Conceptual Thermodynamic Cycle and Aerodynamic Gas Turbine Design

186 Pages·2017·9.62 MB·English

Conceptual Thermodynamic Cycle and Aerodynamic Gas Turbine Design - on an Oxy-
fuel Combined Cycle
NILSSON DAHLQVIST, ADRIAN
2016
Document Version:
Publisher's PDF, also known as Version of record
Link to publication
Citation for published version (APA):
NILSSON DAHLQVIST, ADRIAN. (2016). Conceptual Thermodynamic Cycle and Aerodynamic Gas Turbine
Design - on an Oxy-fuel Combined Cycle (1 ed.). [Doctoral Thesis (compilation), Siemens Industrial
Turbomachinery AB, Thermal Power Engineering].
Total number of authors:
1
General rights
Unless other specific re-use rights are stated the following general rights apply:
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors
and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the
legal requirements associated with these rights.
• Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study
or research.
• You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal
Read more about Creative commons licenses: https://creativecommons.org/licenses/
Take down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove
access to the work immediately and investigate your claim.
LUND UNIVERSITY
PO Box 117
221 00 Lund
[phone]
Conceptual Thermodynamic Cycle
and Aerodynamic Gas Turbine Design
on an Oxy-fuel Combined Cycle
Adrian Dahlquist
May 10th 2016
Doctoral Thesis
Division of Thermal Power Engineering
Department of Energy Sciences
Faculty of Engineering
Lund University
Sweden
ii
Copyright©AdrianDahlquist,2016
DivisionofThermalPowerEngineering
DepartmentofEnergySciences
FacultyofEngineering
LundUniversity
Sweden
ISSN0282-1990
ISBN978-91-7623-770-0(tryck)
ISBN978-91-7623-771-7(pdf)
ISRNLUTMDN/TMHP-16/1116-SE
TypesetinLATEX
Lund2016
iii

Tomyfamily
v

Populärvetenskaplig sammanfattning
Vi står idag inför ett stort problem med en världsomspännande globala uppvärmningen av
jordensmedeltemperatur. Ävenomvisaknarenfullständigförståelseförklimatsystemet,så
ärmajoritetenavklimatforskarnaidagenigaomattdenaccelererandeklimatförändringenhu-
vudsakligenberorpåmänskligaaktiviteter. Växthuseffektenärdockigrundenärettnaturligt
fenomen,somhöjertemperaturenpåjordentilldenbehagligatemperaturnivåsomviärvana
vid. Faktumärattutanden”naturliga”växthuseffektensåskullemedeltemperaturenvaraca
-19◦C, i stället för de jordens nuvarande medeltemperatur på +14◦C. Den globala medel-
temperaturenpåjordenharvaritrelativtstabilsensenasteistidenförca10,000årsen,men
vadsomnuskerärattväxthuseffektensenergibalansförskjuts. Dettaresulterariattmedeltem-
peraturenöka,ochdetärdennapågåendetemperaturökningsommankallarfördenglobala
uppvärmningen.
Följderna av en ökad global medeltemperatur kommer visa sig lite olika beroende på var
påjordenmantittar, mengenerelltsåkommerklimatetattblialltmerextremt. Dettakan
t.ex. yttra sig genom att öken och torka sprider ut sig över redan torra områden, stormar,
översvämningarochorkanerblirmerfrekventförekomandesamtattglaciärernasmälteroch
havsnivånhöjs. Påandraplatser, såsominorden, kanviförväntaossvarmare, snöfattigare
ochfuktigarevintrar,samtattvår,sommarochhöstvädretblirkallare,blåsigareochblötare.
Denstörstabidragandeorsakentilldenglobalauppvärmningenärutsläppavväxthusgaseri
atmosfärenochdåprimärtiformavkoldioxid(CO ). Ettnettoutsläppavkoldioxidbildasnär
2
manförbrännerfossilabränslensåsomolja,kolochnaturgas. Jordenstotalaenergiförsörjning,
förelektricitet-ochvärmeproduktion,transport,industriprocesser,etc.,täcktesår2013till
82%genomförbränningavfossilabränslen,ochspåsfortsättaattgörasåiytterligareminst20
år. Elektricitet-ochvärmeproduktionenärdenenskiltstörstasektornutavkoldioxidutsläpp
frånfossilabränslen,ochstodförca42%avdetotalaCO utsläppenår2011. Samtidigtlever
2
ca1.3miljardermänniskorutanelektricitetidag,ochproduktionenavelektricitetspåsdärför
attökamed70%framtillår2035. Alltdettakommerledatillenohållbarutvecklingomvi
inteagerarnu. Viddetglobalaklimatmötet(COP21)iParisdecember2015enadesmanom
attdenglobalauppvärmningenintefåröverstiga+2.0◦C, samtomattsträvaefteratthålla
temperturökningenunder+1.5◦C.
Att begränsa den globala uppvärmningen till denna nivå kommer kräva omfattande in-
sattser inom många olika områden, men troligen kommer dels de ekonomiska kostnaderna
ochinteminstlidandetblibetydligtstörreomviinteageraritid. Detkommerkrävaseffekti-
vareenergianvändning,merförnybarenergiproduktion(t.ex. sol,vindochvatten)samtinte
minst att vi undviker koldioxidutsläpp från våra fossileldade kraftverk för att begränsa den
globalauppvärmningen.
Det är just denna sista punkt, om hur man undviker koldioxidutsläpp från fossileldade
kraftverkvidelektricitet-ochvärmeproduktionsomstuderatsidennavetenskapligaavhan-
dling. Dennateknologibrukarkallas”carboncaptureandsequestration”ochförkortasCCS,
vilketstårförkoldioxidavskiljningochomhändertagande. DetfinnsnågraolikaCCSteknolo-
gierförhurmankanåstadkommakoldioxidavskiljningiettkraftverk. Denmetodsomunder-
söktsspecifiktidennadoktorsavhandlingärenmetodsomkallas”oxy-fuelcombinedcycle”
ochförkortasOCC.Detspecifikameddennateknologiärattmanutförförbränningenmed
ren syrgas (O ) i stället för med luft, vilket görs konventionellt. Då luft till största del (75
2
vikt-%)beståravkväve(N )såfårman,vidförbränningiluft,enstorrökgasvolymmeden
2
lågkoncentrationavkoldioxid. Denlågakoldioxidkoncentrationengördetenergikrävande
vii
attrenarökgasenfrånkoldioxidefteråt. Närmaniställetutförförbränningenmedrensyrgas
såbildasenförbränningsproduktavenbartvattenånga(H O)ochkoldioxid(CO ). Denna
2 2
rökgasärmycketlättareattrenafrånkoldioxid,vilketkanskegenomattmankylernerrök-
gasensåattvattenånganövergårtillsinflytandevattenfas(kondenserar)medankoldioxiden
förblir i sin gasfas. Vattnet kan då avskiljas, och kvar har man ren koldioxid. Koldioxiden
komprimerassentillsetttryckdärävenkoldioxidenövergårisinflytandefas,vilketskervid
tryck över 74bar (atmosfärstryck). Därefter kan koldioxiden lagras djupt nere i marken, i
antingengeologiskabergrumelleruttömdaoljefält.
En vanligt förekommande typ av konventionella kraftverk är så kallade naturgaseldade
kombi-kraftverk,vilkaharengasturbinsomsinhuvudsakligaenergigenererandeenhet.
Ikraftverksombyggerpåoxy-fuelteknologinanvändsförbränningsgasenavkoldioxidoch
vattenångasomarbetsmediumigasturbinen,iställetförluftsåsomikonventionellakombi-
kraftverk. Dennagasbeståravca85-vikt.%CO ,10-vikt.%H Oochettfåprocentenheter
2 2
N och Ar. Användandet av denna CO -rika gas som arbets medium ställer helt nya krav
2 2
pådesignenavkraftverketistortochspecifiktpågasturbinensdesign. Dessafrågeställningar
omhurmandesignarettkraftverkochdeningåendegasturbinenfördriftmedrensyrgaseld-
ningharundersöktsidennaavhandling. Avhandlingenpresenterarendesignsomtäckerdels
den övergripande termodynamiska processdesignen av kraftverket, så väl som en detaljerad
aerodynamiskdesignavgasturbinenmedavseendepådesskompressorochtvåturbiner.
Detärförfattarensuppfattningattdetmed“oxy-fuelcombinedcycle”teknologinärtekniskt
möjligtattproduceraelektricitetochvärmeutannågotkoldioxidutsläpp,ombaradepolitiskta
incitamentenskapas.
viii
Acknowledgements
ThisdoctoralthesiswascarriedoutintheformofanindustrialdoctoralworkbetweenSiemens
IndustrialTurbomachineryABandtheFacultyofEngineeringatLundUniversity. Thethe-
sis was founded by Siemens Industrial Turbomachinery AB, where the present author also
was employed at the department of Performance and Thermodynamic Engineering under
themanagementofLennartNäs. TheworkwassupervisedbyprofessorMagnusGenrupat
LundUniversityandseniorspecialistMatsSjödinatSiemensIndustrialTurbomachineryAB.
WhichIamverygratefulfor!
Iliketoexpressmygratitudeespeciallyto:
LennartNäs - Forgivingmetheopportunitytoconductmydoctoralthesisatthedepartment
ofgasturbineperformance,throughenablingthiscollaborativeprojectbetweenSiemensIn-
dustrialTurbomachineryABandLundUniversity. IknowitrequiredsomeeffortandIreally
appreciateitandthatyoubelieveinme.
Magnus Genrup - As you first introduced me to thermodynamic cycle and aerodynamic gas
turbine engineering, then to Siemens, and finally providing me the opportunity to become
anindustrialPhDstudentatLunduniversity. Thankyouforsoopenlyandenthusiastically
havesharedyourknowledgetome.
MatsSjödin - Foryougladlyandopenlyhavesharedyourknowledgewithmeandguidedme
throughoutmyjourney. Ihavelearnedsomuchfromyou!
KlasJonshagen - Becauseyougenuineandkindlyhasparticipated,supported,andguidedme.
Ireallyappreciateit,thanks!
SvenGunnarSundkvist - TohaveorganizedandreviewedmyPhD-project,andalwayswanted
myverybest,thanks!
ÅkeKlang - Ihavesoverymuchtothankyoufor. Youhavealwaysbelievedinme,takingyou
thetimetoexplainwhenIdonotunderstandandmotivatedmetokeepahighambition. I
haveaLOTtothankyoUrkindneSsfor!
ColleaguesatSiemens - Asyouallaresogoodfriend,whichIhavealotoffunwith. Youhave
clearedmythoughtsatthecoffeetablemanytimes,withalotofbothnonsensediscussions.
Youhavealsoinspiredandassistedmealongtheway.
JensKlingmann - ThanksforofferingmeaplaceasaPhDstudentattheFacultyofEngineering
atLundUniversity.
MarcusThern - Forhelpingmealongthewaywithveryvaluablecommentsandadvices,not
theleastinLATEX.
MajedSammak - Thanksforthefruitfulcollaborationanddiscussionswehavehad.
SvenAxelsson - Thanksforthekindsupportandthatyouopenlyhavesharedyourknowledge
withme.
ColleaguesatLundUniversityandChalmersUniversity - Forthecollaborationandallthefun
discussionwehavehad.
Mygrandparents,parents,brotherandsisters - Becauseyousupportandencouragemeinevery-
thingItakeon,andalwayswantmemyverybest. Iloveyouall,andyouknowit!
ix