Lisäpoltolla varustetun maakaasukombivoimalaitoksen optimointi.

Abstract

Voimalaitoksen sisäisellä optimoinnilla pyritään parantamaan prosessia ja lisäämään voimalaitoskonseptin kilpailukykyä energiamarkkinoilla. Tässä työssä optimoitiin lisäpoltolla varustettua, sähköteholtaan noin 125 MW:n maakaasukompivoimalaitosta. Työ on osa Fortum Engineering Oy:n konseptikehitysohjelmaa. Kaasuturbiinin savukaasun sisältämää happea voidaan hyödyntää lämmöntal-teenottokattilan savukaasukanavaan sijoitetussa lisäpoltossa. Lisäpoltolla saadaan nostettua savukaasun lämpötilaa ja lisättyä tuotetun tuorehöyryn määrää. Työssä tutkittiin lisäpolton kannattavuutta ja sen vaikutusta voimalaitoksen mitoitukseen. Lisäpolton lämpötila valitaan teknisten rajoitusten perusteella, jolloin siitä aiheutuvat investointikustannukset eivät nouse merkittäviksi. Optimointimenetelmä pohjautuu Fortum Oyj:ssä kehitetyllä voimalaitossimulaattori Solvolla laskettujen lämpötaseiden ja asiantuntija-arvioihin perustuvien investointikustannuskaavojen käyttöön. Taloudelliset lähtöarvot on valittu Itä-Euroopan markkinatilanteen mukaisiksi. Kannattavuuslaskelmat perustuvat nykyarvomenetelmään, jossa investointikustannuksille ja sähkön ja kaukolämmön myynnistä saaduille tuotoille lasketaan nykyarvo. Teknisten rajoitusten puitteissa suurimman nykyarvon antava tapaus on aina kunkin tutkittavan prosessisuureen optimitapaus. Tutkittavia prosessisuureita voivat olla esimerkiksi tuorehöyryn tila-arvot. Eräs työn tavoitteista oli selvittää lämmöntalteenottokattilan painetasojen optimaalinen lukumäärä. Lisäpoltto todettiin lämmitysvoimalaitoksella kannattavaksi ratkaisuksi kun nyt optimoitua laitosta verrattiin ilman lisäpolttoa mitoitettuun vastaavanlaiseen laitokseen. Kannattavuuslaskelmille tehtiin herkkyystarkastelut, joiden avulla tutkittiin mitoitetun konseptin herkkyyttä taloudellisten lähtöarvojen muutoksille. Herkkyysanalyysin avulla optimoitua voimalaitoskonseptia voidaan hyödyntää suuremmalla taloudellisten lähtöarvojen vaihteluvälillä.

Internal optimization of a power plant aims to improve the process and to increase the competitiveness of a power plant concept in energy markets. This thesis covers the optimization of a combined cycle gas turbine power plant equipped with supplementary firing with an electric output of about 125 MW. This thesis is a part of a concept development programme of Fortum Engineering Ltd.Exhaust gas of a gas turbine contains oxygen that is possible to use in supplementary firing in exhaust gas duct of a heat recovery steam generator. With supplementary firing it is possible to increase the temperature of the exhaust gas and the quantity of live steam. This thesis examines a profitability of the supplementary firing and its effect on the design of a power plant. Temperature after duct burner is chosen on the basis of technical limits so that the investment costs will not increase significantly.Optimization method is based on the heat balances calculated with a power plant simulator Solvo that is developed by Fortum Corporation. Investment cost calculations are done with formulas based on estimations of experts. Economical values used are based on the market situation in Eastern Europe. Profitability calculations are done by using the net present value method where the net present value is calculated with investment costs and profits gained from selling electricity and district heat. A case with the largest net present value is chosen to be the optimal case of a design parameter. Live steam parameters present examples of design parameters that are optimized. Technical limits can sometimes set limits to optimization. An important target of the thesis was to find an optimal amount of pressure levels in the heat recovery steam generator. Supplementary firing found out to be a profitable solution for a combined heat and power production. Sensitivity analysis was made on the basis of the profitability calculations. Sensitivity analysis examines a susceptibility of the designed concept to change in economical values. With results of the sensitivity analysis it is possible to utilize the optimized concept in larger range of economical parameters.