Sådan påvirker udsving i affaldets brændværdi effekten fra en WTE-turbine

Hvordan udsving i affaldets brændværdi påvirker WTE-turbinens effekt

Affaldsenergianlæg modtager sjældent brændsel med en konstant brændværdi. Ændringer i affaldets sammensætning og fugtighed påvirker kedlens varmeinput, dampproduktionen og driftsforholdene og dermed WTE-turbinens effekt, selv når affaldsgennemstrømningen er uændret. Sammenhængen er ikke blot »mere brændbart affald er lig med mere elektricitet«. Ovnens kapacitet, dampforholdene, varmeudtaget og kondensatorens ydeevne afgør, hvor meget ekstra energi der når frem til generatoren.

I konventionelle, forbrændingsbaserede affaldsenergianlæg er turbinen normalt en dampturbine. Den reagerer på den damp, kedlen leverer, ikke direkte på affaldet. En brugbar vurdering følger derfor energiens vej fra det indgående affald til den nettoeksporterede effekt og identificerer, hvor udsving absorberes, reguleres eller begrænses.

Brændværdien ændrer kedlens energibalance

Udgangspunktet er affaldets nedre brændværdi, LHV, opgjort på modtaget basis. Dette grundlag er vigtigt: Et laboratorieresultat på tørbasis kan ikke anvendes direkte på en våd affaldsmængde. Højere fugtighed reducerer generelt den tilgængelige energi pr. ton og øger den energi, der kræves til at fordampe vand. Ændringer i indholdet af plast, papir, madaffald og inert materiale påvirker også brændværdien.

Ved en indledende beregning fås affaldets termiske input ved at gange affaldets massestrøm med LHV på modtaget basis. Den varme, der overføres til dampen, afhænger derefter af kedlens virkningsgrad, tilførsel af hjælpebrændsel og driftsforholdene. Dampproduktionen kan tilnærmes ved at dividere den nyttige varmeoverførsel fra kedlen med entalpistigningen fra fødevand til hoveddamp.

Dette forklarer, hvorfor et uændret tonnageflow pr. time ikke garanterer en uændret effekt i megawatt. Hvis LHV falder, mens gennemstrømningen er konstant, er der mindre varme til rådighed til dampproduktion. Reaktionen forsinkes dog af forbrændingen i affaldslaget, ovnforholdene og kedlens termiske lagring. En kortvarig forstyrrelse kan udjævnes; en vedvarende ændring påvirker til sidst dampbalancen.

Sådan påvirker ændringer i dampen generatoren

En forenklet sammenhæng for turbineeffekt er dampens massestrøm ganget med det faktiske entalpifald gennem turbinen, fratrukket mekaniske tab og generatortab. Ved udtag eller kraftvarmeproduktion skal beregningen tage højde for hver dampvej. Damp, der ledes til fjernvarme eller industrielle brugere, kan ikke levere det samme elektriske arbejde som damp, der ekspanderer gennem de resterende trin.

Når en lavere LHV reducerer damptilgængeligheden, regulerer turbineguvernøren dampindtaget for at opretholde det valgte driftspunkt inden for den tilgængelige kapacitet. Hoveddamptrykket kan falde, hvis efterspørgslen overstiger produktionen. Hvis kedelstyringen holder tryk og temperatur nogenlunde stabile, bliver den reducerede dampstrøm hovedårsagen til lavere effekt.

Virkningsgraden ved dellast har også betydning. Ventilstrupning, drift uden for dimensioneringspunktet og tab, der ikke falder proportionalt med effekten, kan reducere konverteringsvirkningsgraden. Omfanget afhænger af turbinekonfigurationen og reguleringsstrategien; det bør fastlægges ud fra leverandørens ydelseskurver og ikke en generisk procentsats.

Nettoeksporten kan falde mere end bruttoproduktionen, fordi ventilatorer, pumper, røggasrensningsudstyr og andet hjælpeudstyr stadig bruger strøm. Nogle belastninger varierer med driftsforholdene, mens andre er relativt konstante. En beregning, der kun omfatter turbinen, overser derfor en del af den kommercielle risiko.

Hvorfor en højere LHV ikke nødvendigvis øger effekten

Et anlæg kan være begrænset af affaldets massestrøm eller af det termiske input. Når ovnen når sin tilladte termiske belastning, kan affald med højere LHV kræve en lavere tilførselshastighed. Kedlens forbrændingsdiagram, der viser den tilladte gennemstrømning i forhold til brændværdien, er mere oplysende end ét enkelt nominelt tal for affaldsbehandlingen.

Flere begrænsninger længere nedstrøms kan også udjævne effektstigningen:

• Begrænsninger i kedel og overheder: Kapaciteten til dampproduktion, metaltemperaturer, tilsmudsning og risiko for korrosion begrænser det anvendelige varmeinput.
• Turbinekapacitet for dampindtag: Den maksimale dampstrøm og ventilkapaciteten begrænser, hvor meget ekstra damp der kan optages.
• Generatorens mærkeeffekt: Elektriske begrænsninger og kølebegrænsninger kan sætte et loft over effekten, før kedlen når sin maksimale produktion.
• Kondensatorforhold: Et højere udstødningstryk reducerer det tilgængelige ekspansionsarbejde, især ved ugunstige køleforhold.
• Forpligtelser til varmelevering: Det nødvendige udtagsflow kan have prioritet frem for yderligere elproduktion.

En højere brændværdi siger heller ikke meget om brændslets kemi. En affaldsstrøm med mere brændbart materiale kan have et andet indhold af klor, alkalimetaller eller metaller. Disse egenskaber kræver en separat vurdering; en forhøjelse af damptemperaturen for at udnytte den ekstra varme er ikke automatisk en acceptabel løsning.

Reguleringen bør stabilisere dampen, ikke reagere på hvert udsving

Blanding i affaldsbunkeren og kontrolleret indfyring kan reducere variationer i brændslet, før det når risten. Forbrændingsstyringen koordinerer derefter tilførselshastighed, ristens bevægelse, forbrændingsluft og ovntræk. Damptrykket er et nyttigt feedbacksignal, men den forsinkede reaktion betyder, at kraftige korrektioner kan skabe svingninger i stedet for stabilitet.

Kedel- og turbinestyringen skal følge en fælles aftalt driftsfilosofi. En turbine, der forsøger at fastholde den elektriske belastning, mens kedlens varmeinput falder, kan fremskynde trykfaldet. En strategi, der følger trykket, kan omvendt beskytte dampforholdene, mens effekten får lov til at variere. Den foretrukne tilgang afhænger af netforpligtelser, varmebehov og udstyrsbegrænsninger.

Supplerende fyring kan understøtte forbrændingen eller dampproduktionen, hvis anlæggets udformning og tilladelse giver mulighed for det, men det tilførte brændsel skal indgå i beregningerne af virkningsgrad og driftsomkostninger. Turbinebypasssystemer kan håndtere visse overgangsforløb, men damp, der ledes uden om turbinen, går tabt for elproduktionen. Ingen af tiltagene skaber ekstra energi fra affaldet.

Vurder et driftsområde, ikke kun den nominelle effekt

En troværdig specifikation for en WTE-turbine bør knytte det forventede LHV-interval til minimale, normale og maksimale dampforhold. Bed om ydelsesprognoser for relevante dampstrømme, indløbstryk og -temperaturer, kondensatortryk og udtagsbehov. Medtag tilladte belastningsændringer, mindste kontinuerlige belastning og begrænsninger ved temperaturudsving.

Ved kontraktmæssige prøvninger skal målegrænser og korrektionsmetoder defineres udtrykkeligt. IEC 60953 beskriver metoder til termisk acceptprøvning af dampturbiner, hvor standarden er relevant for det aftalte prøvningsomfang. Et acceptprøvningsresultat for en turbine ved specificerede dampforhold dokumenterer ikke i sig selv anlæggets effekt ved varierende affaldskvalitet. Brændstofprøvetagning, kedelydelse og hjælpeforbrug kræver hver deres aftalte behandling.

SINO-QNP’s mere end 30 års erfaring med turbomaskiner, herunder dampturbiner, kompressorer, generatorer, design, produktion, EPC-understøttelse og reservedele, giver et relevant grundlag for at drøfte disse grænseflader. Det nyttige resultat er et koordineret driftsområde for kedel, turbine og generator, understøttet af klart fordelte styringsansvar og serviceydelser, snarere end en isoleret mærkeeffekt.

Hvis et projekt også overvejer separat brændt elproduktion, omfatter SINO-QNP’sgas­turbineudvalg modeller fra 2 til 114.5 MW, hvor brændselsmulighederne varierer fra model til model. Det er en separat systembeslutning, ikke en direkte erstatning for dampturbinen i et konventionelt WTE-kredsløb. Enhver foreslået integration kræver sin egen vurdering af brændsel, varmegenvinding, emissioner og nettoeffekt.

Det afgørende spørgsmål er, hvor meget effekt anlægget kan opretholde under de faktiske forhold for affald og køling. Før en effektydelsesgaranti accepteres, skal grundlaget for LHV på modtaget basis, forbrændingsbegrænsninger, dampområde, udtagsplan og grænse for hjælpeforbrug bekræftes. Disse forudsætninger afgør, om de lovede megawatt svarer til en gentagelig driftsbetingelse eller blot et gunstigt dimensioneringspunkt.