Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5875
Main Title: Thermal design and optimization of heat recovery steam generators and waste heat boilers
Translated Title: Wärmetechnische Berechnung und Optimierung von Abhitzedampferzeugern und Abhitzekesseln
Author(s): Rezaie Navaie, Ali
Advisor(s): Tsatsaronis, George
Referee(s): Tsatsaronis, George
Hellwig, Udo
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
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.
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.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6319
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5875
Exam Date: 12-Apr-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 27-Apr-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): heat recovery steam generator
waste heat boiler
thermal design
optimization
genetic algorithm
Abhitzedampferzeuger
Abhitzekessel
wärmetechnische Berechnung
Optimierung
genetischer Algorithmus
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 3 Prozesswissenschaften » Institut für Energietechnik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
rezaie_navaie_ali.pdf7.34 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.