Transient Modeling of a Two Staged-Turbocharged Medium-Speed Spark-Ignited Gas Engine

Abstract

Due to the increasing number of renewable energy sources available in energy production, the power variability in the grid has increased as well, and to balance the load, short-term power needs to either be produced or discharged for energy storages. An efficient way to store chemical energy and produce power with less emission, compared to traditional diesel power stations, is by using LNG and gas power plants. For a natural gas power plant to be competitive in a strictly regulated market, it needs to be fast-starting, responsive and efficient.

The objective of this work was to make a model of a lean-burn gas engine and to use this model to simulate the engine in various ramp-type transient loading situations in a constant speed operation. The main goal of these simulations was to produce realistic loading performance and reduce the time it took for the engine to achieve full loading capacity from a 10 % base load.

In this thesis GT-SUITE has been used to build and to simulate the engine. With the software, a system has been built for controlling the ignition- and valve timing based on several control parameters. For a realistic performance, Wiebe functions have been used for adjusting the combustion during the loading process. To be able to find the limitations of the optimum load rate the limiting factors of the engine have been studied and two knock models using knock induction time integrals have been applied to the model. Other limiting factors such as the thermal capacity of the exhaust system have also been studied and simulated extensively.

The simulated results were comparable with laboratory tests and the optimized load ramp produced was over 60 % faster than the reference ramp used. Additional experiments were also performed to increase the understanding of how the effect of boundary conditions affects the loading performance of the engine. Further work and improvements of this study could focus on optimizing the knock models and the combustion model.

Med den ökande mängden förnybara energikällor inom energiproduktion har det blivit mera utmanande att bibehålla elnätets stabilitet. För att avlasta elnätet måste lasten därför balanseras genom att kortsiktigt producera eller lagra energi. Jämfört med traditionella dieseldrivna kraftverk är det bättre att använda flytande naturgas och gaskraftverk för att lagra kemiskt bunden energi och producera el med mindre utsläpp. För att naturgaskraftverk ska vara konkurrenskraftiga på en strikt reglerad marknad måste de vara snabbstartade, reagera snabbt på variationer i effektbehovet samt vara effektiva.

Syftet med det här arbetet var att utföra teoretiska beräkningar för styrningen av en överstökiometrisk förbränning och effektuttaget för en gasmotor för att kunna simulera motorns lastupptagningsförmåga då den körs vid ett konstant varvtal i olika situationer. Huvudsyftet med dessa simuleringar var att producera realistiska data som är jämförbara med en laborationsmotors prestanda samt att minska tiden det tar för modellen att uppnå full lastkapacitet från basbelastning.

I denna avhandling har mjukvaran GT-SUITE använts för att bygga upp och simulera motorn. Med mjukvaran har ett system byggts för att styra tändningen och ventiltiderna baserat på flera kontrollparametrar. För att uppnå en realistisk prestanda har Wiebe-funktioner använts för att justera förbränningen under lastuppkörningsprocessen. För att sätta gränserna för motorns optimala belastningshastighet har begränsande faktorer undersökts. Därtill har två funktioner för att simulera motorknack applicerats i modellen. En annan begränsande faktor som har simulerats i stor utsträckning är avgassystemets termiska kapacitet.

De simulerade resultaten visade sig vara jämförbara med laboratorietesterna, och den optimerade belastningsrampen som producerades var över 60 % snabbare än den referens som använts. Ytterligare försök gjordes för att öka förståelsen av hur effekten vid olika gränsvillkor påverkar motorns prestanda. Framtida studier och förbättringar kunde fokusera på att optimera motorknackmodellerna och förbränningsmodellen.