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Dissertation Thermal Design and Optimization of Heat Recovery Steam Generators

Dissertation Thermal Design and Optimization of Heat Recovery Steam Generators and Waste Heat Boilers Ali Rezaie Navaie Berlin 2017 Technische Universität Berlin Institut für Energietechnik Thermal Design and Optimization of Heat Recovery Steam Generators and Waste Heat Boilers vorgelegt von M. Sc. Ali Rezaie Navaie geb. in Sary, Iran von der Fakultät III – Prozesswissenschaften der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften - Dr. –Ing. - genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzende: Prof. Dr. Tetyana Morozyuk Gutachter: Prof. Dr. -Ing. George Tsatsaronis Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Udo Hellwig Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 12.04.2017 Berlin 2017 To my lovely wife, Delara my darling son, Kian and my beloved parents, Mahmood and Monir Acknowledgements This work was carried out during my stay as a doctoral student at the Institute for Energy Engineering of the Technische Universität Berlin. At facing the finishing time of my dissertation, I have to express my appreciation to all people who helped, supported and accompanied me to complete this work. First of all, I have to express my sincere appreciation and gratitude to Professor George Tsatsaronis who gave me a chance to be under his supervision in my research work. Always, he had an open door and was passionate, creative, generous, and helpful. I have to appreciate him for his excellent support and patience during the past years. I am thankful to Professor Tetyana Morozyuk for her willingness to chair my defense. I place on record, my special thanks to the Professor Udo Hellwig, for his supports and kind attentions to me to carry out my favorite research project that is the design and technology of the boilers. This work was not possible without his support. He has given me a lot of favors and helped me with all he could whenever I needed. I appreciate Mr. Alexis Hellwig who helped me during the time that I stayed in Berlin. I use this opportunity to say my thanks to the colleagues, Michael Beyer, Mario Nowitzki, Stefan Kohn, Marcel Kamin, Nicolai Sachno and the others for the fruitful technical discussions. I am also grateful Mr. Max Hellwig for having reviewed the writing and grammar of my thesis. I would then thank my beloved brother, Amir Rezaie and my dear old friend, Shahrokh Zehtabian for their constructive help and guide. This work was not possible without the support and accompanying of my lovely wife, Delara. Your sacrifices and encouragement have been the most important and powerful motivator to my work. I would like to express my honest and eternal gratitude towards you for your understanding, help and patience during the past years. I never forget your encouragement and strong back at all levels. The last but not the least, I would dedicate my special thanks to my solid backing, my parents, Mahmood and Monir who I couldn’t be where I am without them. I can hardly find meaningful words to appreciate my parents. They gave me everything they ever could and supported me in every phase of my life. I will never forget their great encouragement and strong back at all levels. Abstract Heat recovery steam generators (HRSG) are important and critical equipment of combined cycle power plants (CCPP) that connect the gas turbine system to the steam cycle. The thermal design and the optimization of an HRSG are important for achieving safe operation, higher efﬁciency and reduced product cost in a combined cycle power plant. This work deals with the comprehensive optimization of the thermal design and cost of an HRSG using a genetic algorithm (GA). Based on actual and existing HRSG in most combined cycle power plants, a water tube HRSG including two superheaters, one evaporator and one economizer is considered in the optimization. A comprehensive program was developed in Visual Basic for this purpose. The optimization variables include the fin tube arrangement (transverse pitch, longitudinal pitch, number of rows in flue gas direction, number of tubes on the circumference of a header, in line or staggered tube arrangement), fin tube specification (tube diameter, fin height, fin thickness, fin type (solid or serrated), fin per meter, segment width of serrated fin) and also approach point, water and steam velocity. On the other hand, the pressure at the exit of the gas turbine, fin tube metal temperature, amount of desuperheater spray water flow, steam pressure drop, guarantee of minimum HRSG thermal efficiency, gap between fin tubes and overall dimension of HRSG (Length, width, height) have been considered as the main constraints in the optimization. The developed method selects and provides the best geometric parameter and arrangement of finned tubes based on minimum capital cost and relevant defined constraints. However, any other objective function such as minimum flue gas pressure drop, minimum heat transfer surface area, maximum rate of heat transfer, etc. could be defined as objective functions in the program and optimized easily. In order to test this method, the results of the optimized design have been compared to an existing HRSG of a combined cycle power plant. All design parameters and the HRSG arrangement could be easily determined based on any optimization strategy and constraints. Moreover, the existing work could be easily expanded to consider triple pressure HRSG. Zusammenfassung Abhitzekessel (AHK) sind wichtige und entscheidende Geräte in Kombikraftwerken, die das Gasturbinensystem mit dem Dampfkreislauf verbinden. Die wärmetechnische Berechnung und Optimierung eines AHK sind wichtig für den sicheren Betrieb, höhere Wirkungsgrade und niedrigere Produktkosten in einem Kombikraftwerk. Diese Arbeit behandelt die Optimierung der wärmetechnischen Berechnung und Kosten eines AHK mit Hilfe eines genetischen Algorithmus. Auf Grundlage von tatsächlichen, bestehenden AHK in den meisten Kombikraftwerken, wird bei der Optimierung ein Wasserrohr-AHK einschließlich zweier Überhitzer, eines Verdampfers und eines Economisers angenommen. Für diesen Zweck wurde in Visual Basic ein umfassendes Programm entwickelt. Die Optimierungsvariabeln schließen die Rippenrohranordnung (Querteilung, Längsteilung, Anzahl der Reihen in Rauchgasrichtung, Anzahl der um die Sammler herum angebrachten Rohre, fluchtende oder versetzte Anordnung), Rippenrohrgeometrie (Rohrdurchmesser, Rippenhöhe, Rippendicke, Rippenart [vollrippe oder segmentierte Rippe], Rippen pro Meter, Segmentbreite der segmentierte Rippen) und auch Approach Point, Wasser- und Dampfgeschwindigkeit. Auf der anderen Seite wurden der Druck beim Austritt aus der Gasturbine, Temperatur des Metalls der Rippenrohre, Spritzwasserdurchflussmenge des Einspritzkühlers, Dampfdruckabfall, Gewährleistung eines Minimums an thermischem Wirkungsgrad des AHK, Lücke zwischen Rippenrohren und Gesamtmaße des AHK (Länge, Breite, Höhe) als Hauptbegrenzungen der Optimierung berücksichtigt. Das entwickelte Verfahren wählt und bietet die besten geometrischen Parameter und die beste Anordnung von Rippenrohren auf Grundlage von minimalen Kapitalkosten und entsprechenden festgelegten Nebenbedingungen. Allerdings könnte jedwede andere Zielfunktion wie Mindestdruckabfall des Rauchgases, Mindestoberfläche der Wärmeübertragung, höchste Wärmeübergangszahl usw. in dem Programm als Zielfunktion festgelegt und leicht optimiert werden. Um dieses Verfahren zu testen, wurden die Ergebnisse des optimierten Entwurfs mit einem bestehenden AHK eines Kombikraftwerks verglichen. Alle Entwurfsparameter und die AHK-Anordnung können leicht auf Grundlage irgendwelcher Optimierungsstrategien und -nebenbedingungen bestimmt werden. Darüber hinaus könnte die bestehende Arbeit leicht erweitert werden, um Dreidruck-AHK zu berücksichtigen. Contents i Contents 1. Introduction 1 1.1. Brief description of combined cycle and cogeneration plants . . . . . . . . 4 1.2. Heat recovery steam generator (HRSG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3. Individual design of an HRSG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.4. State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2. Thermoeconomics and cost balance of HRSGs 12 2.1. Economic analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2. Thermoeconomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3. Cost balance of HRSGs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3. Thermal design of HRSG sections 17 3.1. Thermal design demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.2. HRSG temperature profile, pinch point and approach point . . . . . . uploads/Litterature/ rezaie-navaie-ali.pdf