Institute for Thermal Turbomaschinery and Machine Dynamics

Graz University of TechnologyErzherzog-Johann-University

Gasturbine mit CO2-Rückhaltung – 500 MW (Oxyfuel-System Graz Cycle)

Herbert Jericha, Wolfgang Sanz und Emil GöttlichInstitut für Thermische Turbomaschinen und Maschinendynamik

Technische Universität GrazÖsterreich

5. VDI-Fachtagung:Stationäre Gasturbinen im Fokus von Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Klimaschutz

21. - 22. November 2006, Forum Leverkusen

Background (Zitat ASME 2006)

• Toronto Conference 1988, a Call for Action• Kyoto Protocol demands the reduction of greenhouse

gases, mainly CO2• In EU: strong pressure on utilities and companies to

reduce CO2 emissions• In 2005: emission allowances to about 10 000 companies

within the EU covering about 46 % of the overall EU CO2 emissions

• As emission allowances become scarce: CO2 generates costs (European Emission Allowances in March 2006: 27 €/ton CO2)

• CO2 and N2 from ASU can be utilized for Enhanced Oil Recovery (EOR)Return: 20 – 40 $/ton CO2

Oxy-Fuel Cycles (Zitat ASME 2006)

• Oxy-fuel cycles with internal combustion with pure oxygen are a very promising technology(Global Gas Turbine News 10/2005)

+ CO2 can be easily separated by condensation fromworking fluid consisting of CO2 and H2O, no need for very penalizing scrubbing

+ Very low NOx generation (fuel bound N2)

+ Flexibility regarding fuel: high CO2 content natural gas, syngas from coal, biomass or refinery res. gasification

- New equipment required

- Additional high costs of oxygen production

+ These new cycles show higher efficiencies than currentair-based combined cycles (Graz Cycle, Matiant cycle,Water cycle,...)

History of the Graz Cycle (Zitat ASME 2006)

• 1985: presentation of a power cycle without any emission (CIMAC Oslo)• H2/O2 internally fired steam cycle, as integration of top Brayton

steam cycle and bottom Rankine cycle • efficiency 6 % - points higher than state-of-the art CC plants

• 1995: Graz cycle adopted for the combustion of fossil fuels like methane (CH4) (CIMAC Interlaken & ASME Cogen Vienna)• cycle fluid is a mixture of H2O and CO2• thermal cycle efficiency: 64 %

• 2000: thermodynamically optimized cycle for syngas from coal gasification (VDI Essen – in German)

• 2002/2003: conceptual layout of prototype Graz Cycle power plant: detailed design of components (ASME Amsterdam, VDI Leverkusen, ASME Best Paper Award in Atlanta)

• 2004/2005: presentation of S-Graz Cycle with 69% thermal efficiency and 57 % net efficiency for syngas firing (ASME Vienna, ASME Reno)

Kreisprozess (Zitat ASME 2006)

Cycle Fluid

79 % H2O21 % CO2

H2O

CO2

water

C4

1.95 bar

C3

1.27 bar

0.75 bar

LPST Condenser

175 °C 0.021 bar180 bar550°C

HPT

Deaerator

C1/C2

580°C

Fuel(methane)

O2Combustor

steam

40 bar

HTT1400°C

HRSG

1bar573°C

180°C

water injectionfor cooling

Compressors C3 and C4 raisepartial steam pressure for condensation and deliver CO2

Heat Transfer in Condenser/Evaporator

0

50

100

150

200

0 20000 40000 60000 80000

Heat [kW]

Tem

pera

ture

[°C

]

Condenser/Evaporator 1

Preheater1+2

Condenser/Evaporator 2

water/steam

working fluid

1.27 bar1.95 bar

Separation of 63% of water content

• Constant re-evaporation pressure of 0.75 bar for the bottoming steam cycle

• LPST inlet temperature of 175 °C; expansion line crosses Wilson line at last blade inlet, thus low humidity losses

Ergebnisse der Kreisprozessrechnung

HTT Leistung [MW] 617.9 Netto-Wellenleistung ohne mechanische Verluste [MW]

504.7

HPT Leistung [MW] 49.9 Gesamte Wärmezufuhr [MW] 758.6

LPST Leistung [MW] 71.6 Thermischer Wirkungsgrad[%]

66.52

Gesamte Turbinenleistung [MW]

739.4 Elektrische Leistung inkl. aller Zusatz-Verluste [MW]

490.7

C1 Leistung [MW] 131.1 Netto-Prozesswirkungsgrad[%]

64.68

C2 Leistung [MW] 82.6 O2 Erzeugung & Verdichtung PO2 [MW]

74.7

C3 Leistung [MW] 8.9 Wirkungsgrad inkl. O2Bereitstellung [%]

54.83

C4 Leistung [MW] 6.6 CO2 Verdichtung auf 100 bar PCO2 [MW]

13.0

Pumpenleistung [MW] 5.5 Nettoleistung [MW] 403.0

Gesamte Verdichterleistung [MW]

234.7 Nettowirkungsgrad [%] 53.12

Wellenkonfiguration - 490 MW

• Main gas turbine components on two shafts for 400 MW net output• Compression shaft of 8500 rpm: cycle compressors C1 and C2, driven

by first part of HTT, the compressor turbine HTTC• Power shaft of 3000/3600 rpm: power turbine HTTP as second part of

HTT drives the generatorFour-flow LPST at the opposite side of the generator

• Shafts on same spring foundationIntercooler between C1 and C2 on fixed foundation connected to HRSG

Seiten-Ansicht

Vertikaler Schnitt

Zwischen-kühler

vom HRSG

zum HRSG

Generator

4-flutige 3-stufige LPST

vom Kondensator/Verdampfer

C2C1

Schnelle Welle Langsame Welle

HTT

Federnd gelagerte Fundamentplatte

Schnittbild der schnellen Welle (8500 Upm)

• Besteht aus Verdichtern C1 und C2 für das Kreislaufmedium (79% H2O/ 21 % CO2) sowie HTTC

Hochtemperaturturbine HTT

• Kompressorturbine HTTC (8500 Upm) und Nutzleistungsturbine HTTP (3000 Upm)

• HTTC: eine transsonische Stufe• HTTP: 5 subsonische Stufen, Schubausgleich an Austrittsseite

Kühlungsdetails HTTC und C2

• Gemeinsame Welle mit Übergang in Scheibe gleicher Festigkeit• Scheibe beidseitig mit Kühldampf von 300°C beaufschlagt• Scheibe rechts: Kühldampf zum Ausgleich des Axialschubs• C2-Läufer: ebenfalls Kühlung zur Vermeidung von Kriechen

Dampfeinspritzungzur Verbesserung desmeridionalen Strömungsprofils

Kühldampf

Brennkammer (Zitat ASME 2006)• Design as presented at ASME 2003,

scaled up from 75 to 400 net power

• Stoichiometric combustion of fossil fuel and O2 at 40 bar

• Combustor exit temperature: 1400 °C

• Oxidizer is not cooling medium, thus risk of incomplete combustion. So fuel and O2 inflow have to be kept in close contact in burner vortex

• Cooling of burner by steam wrapping around burner head, limits flame temperature and prevents acoustic vibrations excitation

• Annular flame casing with 6 quadruples of burner tubes

• Cooling of annular flame cage by recompressed working fluid flow

• Tangential arrangement provides additional flow path length for better mixture and pre-swirl for first turbine stage

Festigkeit Welle C2-HTTC

• Analytische Lösungen für Scheibe gleicher Festigkeit (Traupel) und Scheibe konstanter Dicke

• Rotor auf 300°C gekühlt

Kompressor C1

• Verdichtung von 1 -> 13 bar, 106° -> 442°C • Drehzahl von 8500 Upm führt zu Eintrittsmachzahl an der Spitze von 1.33• 7 axiale und 1 radiale Stufe

Kompressor C1 - Details

• Erste axiale Stufe: Blisk aus Titanlegierung wegen hoher Fliehkraft• Letzte Stufe: Radialrad aus Nickellegierung• Aufnahme radialer Dehnungen durch elastische Ringe

Verwendung von Zweikeillagern• Zweikeillager: Patent Elin 1963• a) Lagerspielraum mit Gleichgewichtslinien für B/D=1, hier 120°-Linie • b) Dämpfungskräfte des Halbschalenlagers (B/D=1), Lagerkraft

abhängig von Zapfengeschwindigkeit; • c) Sommerfeldzahl der Dämpfung vs. relativer Zapfenauslenkung• Es ergeben sich daher große und wirksame Dämpfungen.

Rotordynamik C1

• 1. Eigenfrequenz: 0.622 x 8500 Upm, 2. Eigenfrequenz: 16 790 Upm• Selbstzentrierung der Welle führt zu kleinen Lagerkräften und geringen

Spaltänderungen

1. EF

2. EF

C1-Welle bei großer Unwucht

• starke Auslenkung an der Stelle der Unwucht• Rückhaltung durch Kreiselwirkung und Lagerkraft• Zentrierung durch Zweikeillager ergibt insgesamt zulässige Auslenkung

ohne Streifgefahr aller anderen Stufen.

Zusammenfassung

• Graz Cylce ist ein Kraftwerksprozess für die einfache Rückhaltung des bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehenden CO2 zum Schutz der Atmosphäre bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad

• In dieser Arbeit wurden die Turbomaschinen für ein Kraftwerk von 400 MW Nettoleistung vorgestellt und Konstruktionsdetails diskutiert.

• Überlegungen zur Materialauswahl, auftretenden Spannungen und Rotordynamik sowie Lagerausführung wurden vorgestellt.