie uitgevoerd door Agentschap NL. Omdat bij de opstart van een turbine een andere instelling vereist is dan bij het produceren op vollast, zal een conventionele turbine nooit een optimale vollast setting kunnen bereiken. Met de HCO technologie wordt deze setting wel benaderd, doordat het HCO na opstarten de afstand tussen stator en rotor reduceert en hiermee de lekverliezen reduceert, zodat er een toename van output zal ontstaan. De demonstratie heeft als doel te bewijzen dat het HCO systeem ook onder normale condities de verhoogde elektriciteitsoutput kan genereren en inzicht te verkrijgen in langere termijn efficiency. Inleiding Siemens heeft in een pilot plant in Mainz goede resultaten verkregen met het HCO-systeem. Het HCOsysteem kan zelfs tijdens full base load aan- en uitgeschakeld worden, waardoor directe metingen kunnen worden verricht. In een testrun werden de fuel mass flow en de compressor inlet mass flow constant gehouden. Vervolgens werd het HCO systeem ingeschakeld en kon worden vastgesteld dat de power output toeneemt terwijl de fuel mass flow niet varieert. Doelstelling SloeCentrale heeft in dit project een CCGT bestaande uit twee eenheden gerealiseerd. Voor SloeCentrale is de doelstelling van de demonstratie van het HCO-systeem het vergroten van de output van de s onder gelijkblijvend energieverbruik. Werkwijze Het HCO-systeem maakt onderdeel uit van de centrale. Deze is turn-key gebouwd en opgeleverd door Siemens. Vanaf januari 2007 is er gewerkt aan het detailontwerp. In maart 2007 is Sloe Centrale B.V. opgericht. In juni 2007 is de eerste paal geslagen. De eerste (unit 10) met HCO systeem is in augustus 2008 geplaatst. De tweede (unit 20) is in september 2008 geplaatst. Het personeel van SloeCentrale is door Siemens getraind in het omgaan met deze technologie.

6 First firing van unit 10 heeft plaatsgevonden op 9 juni Op 30 juni heeft First Synchronization plaatsgevonden. Hierbij zijn en generator beiden in werking en is voor het eerst elektriciteit geproduceerd en vermogen aan het net geleverd. Op 18 juli is de stoomturbine gesynchroniseerd en op 19 juli is voor het eerst base load geleverd (zonder HCO). Daarna is gestart met het optimaliseren van de gas/lucht verhouding voor alle omstandigheden en van de branders etc. Er moet een balans worden gevonden in de snelheid van instroom van het lucht/gas mengsel en de output. Het functioneren van het HCO systeem is in deze fase getest. First Fire van unit 20 heeft plaatsgevonden op 12 juli en First Synchronization op 21 juli. De eerste stoom is op 14 augustus in de stoomturbine geleverd. Uiteindelijk is de eerste eenheid door de aannemer op 20 oktober 2009 opgeleverd aan Sloe Centrale. Voor de tweede eenheid is dit geweest op 13 december Resultaten De resultaten met de werking van het HCO-systeem zijn conform verwachting. In de fase van optimalisatie is het HCO-systeem van unit 10 getest. Zie hiervoor de bijlage. Hier is zichtbaar dat op 31 juli 2009 (09/07/31) het HCO-systeem is ingeschakeld (het grijze vlak geeft aan dat HCO uit is, het groene vlak dat HCO is ingeschakeld). De rode lijn laat het vermogen zien (neemt toe van 277 MW naar 279 MW). De zwarte lijn geeft de gasflow aan (deze neemt iets af na inschakelen HCO en regelt zichzelf vervolgens bij). Het gele vlak geeft aan dat OTC aan staat (temperatuurregeling). Na het testprogramma is tijdens het commercieel in bedrijf stellen het inschakelen van het HCO systeem vast onderdeel van de start-procedure. Zodra de s op vollast draaien gaat het HCO systeem aan wat tot nu toe een hogere output heeft gegenereerd conform de uitgesproken verwachtingen. Discussie Het HCO-systeem is een innovatie die in dit project zijn werking heeft bewezen in technologie in de praktijk. Het is een robuuste technologie waarmee de elektrische output kan worden verhoogd. Conclusie en aanbevelingen Geconcludeerd kan worden dat het project succesvol is. De technologie functioneert naar verwachting, hetgeen een verhoging van het vermogen oplevert bij een gelijkblijvend gasverbruik. Dit komt uiteindelijke het milieu ten goede; de CO 2 -uitstoot wordt gereduceerd als een vergelijking wordt gemaakt met de referentiesituatie. De aanbeveling aan andere marktpartijen is dan ook om deze technologie daar waar mogelijk ook te implementeren. 3. Uitvoering van het project a. De problemen (technisch en organisatorisch) die zich tijdens het project hebben voorgedaan en de wijze waarop deze problemen zijn opgelost Er zijn geen substantiële wijzigingen in het project opgetreden. De commerciële operatie is iets vertraagd doordat de montage van beide units meer tijd heeft gevergd dan aanvankelijk gepland. De vertraging is niet veroorzaakt door het HCO systeem. Er is voldoende tijd binnen de projectperiode overgebleven om het HCO-systeem in de praktijk te demonstreren. b. Toelichting op wijzigingen ten opzichte van het projectplan; Ten opzichte van de oorspronkelijke planning (start commerciële operatie in september 2009) is er een lichte vertraging opgetreden (start commerciële operatie oktober 2009). c. Toelichting op de verschillen tussen de begroting en de werkelijk gemaakte kosten.

7 De declarabele kosten zijn EUR 25K lager dan de vooraf ingediende begroting wat een afwijking van slechts 1% betekend. Deze afwijking is het saldo van hogere door siemens gemaakte kosten voor de bouw van het HCO systeem en lagere kosten met name als gevolg van een lager activiteitniveau omtrent beheersing en monitoring in de periode t/m 10 februari Bijdrage aan de EOS: Demonstratie doelstellingen 4.1 De bijdrage aan een duurzame energiehuishouding: technologische Aspecten a. besparing van primaire energie (PJ) en/of de besparing van CO 2 emissie(equivalent) op projectniveau; Per HCO-unit wordt 1,5 MW extra output geleverd. De equivalent operating hours (EOH) bedragen ruwweg uur per jaar. De extra energieopbrengst is daarmee per eenheid 1,5 MW * uur = 9,75 GWh = 0,0351 Petajoule (1 GWh = 0,0036 Petajoule). De Sloecentrale bestaat uit twee eenheden. De totale extra energieopbrengst en ceteris paribus de besparing van primaire energie op projectniveau is daarmee 2* 0,0351 Petajoule = 0,0702 Petajoule. De CO2-reductie bedraagt 0,58 ton/mwh = 0,58*2*9750= ton CO2 per jaar. b. het herhalingspotentieel en de benutting hiervan / spin off. In potentie kunnen alle bestaande na 2004 van dit type geleverde Siemens-machines en de komende tien jaar nieuw te bouwen CCGT s in aanmerking komen voor de toepassing van het HCO-systeem. Tot 2017 worden 7 nieuwe CCGT s met HCO-systeem opgeleverd. De benutting van het herhalingspotentieel ligt daarmee op een factor 7. Daarmee is de besparing op primaire energie een factor 7: 0,4914 Petajoule en ton CO2 reductie per jaar. 4.2 De bijdrage aan een duurzame energiehuishouding: economische ontwikkelingen a. kostprijsontwikkeling en marktverwachting van de techniek en/of het eindproduct (bijv. elektriciteit); De kostprijsontwikkeling is afhankelijk van vraag en aanbod. SloeCentrale is niet de aanbieder van de technologie, dat is Siemens. Dit soort systemen zijn nodig om de best available technology te installeren, hetgeen een vereiste is om een milieuvergunning te verkrijgen. b. kostenbesparing ten opzichte van de referentietechnologie. Er is geen referentie, dus niet van toepassing 4.3 De verwachting voor verdere marktintroductie, let hierbij ook op sociaal economische aspecten Deze technologie zal naar verwachting bij gasgestookte Siemens s worden gerealiseerd. Het HCO systeem verhoogt het rendement, waardoor er naar verwachting op middellange termijn 7 zullen worden gerealiseerd. 4.4 Samenwerking en kennisoverdracht In dit project heeft Siemens nauw samengewerkt met Sloe Centrale. De medewerkers zijn getraind. Tevens heeft SloeCentrale potentieel geïnteresseerde partijen geïnformeerd over de werking van het systeem.

8 4.5 De bijdrage aan de innovatie ten opzichte van de huidige stand van de techniek in Nederland Een nauwkeurige radiale speling tussen de rotor en de stator is van grote invloed op de efficiency van de. Onder elke conditie moet er sprake zijn van een minimale radiale speling tussen rotor en stator, teneinde onderling contact te vermijden. Er ligt daarmee een uitdaging in het bereiken van een balans tussen het opwarmgedrag en afkoelgedrag van de stator en rotorcomponenten. De rotor heeft de langzaamste thermische reactie en kan snel worden verwarmd en gekoeld door interne secundaire luchtstromen. De conische vorm van de stator biedt een andere mogelijkheid om de speling te beheersen, door een combinatie van axiale en radiale uitzettingen. Het actief beheersen van de speling wordt mogelijk door de rotor tegen de flow in te bewegen, waardoor de lekverliezen boven de turbinebladen worden verminderd. Alhoewel de een goede thermische gebalanceerde as en stator bezit, waardoor nauwkeurige spelingen (clearances) kunnen worden bereikt, zijn de spelingen wanneer de op base load condities en op ontwerptemperatuur opereert, groter dan noodzakelijk is voor deze condities. Dit wordt veroorzaakt doordat spelingen zijn ontworpen voor de hot restart conditions, de meest kritische operation mode en spelingen die rekening moeten houden met de zogenaamde casing ovalization tijdens het opwarmen. Een verbetering van efficiency en een verhoging van de output kan worden verkregen als de GT-rotor wordt bewogen tegen de richting van de flow. Dit verkleint de speling tussen de turbinebladen en de stator. Deze beweging mag alleen worden uitgevoerd als de GT volledig is opgewarmd. Teneinde dit te bereiken, is het systeem van druklagers zodanig ontworpen dat axiale verschuiving mogelijk is op het moment dat een hydraulisch systeem olie in cilinders perst; axiale stops beperken de beweging van de rotor. Lekverliezen B Stator A Rotor Rotor Verplaatsing As Schematisch weergegeven vindt bovenstaande proces plaats in een turbine. De expanderende gassen (A) komen in contact met de rotor. Deze gaat hierdoor draaien en drijft de as aan. Wanneer de gassen de draaiende rotor verlaten zijn deze erg turbulent (B). Wanneer deze turbulente gasstroom direct op een nieuwe rotor komt is deze minder efficiënt omdat een deel van de druk niet effectief op de rotor komt. Om dit te voorkomen worden de gassen door een stator geleid die de gasstroom weer stroomlijnt. De gestroomlijnde gassen gaan naar de volgende rotor. De afstand tussen stator en rotor bepaalt mede in hoeverre de gestroomlijnde gasdruk ook daadwerkelijk gestroomlijnd op de volgende rotor komt.

9 Optimaal zou dus zijn om de afstand tussen stator en rotor en de ruimte voor lekverliezen zo klein mogelijk te maken. In de opstart fase van een turbine is er echter een bepaalde afstand nodig om de start mogelijk te maken. Pas zodra de turbine volop draait is het mogelijk om de afstand te verkleinen. De innovatieve HCO technologie maakt dit mogelijk. Deze zorgt er namelijk voor dat de as, wanneer de turbine volop draait, kan worden bewogen tegen de gasstroom in. Dit verkleint de afstand tussen rotor en stator en de ruimte voor lekverliezen. De luchtstromen komen dus directer op de rotor waardoor zij de rotor harder zullen aandrijven. Daarnaast gaat er ook minder gas verloren door lekverliezen omdat er minder ruimte is voor de gassen om langs de rotor te stromen in plaats van door de rotor. Er vind dus een toename plaats van wat genoemd wordt de mass flow door de rotor. 5. Outcome-indicatoren Actuele stand van zaken van de outcome-indicatoren ten behoeve van evaluatie-onderzoek. (Het format voor deze indicatoren is apart down te loaden).