GE Energy
60% Fuel effiency H System™ Combined Cycle Gas Turbine
Hogeschool van Amsterdam: Ravik
Jansen Sven Halfhide Minne Troostheide
233991 502589 504492
Inhoudsopgave . Inleiding . _________________________________________________________________ 2 1.
Gegevens . ____________________________________________________________ 3 1.1 Turbine specificaties . ________________________________________________ 3 1.2 Onderzoeksresultaten . _______________________________________________ 3 1.2.1 Aannames _____________________________________________________ 3 1.2.2 Gegevens ______________________________________________________ 3 1.2.3 Aardgas _______________________________________________________ 4
2.
3.
Compressor . __________________________________________________________ 5 2.1
Formule . __________________________________________________________ 5
2.2
Uitkomst . _________________________________________________________ 5
Verbrandingskamer . ____________________________________________________ 5 3.1 3.2
4.
Turbine . ______________________________________________________________ 6 4.1 Formule . __________________________________________________________ 6 4.2
5.
Schema . __________________________________________________________ 7
Rendement . ___________________________________________________________ 8 6.1
7.
Uitkomsten . _______________________________________________________ 6
Energiebalans . ________________________________________________________ 7 5.1 Berekeningen . _____________________________________________________ 7 5.2
6.
Formules . _________________________________________________________ 5 Uitkomsten . _______________________________________________________ 6
Berekeningen . _____________________________________________________ 8
Conclusie _____________________________________________________________ 8
Bijlagen __________________________________________________________________ 9 I.
Aardgas . __________________________________________________________ 9
II.
Schema . __________________________________________________________ 9
III. Diagrammen . _____________________________________________________ 10
27 maart 2009 | 60% Fuel effiency | GE Energy | Hogeschool van Amsterdam
1
Inleiding . Het bedrijf GE-energy is toonaangevend in de wereld van energie productie. De nieuwste machine die is ontwikkeld door dit bedrijf in de “H System™”-lijn is de “Combined Cycle Gas Turbine”. Een gasturbine met een brandstof efficiëntie van 60 procent. Dit verslag is bedoeld om het genoemde rendement te benaderen door middel van thermodynamische berekeningen. De opbouw voor deze benadering is als volgt. Ten eerste zijn de turbine specificaties opgezocht en andere bruikbare informatie over deze gasturbine. Tevens zijn de waardes van gas en lucht onderzocht die van belang zijn bij de berekeningen(1). Vervolgens worden de 3 fasen van de gasturbine doorlopen met behulp van formules. Dit begint bij de compressor (2) via de verbrandingskamer(3) en uiteindelijk de turbine(4).
2
27 maart 2009 | 60% Fuel effiency | GE Energy | Hogeschool van Amsterdam
1.
Gegevens .
Ten eerste zijn de specificaties en benodigde gegevens opgezocht. Deze zijn in twee paragraven onderverdeeld; de Turbine specificaties(1.1) en de Onderzoeksresultaten waarin tevens de aannames te zien zijn.(1.2)
1.1 Turbine specificaties specificaties . Deze gegevens zijn afkomstig van de website van GE-Energy (www.ge-energy.com) Compressor; - Drukverhouding
23 : 1
- Massastroom in
684,9 kg/sec (1510 lb/sec)
Verbrandingskamer; - Temperatuur uit
[ p2 : p1 ]
1430 째C , 1703 째K
[ ms1 ]
[ T3 ]
1.2 Onderzoeksresultaten . 1.2.1 Aannames Om de berekeningen uit te kunnen voeren zijn een aantal aannames gedaan. Algemeen; - Lucht is in overmaat aanwezig - Er wordt vanuit gegaan dat er geen verliezen zijn in druk en/of warmte. Compressor; - Temperatuur in
20 째C , 293 째K
Turbine; - Druk uit
1,5 bar
[ T1,amb ]
[ p4 ]
1.2.2 Gegevens Lucht; - K waarde
1,4
- Cp
1,005 kJ/kg.K
- Cv
0,718 kJ/kg.K
Specifieke gasconstante - Rs
287
J/kg.K
27 maart 2009 | 60% Fuel effiency | GE Energy | Hogeschool van Amsterdam
3
1.2.3 Aardgas De waardes van aardgas die van belang zijn voor de berekeningen zijn opgezocht. Er is van uitgegaan dat de volgende stoffen niet aanwezig zijn in het gasmengsel (aardgas): Propaan Butaan Pentaan Hexaan Zuurstofgas In bijlageI is een totaal overzicht van de samenstelling te vinden. Het totale volume van de stoffen die wĂŠl aanwezig zijn bedraagt 99,39%. Er kan dus aangenomen worden dat de exacte waardes nauwelijks van de berekende zullen verschillen. Bestandsdeel Methaan
%
K
sub
Cp
sub
81,30
1,32
107,32
2,16
175,61
2,85
1,20
3,42
1,65
4,70
14,35
1,40
20,09
1,04
14,92
0,89
1,30
1,16
0,82
0,73
Ethaan Stikstofgas Koolstofdioxide Totaal
99,39
131,98
195,96
Gemiddelde waarde K
1,3279
Cp
1,9717
4
Om de energetische waarde in kJ/kg te weten is deze omgerekend met behulp van de dichtheid van aardgas. Aardgas omrekening
waarde
Energetische waarde
31650
[kJ/m3]
Dichtheid
0,833
[kg/m3]
Energetische waarde
37995,20
eenheid
[kJ/kg]
27 maart 2009 | 60% Fuel effiency | GE Energy | Hogeschool van Amsterdam
2.
Compressor .
De eerste stap is het bereken van de in- en uittrede temperatuur van de compressor
2.1 Formule .
p T2 = T1 ⋅ 2 p1
k −1 k
2.2 Uitkomst . Gebruikte waardes; - T1 : 293 °K ( 20 °C ) - P1 : 1 bar - P2 : 23 bar ( 23 maal gecomprimeerd ) - k : 1,4 1, 4−1
23 1, 4 T2 = 293 ⋅ 1 T2 = 717,68 °K
3.
5
Verbrandingskamer Verbrandingskamer .
De mengverhouding van gas en lucht voor optimale verbranding is berekend om vervolgens de gemiddelde K-waarde voor dit mengsel te bepalen.
3.1 Formules .
Q = Φ totaal ⋅ c p , gem ⋅ ∆T c p , gem =
c p , gas + (Φ totaal − 1) ⋅ c p ,lucht Φ totaal
( ∆T = T3 − T2 )
( Q = Φ totaal ⋅
c p , gas + (Φ totaal − 1) ⋅ c p ,lucht Φ totaal
Q = (c p , gas + Φ totaal ⋅ c p ,lucht − c p ,lucht ) ⋅ ∆T
Φ totaal
Q − c p , gas + c p ,lucht ∆ T = c p ,lucht
27 maart 2009 | 60% Fuel effiency | GE Energy | Hogeschool van Amsterdam
⋅ ∆T )
3.2 Uitkomsten . Omschrijving
symbool
waarde 37995,20
eenheid
Energetische waarde
Aardgas
Q
[kJ/kg]
Temperatuur verschil
(T3 - T2)
dT
985,32
Soortelijke warmte (p=c)
Gas
Cp
1,97
[kJ/kg.K]
Soortelijke warmte (p=c)
Lucht
Cp
1,005
[kJ/kg.K]
Massastroom
Lucht
ms
36,41
[kg/s]
Massastroom
Totaal
ms
37,41
[kg/s]
Mengverhouding
gas : lucht
1 : 36
[K]
Gas-lucht mengsel
4.
K
1,398
Cp
1,031
Turbine .
Vervolgens wordt de uittrede temperatuur van de turbine berekend (T4).
6
4.1 Formule .
p T4 = T3 ⋅ 4 p3
k −1 k
4.2 Uitkomsten . Gebruikte waardes; - T3 : 1703 °K ( 1430 °C ) - P3 : 23 bar - P4 : 1,5 bar - k : 1,4 ( lucht ) - k : 1,398 ( werkelijk vanuit mengverhouding )
1,5 T4 = 1703 ⋅ 23 T4 = 780,66 °K
1, 4−1 1, 4
1,5 T4 ' = 1703 ⋅ 23
1, 398−1 1, 398
T4’ = 782,76 °K
27 maart 2009 | 60% Fuel effiency | GE Energy | Hogeschool van Amsterdam
5.
Energiebalans .
Nu alle temperaturen bekend zijn kan er een energiebalans worden opgesteld. Hierin wordt het volgende uitgezet: - de warmte die de verbrandingskamer toevoerd Qtoe - de arbeid die de compressor vraagt Wcomp - de energie die de turbine oplevert Wturb
5.1 Berekeningen .
Qtoe = c p ⋅ (T3 − T2 ) Qtoe
= 990,2 kJ/kg
Wcomp = c p ⋅ (T2 − T1 ) Wcomp = 426,8 kJ/kg
Wturb = c p ⋅ (T3 − T4 ) * Wturb
Een gegeven bij deze berekening is: Cp = 1,005 Dit is een afwijkende waarde van de werkelijkheid. Het gaat hier om een gas-lucht mengsel. Desondanks wordt er in “Toegepaste Energieleer, warmte- en stromingsleer” vermeld dat er gerekend mag worden met 1,005.
= 926,9 kJ/kg
5.2 Schema . fases 1>2
2>3
totaal 3>4
4>1
1.2.3.4.1
Q
0,00
990,24
0,00
-926,95
1917,20
W
-426,81
0,00
2344,00
0,00
1917,20
426,81
990,24
2344,00
-926,95
0,00
dU
Het complete stromingsschema met bijbehorende grafieken staan in, respectievelijk, bijlageII en bijlageIII
27 maart 2009 | 60% Fuel effiency | GE Energy | Hogeschool van Amsterdam
7
6.
Rendement .
Vanuit de energiebalans kan het installatierendement bepaald worden. De formules en uitkomsten zijn hieronder weergegeven.
6.1 Berekeningen . De totale benodigde arbeid die de gasturbine ingaat.
ΣW = Wcomp + Wturb Wtotaal = 2770,81 De arbeid die ‘overblijft’
∆W = Wturb − Wcomp Wverschil = 1917,20
η inst =
ΣW ∆W
Installatierendement = 69 %
7.
Conclusie
Het berekende rendement komt boven de gesteld 60% uit. Dit komt door het feit dat in de gemaakte berekeningen de verliezen niet zijn meegenomen. Tevens is de gekoppelde stoomturbine niet betrokken bij deze berekeningen. Er kan gesteld worden dat het totaal aan verliezen rond de 10% zal liggen.
27 maart 2009 | 60% Fuel effiency | GE Energy | Hogeschool van Amsterdam
8
Bijlagen I.
Aardgas .
Bestanddeel
Formule
Volume [%]
Mol [%]
Massa [%]
Methaan
CH4
81,30
81,29
69,97
Ethaan
C2H6
2,85
2,87
4,63
Propaan
C3H8
0,37
0,38
0,90
Butaan
C4H10
0,14
0,15
0,47
Pentaan
C5H12
0,04
0,04
0,16
Hexaan
C6H14
0,05
0,05
0,23
Stikstofgas
N2
14,35
14,32
21,52
Zuurstofgas
O2
0,01
0,01
0,02
0,89
0,89
2,10
Koolstofdioxide CO2
II. Schema .
9
27 maart 2009 | 60% Fuel effiency | GE Energy | Hogeschool van Amsterdam
III. Diagrammen .
a. P/V – diagram
b. T/s – diagram
10
27 maart 2009 | 60% Fuel effiency | GE Energy | Hogeschool van Amsterdam