Turbomachinery analysis and design for hybrid SOFC-GT systems optimized performance

Abstract

Nowadays, great effort is made by the research community to develop efficient energy conversion engines. The motivation for this effort derives from the growing demand for electricity, the exhaustion of fossil fuels reserves and the environmental pollution caused by the exhaust emissions from engines. A technology that seems to play an important role in the development of energy sector is the microturbines. The microturbines have many advantages over the conventional reciprocating engines, which make them suitable for distributed generation applications, smart grids, hybrid and cogeneration systems. In this thesis, applications of microturbines are studied, both numerically and experimentally. The numerical works include the study of hybrid SOFC-GT (Solid Oxide Fuel Cell – Gas Turbine) systems. These systems combine a microturbine with a SOFC generator that operates at elevated pressure conditions. The fuel reacts electrochemically within the fuel cell stack (which substitutes the combustion chamber of the microturbine) and produces electric power and heat. The heat is utilized from the microturbine to produce additional electric power. The hybrid SOFC-GT systems have high efficiency and are considered as an alternative to conventional electric plants.For the modeling of the hybrid systems a general purposes software (AspenPlus) was used. Starting from a method published in the literature for the modeling of a SOFC generator, changes were made in order to develop an improved model. Moreover, simulation models for the part-load performance of turbomachines were developed for the first time using this general software. In the present thesis, hybrid systems were examined which are based on commercially available microturbines and a successful SOFC generator, which have been tested in various research programs. Models were developed and validated against experimental data from the available bibliography. The models were used to study the behavior of hybrid systems under full and part-load operating conditions. Also, the influence of important performance parameters, such as the SOFC stack temperature, was investigated. The results showed that these systems can achieve high efficiency values with a proper choice of the design parameters as well as of the size of the microturbine. The previous experience was used to develop a method for the optimization of the compressor and turbine components in hybrid SOFC-GT systems. The method consists of two steps. In the first step a parametric study is conducted in order to assess the operating range of the hybrid system and, in the second, the compressor and turbine geometric parameters are calculated using in-house turbomachinery design codes and an optimization procedure. Based on the new turbomachines the hybrid system has shown a clear efficiency advantage over the whole operating range. The developed optimization tools allow the study of further design options, such as a separate compressor and turbine selection or a different compressor type.The experimental activities conducted in this thesis concern a small turbojet engine. The experience gained during the development of a simulation model for the steady state operation is presented. Data analysis showed that some measurements were not thermodynamically consistent and representative of the average value of the thermodynamic parameter in the engine station. However, there were systematic deviations which were repetitive. This led to adoption of data correction procedures in order to correct the non-representative measurements and make them compatible with the others. Apart from the steady state model, a transient model was developed. The model was validated by comparing model predictions with experimental data. The gained experience will be used for the development of a transient model for SOFC-GT applications, in order to study control methods that ensure protection against pressure spikes, surge, overpressure etc.

Μεγάλη προσπάθεια γίνεται τα τελευταία χρόνια για την ανάπτυξη αποδοτικών μηχανών μετατροπής ενέργειας. Τα κίνητρα για αυτή την προσπάθεια είναι κυρίως η ολοένα αυξανόμενη ζήτηση για ηλεκτρική ενέργεια, η εξάντληση των κοιτασμάτων ορυκτών καυσίμων καθώς και η μόλυνση του περιβάλλοντος από εκπομπές αέριων ρύπων. Μια τεχνολογία που φαίνεται ότι θα συμβάλει σημαντικά στην διαμόρφωση του ενεργειακού τομέα στο μέλλον, είναι οι μικροστρόβιλοι. Οι μικροστρόβιλοι λόγω των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές κατανεμημένης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, smart grids, υβριδικά συστήματα και συστήματα συμπαραγωγής.Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη εφαρμογών μικροστροβίλων, τόσο υπολογιστικά όσο και πειραματικά. Οι υπολογιστικές δραστηριότητες περιλαμβάνουν κυρίως την μελέτη υβριδικών συστημάτων τύπου SOFC-GT (Solid Oxide Fuel Cell – Gas Turbine). Στα συστήματα αυτά γίνεται συνδυασμός ενός μικροστροβίλου και μιας γεννήτριας τύπου SOFC, η οποία λειτουργεί σε συνθήκες υπερπίεσης (υπετροφοδοτείται). Το καύσιμο αντιδρά ηλεκτροχημικά στις κυψέλες καυσίμου SOFC (που υποκαθιστούν το θάλαμο καύσης του μικροστροβίλου) και παράγει ηλεκτρική ενέργεια μαζί με θερμότητα. Η θερμότητα χρησιμοποιείται από το μικροστρόβιλο για την παραγωγή επιπλέον ηλεκτρικής ενέργειας. Τα συστήματα αυτά έχουν υψηλούς βαθμούς απόδοσης και θεωρούνται ως μια εναλλακτική επιλογή των συμβατικών συστημάτων ηλεκτροπαραγωγής.Για την μοντελοποίηση των υβριδικών συστημάτων χρησιμοποιήθηκε ένα λογισμικό γενικής χρήσης (AspenPlus). Ξεκινώντας με μια προτεινόμενη μέθοδο από την διαθέσιμη βιβλιογραφία, έγιναν προσθήκες νέων στοιχείων με σκοπό την δημιουργία ενός βελτιωμένου μοντέλου. Επιπλέον, αναπτύχθηκαν μοντέλα για την προσομοίωση των στροβιλομηχανών στο λογισμικό γενικής χρήσης, ιδιαίτερα σε μερικό φορτίο, για πρώτη φορά σε αυτό το περιβάλλον. Στην παρούσα διατριβή εξετάζονται σχεδιασμοί υβριδικών συστημάτων βασιζόμενοι σε εμπορικά διαθέσιμους μικροστροβίλους και σε μια επιτυχημένη γεννήτρια τύπου SOFC η οποία δοκιμάστηκε σε αρκετά πιλοτικά προγράμματα διεθνώς. Αναπτύχθηκαν μοντέλα και βαθμονομήθηκαν με βάση πειραματικά δεδομένα από την βιβλιογραφία. Μελετήθηκε η συμπεριφορά σε συνθήκες πλήρους και μερικού φορτίου καθώς και η επίδραση σημαντικών λειτουργικών παραμέτρων στις επιδόσεις των υβριδικών συστημάτων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα συστήματα αυτά μπορεί να οδηγήσουν σε υψηλούς βαθμούς απόδοσης, εφόσον γίνει κατάλληλη βελτιστοποίηση στο σχεδιασμό του συστήματος καθώς και στο μέγεθος του μικροστροβίλου. Η προηγούμενη εμπειρία που αποκτήθηκε οδήγησε σε μια μεθοδολογία για την βελτιστοποίηση των στροβιλομηχανών σε υβριδικά συστήματα SOFC-GT. Η μεθοδολογία περιλαμβάνει δυο βήματα. Στο πρώτο γίνεται μια παραμετρική ανάλυση για να αποτιμηθεί το λειτουργικό πεδίο του συστήματος και στο δεύτερο, λαμβάνοντας υπόψη τις πληροφορίες του πρώτου βήματος, υπολογίζονται οι βέλτιστες γεωμετρίες για τον συμπιεστή και τον στρόβιλο χρησιμοποιώντας in-house κώδικες που αναπτύχθηκαν για αυτό τον σκοπό. Τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική βελτίωση των επιδόσεων του συστήματος σε όλο το εύρος λειτουργίας του. Η υποδομή που δημιουργήθηκε επιτρέπει τη μελέτη επιπλέον σχεδιαστικών επιλογών, με χωριστή επιλογή συμπιεστή και στροβίλου, διαφορετικού τύπου συμπιεστή κτλ, όπως και διαφορετικών επιλογών στο σύστημα ελέγχου. Οι πειραματικές δραστηριότητες που έγιναν στα πλαίσια αυτής της διατριβής, αφορούν ένα μικροστρόβιλο τύπου turbojet. Παρουσιάζεται η εμπειρία που αποκτήθηκε από την ανάπτυξη ενός μοντέλου για την προσομοίωση της συμπεριφοράς του σε μόνιμες συνθήκες λειτουργίας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι κάποιες μετρήσεις που λαμβάνονται από την λειτουργία της μηχανής δεν είναι αντιπροσωπευτικές της μέσης τιμής που επικρατεί σε κάθε διατομή. Ωστόσο η απόκλιση είναι συστηματική και επαναλήψιμη με αποτέλεσμα να μπορούν να υιοθετηθούν διαδικασίες διόρθωσης των μετρήσεων. Εκτός από την μελέτη σε μόνιμες συνθήκες λειτουργίας, μελετήθηκε και η μεταβατική λειτουργίας της μηχανής μέσω ενός μοντέλου που αναπτύχθηκε για αυτό το σκοπό. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων είναι σε αρκετά καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα. Η εμπειρία που αποκτήθηκε από το μεταβατικό μοντέλο λειτουργίας αναμένεται να αξιοποιηθεί για την ανάπτυξη μεταβατικού μοντέλου λειτουργίας για τα συστήματα SOFC-GT, προκειμένου να μελετηθεί καλύτερα το σύστημα ελέγχου για προστασία της συστοιχίας SOFC από αιχμές πίεσης, surge, αποσυσμπίεση κτλ.