Ανάλυση διατάξεων παραγωγής ισχύος από θερμικές στροβιλομηχανές με χρήση ηλιακής ενέργειας

Abstract

Solar Thermal Power Plants (STPPs) are called the plants with thermal engines where solar energy replaces partly or wholly the fossil fuel. STPPs convert the solar thermal power into mechanical (or electrical) mainly through the use of thermal turbomachines (gas turbine, steam turbine and combined cycle). Two are the main technologies for collecting and exploiting the solar energy: a) parabolic mirrors (troughs) in which the solar heat is imparted to a medium flowing through tubing along the focal line and b) tower receiver with flat mirrors (power tower) wherein the solar rays are reflected to the receiver on the top of the tower which heats the medium.Aim of this thesis is the development of a tool suitable for modelling any STPP configuration, simulating its operation and assessing its performance (thermodynamic and economic). Aim, also, is the study of STPP configurations with existing and alternative ways for exploiting solar power and to conduct studies on the design and operating parameters and components faults. The study carried out can be summarized as follows:Modelling STPP components: A STPP performance simulation tool was developed. Components modeling was carried out in the object-oriented programming environment PROOSIS due to its capabilities and the existence of the gas turbine component models. The models developed concern the solar and water/steam cycle components. Firstly, the mathematical expressions that describe the relationship between the physical quantities which characterize them were identified. After, the mathematical expressions were transferred to the PROOSIS environment where the necessary component icons were created. The modeling of any STPP is possible by appropriate combination of the component icons (in which the equations are contained). Validation of the developed component models was performed via the simulation of experiments and theoretical studies found in bibliography. It was found that the models have the accuracy required.Parameters of performance evaluation and comparison: The necessary thermodynamic and economic performance parameters were determined and expressed, in order to evaluate an STPP configuration and to compare configurations based on different technologies.The parameters of thermodynamic performance concern both the production capacity of the installation (power, energy), and efficiency (thermal efficiency). Also, due to the particular nature of STPPs, the thermodynamic parameters refer both to the overall heat input as well as to its portions (solar and conventional fuel). Finally, such a thermodynamic parameter is the solar share fraction.The economic performance is identified through LEC which is the sale price of electricity so that revenues are equal to expenses through the life of the plant. Based on existing expressions for calculating the LEC, a more detailed one was developed, taking into account economic factors such as the funding type and taxation. The correct behavior of the LEC expression was validated by using available financial data of the literature. The assessment of an STPP economic performance is able.Study of STPPs: With the use of the developed simulation tool and the performance parameters, studies were carried out on hybrid gas turbines, solar Rankine cycles and hybrid combined cycles.Hybrid gas turbine (solar air preheating): The study concerns the performance of the hybrid gas turbine where solar energy is used to preheat the air before the combustion chamber. The hybrid gas turbine requires a smaller amount of fuel but also presents a reduction in generated power.Also, the effect of design and performance parameters on performance was investigated. For a number of mirrors and above, the performance change is constant. The smallest decrease in energy produced exhibit recuperated engines. The use of IGVs can increase power output during solar-only mode, while in hybrid mode can be utilized to increase revenue for given requirements and cost factors. Based on the requirements and specific cost factors can be selected the appropriate operation type (conventional, solar and hybrid). The hybrid gas turbine arrangement is competitive for fuel prices >8$/MBTU.Finally, in order to reduce investment costs and coping with structural difficulties, a hybrid turbine based on a turbocharger was studied. Solar components have the dominant influence on electricity cost while it also strongly depends on the maximum allowable cycle temperature.Solar steam turbine: Three solar steam production technologies were examined: a) indirect by parabolic mirrors, b) direct by parabolic mirrors and c) direct from the tower configuration. It was found that the variation of flow rate of the heated medium is more efficient than the constant flow regarding power output. The assembly of the tower predominates over the other two concerning the annual energy production (~ 3.5%).Hybrid combined cycle: The use of solar energy in a combined cycle configuration was studied. For two mirror field sizes, the performance of the two alternatives: a) use of solar energy in the gas turbine, and b) use of solar energy in the steam turbine was accessed. The first approach leads to a reduction of the energy and a significant reduction of fuel consumption. The second approach requires oversizing the steam turbine and leads to increased annual energy output without affecting the gas turbine cycle. From the economic point of view, the hybridization of the gas turbine was found preferable from the hybridization of steam turbine throughout the range of fuel cost studied and is competitive for fuel prices >8$/MBTU.Alternative gas turbine hybridization configurations: The use of solar energy to preheat the gas turbine air is associated with construction and operating difficulties. Therefore, it is necessary to propose and study hybrid gas turbine configurations that utilize solar energy in different ways and use existing technologies so as to not require additional costs for the development of components.In this context we examined two alternative arrangements: a) solar reheated gas turbine and b) solar steam injection in gas turbine.Solar reheating requires the use of VSVs at power turbine and leads to an increase in power with unchanged fuel consumption. The increase in power is stronger as the TIT decreases, but this cause lower thermal efficiency. From the economic point of view, the arrangement is competitive only for high fuel cost values (~20$/MBTU).The steam injection into the gas turbine combustion chamber has been studied both in case of solar and hybrid steam production. This method leads to increase in power and an increase of fuel consumption. More efficient configuration is that of the tower/receiver with direct evaporation of water. In the case of hybrid steam production, placing the receiver in parallel with the existing evaporator is relatively efficient (in terms of generated energy and electricity cost) as compared to its placement in parallel with the HRSG. However, due to the particular design requirements of HRSG, preferable is the second approach. The approach of injecting hybrid produced steam is competitive for fuel prices >10$/MBTU.Finally, in order to exploit waste heat from the off-focus mirrors in cases of high radiation, we studied the possibility of using this heat to generate steam and injecting it into the gas turbine. This approach reduces the negative effect of hybridization (generated power decrease) and increases the solar share. From the economic point of view, it has similar performance to the usual hybrid gas turbine configuration.STPP faults: The efficient planning of maintenance tasks, and the health monitoring of components, requires the quantification of the effect of faults in performance. This field, although very important has not been studied yet. In the present study the influence of the main faults of STPPs accessed (mirror deposits, deregulation of flat mirror, breakage of parabolic mirrors glass envelope and compressor fouling) in their performance was accessed. It was found that damage or reduction in performance of the solar components reduces the offered solar heat which reduces the production or in the case of the hybrid engine, the operation is shifted closer to the conventional. In the parabolic mirrors the deposits have a stronger effect on performance than the breakage of the glass envelope, while in the flat mirrors the effect of deregulation decreases with increasing the number of mirrors.The development of a tool that allows to simulate the operation of any STPP configuration and the evaluation of its performance, the study of the effect of design and operating parameters and fault performance, comparative study of existing hybridization technology and the proposal and study of alternative hybridization methods of gas turbine, are innovative contribution and the basis of existing and future publications in scientific journals and conferences.

Διατάξεις θερμικών μηχανών όπου η ηλιακή ενέργεια αντικαθιστά εν μέρει ή εν όλω τη συμβατική ονομάζονται Ηλιοθερμικές Διατάξεις (Solar Thermal Power Plants – STPPs). Οι ηλιοθερμικές διατάξεις μετατρέπουν την ηλιακή θερμική ισχύ σε μηχανική (ή και ηλεκτρική) κυρίως μέσω της χρήσης θερμικών στροβιλομηχανών (αεριοστρόβιλος, ατμοστρόβιλος και συνδυασμένος κύκλος). Δύο είναι οι βασικότερες τεχνολογίες συγκέντρωσης και αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας: α) παραβολικά κάτοπτρα (troughs) όπου η ηλιακή θερμότητα προσδίδεται σε μέσο που διαρρέει σωλήνωση διερχόμενη από την εστιακή γραμμή τους και β) δέκτης πύργου με επίπεδα κάτοπτρα (power tower) όπου οι ηλιακές ακτίνες ανακλώνται σε δέκτη στην κορυφή του πύργου ο οποίος θερμαίνει το μέσο. Αντικείμενο της διατριβής είναι κατ’ αρχήν η ανάπτυξη γενικευμένου εργαλείου προσομοίωσης της λειτουργίας ηλιοθερμικών διατάξεων καθώς και αποτίμησης των επιδόσεών τους (θερμοδυναμικών και οικονομικών). Με χρήση του εργαλείου αυτού μελετώνται ηλιοθερμικές διατάξεις με στόχο τον προσδιορισμό λύσεων που θα συνεισφέρουν στη σχεδίαση για βελτίωση των επιδόσεων τους καθώς και στην αποδοτικότερη διαχείριση της λειτουργίας τους. Σκοπός είναι να συνεισφέρουμε στην εξέλιξη των εγκαταστάσεων αυτού του είδους, ώστε να διευκολυνθεί η ανάπτυξη και διείσδυση τους στο ενεργειακό μίγμα, ώστε να μπορέσουν αποτελέσουν έναν από τους εναλλακτικούς τρόπους εκμετάλλευσης των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στην προοπτική της μελλοντικής εξάπλωσης τους με στόχο να αποτελέσουν τη βασική (και μελλοντικά αποκλειστική) πηγή ενέργειας. Οι επί μέρους ενότητες της εργασίας συνοψίζονται παρακάτω.Μοντελοποίηση συνιστωσών ηλιοθερμικών διατάξεων: Δημιουργήθηκε ένα ενιαίο εργαλείο προσομοίωσης της λειτουργίας όλων των βασικών τύπων ηλιοθερμικών διατάξεων. Η μοντελοποίηση υλοποιήθηκε στο περιβάλλον αντικειμενοστραφούς προγραμματισμού PROOSIS λόγω των υψηλών δυνατοτήτων του και της ύπαρξης των μοντέλων των συνιστωσών του αεριοστροβίλου. Τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν στην παρούσα εργασία αφορούν τις ηλιακές συνιστώσες και τις συνιστώσες του κύκλου νερού/ατμού. Αρχικά προσδιορίστηκαν οι μαθηματικές εκφράσεις που περιγράφουν τη σχέση μεταξύ των φυσικών μεγεθών που τις χαρακτηρίζουν. Με βάση αυτές υλοποιήθηκαν υπολογιστικά μοντέλα στο PROOSIS, αντιπροσωπεύοντας κάθε διάταξη με ένα εικονίδιο. Η δημιουργία μοντέλου μιας σύνθετης ηλιοθερμικής διάταξης, είναι δυνατή μέσω της κατάλληλης σύνδεσης των εικονιδίων. Η σωστή λειτουργία των αναπτυχθέντων μοντέλων των συνιστωσών πιστοποιήθηκε με εφαρμογή σε δεδομένα πειραμάτων και θεωρητικών μελετών της βιβλιογραφίας. Από τη διαδικασία αυτή προέκυψε πως τα αναπτυχθέντα μοντέλα έχουν την απαιτούμενη ακρίβεια.Παράμετροι αξιολόγησης επιδόσεων και σύγκρισης: Για την αξιολόγηση μιας ηλιοθερμικής διάταξης καθώς και για τη σύγκριση διατάξεων διαφορετικών τεχνολογιών, προσδιορίστηκαν και εκφράστηκαν οι απαραίτητες παράμετροι που αφορούν τις θερμοδυναμικές και τις οικονομικές επιδόσεις. Οι παράμετροι των θερμοδυναμικών επιδόσεων αφορούν τόσο τη δυνατότητα παραγωγής της εγκατάστασης (ισχύς, ενέργεια), όσο και την αποδοτικότητα (θερμικός βαθμός απόδοσης). Λόγω της ιδιαίτερης φύσης των ηλιοθερμικών διατάξεων, οι θερμοδυναμικές παράμετροι αναφέρονται τόσο στη συνολική προσδιδόμενη ενέργεια όσο και στις συνιστώσες της (ηλιακή και συμβατικού καυσίμου). Τέλος, θερμοδυναμική παράμετρο αποτελεί και το ποσοστό συνεισφοράς της ηλιακής ενέργειας. Οι οικονομικές επιδόσεις προσδιορίζονται μέσω της ποσότητας LEC (Levelized electricity Cost) που είναι η τιμή πώλησης της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας έτσι ώστε τα έσοδα να ισούνται με τα έξοδα στη διάρκεια ζωής της εγκατάστασης. Με βάση τις υπάρχουσες εκφράσεις για τον υπολογισμό του LEC, προσδιορίστηκε μια πληρέστερη που λαμβάνει υπ’ όψιν οικονομικούς παράγοντες όπως το σχήμα χρηματοδότησης και τη φορολογία. Η σωστή συμπεριφορά της σχέσης υπολογισμού του LEC πιστοποιήθηκε μέσω χρήσης διαθέσιμων οικονομικών δεδομένων της βιβλιογραφίας. Από τη διαδικασία αυτή φάνηκε η δυνατότητα αξιόπιστης εκτίμησης των οικονομικών επιδόσεων.Με τη χρήση των αναπτυχθέντων εργαλείων μοντελοποίησης και αξιολόγησης, πραγματοποιήθηκε η μελέτη ηλιακών και υβριδικών κύκλων αεριοστρόβιλου, ηλιακών κύκλων Rankine και υβριδικών συνδυασμένων κύκλων.Υβριδικός αεριοστρόβιλος με ηλιακή προθέρμανση αέρα: Μελετήθηκε η λειτουργία και προσδιορίστηκαν οι επιδόσεις του υβριδικού αεριοστροβίλου όπου η ηλιακή ενέργεια χρησιμοποιείται για να προθερμάνει τον αέρα πριν τον θάλαμο καύσης. Ο υβριδικός αεριοστρόβιλος απαιτεί μικρότερη ποσότητα καυσίμου αλλά παράλληλα παρουσιάζει και μείωση στην παραγόμενη ενέργεια. Ακόμα, μελετήθηκε η επίδραση παραμέτρων σχεδίασης και λειτουργίας στις επιδόσεις. Η μεταβολή των επιδόσεων παραμένει σταθερή από έναν αριθμό κατόπτρων και άνω. Τη μικρότερη μείωση στην παραγόμενη ενέργεια παρουσιάζουν διατάξεις με ανακόμιση θερμότητας. Η χρήση των IGVs δύναται να αυξήσει την παραγόμενη ισχύ κατά τη λειτουργία μόνο με ηλιακή ενέργεια, ενώ κατά την υβριδική λειτουργία μπορεί να επιλεγεί για αύξηση των εσόδων για δεδομένες απαιτήσεις και παράγοντες κόστους. Με βάση τις απαιτήσεις και συγκεκριμένους παράγοντες κόστους μπορεί να επιλεγεί και ο καταλληλότερος τύπος λειτουργίας (συμβατικός, ηλιακός και υβριδικός). Η διάταξη υβριδικού αεριοστροβίλου γίνεται ανταγωνιστική για τιμές καυσίμου >8$/MBTU.Τέλος, με σκοπό τη μείωση του κόστους επένδυσης αλλά και την αντιμετώπιση κατασκευαστικών δυσκολιών μελετήθηκε η χρήση στροβιλοϋπερπληρωτή για τη συγκρότηση της διάταξης του υβριδικού αεριοστροβίλου. Παρατηρήθηκε η κυρίαρχη επίδραση του κόστους των ηλιακών συνιστωσών στο κόστος ηλεκτροπαραγωγής, ενώ αυτό εξαρτάται άμεσα και από τη μέγιστη επιτρεπτή θερμοκρασία του κύκλου.Ηλιακός ατμοστρόβιλος: Εξετάστηκαν τρεις τεχνολογίες ατμοπαραγωγής: α) έμμεση από παραβολικά κάτοπτρα, β) άμεση από παραβολικά κάτοπτρα και γ) άμεση από διάταξη πύργου. Βρέθηκε ότι η λειτουργία με μεταβαλλόμενη παροχή του θερμαινόμενου μέσου είναι αποδοτικότερη από αυτή της σταθερούς παροχής, όσον αφορά την παραγόμενη ισχύ. Η διάταξη του πύργου υπερτερεί έναντι των άλλων δύο όσον αφορά την ετήσια παραγόμενη ενέργεια (~3.5%). Υβριδικός συνδυασμένος κύκλος: Εξετάστηκε η χρήση της ηλιακής ενέργειας σε διάταξη συνδυασμένου κύκλου. Για δύο συγκεκριμένα μεγέθη πεδίου κατόπτρων μελετήθηκε η απόδοση των δύο εναλλακτικών: α) χρήση της ηλιακής ενέργειας στον αεριοστρόβιλο και β) χρήση της ηλιακής ενέργειας στον ατμοστρόβιλο. Η πρώτη προσέγγιση οδηγεί σε μείωση της παραγόμενης ενέργειας αλλά και σε σημαντική μείωση της κατανάλωσης καυσίμου. Η δεύτερη προσέγγιση απαιτεί την υπερδιαστασιολόγηση του ατμοστροβίλου και οδηγεί σε αυξημένη ετήσια παραγόμενη ενέργεια χωρίς να επηρεάζεται ο κύκλος του αεριοστροβίλου. Από οικονομικής άποψης, η υβριδοποίηση του αεριοστροβίλου βρέθηκε προτιμότερη από την υβριδοποίηση του ατμοστροβίλου σε όλο το εύρος τιμών του κόστους καυσίμου που μελετήθηκε και γίνεται ανταγωνιστική για τιμές καυσίμου >8$/MBTU. Εναλλακτικοί τρόποι υβριδοποίησης αεριοστροβίλου: Η χρήση της ηλιακής ενέργειας για την προθέρμανση του αέρα του αεριοστροβίλου συνδέεται με κατασκευαστικές και λειτουργικές δυσκολίες συνδεόμενες με τον τρόπο εξαγωγής του αέρα από τη μηχανή και τη σχεδίαση και τη λειτουργία του θαλάμου καύσης. Ως εκ τούτου, είναι αναγκαία η πρόταση και η διερεύνηση διατάξεων αεριοστροβίλου που αξιοποιούν την ηλιακή ενέργεια με διαφορετικό τρόπο και η χρήση υπαρχουσών τεχνολογιών ούτως ώστε να μην απαιτείται επιπλέον κόστος για την ανάπτυξη των συνιστωσών. Σε αυτό το πλαίσιο εξετάστηκαν δύο εναλλακτικές διατάξεις: α) αεριοστρόβιλος με ηλιακή αναθέρμανση και β) αεριοστρόβιλος με έγχυση ατμού παραγόμενου από ηλιακή ενέργεια. Η ηλιακή αναθέρμανση απαιτεί τη χρήση των VSVs στο στρόβιλο ισχύος και οδηγεί σε αύξηση της παραγόμενης ισχύος με αμετάβλητη την κατανάλωση καυσίμου. Η αύξηση της παραγόμενης ισχύος είναι εντονότερη όσο μειώνεται η ΤΙΤ του αεριοστροβίλου, που όμως επιφέρει μικρότερο θερμικό βαθμό απόδοσης. Από οικονομικής άποψης, η διάταξη είναι ανταγωνιστική μόνο για υψηλές τιμές του κόστους καυσίμου (~20$/MBTU). Η έγχυση ατμού στο θάλαμο καύσης αεριοστροβίλου μελετήθηκε τόσο για την περίπτωση της ηλιακής όσο και της υβριδικής παραγωγής ατμού. Η μέθοδος αυτή οδηγεί στην αύξηση της παραγόμενης ισχύος με ταυτόχρονη αύξηση της κατανάλωσης καυσίμου. Αποδοτικότερη ηλιακή διάταξη κρίνεται αυτή του πύργου/δέκτη με άμεση ατμοποίηση του νερού. Στη περίπτωση της υβριδικής παραγωγής ατμού, η τοποθέτηση του δέκτη παράλληλα με τον υπάρχοντα ατμοποιητή είναι σχετικά αποδοτικότερη (όσον αφορά την παραγόμενη ενέργεια και το κόστος ηλεκτροπαραγωγής) σε σύγκριση με την τοποθέτησή του παράλληλα με τον ΛΑΘ. Όμως, λόγω των ιδιαίτερων απαιτήσεων σχεδίασης του ΛΑΘ, ευκολότερα υλοποιήσιμη κρίνεται η δεύτερη προσέγγιση. Η προσέγγιση της έγχυσης υβριδικά παραγόμενου ατμού γίνεται ανταγωνιστική για τιμές καυσίμου >10$/MBTU.Τέλος, με σκοπό την αξιοποίηση της απορριπτόμενης θερμότητας από την από-εστίαση των κατόπτρων σε περιπτώσεις υψηλής ακτινοβολίας, μελετήθηκε η δυνατότητα της αξιοποίησης αυτής της θερμότητας για παραγωγή και έγχυση ατμού στη συνήθη διάταξη υβριδικού αεριοστροβίλου. Αυτή η προσέγγιση έχει ως αποτέλεσμα την μείωση της αρνητικής επίδρασης της υβριδοποίησης (μείωση παραγόμενης ισχύος) και την αύξηση της ηλιακής ενέργειας που αξιοποιείται. Από οικονομικής άποψης παρουσιάζει παρόμοιες επιδόσεις με τη συνήθη διάταξη υβριδικού αεριοστροβίλου.Βλάβες ηλιοθερμικών διατάξεων: Ο αποδοτικότερος προγραμματισμός των εργασιών συντήρησης, καθώς και η παρακολούθηση της υγείας των συνιστωσών μιας διάταξης απαιτεί την ποσοτικοποίηση της επίδρασης των βλαβών στις επιδόσεις. Το πεδίο αυτό, αν και ιδιαίτερα σημαντικό δεν έχει μελετηθεί. Στη παρούσα εργασία μελετήθηκε η επίδραση των κυριότερων βλαβών των ηλιοθερμικών διατάξεων στις επιδόσεις τους (επικαθίσεις στα κάτοπτρα, απορύθμιση επίπεδων κατόπτρων, θραύση υάλινου μονωτικού περιβλήματος παραβολικών κατόπτρων και επικαθίσεις στα πτερύγια του συμπιεστή). Βρέθηκε πως βλάβη ή μείωση των επιδόσεων των ηλιακών συνιστωσών μειώνει την προσφερόμενη ηλιακή θερμότητα με αποτέλεσμα να μειώνεται η παραγωγή της ηλιακά λειτουργούσας διάταξης ή στην περίπτωση της υβριδικής μηχανής, η λειτουργία μετατοπίζεται πλησιέστερα της συμβατικής. Στα παραβολικά κάτοπτρα οι επικαθίσεις έχουν εντονότερη επίδραση στις επιδόσεις από ότι η θραύση του υάλινου περιβλήματος, ενώ στα επίπεδα κάτοπτρα η επίδραση της βλάβης της απορύθμισης μειώνεται με την αύξηση του αριθμού των κατόπτρων.Η ανάπτυξη ενός εργαλείου που επιτρέπει την προσομοίωση της λειτουργίας οποιασδήποτε ηλιοθερμικής διάταξης και την εκτίμηση των επιδόσεών της, η μελέτες της επίδρασης παραμέτρων σχεδίασης και λειτουργίας καθώς και βλαβών στις επιδόσεις που πραγματοποιήθηκαν, η συγκριτική μελέτη υπαρχουσών τεχνολογιών υβριδοποίησης καθώς και η πρόταση και μελέτη εναλλακτικών τρόπων υβριδοποίησης του αεριοστροβίλου, αποτελούν στοιχεία καινοτόμου συμβολής της παρούσας εργασίας, έχουν ήδη αποτελέσει τη βάση υφιστάμενων και μελλοντικών δημοσιεύσεων σε επιστημονικά περιοδικά και συνέδρια.