Compact Offshore Steam Bottoming Cycles Phase 2: COMPACTS2

COMPACTS2 har støttet arbeid i COMPACTS og utviklet ny teknologi som tillater en betydelig reduksjon av CO2-utslipp på norsk sokkel ved å redusere vekt og volum av bunnsykluser og øke driftssikkerheten slik at de blir implementerbare. Det estimerte potensialet for reduksjon i CO2-utslipp fra gassturbiner til havs er 17 % ved implementering av 12 MW bunnsykluser og 21 % ved implementering av 16 MW bunnsyklus. Kraftproduksjon til havs foregår hovedsakelig ved forbrenning av naturgass i gassturbiner. Gassturbinene produserer kraft og slipper ut varm avgass. Ved å installere en bunnsyklus som trekker ut varme fra eksosgassen for å drive en dampturbin, kan den kombinerte syklusen (gassturbin og dampturbin) produsere mer kraft enn en enkelt gassturbin. Dette betyr at kraftbehovet til havs kan dekkes med et lavere forbruk av naturgass enn i dag, og CO2-reduksjonspotensialet er 25 %. Kombinerte sykluser (gassturbin og dampturbin) har stor vekt og volum og mangel på plass på eksisterende plattformer er hovedårsaken til at utbredt implementering av offshore bunnsykluser ennå ikke har funnet sted. I et tidligere prosjekt, COMPACTS, ble det demonstrert at totalvekten av en bunnsyklus kan reduseres med 40 % uten reduksjon i kraftproduksjonen. Derfor er hovedfokuset i COMPACTS2 å analysere robustheten til det nye lette kraftproduksjonssystemet og muligens modifisere designet for å sikre pålitelighet. Prosjektarbeidet fokuserte på robustheten til varmegjenvinningsdampgeneratoren (HRSG), som er den største og tyngste komponenten i en bunnsyklus. Modeller for strømningsinduserte vibrasjoner implementeres i en termisk simuleringsprogramvare, som muliggjør vektminimering samtidig som termisk ytelse og en vibrasjonsfri design opprettholdes. Andre aktiviteter i prosjektet støtter denne oppgaven ved å gi ytterligere innsikt: Bøyestivheten til rør med og uten finner undersøkes numerisk for å få fram om finnegeometri kan påvirke vibrasjonsmønstre. Strømningen i diffusoren mellom gassturbinen og HRSG er modellert ved hjelp av CFD. Strømningsinduserte vibrasjoner av et enkelt rør med forskjellige finner og rørarrayer har blitt undersøkt i en vindtunnel. Modeller for analyse av transiente forhold til HRSG er utviklet med sikte på å simulere lastendringer og start/stopp-hendelser for bunnsyklusen, siden disse kan være kilder til potensielle termiske spenninger. Dette er viktig for å få innsikt i og evaluere den mekaniske integriteten til HRSG under realistiske driftsforhold. Det er utført en analyse av brukererfaringer med EDI vannbehandlingssystemer. Et nytt sensoropplegg er utviklet for vannbehandling av dampsykluser, og det er gjort fremskritt i design av vannbehandlingssystemer som er svært driftssikre. Resultatene fra alle disse studiene vil være nyttige for både offshore og landbasert industri for å redusere CO2-utslipp. Flere av funnene som kommer ut av COMPACTS- og COMPACTS2-prosjektet er for tiden i ferd med å implementeres i to industriprosjekter. Det ene er det grønne plattformprosjektet LINCCS der den konkrete oppgaven er å utvikle et offshore kraftknutepunkt med et kombikraftverk med CO2-fangst. Den andre er et direkte industriprosjekt om vannbehandling for en dampsyklus. Et potensielt teknologidemonstrasjonsprosjekt for å utføre en DEMO av den kompakte OTSG utviklet i KPNs COMPACTS og COMPACTS2 er under utarbeidelse med to energiselskaper.

The results from all these studies will be of use to both offshore as well as land-based industry in order to reduce CO2 emissions. Several of the findings coming out of the COMPACTS and COMPACTS2 project are currently in the process of being implemented in two industry projects. One is the green platform project LINCCS where the concrete task is developing an offshore power hub with a combined cycle power plant with CO2 capture. The other is a direct industry project on water treatment for a steam cycle. A potential technology demonstration project for performing a DEMO of the compact OTSG developed in COMPACTS is being prepared with two Energy companies. COMPACTS2 has enabled a significant reduction of CO2 emissions on the NCS by reducing weight and volume of bottoming cycles and increase operational reliability so that they become implementable. COMPACTS and COMPACTS2 has achieved 49 and 37% reduction in weight of the bottoming cycle for a 12MW and 16 MW steam cycle respectively when compared to a reference project. The bottoming cycle has been designed to recover heat from two LM2500+ gas turbines that are running at 90% load with an allowed The estimated potential for reduction in CO2 emissions from offshore gas turbines is 17% when implementing 12 MW bottoming cycles and 21% if implementing 16 MW bottoming cycles. This could be done by reducing the number of gas turbines and replacing them with bottoming cycles on the remaining turbines. The uncertainty in this estimate is ±2%. The exact emission reduction on a platform will be case specific and will depend on the platform’s power need and efficiency of the gas turbine and bottoming cycle on part load. The optimization in COMPACTS2 was performed to reduce weight in a certain design. It could be possible to reduce weight of the bottoming cycle further and optimize with respect to achieving higher emission reduction.

COMPACTS2 aims to validate methodology for design of more compact, lightweight and robust steam bottoming cycles that will promote their implementation in offshore oil and gas production. This will increase platform energy efficiency and reduce fuel consumption and CO2 emissions by up to 25%. Improved energy efficiency is one of the most effective means of protecting the global environment. The EU has set a goal of 40 % reduction in CO2 emissions from 1990 to 2030, which Norway also supports. Since the Paris agreement improved energy efficiency is one of the main priorities of oil and gas industry. Availability of space and weight for installing new equipment is limited offshore. The prior COMPACTS project showed how weight and volume of offshore steam bottoming cycles could be reduced by at least 40 % which means they can be more widely implemented than the current technology. In COMPACTS2 the aim is even further weight reduction and to validate that the novel design of the compact steam cycle has sufficient mechanical strength. This will be performed by a combination of thermo-hydraulic modeling, materials strength analysis and Computational Fluid Dynamics (CFD). Operational routines for bottoming cycles will be improved to increase reliability. Methods will be suggested to design around the challenges found in the current bottoming cycles. In COMPACTS operational data from two of the existing offshore steam bottoming cycles helped bring forward novel designs. In COMPACTS2 operational experience from the only other offshore combined cycle on the NCS will be used to validate and improve the design further. Case studies will be conducted on an operating offshore platform and a FPSO to validate that the technology meets its goals. A successful outcome of COMPACTS2 can help far along the way towards the 2030 emissions reduction goal. This is essential for the industry in order to attain society's acceptance for continued growth in a future carbon constrained world.