GE OIL & GAS E LA SFIDA DELLA “SMALL POWER GENERATION”

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GE OIL & GAS E LA SFIDA DELLA

“SMALL POWER GENERATION”

Marco Pucci – Irene Gremoli GE Oil & Gas Nuovo Pignone - Firenze - ItaliaGE Oil & Gas Nuovo Pignone

Sommario L’articolo, dopo un’ introduzione relativa al mondo “General Electric”, presenta come GE Oil & Gas intenda affrontare il mercato della Small Power Generation (5 - 10 MW) con le proprie Turbine a Gas GE5-1 e GE10-1. Saranno descritte le caratteristiche principali delle due turbine a gas, particolarmente adatte agli impianti di cogenerazione industriale, e sarà fatto cenno alle attività di sviluppo tecnologico di queste macchine e alla nuova strategia di GE Oil & Gas per il mercato della small power generation. Summary The paper, after a brief overview on “General Electric” family and on “GE Energy” business, will illustrate how GE Oil & Gas (a GE Energy business) intends to approach the Small Power Generation segment (5 - 10 MW). In particular the article will present in detail the technical features of the new generation of 6 and 11 MW class single-shaft engines, recently developed by GE Oil & Gas Nuovo Pignone: the GE5-1 and GE10-1 Gas Turbines. Based on the extensive experience gained on the field of proven PGT5 and PGT10 models, the GE5-1 and GE10-1 gas turbines have been specifically designed by taking into consideration the small power generation requirements and are at the top of their categories in terms of efficiency and exhaust energy. In particular, both models are equipped with a new axial compressor, which has allowed us to improve the performance and reduce the stages from 17 to 11 by utilizing the 3D profiles. Both GE5-1 and GE10-1 gas turbines are equipped with last generation combustion systems, that allow maintaining the NOx emissions level under 25ppm (the GE5-1 standard unit is DLN configured) On this subject the article will illustrate also the GE Oil & Gas Go-to-Market strategy and the steps of the improvement process of the emission impact and performances.

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1. Introduzione Lo scenario energetico mondiale nei primi anni del 2000 si presenta ancora molto complesso, non soltanto a fronte di una situazione economica e socio-politica che continua ad essere caratterizzata da una grande incertezza, ma anche conseguenza dei nuovi scenari che sono seguiti alla liberalizzazione del mercato e spesso anche a causa di incertezze dal punto di vista legislativo e normativo. Mentre si assiste ad una sempre maggiore attenzione all’aspetto globale della produzione di energia, all’impatto ambientale, alle nuove tecnologie rinnovabili e ad una sempre maggiore sensibilità all’impatto architettonico e alla scelta dei siti di installazione, si continuano ad avere aspetti negativi come i recenti black-out nei paesi più industrializzati e una mancanza di energia a disposizione dei paesi più poveri. Uno scenario così complesso e globale richiede scelte coraggiose da parte di tutti i giocatori di quest’importante partita, ciascuno ovviamente rispettando il proprio ruolo. Questo intervento cercherà di evidenziare come General Electric, uno dei più importanti attori nel settore energia, abbia accettato questa sfida complessa e globale sia puntando sulle nuove tecnologie sia con nuove strategie di mercato. 2. GE Energy GE ha annunciato recentemente la nuova organizzazione della “corporate” e dei principali “business”. Il business conosciuto da tempo come “GE Power Systems” è diventato “GE Energy”; chiaramente non è solo un cambio di denominazione, ma indica un nuovo approccio globale al mercato dell’energia. Le seguenti figure mostrano la nuova organizzazione di GE Corporate, i principali business ed infine il ruolo di GE Oil & Gas.

GE Proprietary

The New GE …

EquipmentServices

Consumer &Industrial

InsuranceSolutions

AdvancedMaterials

C A S H G E N E R A T O R S

Fig. 1

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Il nuovo approccio globale ha portato GE Energy ad espandere il proprio portafoglio di prodotti, dai tradizionali settori delle turbine a gas, dei cicli combinati, del nucleare e delle turbine idrauliche, alla presenza anche nel campo delle turbine eoliche e dei motori a gas per piccole cogenerazioni.

GE Proprietary

The New GE … G R O W T H E N G I N E S

MoneyHealthcareInfrastructureCommercial Finance

NBC/Universal

EnergyTransportation

Fig. 2

GE Proprietary

What is GE Energy?

Oil & GasOil & Gas

PowerGeneration

PowerGeneration

EnergyManagementTechnologies

EnergyManagementTechnologies

Fig. 3

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La parola d’ordine continua ad essere “Technology Focus”, non solo per le applicazioni tradizionali, ad esempio la tecnologia H per le turbine a gas con il ciclo combinato da 500 MW a Raglan-Bay che raggiunge il 60% di rendimento, ma anche nuovi investimenti nel settore eolico-solare, fotovoltaico e in quello delle biomasse. 3. GE Oil & Gas GE Oil & Gas è, all’interno di GE Energy, il business dedicato al mercato dell’Oil & Gas, organizzato come le grandi società del settore, dai pozzi di produzione alla distribuzione finale.

GE Proprietary

500MW Gas Turbines

2.3MW Wind Turbines

ReciprocatingGas Engines

Bently Nevada-Vibration & Monitoring Systems

1 GE Proprietary information – All rights reserved worldwide

Global ServicesGlobal ServicesGlobal ServicesIndustrial PlantsIndustrial PlantsIndustrial Plants

Pipeline SolutionsPipeline Pipeline SolutionsSolutions

DownstreamDownstreamDownstreamMidstreamMidstreamMidstreamUpstreamUpstreamUpstream

GE Oil & Gas Organization

Gas Lift / Injection GatheringLNG

Gas PipelinesGas StorageOil Pipelines

RefineriesPetrochemicalsFertilizers

App

licat

ions

Fig. 4

Fig. 4

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GE Oil & Gas è anche il centro di eccellenza per tutta GE Energy per le turbine a gas inferiori a 30 MW sia per applicazioni Mechanical Drive che Generator Drive e per le piccole turbine a vapore adatte ad applicazioni di cogenerazione, ciclo combinato e biomasse. 4. La Turbina a Gas GE10-1 Lo sviluppo di un nuovo modello di turbina a gas richiede notevole impegno sia dal punto di vista degli investimenti che dello sviluppo tecnologico. Far parte di un grande gruppo come General Electric permette di sfruttare al massimo le varie esperienze e capacità provenienti dal settore aeronautico, dal settore industriale e direttamente anche dai laboratori di ricerca. Il punto di partenza nello sviluppo della GE10/1 è stato il modello precedente PGT10A, una macchina che ha accumulato più di 2.000.000 di ore di funzionamento. E’ stato sviluppato un nuovo compressore assiale a più alta efficienza e più alto rapporto di compressione con un minor numero di stadi (da 17 a 11) ed è stato cambiato il lay-out della macchina, con lo scarico assiale dei gas caldi, modifica questa che rende più semplice le applicazioni in cogenerazione, permettendo l’accoppiamento diretto con una caldaia di recupero. Lo sviluppo del nuovo compressore assiale della GE10/1 è servito anche come base per i nuovi modelli GE5 (turbina a gas della classe di 6 MW), e MS5002E, la nuova versione della macchina bialbero da 30MW per applicazioni “mechanical drive”. La turbina a gas GE10/1 è una turbina del tipo heavy duty “single shaft”, con un compressore assiale di 11 stadi, un rapporto di compressione di 15.5:1 in condizioni di flusso transonico, derivato dalla tecnologia aeronautica di GE Aircraft Engines. Un sistema di IGV (inlet variable guide vanes) permette l’ottimizzazione della temperatura di scarico ai carichi parziali per migliorare il recupero termico. La turbina è costituita da tre stadi a reazione. I primi due stadi derivano dal progetto consolidato della macchina precedente. Il raffreddamento dei primi due stadi è ottenuto con spillamento d’aria dal compressore assiale. Il sistema di combustione è costituito da un’unica camera di combustione che permette, oltre alla flessibilità nell’uso dei diversi combustibili, una facile manutenzione delle parti calde della turbina stessa. Le seguenti figure mostrano le principali caratteristiche di questa turbina a gas: GE Oil & Gas

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GE Proprietary information – All rights reserved worldwide

Product Overview

GE Frame 1& 3 Architecture

• High Efficiency Designby Aircraft Enginesand Power Systems

• Extensively Tested for Performance and Mechanical Integrity

• GE Mark VI Controls New DLE

Combustor

• Proven PGT10ATurbine design

• >1.9 Million operating hours

Gas: 25 ppm Nox20 ppm CO

Fig. 5

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PERFORMANCE (Iso Conditions) Power (kW) 11250

Efficiency (%) 31.4

Heat Rate (kJ/kWh) 11481

Pressare Ratio 15.5

Exhaust Temperature (°C) 482

Exhaust Flow (kg/s) 47.5

Turbine Speed (rpm) 11000

GE Oil & Gas

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� Single can combustor … basically identical to PGT 10A

� Variable Geometry, Single Reverse Flow Combustion Chamber with Wide Fuel Capability

� Low pressure drop

� DLN Standard (diffusion combustor available), system developed with the support of GE CR&D

� Natural Gas performance:�25 ppmvd NOx @ 15% O2

�20 ppmvd CO @ 15% O2

� Simple fuel system

� Readily accessible and easy to service

GE 10- Dry Low NOx Combustor

18

20

22

24

26

10 20 30 40 50 Steam Pressure

Steam (tons/hr)

GE Oil & Gas

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� Enhanced, high efficiency design … 11 stages against previous 17 �+10% in airflow�+10% in pressure ratio (15.5:1)

� 3 adjustable stationary stages.� 5 transonic stages.� Reduced parts count.� Horizontally split casings.� High surge margin (>25%).

� Same proven, low risk materials as PGT 10A

– Rotor: ASTM A471 Type– Discs: ASTM A471, A565– Blades: 17-4 PH, X22 CrMoV 12.1– Vanes: ASTM A276, X22 CrMoV 12.1– Coatings: GECC-1 aluminide-ceramic

PGT10A

GE10

Compressor Design

Fig. 7

Fig. 6

Fig. 8

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GE Oil & Gas

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GE 10-1 Gas Turbine PackagingGE 10-1 Gas Turbine Packaging

Package

MATERIAL DETAILS GE 10-1 MECHANICAL FEATURES

AXIAL COMPRESSOR • Rotor: ASTM A471 Type • Discs: ASTM A471, A565 • Blades: 17-4 PH, X22 CrMoV 12.1 • Vanes: ASTM A276, X22 CrMoV 12.1 • Coatings: GECC-1 aluminide-ceramic TURBINE • Three stage type • 1st and 2nd stage air cooled, derived from PGT 10A HPT • Discs: INCONEL 718 • Nozzles: FSX 414 • 1st and 2nd Stage Buckets: GTD 111 (DS) • 3rd Stage Buckets: INCONEL 738 (EA) • Coatings: 1st Stage, GT33; 2nd Stage, RT22

Fig. 9

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5. La Turbina a Gas GE5-1 La nuova GE5-1, progettata sulla base dell’esperienza accumulata dal successo della GE10, è una turbina a gas da 5.5 MW del tipo heavy-duty, adatta a tutte le applicazioni di produzione di energia elettrica, sia in ciclo semplice che cogenerativo. La versione standard prevede un sistema di combustione DLN, che riduce i livelli di emissione di NOx e CO ed è progettata per funzionare sia a natural gas che a liquido. Il sistema di combustione utilizza un combustore anulare con 18 ugelli.

GE Oil & Gas GE5-1 Gas Turbine

Technical DataTechnical Data

• 2 Stages Axial Flow Turbine • High Expansion Ratio : PR = 14.8• 1st Stage with Air Cooling• Operating Speed : 16630 RPM• Exhaust Gas Mass Flow : 19.6 kg/s (ISO)• Exhaust Gas Temperature : 574 °C (ISO)

GE Oil & Gas

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GE5-1 Product Overview

GE Mark VI Controls

Scaled GE10 Compressor

Aircraft Engine DLE Annular Combustor

New Turbine Airfoil Design Based on GE Power Systems Best

Practices

Gas/Liquid: 25/65 ppm

NOx

Fig. 10

Fig. 11

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• Horizontally split compressor casing• 4th and 7th stages extraction for sealing and cooling • MATERIALS

- Blades : 17- 4 PH, AISI 403,AISI 42- Casings : Ductile Cast Iron- Rotor: Ni Cr Mo V solid Steel forging- Fully coated version availablefor offshore applications or severe enviroments

Scaled Compressor from GE10Scaled Compressor from GE10 Dry Low-Emissions Dual-FuelCombustion System

Dry Low-Emissions Dual-FuelCombustion System

• Annular Combustion Chamber • 18 Premixers• Fixed geometry • Single/Dual Fuel simple switching

1st Stage HP Turbine with air cooling• Nozzle material : FSX414• Bucket material : R80• Bucket coating : PtAl

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10 20 30 40 50

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Steam Pressure (bars)

Steam (tons /hr)

GE5-1 Introductory Version General Characteristics • Electrical Power Output: 5500 kW • Electrical Efficiency: 30.7 % • Designed for 50 Hz or 60 Hz

Power Generation • Particularly Suitable as a

Prime Mover for Industrial • Cogeneration Applications • Designed for Future Uprate • Std Dual Fuel DLECombustion System 25/65 ppmvd NOx (Natural gas / n°2 distillate) 25/25 ppmvd CO (Natural gas / n°2 distillate) • High Reliability and Maintainability Standards • Compact Package Arrangement • Low Maintenance Cost

Fig. 12

Fig. 13

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• Liner material : Hastelloy X • Thermal Barrier Coating : Zirconium Oxide - Yttrium Oxide Powder

Combustion ChamberCombustion Chamber

• Premixer material : AISI 410• Double-counter rotating swirler system• Replaceable premixer shroud (Hastelloy X)• Single / Dual Fuel simple switching

PremixerPremixer Pilot Circuit

Premixer Circuit

Liquid Circuit

GE Oil & Gas Easy Assembly and DisassemblyEasy Disassembly & Accessibilityfor On Site MaintenanceEasy Disassembly & Accessibilityfor On Site Maintenance

• Package design allows for easy and convenient access from both sides

• Package equipped with special tools to permit easy, safe, and convenient removal for scheduled maintenance.

• Boroscopic Inspection at 8,000 hoursHot Gas Path Inspection at 16,000 hoursMajor Inspection at 48,000 hours

Fig. 14

Fig. 15

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6. Tecnologia e Go-to-Market Le due turbine a gas presentate, la GE10-1 e la GE5-1, sono due macchine relativamente nuove e pronte ad affrontare la sfida della Small Power Generation. Questo settore, comunque, è sempre più competitivo, sia dal punto di vista delle Performance che del Go-to-Market. Relativamente alle Performance e alla diminuzione dell’impatto ambientale, GE Oil & Gas sta già lavorando per la famiglia delle turbine a gas GE10 su di un piano di sviluppo che vedrà in tempi molto brevi un miglioramento complessivo di prestazioni e una diminuzione delle emissioni di NOx, prima a 15ppm e poi al “single digit”. Per quanto riguarda il “Go-to-Market”, GE Oil & Gas ha intenzione di concentrarsi sul proprio “core business” storico, quello cioè di costruttore di engines; ha in corso quindi una attività di accordi con differenti società in vari paesi del mondo, sia per la packagizzazione dei suoi engines, sia per rispondere pienamente al mercato che è solito richiedere in questo settore degli impianti chiavi in mano. Questo nuovo approccio è in fase di finalizzazione e sarà sicuramente uno dei mezzi per rendere sempre più competitive queste due turbine a gas nel mercato della Small Power Generation, accanto alla qualità e alla tecnologia degli engines.

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