prof. dr hab. inż. D ariusz M ikielew icz, prof. zw. PG Politechnika Gdańska, W ydział M echaniczny K atedra Energetyki i A paratury Przem ysłowej 80-233 Gdańsk, ul. N arutow icza 11/12
tel. +58 347 2254
em ail: D ariusz.M ikielew icz@ pg.gda.pl
G dańsk, 18 października 2016 r.
R E C E N Z J A
pracy doktorskiej mgr. inż. M ateusza Brzęczka pt.
"A naliza m ożliw ości zw iększenia efektyw ności elektrowni gazowo-parowej bez i z instalacją w ychw ytu i sprężania C O2"
R ecenzja została w ykonana na zlecenie Prodziekana ds. O rganizacji i Rozw oju W ydziału Inżynierii Środow iska i Energetyki Politechniki Śląskiej w oparciu o uchw ałę Rady W ydziału z dnia 8 lipca 2016 roku.
Pracę w ykonano pod kierunkiem prof. dr hab. inż. Janusza Kotowicza.
1. Przedm iot rozpraw y
U kłady gazow o-parow e należą do szybko rozw ijających się technologii energetycznych. A m bitne cele unijnej polityki klim atycznej, przede w szystkim zw iązane z redukcją emisji dw utlenku w ęgla o 40% św iadczą o zdeterm inowanej polityce energetycznej UE w kierunku gospodarki niskoem isyjnej. W takiej sytuacji rozwój technologii czystego w ykorzystania w ęgla m usi rozw ijać technologie w ychw ytu i m agazynow ania dw utlenku w ęgla (ang. carbon capture and storage). D ziałania te m uszą być także nakierow ane na ocenę kosztów realizacji takiej polityki oraz jej w pływ na poziom cen energii. Liczba w chodzących w grę konfiguracji w iązanych ze szczegółow ych rozw iązaniem pow iązań technologicznych turbiny gazowej z układam i w spółpracującym i je st bardzo duża. R ozw iązania nad m ożliw ościam i popraw y spraw ności układów oraz redukcji em isji, szczególnie em isji dw utlenku węgla, są aktualne z badaw czego punktu widzenia.
A utor rozpraw y podjął się kom pleksowej analizy techniczno mającej na celu zw iększenie spraw ności term odynam icznej now oczesnego, trój-ciśnieniow ego układu gazow o-parow ego z przegrzew em w tórnym pary w w ariancie bez i z instalacją separacji i sprężania CO2. A naliza taka w ym agała opracow ania stosow nych m odeli m atem atycznych oraz odpow iadającym im algorytm ów poszczególnych elem entów obiegu, poddania analizie licznych informacji dotyczących strony ekonom icznej, ja k rów nież w ykazania się w nikliw ością przy obróbce pozyskiw anych danych. U zyskane przez D oktoranta w yniki będą m ogły przyczynić się do podjęcia decyzji o dalszych krokach odnośnie technologii układu gazow o parow ego bez i z instalacją separacji i sprężania CO2.
O piniow ana praca m a charakter teoretyczno-m odelow y i liczy w raz z bibliografią, spisem rysunków i tabel oraz streszczeniam i w języ ku polskim i angielskim 168 stron. Składa się z 9
rozdziałów oraz w stępu, określenia celu i zakresu pracy oraz jej podsum ow ania. Rozpraw a zaw iera 146 pozycji literaturow ych, spośród których D oktorant je st w spółautorem ośmiu prac. W jednej z nich je st pierw szym autorem.
P raca składa się z dw óch części, pierw szej, w prowadzającej czytelnika w dotychczasow y stan w iedzy zagadnień zw iązanych z problem atyką obiegów gazow o-parow ych poprzez przedstaw ienie charakterystyki stanu rynku gazu w Polsce i na świecie, przedstawienie rozw oju technologii gazowo-parowej oraz przegląd technologii sekw estracji dwutlenku węgla. W drugiej części, w której przedstaw iono własne rozw ażania dotyczące m odelow ania pracy bloku gazow o-parow ego, w których poruszono w pływ chłodzenia turbin, sekwencyjne spalanie oraz integrację układu w ychw ytu i sprężania CO2.
W e w stępnym rozdziale A utor w prow adza do tem atyki podjętej w pracy. W kolejnym rozdziale, rozdziale
1
, przedstaw ia główny cel pracy czyli analizę m ożliw ości zw iększenia spraw ności term odynam icznej now oczesnego, trój-ciśnieniow ego układu parow o-gazow ego z przegrzew em w tórnym pary przy uw zględnieniu i bez instalacji separacji i sprężania CO2. Założeniem podstaw ow ym przyjętym w rozw ażaniach je st przyjęcie stałości tem peratury spalin na w ylocie z turbiny gazow ej. Spowodow ane je st to faktem, że m odernizacje bloku parow ego są kilkukrotnie w yższe niż te zw iązane z częścią turbinową. Rozpatrzono trzy warianty chłodzenia układu przepływ ow ego turbiny gazowej, w pływ chłodzenia konw ekcyjnego, błonow ego i transpiracyjnego na spraw ność turbiny gazowej i całego bloku. W pracy przedstaw iono także analizę spalania sekw encyjnego turbiny gazowej oraz efektyw ne w ykorzystanie ciepła odpadow ego z bloku. A nalizy przeprow adzone są na podstaw ie w łasnego algorytm u obliczeniowego.R ozdział drugi przedstaw ia przegląd technologii gazow o-parow ych stosowanych w
praktyce. Jest to zwięzłe, w ręcz m onograficzne przedstaw ienie najnow szych trendów w zakresie takich obiegów , ja k rów nież tem atyki związanej z podw yższaniem spraw ności w części parowej układu. R ozdział je st zredagow any przejrzyście i przystępnie dla czytelnika, który m oże sobie łatw o uaktualnić w iedzę zw iązaną z tą tematyką.
R ozdział trzeci przedstaw ia przegląd technologii sekw estracji dw utlenku węgla. Jest to
rów nież bardzo zw ięzłe przedstaw ienie technologii m ożliw ych do w ykorzystania w praktyce, uw zględniając potencjalne technologie perspektyw iczne, ja k na przykład w ykorzystanie ogniw paliw ow ych do obniżenia em isji CO2.
W rozdziale 4 D oktorant przedstaw ia analizę w pływ u konw ekcyjnego chłodzenia otw artego turbiny gazowej oraz w ykorzystania ciepła pow ietrza chłodzącego w aspekcie spraw ności elektrow ni gazow o-parow ej. Przedstaw ia m etodologię w yznaczania charakterystyk pracy bloków gazow o-parow ych w zakresie tem peratur panujących w turbinie gazowej oraz w szerokim zakresie spręży. Poszukiw ano w zrostu sprawności turbiny poprzez popraw ę charakterystyk pracy turbiny oraz zaproponow anie w ykorzystania ciepła pow ietrza chłodzącego turbinę. W ykazano, że nie w ykorzystując tego ciepła popraw ę sprawności turbiny m ożna uzyskać tylko za pom ocą popraw y charakterystyk turbiny gazowej lub w prow adzenie dodatkow ego obiegu parow ego, w ykorzystującego ciepło powietrza. Stałą w artość tem peratury spalin na w ylocie z turbiny utrzym yw ano poprzez uzm iennienie tem peratury spalin przed turbiną w zależności od stopnia sprężania. Do obliczeń zaproponow ano w łasny m odel obiegu opracow any w program ie G ateCycle™ . A utor praw idłow o interpretuje, że konieczność utrzym ania stałej tem peratury spalin za turbiną, przy uzm iennieniu tem peratury spalin przed turbiną pow oduje, że zm ienia się sprawność izentropow a. Podaje zakres ich zm ienności. A nalizuje ilości ciepła, jak ie są m ożliw e do odbioru w układzie turbiny. K olejnym krokiem w tym rozdziale je st przedstaw ienie m odelu części parowej obiegu. Jak w spom niano wcześniej analizow ano tę część obiegu przy założeniu stałej tem peratury spalin opuszczających turbinę. D obór param etrów części parowej dokonał za pom ocą algorytm u genetycznego, co je st rów nież oryginalnym w kładem pracy
D oktoranta. Są to opisy, które dobrze charakteryzują kom petencje A utora. D oktorant nieco nadużyw a term inu „optym alizacja” w rozdziale 4.8, gdyż nie przedstaw ia żadnego kryterium optym alizacyjnego, a jedynie szuka zestaw u param etrów , ja k i da w w yniku najlepszą wartość spraw ności. Taki zestaw param etrów uzyskuje dla m aksym alnej tem peratury spalin, co je st w nioskiem oczywistym .
Rozdział 5 dotyczy analizy porów nawczej trzech otw artych typów chłodzenia turbiny
gazow ej. Przedstaw iono koncepcje zw iększenia spraw ności elektrow ni gazowo-parowej poprzez w ykorzystanie ciepła chłodzącego układ przepływ ow y ekspandera. Przeanalizow ano przypadki chłodzenia klasycznego konw ekcyjnego, błonow ego i transpiracyjnego. U zyskane rezultaty w skazują, że w w ariancie z chłodzeniem konw ekcyjnym m ożliw e je st osiągnięcie spraw ności brutto 63% , podczas gdy w pozostałych dw óch przypadkach m ożna uzyskać w artości o dw a procent wyższe. A nalizy poparte są szeregiem w ykresów reprezentujących obliczenia, charakteryzujących się dużym i w aloram i estetycznym i.
R ozdział 6 dotyczy analizy porów naw czej zam kniętych typów chłodzenia turbiny
gazow ej. U w agę skupiono na zastosow aniu pary w celu chłodzenia układu przepływow ego turbiny gazowej dla szerokiego zakresu spręży w sprężarce. Zbudow ano m odel m atem atyczny w program ie G ateC ycle™ w ykazując, że w prow adzenie chłodzenia zam kniętego turbiny gazowej w sposób znaczny pow oduje w zrost jej spraw ności ja k i całego bloku.
R ozdział 7 dotyczy analizy pracy elektrow ni gazow o-parow ych ze spalaniem
sekw encyjnym w turbinie gazowej poprzez w prow adzenie dodatkowej kom ory spalania za pierw szym stopniem łopatek ekspandera. Zbudow ano model m atem atyczny obiegu w program ie G ateC ycle™ oraz przeprow adzono analizę, na podstaw ie której stwierdzono, że w prow adzenie drugiej kom ory spalania pow oduje obniżenie tem peratury COT w rozpatryw anych w ariantach, co pociąga za sobą niższą średnią tem peraturę w turbinie gazow ej, a to skutkuje zm niejszeniem strum ienia m asy m edium chłodzącego pierw szy stopień ekspandera. Tego typu sytuacja, z kolei, w ym aga w yższych strum ieni m asy w drugim i trzecim stopniu prow adząc do w zrostu strum ienia m asy paliw a spalanego w turbinie gazowej oraz ilości spalin dostarczanych do kotła odzyskow ego. W takiej sytuacji potrzebna jest w iększa ilość czynnika w obiegu parow ym , przyczyniając się do zwiększonej produkcji energii elektrycznej. M ożliw ym było uzyskanie spraw ności elektrycznej netto na poziom ie 67.9%.
R ozdział 8 dotyczy analizy obecności instalacji w ychw ytu i sprężania CO2 w wybranym w ariancie elektrow ni gazow o-parow ej ze spalaniem sekw encyjnym i chłodzeniem parowym łopatek ekspandera, zintegrow anym z instalacją w ychw ytu CO2 za pom ocą absorpcji chem icznej oraz instalacją sprężania w ychw yconego gazu. D oktorant w ykazał, że zastosow anie w ychw ytu C O2 ze spalin przynosi spadek spraw ności w postaci ubytku mocy elektrycznej w części parowej oraz konieczności sprężenia dw utlenku węgla. Integracja z instalacją w ychw ytu i sprężania C O2 w zależności od rodzaju w ariantu przyczynia się do obniżenia spraw ności układu o około 4.5-7.5% . Ciekaw a je st zależność (8.4), z której wynika, że zm niejszenie energochłonności absorbentów o IM J/kg CO2 podw yższa spraw ność netto bloku o około 1.5%.
R ozdział 9 dotyczy analizy zw iązanej z zagospodarow aniem ciepła odpadow ego ze
spalin w ylotow ych z kotła odzyskow ego oraz ciepło ze sprężarek CO2. A utor przedstawili ideę tego typu układów , przeprow adził analizę czynników roboczych m ożliw ych do zastosow ania w takich układach oraz przeprow adził obliczenia za pom ocą program u EBSILO N . O bliczenia przeprow adził dla czterech czynników roboczych ORC, z których najlepsze wyniki uzyskać przy zastosow aniu R245ca. Trafne są jego uw agi co do kosztów czynnika i ich w pływ u na ekonom ię całości eksploatacji. M ożliw ym było uzyskanie podw yższenia spraw ności elektrycznej całości układu netto na poziom ie 0.25%.
Podsum ow ując, przyjęty układ pracy oceniam jako logiczny i czytelny. D obór pozycji bibliograficznych je st odpow iedni. D oktorant dokonał w łaściw ego przeglądu literatury, uw zględniając najnow sze doniesienia dotyczące analizowanej tematyki.
2. Teza pracy
D oktorant nie staw ia w pracy tezy. Przedstaw ia jedynie cele pracy, które prow adziły do analizy 11 m odeli bloków gazow o-parow ych, w których poruszono w pływ chłodzenia turbin, sekw encyjne spalanie oraz integrację układu w ychw ytu i sprężania CO2. Podjęcie się badań naukow ych w tym zakresie, sform ułow anie oraz przyjęcie tem atu pracy doktorskiej, przygotow anie, zredagow anie i napisanie opiniowanej pracy doktorskiej uw ażam więc za celowe i bardzo aktualne oraz w ażne z punktu w idzenia naukow o poznaw czego, a także utylitarnego w zakresie analizy pracy układów gazowo-parowych.
3. O ryginalność pracy
Problem y, z którym i spotyka się w spółczesna energetyka m ają zróżnicow aną naturę. Poszukiw anie technologii mało inw azyjnych w środowisko, pow szechnie dostępnych i ekonom icznie uzasadnionych je st niezbędne. W ten nurt w pisuje się tem atyka ocenianej pracy doktorskiej, gdyż zew sząd w ystępują naciski na popraw ę spraw ności obiegów term odynam icznych, rów nież gazow o-parow ych, oraz ocena ekonom iczno-ekologiczna kosztu zw iązanego z integracją instalacji w ychw ytu i sprężania dw utlenku węgla. Jest to szczególnie w ażne w w arunkach krajow ych, gdzie poszukiw ane są w ysokospraw ne technologie produkcji energii elektrycznej.
W mojej ocenie oryginalne osiągnięcia pracy to:
1. O pracow anie teoretycznego m odelu bloku gazow o-parow ego z różnym i rodzajami chłodzenia, różnym i sposobam i spalania paliw a w turbinie gazowej oraz instalacją w ychw ytu i sprężania CO2 w kom ercyjnym kodzie num erycznym GateCycle™ .
2. O pracow anie różnych sposobów zagospodarow ania ciepła odpadow ego poprzez w prow adzenie dodatkow ego bloku parow ego lub układu ORC.
3. Przeprow adzenie system atycznych obliczeń poszczególnych w ariantów bloku gazow o-parow ego.
4. W artości użytkow e pracy
Przedstaw iona do oceny praca doktorska charakteryzuje się bardzo dużym um ocow aniem praktycznym , gdyż analiza obiegów gazow o-parow ych z punktu w idzenia popraw ienia ich spraw ności energetycznej oraz oszacow ania ekw iw alentnych strat spraw ności zw iązanych z instalacjam i CCS je st jednym z w iodących tem atów prac w literaturze przedm iotu. O pracow ane narzędzia num eryczne um ożliw iają sym ulację om aw ianych procesów w różnych w ariantach bloku gazow o-parow ego. W yniki przeprow adzonych przez D oktoranta symulacji num erycznych pokazują, że m ożliw e je st znalezienie m aksym alnych w artości w określonym zakresie zm ienności param etrów . Pozytyw na odpow iedź na cele postaw ione w pracy, a dotyczące m ożliw ości popraw y spraw ności energetycznej bloku gazow o-parow ego została przedstaw iona dla optym alnych sytuacji. D oktorant popraw nie ocenił stan w iedzy w literaturze światowej i w ykazał się dużą w iedzą na tem at m odelow ania układów energetycznych.
Przedstaw iona do recenzji praca je st oryginalna i w artościow a, napisana zw arcie i przejrzyście (może za w yjątkiem w stępu do rozdziału 9 traktującego o obiegach ORC), zilustrow ana licznymi w ykresam i i rysunkam i. Zaproponow ane i zastosow ane m etody analizy obiegów term odynam icznych stanow ią istotny w kład do problem atyki naukowej związanej z rozw ojem w ydajnych technologii energetycznych. A utor m ógł dodatkowo pokusić się o ocenę egzergetyczną poszczególnych rozpatryw anych wariantów. O gólna ocena pracy przez recenzenta je st pozytyw na. Praca porusza w ażny problem i przedstaw ia oryginalne i w artościow e rezultaty. O pracow ana m etodologia analizy m oże mieć szeroki zakres zastosow ań, co należy uznać za zaletę pracy.
Praktycznie trudno znaleźć m ankam enty m erytoryczne pracy. Część swoich w ątpliw ości przedstaw iłem w trakcie analizy rozpraw y. Praca napisana je st popraw nym językiem , a jej lektura nie nastręcza trudności.
K westie, które chciałbym w yjaśnić z D oktorantem są następujące:
1. W pracy A utor używ a określenia „ditlenek w ęgla” . Czy je st to norm ow ane określenie, czy m ożna nadal używ ać nazw y zw yczajowej „dw utlenek w ęgla”?
2. R zeczyw isty blok gazow o-parow y opisany je st w ielom a zm iennym i i ju ż samo ustalenie stałej tem peratury spalin na w ylocie z turbiny gazowej m a duży w pływ na w yniki analiz m ożliw ych do przeprow adzenia. Poruszony problem kw alifikuje się do zagadnienia polioptym alizacyjnego. Szkoda, że D oktorant nie skom entow ał w pracy sw ojego najw ażniejszego założenia, czyli w jak i sposób przyjęcie stałej tem peratury spalin na w ylocie z turbiny gazowej je st ograniczeniem dla przeprow adzonych analiz. 3. Skąd w zięta je st zależność 4.22?
W pracy znajduje się sporo tzw. literów ek, które pokrótce w ym ieniam poniżej: 1. Str. 6: punkt 6.2.2; je st „W pływ A naliza” - pierw szy w yraz je st niepotrzebny
2. Str. 8: je st „A - pow ierzchnia lub pow ierzchnia przekroju” - chyba niepotrzebne je st takie rozgraniczenie przy takim sam ym sym bolu?
3. Str. 8: je st „K N D - kondensator lub skraplacz” - ja k a je st tu różnica? 4. Str. 9: niepotrzebne przecinki po określeniach dla W, (3, y, 5, r|. 5. Str. 18: pusta
6. Str. 27ę: je st „z za” zam iast „zza” 7. Str. 2 8 7: brak przecinka po naw iasie
8. Str. 29)5: je st „trój ciśnieniow y” zam iast „trój-ciśnieniow y” 9. Str. 3O14: je st „św icie” zam iast „św iecie”
10. Str. 31: Tabela 2.2, je st „parow ych” zam iast „parow e” 11. Str. 6 64: je st „an” zam iast „na”
12. Str. 762: je st „tospraw ność” zam iast „to spraw ność” 13. Str. 87: w tabeli 5.2 je st „pitch” zam iast „pinch”
14. Str. 9 4 1: je st „5przeprow adzono” zam iast „5 przeprow adzono” 15. Str. 96%: je st „w y n o szący m i^” zam iast „w ynoszącym t4a”
16. Str. 9 8 1: je st „Pow ietrze chłodząc łopatkę pow ietrze . . . ” zam iast „Pow ietrze chłodząc łopatkę . . . ”
17. Str. IO5 3: je st „o2,75” zam iast „o 2,75”
18. Str. 149: w legendzie rys. 9.6 je st „beznen” zam iast „benzen”
19. Str. 151: w tytule podrozdziału je st „ Posum ow anie” zam iast „Podsum ow anie”
ó.W niosek końcowy
B iorąc pow yższe uwagi pod rozw agę stw ierdzam , że w m oim przekonaniu przedstaw iona mi do recenzji praca m oże stanow ić rozpraw ę doktorską. U zyskane w yniki obliczeń oraz przeprow adzona analiza w yników je st interesująca, w ażna zarów no z punktu w idzenia poznaw czego ja k też i praktyki inżynierskiej. A utor uzyskał wyniki na drodze rozw ażań literaturow ych oraz analizy obliczeń przeprow adzonych za pom ocą w łasnych modeli num erycznych. W ykazał się dogłębną um iejętnością posługiw ania się kodami obliczeniow ym i oraz głęboką w iedzą dotyczącą zagadnienia. D oktorant w ykazał się inwencją tw órczą w prow adzeniu prac, ja k też dużą sam odzielnością w rozw iązaniu postaw ionego zagadnienia. Rzetelnie i system atycznie opracow ał m odele instalacji bloku gazow o-parow ego oraz przeprow adził system atyczne analizy w yników obliczeń. Interesujące są jego interpretacje uzyskanych wyników, które budzą zaufanie. Przedstaw ione uw agi krytyczne nie pom niejszają istotnie osiągnięć pracy.
Podsum ow ując stw ierdzam , że w m oim przekonaniu, praca spełnia w arunki stawiane pracom
doktorskim przez odpow iednie ustawy. Biorąc pow yższe pod uwagę, stawiam w niosek
