Search

Totalförsvarets forskningsinstitut, FOI är en statlig myndighet som är ett av Europas ledande forskningsinstitut inom försvar och säkerhet. Avdelningen Grindsjön innefattar myndighetens testområde med olika testmiljöer för riskfyllda experiment. Projektet innefattar ett examensarbete för en civilingenjörsutbildning inom maskinteknik, med syftet att undersöka validiteten med att använda en liten turbojet för att driva ett portabelt elkraftverk. Målet med projektet var att få ut en elektrisk verkningsgrad för turbojeten TJ40-G1 och föreslå möjliga förbättringar för att höja verkningsgraden. En experimentell uppställning utformades för att kunna testköra motorn, mätdata insamlades under testkörningar och en elektrisk verkningsgrad på 0.11 procent beräknades för motorn. Förslag på tekniska modiferingar av turbojeten angavs för att höja dess elektriska verkningsgrad. Samt en produktutvecklingsprocess baserad på Ulrich & Eppingers teori användes för att utveckla koncept som skulle höja kraftverkets elektriska verkningsgrad utan att modifera motorns utformning.

The transition to renewable energy sources is vital to mitigate global warming and achieve the climate targets set by the EU. The availability of natural gas in Europe is challenged due to the Russian invasion of Ukraine, leading to a shift towards fossil-free alternatives. In collaboration with Siemens Energy, this thesis investigates the availability of green fuels for gas turbines in Europe, specifically in Germany, Poland, and the UK. The methodology includes analysing literature, internal and official documents, and conducting a customer survey. The fuel availability outlook indicates an upcoming expansion of hydrogen infrastructure, with Germany and the UK expected to have operational hydrogen infrastructure within the next 5-10 years. While green ammonia and e-methanol may have limited roles in the energy transition, ammonia's capacity to transport hydrogen makes it a potential energy carrier, and the existing distribution network could facilitate the early adoption of large-scale ammonia transportation. Biofuel availability varies across regions, feedstocks, and production methods, with biogas, biomethane and HVO showing significant potential. Natural gas remains the most cost-effective fuel until 2040, with blue hydrogen and ammonia, along with carbon capture, utilisation, and storage (CCUS), identified as the best alternative green fuels. After 2035, green hydrogen will emerge as the most cost-effective green option. The customer survey highlights the preference for hydrogen and ammonia, driven by governmental requirements and environmental responsibility. This study emphasises the promising transition fuels and the need to explore CCUS technologies' impact on fossil-based fuel prices.

As the share of weather-dependent renewable electricity production increases, the demand for power system flexibility grows. In the Swedish power system, gas turbines have historically been utilised for back-up power generation. However, these gas turbines traditionally use fossil fuels, which limits their applications given Sweden’s target of net zero emissions of greenhouse gases. With recent technological advancements, fossil-free fuels, such as hydrogen and eMethanol have emerged as promising green alternatives, expanding the potential benefits of gas turbines in a power system. Possible applications include local bottleneck relief, providing grid inertia, voltage regulation, black start capability, and island operation capability. Market-based benefits include generating revenue by participating in both ancillary service markets and electricity markets. The benefits of a fossil-free gas turbine can be particularly valuable for distribution grids in need of strengthening, and where feed-in from the overlying grid is nearing maximum capacity. Therefore, gas turbine manufacturer Siemens Energy, and distribution network owner Mälarenergi, are interested in assessing the benefits that a fossil-free gas turbine can provide to the distribution network in Västerås, Sweden. Grid resilience benefits were evaluated through a literature study, while the market-based revenue potential were estimated using a quantitative bidding model. Included markets are the day-ahead electricity market and the ancillary service markets FCR-D, aFRR and mFRR. The model simulates the markets in 2022-2023 and uses forecasts based on historical data to determine the optimal bidding strategy. The study found that there is a large revenue potential with current fuel and market prices. The most promising configuration is a combination of eMethanol and hydrogen, with a profit potential of 72.6 MSEK/year, or a net present value of 463.2 MSEK. Operating on only hydrogen is also identified as a promi, I samband med att andelen väderberoende förnybar elproduktion ökar, ökar även behovet av flexibilitet i elnätet. I det Svenska elsystemet har gasturbiner länge använts för att bidra med reservkraft. Dessa gasturbiner drivs vanligtvis med fossila bränslen, och således begränsas deras användningsområde av Sveriges ambitioner om nettonollutsläpp av växthusgaser. Närtida teknologiska framsteg har dock öppnat upp för möjligheten att, i allt större utsträckning, använda fossilfria bränslen i gasturbiner. Bland annat har e-Metanol och vätgas identifierats som två lovande alternativ, och med dessa bränslen får gasturbinen ett mycket bredare användningsområde. Möjliga nyttor inkluderar eliminering av lokala flaskhalsar i nätet, tillförsel av rotationsenergi, spänningsreglering, samt tillhandahållande av förmåga till dödnätsstart och ödrift. Därtill finns det en marknadsmässig nytta i att delta på stödtjänst- och elmarknaderna. Tjänsterna som en fossilfri gasturbin kan bidra med är troligtvis av särskilt intresse för distributionsnätsägare vars nät är i behov av förstärkning och där inmatningen från det överliggande nätet allt oftare närmar sig maxgränsen. Således vill gasturbintillverkaren Siemens Energy, tillsammans med distributionsnätsägaren Mälarenergi, utreda vilka nyttor som en fossilfri gasturbin kan bidra med i den svenska staden Västerås distributionsnät. Nyttor kopplade till elnätets motståndskraft utvärderades kvalitativt genom en literaturstudie, medan den marknadsmässiga intäktspotentialen utvärderades med hjälp av en kvantitativ budgivningsmodell. De marknader som inkluderas i studien är spotmarknaden (dagen-före-marknaden) samt stödtjänstmarknaderna FCR-D, aFRR och mFRR. Modellen simulerar marknaderna under perioden 2022-2023, och använder prognoser för att identifiera en optimal budgivningsstrategi, som avgör hur gasturbinen deltar på marknaderna. Studien kom fram till att det finns goda marknadsmässiga intäktsmöjligheter med dagens marknadspriser och bränsle

Growing environmental concerns are causing a large transformation within the energy industry. Within the gas turbine industry, there is a large drive to develop improved modern dry-low emission combustion systems. The aim is to enable gas turbines to run on green fuels like hydrogen, while still keeping emission as NOx down. To design these systems, a thorough understanding of the aerothermal and kinetic processes within the combustion system of a gas turbine is essential. The goal of the thesis was to develop a one-dimensional general network model of the combustion system of Siemens Energy SGT-700, which accurately could predict pressure losses, mass flows, key temperatures, and emissions. Three models were evaluated and a code that emulated some aspects of the control system was developed. The models and the code were evaluated and compared to each other and to test data from earlier test campaigns performed on SGT-700 and SGT-600. Simulations were also carried out with hydrogen as the fuel. In the end, a model of the SGT-700 combustion chamber was developed and delivered to Siemens Energy. The model had been verified against test data and predictions made by other Siemens Energy thermodynamic calculation software, for a range of load conditions. The preforms of the model, when hydrogen was introduced into the fuel mixture, were also tested and compared to test data, En växande medvetenhet kring klimatfrågan, har medfört stora förändringar i energibranschen. I och med detta behöver även gasturbinindustrin förbättra de nuvarande dry-low emissions systemen och göra det möjligt för gasturbiner att förbränna gröna bränslen som väte. Samtidigt måste också utsläppen av NOx hållas nere. För att kunna utforma dessa system behövs en fullständig förståelse för de aerotermiska och kinetiska processerna i en gasturbins förbränningskammare. Målet med detta examensarbete var att utveckla en endimensionell generell nätverksmodell för förbränningssystemet i Siemens Energys SGT-700. Modellen skulle noggrant kunna förutsäga tryckförluster, massflöden, viktiga temperaturer samt utsläpp. Tre modeller utvärderades och en kod som emulerade vissa aspekter av styrsystemet utvecklades också. Modellerna och koden utvärderades och jämfördes mot varandra och även mot testdata från tidigare testserier som utfördes på SGT-700 och SGT-600. Simuleringar utfördes också med väte som bränsle. Slutligen levererades en modell av SGT-700 förbränningskammaren till Siemens Energy. Modellen har verifierats för en rad olika lastfall, mot testdata och data som genererats av andra termodynamisk beräkningsprogram som utvecklats av Siemens Energy. Hur modellen uppförde sig när väte var introducerat in i olika lastfall jämfördes också mot testdata

För att drift av gasturbiner inte ska vara allt för dyrt läggs det mycket energi på smarta lösningar när det kommer till övervakning av gasturbiner. Syftet är att undvika oplanerade stopp genom att kunna ta välinformerade beslut för att kunna genomföra förebyggande underhåll på maskiner. Den här rapporten beskiver hur en övervakningsmetod som undersöker start- och stopprocessen av en gasturbin kan utvecklas. Genom åren har gasturbiner använts till en mängd olika applikationer. Dessa kan i huvudsak delas in i två kategorier, mekanisk drift (MD) och kraftproduktion (PG). Den huvudsakliga skillnaden mellan de två är att en gas turbin som används för kraftproduktion är kopplad till en generator istället för en mekanisk last. Till skillnad från en konventionell kraftanläggning, där ånga måste framställas för att kunna producera elektricitet, så kan gasturbinen starta och vara redo för produktion inom loppet av minuter. På grund av detta används gasturbiner ofta för att parera variationer i elnätet med avseendet på nätfrekvensen. Med en ökad andel förnyelsebara energikällor, som sol- och vindkraft, i energimixen så finns det ett särskilt behov för mindre gasturbiner med förmåga att starta upp och producera kraft snabbt. På grund av ett ökat antal starter och stopp kommer den förväntade livslängden hos komponenterna i en gasturbin att förkortas. Gasturbintillverkaren är beroende av sin förmåga att förutse komponenternas hälsa för att undvika haveri och onödiga driftstopp. Detta är också anledningen till varför många tillverkare har lagt mycket fokus på utveckling av övervakningsmjukvara. Siemens har utvecklat ett eget off-line övervakningssystem som ger användaren tillgång till stora mängder av data från deras flotta av maskiner över hela världen med en dags fördröjning. Detta övervakningssystem har använts tillsammans med en transient modell, också utvecklad av Siemens, för att utvärdera möjligheten av att använda den transienta modellen för övervakning. Med transient men

This report describes the work of developing a specification of requirements for Waste Heat Recovery Units. The main part of the paper describes how the work with the specification of requirements has been performed. One specific question to be answered is: What are the customer’s demands in case of properties for the Waste Heat Recovery Units and how is that information collected as an order documentation to suit the business area Oil & Gas? The report begins with a description of the assignment and continues with the aim and background. A theoretical part describes the different areas and methods that have been important during the process. Work on the specification has been carried out on site at the company where interviews of staff and the study of internal documents has been a significant part of the implementation. The result is delivered to the company in the form of a specification of requirements for the Waste Heat Recovery Unit. This specification fulfills the requirements set initially and is a good starting point for the company to proceed with in contact with subcontractors. The conclusion of the work is that the establishment of a good specification of requirements is really important and that has been obvious during the work and progress of this project. The difficulty lied in getting the right information and to keep it simple and at same time durable.

Within the ongoing development of Alstom's latest heavy-duty gas turbine, the motivation for this thesis is the need for a fuel gas pressure prediction software. The key challenge in the development of such a software is finding the model that predicts the pressure drop over the burner hardware. This model has to predict fuel pressure for over critical and under-critical flow over the entire load range with high accuracy. Old models are inadequate for predicting pressure drops at critical conditions. Four main fuel pressure prediction models are presented in this work. The Kv-model is a model where a pressure drop is attributable to a flow resistor and it contains one hardware parameter. By introducing a second hardware parameter the model is refined to work also for over-critical flow conditions. The outflow model is a model in which the fuel pressure drop can be calculated as being only due to the discharge through a nozzle. The two stage-model is a model, which combines the Kv-model, and the outflow model in order to offer a more sophisticated version. It contains the two hardware parameters from the models described above. Four variants of this model are herewith investigated, in which these parameters are considered either constant, Reynolds number-dependent or dependent of critical flow effects. Finally, by means of a nominalization of the variables, a polynomial fitting method, using the least squares procedure, provides the so-called polynomial model. Polynomials of second and fourth order are considered. In order to perform a structured and systematic selection between the different models, three design criteria were defined: accuracy, simplicity and physicality. It is shown that a modified version of the Kvmodel, in which the burner hardware is treated a pure flow resistor, is the best compromise between these design criteria. This model will predict fuel pressures with a high accuracy over the entire load range of the engine and also predict well for dilu