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 +46 46-222 00 00 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