8/4/2019 dagar
1/12
PergamonHeat R ecovery Systems & CH P Vol. 15, No. 7, pp.
619-630, 1995Copyright 1995. Elsevier Science Lid08 90 -4 33 2( 94
)0 00 85 -9 Printed in Great Bri ta in . All r ights
reserved0890-4332/95 $9.50 + .00
C O M P U T E R S IM U L A T IO N O F A C O M B IN E D C Y C L E
P O W E RP L A N T
B. SEYEDAN,P. L. D H A R , * R. R. GAUR and G. S. B I N D R A tD
e p a r t m e n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r in g , I n
d i a n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , N e w D e l h i
- 11 0 0 1 6 , I n d i a ;a n d l " B h a r a t H e a v y E l e c t
ri c al L t d , N e w D e l h i - l l 0 4 0 9 , I n d i a
(Rece ived 26 S e p t e m b e r 1994)A b s t r a c t - - T h i s
p a p e r p r e s e n t s t h e s i m u l a t i o n p r o c e d u r
e d e v e l o p e d t o p r e d i c t t h e p e r f o r m a n c e o
f ac o m b i n e d c y cl e p o w e r p l a n t f r o m g i v e n p
e r f o r m a n c e c h a r a c t e ri s t ic s o f it s m a i n c
o m p o n e n t s . I n o r d e r t h a tt h e p r o c e d u r e c
o u l d b e v a l i d a t e d , t h e s i m u l a t i o n t e c h n
i q u e h a s b e e n a p p l i e d t o a t y p i ca l c o m b i n
e d c y c lep o w e r p l a n t ( h a v i n g a d u a l p r es s u
r e b o t t o m i n g c yc le ) m a n u f a c t u r e d b y a p r o
m i n e n t c o m p a n y . T h ec h a r a c t e ri s t ic s o f t
h e s t a n d a r d e q u i p m e n t l ik e t h e a i r c o m p r
e s s o r , s t e a m a n d g a s t u r b i n e s , v a r i o u s p
u m p s ,e t c. h a v e b e e n t a k e n f r o m t h e m a n u f a
c t u r e r ' s c a ta l o g u e s a n d c o n v e r t e d i n t o
a p p r o p r i a t e e q u a t i o n s b a s e do n t h e o r e t
i c a l u n d e r s t a n d i n g . T h e p e r f o r m a n c e o f
v a r i o u s h e a t e x c h a n g e r s ( l i k e e c o n o m i z
e r s , s u p e r -hea te r s , evapora to r s , e t c . ) has been
de te rmined by us ing the e f fec t iveness concep t a f t e r eva
lua t ing theovera l l hea t t r ans fe r coe f f i c ien t by us
ing appropr ia te co r re la t ions f rom l i t e ra tu re . The s
t r a tegy o f sys tems i m u l a t i o n i s o b t a i n e d b y j
u d i c i o u s ly i n t e r l i n k in g t h e i n f o r m a t i o
n f l o w d i a g r a m s o f v a r i o u s c o m p o n e n t sa n
d t h u s t h e t a s k i s f i n al l y r e d u c e d t o t h a t
o f s o l v i n g n in e n o n - l i n e a r e q u a t i o n s f o
r n i n e v a r i a b l es . T h ep r e d i c te d p e r f o r m a
n c e o f t h e s y s t em i s s e e n t o b e i n g o o d a g r e
e m e n t w i t h i t s r a t e d p e r f o r m a n c e .
a , bAA fA ftAr r
D P BfGghhrhrgH P , L PJ akLMn
n fN uPP rQR eR rSSD, SL, STtrTUU
N O M E N C L A T U R Ere la t ive t r ansve r se and long i tud
ina l p i t chsu r face a rea , m 2f in a rea , m 2f ree f low a
rea in c omp ac t h ea t exc hanger , m 2h e a t e x c h a n g e r
f r o n t a l a r e a , m 2spec if ic h ea t a t con s tan t p res
su re , J /kg . Kt u b e d i a m e t e r , mbo i le r gas s ide p
ressu re d rop , ba rf r i c t ion fac to rgas mass ve loc i ty ,
kg / s . m 2grav i t a t iona l acce le ra t ion , m/s 2convec t
ive hea t t r ans fe r coef fi cien t , W /m 2 . K ; spec i fi c e
n tha lpy , J /kg . Khe igh t o f f in , ml a t e n t h e a t o f v
a p o r i z a t i o n , J / k gh i g h a n d l o w p r e s s u r eJ
a k o b n u m b e rt h e r m a l c o n d u c t i v i t y , W/ m .
Kleng th , mmass f low ra te , kg / sn u m b e r o f m o l esc o m
p r e s s o r s p e e dn u m b e r o f f i n s / mn u m b e r o f t
u b e i n l o n g i t u d i n a l a n d t r a n s v e r s e d i r e
c t i o n sN u s s e lt n u m b e rp ressu re , ba rP r a n d t l n
u m b e rhea t t r ans fe r r a te , WR e y n o ld s n u m b e rf o
u l in g f a c t o r, m 2 . K / Wfin p i t ch , md i a g o n a l ,
l o n g i t u d i n a l a n d t r a n s v e rs e p i tc h o f a t u
b e b a n k , mth ickness o f f in , ma b s o l u t e t e m p e r a
t u r e , Kovera l l he a t t r ans fe r coef fi cient , W /m 2 . K
; f lu id ve loc i ty , m/smass ave rage f lu id ve loc i ty ,
m/s
* A u t h o r t o w h o m c o r r e s p o n d e n c e s h o u l
d b e a d d r e ss e d .619
8/4/2019 dagar
2/12
6 2 0 B . S E Y E D A N et al.v s p e c i f ic v o l u m e , m 3
/ k gvariable assumed in the sim ulation procedureW work, Jx mole
fractionGreek letters~ /o o v e r a l l e f f i c i e n c yZ
correction factorhea t exch ange effectivenessp mass density,
kg/m3~r Stefan-Bol tzmanonstant; surface tension, N/miz viscos ity,
kg /s. mSubscripts and superscriFtsc c o m p r e s s o re . i e x i
t , i n l e tf formation, fin, free stream(main flow)g dry
saturated steam, gasesm mean value ove r tube cross sectiono
outside, acrossp pumps surface conditionsat saturatedt turbineV
valveA differencel compressor inlet2 compressor delivery3 turbine
inlet4 turbine exit
I N T R O D U C T I O NW i t h t h e t w i n c r is e s o f e n
e r g y r e s o u r c e s d e p l e t i o n a n d p o l l u t i o n
i n c r e a si n g l y e ng u l f in g o u rc i v il i za t i o n ,
i t h a s b e c o m e v e r y c r u c i a l t o d e v e l o p m o r
e e f fi c ie n t a n d l es s p o ll u t i n g t h e r m a l p o w
e rp l an t s , w h i ch a re c ap ab l e o f e ff ec t i v e l y u
t i l iz i n g fu e l s l ik e co a l an d n a t u ra l g as , e tc
.G a s t u r b in e s ( G T ) h a v e , b y n o w , p r o v e n t o
b e v e r y c o m p a c t a n d r e li a bl e t y p e s o f p o w e
r p l a n t sh a v i n g a v e r y s m a ll g e s t a t i o n p e r
i o d a n d l o w c a p i t a l c o s t. H o w e v e r , b e c a u
s e o f lo w e f f ic i e nc y d u et o h i g h e x h a u s t t e m
p e r a t u r e s , t h e s e p l a n ts d i d n o t h i t h e r t
o f i n d w i d e a p p l i c a t i o n . D e s p i t e t h i s, b
yu s i ng t h e e x h a u s t h e a t o f th i s g a s t u r b i n
e c y c l e t o g e n e r a t e s t e a m f o r a b o t t o m i n g
R a n k i n e c y c l e ,i t i s n o w p o s s ib l e t o a c h i e
v e m u c h h i g h e r t h e r m a l e f f ic i e nc y t h a n c o
n v e n t i o n a l s t e a m p o w e r p l a n t s .S u c h c o m
b i n e d c y c l e p o w e r p l a n ts a r e n o w c l e ar l y e
m e r g i n g a s t h e m o s t f a v o r e d t e c h n o l o g y f
o re l e c tr i c p o w e r g e n e r a t i o n , n o t o n l y b e
c a u s e o f th e i r i n c r e a s e d e f fi c ie n c y b u t a
l s o d u e t o m a n y o t h e ro p e r a t i o n a l a n d e n v
i r o n m e n t a l a d v a n t a g e s d i s c u s s e d i n t h e
l i t e r a t u r e [ 1 ] .
T h e d e s i g n o f s u c h c o m b i n e d c y c l e ( C C )
p o w e r p l a n t s i s o b v i o u s l y m u c h m o r e i n v o
l v e d ,e s p e c ia l ly b e c a u s e o f th e c o u p l i n g b
e t w e e n t w o d i f f e r e n t ty p e s o f p o w e r - p r o
d u c i n g c y c l e s a n d t h en e e d t o i d e n t i fy th e
o p t i m a l d i s t r i b u t i o n o f p o w e r p r o d u c t i
o n b e t w e e n t h e m . T h e r e i s t h e r e f o r e an e e
d f o r d e v e l o p i n g c o m p u t e r s i m u l a t i o n t e
c h n i q u e s w h i c h w o u l d e n a b l e e v a l u a t i o n
o f v a r io u sp o s s ib l e d e s ig n o p t i o n s a n d a l s
o p e r m i t p r e d i c t i o n o f o ff - d e s ig n p e r f o r
m a n c e o f th e s y s t e m .
T h i s p a p e r p r e s e n t s t h e d e t a il s o f a s im
u l a t i o n p r o c e d u r e w h i c h h a s b e e n d e v e l o
p e d f o r p r e d i c t i n gt h e p e r f o r m a n c e o f a t
y p i c a l C C p o w e r p l a n t i n v o l v in g a g a s t u r
b i n e c o u p l e d t o a d u a l - p r e s s u r eb o t t o m i
n g c y c l e t h r o u g h a w a s t e h e a t r e c o v e r y b o
i le r . T h e p r o c e d u r e h a s b e e n v a l i d a t e d b
yc o m p a r i n g i ts p r e d ic t i o n t o t h e r a t e d p e
r f o r m a n c e o f a t y pi c a l 80 0 M W , t w o m o d u l e c
o m b i n e dc y c l e p o w e r p l a n t , e a c h m o d u l e o
f w h i c h c o n s i st s o f tw o g a s t u r b in e s w i t h t
w o w a s t e h e a t r e c o v e r yb o i l e r s f eed i n g a s
i n g l e s t eam t u rb i n e (F i g . 1 ) .
C O M P U T E R S I M U L A T I O N S T R A T E G YT h e t a s k
o f c o m p u t e r s i m u l a t i o n i n v o l v e s p r e d i c
t i n g t h e o p e r a t i n g c o n d i t i o n s o f th e s y s
t e m( p r e ss u r e s, t e m p e r a t u r e s , e n e r g y a n
d f l ui d fl o w ra t e s ) a t w h i c h v a r i o u s m a s s a
n d e n e r g y b a l a n c e s ,
a ll e q u a t i o n s o f st a t e o f w o r k i n g s u b s t
a n c e s a n d t h e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t
ic s o f t h e i n d i v id u a lc o m p o n e n t s a r e s a t is
f ie d [ 2 ] . T h e r e f o r e , t h e a v a i l a b i li t y o f
p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s ti c s o f t h ev a r i
o u s c o m p o n e n t s c o n s t i t u t i n g t h e s y s t e m
i s a p r e - r e q u i s i t e f o r s y s t e m s i m u l a t i o
n . T h e s t r a t e g y
