Dynamic Modelling of Circulating Fluidized Bed Plant with Gas Turbine Repowering

Abstract

Increasing amount of renewable energy source based electricity production has set high load control requirements for power grid balance markets. The essential grid balance between electricity consumption and generation is currently hard to achieve economically with new-generation solutions. Therefore conventional combustion power generation will be examined in this thesis as a solution to the foregoing issue. Circulating fluidized bed (CFB) technology is known to have sufficient scale to acts as a large grid balancing unit. Although the load change rate of the CFB unit is known to be moderately high, supplementary repowering solution will be evaluated in this thesis for load change maximization. The repowering heat duty is delivered to the CFB feed water preheating section by smaller gas turbine (GT) unit. Consequently, steam extraction preheating may be decreased and large amount of the gas turbine exhaust heat may be utilized in the CFB process to reach maximum plant electrical efficiency. Earlier study of the repowering has focused on the efficiency improvements and retrofitting to maximize plant electrical output. This study however presents the CFB load change improvement possibilities achieved with supplementary GT heat. The repowering study is prefaced with literature and theory review for both of the processes to maximize accuracy of the research. Both dynamic and steady-state simulations accomplished with APROS simulation tool will be used to evaluate repowering effects to the CFB unit operation. Eventually, a conceptual level analysis is completed to compare repowered plant performance to the state-of-the-art CFB performance. Based on the performed simulations, considerably good improvements to the CFB process parameters are achieved with repowering. Consequently, the results show possibilities to higher ramp rate values achieved with repowered CFB technology. This enables better plant suitability to the grid balance markets.

Kasvava uusiutuviin energian tuotantomuotoihin perustuvan sähkötuotannon määrä on asettanut korkeita vaatimuksia sähköverkon tasapainotusratkaisuille. Verkon toiminnan kannalta tärkeä kulutuksen ja tuotannon välinen tasapaino on toistaiseksi hankalaa saavuttaa taloudellisesti uusiin teknologioihin pohjautuvilla ratkaisuilla. Näin ollen tässä diplomityössä tutkitaan perinteisemmän polttoon perustuvan kiertoleijukattilalaitoksen (CFB) käyttöä verkon tasapainoa ylläpitävänä yksikkönä. Vaikka kiertoleijukattilan tiedetään tarjoavan riittävän suuren kokoluokan ja suhteellisen korkean kuormanmuutoskyvyn, tässä työssä tutkitaan ulkopuolisen lämmön tarjoaman lisäkytkennän vaikutuksia korkeampaan tehonmuutoskykyyn. Ulkoinen, kaasuturbiiniyksiköstä johdettu lisälämpö syötetään kiertoleijukattilalaitoksen syöttöveteen, jolloin väliottohöyryn tarvetta voidaan pienentää ja kaasuturbiinin hukkalämpö saadaan tehokkaasti hyödynnettyä niin sanotulla repowering-ratkaisulla. Aiempi repowering-kytkennän tutkimus onkin keskittynyt kokonaishyötysuhteen parantamiseen ja retrofit-kytkennöillä saavutettaviin tehonlisäyksiin. Tässä diplomityössä lisälämmön syöttämisen vaikutuksia tarkastellaan pääasiassa CFB yksikön tehonmuutoskyvyn parantamisen näkökulmasta. Repowering-kytkennän tutkimus alustetaan molempien prosessien kirjallisuuskatsauksella. Tutkimus suoritetaan käyttäen apuna APROS mallinnustyökalulla aikaansaatuja mallinnustuloksia ja työn lopputuloksena suoritetaan konseptuaalisen tason analyysi kaasuturbiinikytkennällä varustetun kiertoleijukattilalaitoksen kuormanmuutoskyvystä yksikön normaaliin suorituskykyyn verrattuna. Mallinnustuloksista nähdään lisälämpökytkennän vaikutus pienentyneenä kiertoleijukattilaprosessin parametrien heittelynä verrattuna ilman kytkentää varustettuun yksikköön. Pienentyneet parametrien heilahtelut mahdollistavat tavallista korkeampien kuormanmuutosnopeuksien käytön, minkä nähdään tekevän laitoksesta sopivamman säätösähkömarkkinoita ajatellen.