Compact Offshore Steam Bottoming Cycles

For å redusere global oppvarming, har Norge i likhet med EU satt seg som mål å redusere CO2 utslippet med 40 prosent innen 2030. Få klimatiltak gir større CO2 kutt per brukte krone enn energieffektivisering. Utstyrskostnad er ofte tjent inn innen et par år grunnet sparte driftskostnader fra mindre energibruk. Prosjektet COMPACTS legger til rette for mer effektiv energibruk på norsk sokkel, en sektor med et CO2-utslipp som utgjør hele 29 prosent av Norges samlede utslipp av klimagasser. Åtte av ti kilo CO2 som slippes ut fra plattformene, kommer fra gassturbiner på dekk. Disse forsyner plattformen med kraft. Men i eksosen er mye nyttig varme igjen. Ved å "hekte" på en dampturbin som kan utnytte restvarmen, kan "kombi-anlegget" produsere kraft av forbrenningsvarmen to ganger. Slik kan det dekke plattformers kraftbehov med et langt lavere gassforbruk enn det som går med i dag og med et CO2-utslipp som blir fra 17 til 21 prosent mindre enn plattformene har nå. Dampturbiner som kan brukes på denne måten, finnes allerede. Men de er for tunge og store til at de kan brukes på mange av plattformene. Formålet med COMPACTS har derfor vært å redusere vekten av kombi-anlegget eller bunnsyklusen så mye at den kan lettere implementeres og dermed føre til lavere CO2 utslipp på norsk sokkel. COMPACTS-prosjektet hadde to delmål. Det første var å redusere vekten av dampturbinen med dens tilhørende utstyr med opptil 50 prosent. Helt konkret skulle dette gjøres på to måter: Vekten skulle ned på varmevekslerne som tar opp varmen fra eksosgassen, og stålmaterialer i rammeverket for installering offshore skulle erstattes med aluminium. Det andre delmålet var å øke driftssikkerheten. En geometribasert modell av hoved varmeveksleren som gjenvinner varme fra gassturbin eksos har blitt utviklet. Denne robuste formuleringen har blitt koplet inn formuleringen for hele prosessen for å optimere vareveksler geometri til å minimere vekt gitt et krav eller ønsker om produsert kraft. Gjennom PhD-arbeidet er det satt opp en detaljert numerisk modell basert på CFD (Computational Fluid Dynamics) for ulike typer finner og rør. Alternative teknologier for kondensat rensing ble vurdert med potensiale for vektreduksjon av kondensat rense systemet på 85%. I tillegg ble det laget anbefalinger for forbedringer i kondensat rense teknologi og rutiner. Optimalisering av drifts rutiner for kondensat rense systemet kan gjøre disse mer driftssikre. Kombi-anleggene ble designet for å ta varme fra to LM2500+ gassturbiner som kjører på 90% last ved et bestemt tillatt trykktap over systemet. Vekt reduksjonen for disse ble på ca. 58 % for et 12 MW system og 38 % for et 16 MW system sammenlignet med et eksisterende referanse-anlegg. Forventet potensiale for reduksjon i CO2 utslipp fra offshore gassturbiner er 17% ved implementering av lett-vekts 12 MW kombi-systemer og 21% av ved implementering av lett-vekts 16 MW system. Dette kan i praksis gjennomføres ved å redusere antall gassturbiner og erstatte med bunnsykler på resterende gassturbiner. Usikkerheten i dette anslaget er ±2%. Nøyaktig utslippsreduksjon på en plattform vil være case-spesifikt og vil avhenge av plattformens kraftbehov og effektivitet av gass turbin og bunnsykel ved dellast. Optimaliseringen i COMPACTS ble gjort med hensyn på å redusere vekt i en gitt konfigurasjon. Det kan fortsatt være mulighet for å redusere vekt av bunnsykelen ytterligere og eventuelt optimalisere med tanke på høyere utslippsreduksjon. Resultatene fra prosjektet er under publisering i 7 tekniske journaler og 5 nyhets artikler har blitt disseminert om prosjektet. Gjennom å redusere vekt og volum av systemet betraktelig og gjøre det mer driftssikkert har COMPACTS bidratt til at kombinerte gass- og dampturbinanlegg er nærmere å bli en standard for offshore kraftproduksjon istedenfor at de er et unntak, som de har vært til nå.

COMPACTS aims to develop next generation design methodology and recommendations for materials standards that will allow design of more compact, light-weight and robust steam-based bottoming cycles. This can promote their broad implementation in offshore o il and gas production for both stationary and movable rigs and ships. Implementation will reduce fuel consumption and thereby CO2 emissionsfrom offshore power production by up to 30%. The gas turbines now have efficiencies of 38%. The remaining energy is expelled as waste heat in the exhaust which leads to unnecessarily high CO2 emissions. Applying bottoming cycles will increase their efficiency to 50%. A widespread implementation of bottoming cycles offshore has not happened due to the large weight and volume of the systems, lack of available space on existing platforms, and challenges with lifetime and reliability. The key deliverable is a technology knowledge platform that allows for design of novel concepts for steam bottoming cycles that convert e xhaust heat from offshore gas turbines to electricity. Compactness can be obtained through existing FE-optimization software. Light weight by replacing steel components with lighter metals like Al in the framework, or Ti or inconel in the heat exchanger. Particularly large weight reduction will come from novel framework concepts which currently contribute 50% of total weight. Implementing bottoming cycles will reduce fuel consumption, lowering CO2 emissions by 70 000 tonnes/yr for a 30MW turbine resulting in lower fuel cost and CO2 tax. It will contribute significantly to meeting the goals of OG21 where "Energy Efficient and Environmentally sustainable technologies" is one of four focus areas. Their vision to "Support the Norwegian industry to become the most energy efficient oil and gas industry in the world". It is essential for the industry in order to attain society's acceptance for continued growth, particularly in the environmentally sensitive Arctic areas