Simulační nástroj pro integraci plynové mikroturbíny do průmyslových provozů - Konečná, Eva (Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství, 2022)
Vzhledem k současné napjaté energetické situaci vzniká potřeba vysoce efektivního využívání primárních zdrojů energie. Možným řešením této situace jsou plynové mikroturbíny, které jsou progresivním zdrojem kombinované výroby energie. Plynová mikroturbína pracuje s elektrickou účinností okolo 30 % a dalších 50 % se nachází v horkých spalinách. Právě využití tohoto odpadního tepla je klíčové k dosahování vysoké kombinované účinnosti výroby a úspor primární energie. Práce představuje metodiku integrace plynových mikroturbín do průmyslových provozů, na jejímž základě je vytvořen softwarový nástroj pro výběr plynové mikroturbíny a efektivní využití odpadního tepla z produkovaných spalin. Efektivním využitím se myslí především přímé sušení, technologický ohřev procesních proudů, příprava teplé užitkové vody a akumulace tepla. Metodika integrace plynové mikroturbíny do průmyslového provozu zahrnuje i technicko-ekonomické vyhodnocení investice. Metodika je zpracovaná do podoby unikátního softwarového nástroje, který posoudí různé varianty integrace plynové mikroturbíny ve středně velké průmyslové prádelně a doporučí tu nejvýhodnější. Pro tvorbu nástroje byl použit programovací jazyk Python v kombinaci s MS Excel tak, aby byl nástroj jednoduše použitelný i bez specializovaných softwarů. Hlavní výhodou však je, že má univerzální charakter a lze ho snadno adaptovat na další průmyslové procesy. Uživateli přitom stačí pouze běžné provozní znalosti o cílovém procesu. Jako případová studie byl vybrán prádelenský proces. Byla zpracována data z řady průmyslových prádelen v České republice. Ukázalo se, že důležitým kritériem pro volbu plynové mikroturbíny jako hlavního zdroje energie je poměr mezi potřebnou elektrickou a tepelnou energií. Zejména pro starší prádelenské provozy platí, že je třeba nejdříve provést jejich energetickou optimalizaci a až poté začít s výběrem vhodného zdroje energie. Při správné integraci je možné dosáhnout kombinované účinnosti plynové mikroturbíny až 90 % a přijatelné návratnosti. Vhodný cílový proces pro integraci plynové mikroturbíny je takový, který využije největší přednost plynové mikroturbíny, kterou je produkce horkých a čistých spalin. Je třeba hledat procesy, kde lze maximum těchto spalin použit přímo, bez dalších nákladných aparátů pro přenos tepla. Sušení prádla v průmyslových prádelnách takovým procesem bezpochyby je. Navržený softwarový nástroj je jednoduchou, rychlou, a především univerzální možností pro zhodnocení vhodnosti plynové mikroturbíny na základě běžných provozních znalostí o sledovaném procesu.

Current challenging energy situation gives rise to the need for highly efficient use of primary energy sources. Gas microturbines are a potential solution to this situation as they represent a progressive source of combined heat and power production. Gas turbines work with electric efficiency around 30 % and another 50 % is hidden in hot flue gas. Leveraging this waste heat is essential for achieving high overal efficiency of production and minimizing the use of primary energy. This thesis introduces a methodology for integration of gas microturbines into industrial operation. This methodology served as a basis for creating a software tool for selecting an optimal gas microturbine and seting up an efficient use of the waste heat from the produced flue gas, specifically direct drying, technological heating of process streams, preparation of warm utility water, and heat accumulation. It also includes technical-economic evaluation of the investment. The methodology is represented by an unique software tool which evaluates various alternatives of a gas microturbine integration into a mid-sized industrial laundry, and recommends the most favourable option. The tool was build using programming language Python in combination with MS Excel to offer great ease of use without a need for any specialized software. The biggest advantage, however, is its universality which allows adapting this software for other industrial processes. It is sufficient for the user to only have a standard operational knowledge of the target process. A laundry operation was selected for this case study, and data from several industrial laundries in Czech republic was collected. Its analysis revealed that the ratio of required electrical and heat energy is an important criterium when selecting a gas microturbine as the main power source. Specifically for older laundry operations, it is necessary to firstly undergo an energy optimization before selecting a suitable power source. If integrated correctly, it is possible to achieve overal efficiency of the gas microturbine of up to 90 % and an acceptable payback period of the investment. A suitable target process for integrating the gas microturbine is one that leverages the gas microturbine’s biggest advantage – production of hot and clean flue gas. It is necessary to look for those processes where a maximum of this flue gas can be used directly without a need for any other costly devices for heat transfer. Drying in laundries certainly represents such a process. The proposed software is an easy, quick, and most importantly universal tool for evaluating suitability of a gas microturbine based on common operational knowledge of the respective process.
Simulation tool for gas microturbine integration into industrial operations
Keywords: plynová mikroturbína; kombinovaná výroba energie; odpadni teplo; softwarový nastroj; prádelenský proces; gas microturbine; combined heat and power; waste heat; software tool; laundry process