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Experimental and Numerical Investigation of the Integrated Solar Combined Cycle

Temraz, Ayman Lotfy Kabel (2021):
Experimental and Numerical Investigation of the Integrated Solar Combined Cycle. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00020223,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Experimental and Numerical Investigation of the Integrated Solar Combined Cycle
Language: English
Abstract:

The Integrated Solar Combined Cycle (ISCC) features the advantages of renewable clean energy with a combined cycle. The combined cycle gas turbine (CCGT) power plants are the most recognized thermal power plants for their high efficiency, fast start-up capability and relatively low environmental impact. Moreover, their flexible unit dispatch supports the share of renewable energy, which contributes to carbon mitigation. The ISCC power plants integrate a solar field with a CCGT power plant to increases the efficiency of solar power plants while decreasing the CO2 emissions of CCGT power plants. In this thesis, experimental and numerical investigations of the ISCC were performed for an existing ISCC power plant in Kuraymat, Egypt. On one hand, energy and exergy analyses as well as dynamic process simulations were carried out. On the other hand, an experimental investigation was performed for two-phase dynamic instabilities in the Heat Recovery Steam Generator (HRSG). In the energy and exergy analysis, the overall thermal efficiency and the exergetic efficiency of each component in the ISCC power plant were calculated for different solar heat inputs and ambient temperatures. The analysis indicated that the exergetic efficiency of the plant components has its lowest value in the solar field followed by the combustion chamber. Further, the thermal efficiency and the exergetic efficiency of the ISCC power plant as a whole decrease with increasing ambient temperature and have their highest values in the combined cycle regime of operation. Owing to these results, an investigation on the sources of exergy destruction in the solar field was conducted. Then, to evaluate the limitations and capabilities of ISCC power plants and their control structures, a sophisticated dynamic process model of the plant has been developed using APROS software. The model describes the plant with a high level of detail including the solar field, the HRSG, and the control structures. The developed model was initialized using the operational design data and validated using actual measurements. Dynamic analysis of different four days was performed then the simulation results were presented and compared with actual measurements. The comparison showed that the course of the actual measurements could be predicted with high accuracy and the developed model can be considered in future planning decisions. Finally, the dynamic instabilities of the two-phase flow in the HRSG were investigated by performing experiments using demineralized water in a two-phase flow test rig with a horizontal evaporator tube. The experimental results for the main three types of dynamic instabilities (density wave oscillation, pressure drop oscillation, and thermal oscillation) were presented and compared in time and frequency domains. The comparison study showed that the density wave oscillations (DWOs) have a higher frequencies range, of about 0.04 to 0.1 Hz, compared with the pressure drop oscillations (PDOs), which have a frequencies range of about 0.012 to 0.024 Hz. The PDOs, with their lower frequencies compared to DWOs, have a more significant effect on thermal oscillations and increase the likelihood of tube burnout occurring. Since the amplitude of the surface temperature oscillations along the evaporator tube, associated with the PDOs, reached 60 °C.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Der integrierte solare Kombikreislauf (ISKK) kombiniert die Vorteile erneuerbarer, sauberer Energie mit Gas- und Dampfturbinenkraftwerken (GuD-Kraftwerk). GuD- Kraftwerke sind dank ihrer hohen Effizienz, schneller Startfähigkeit und relativ geringer Umweltbelastung weltweit anerkannte thermische Kraftwerke. Zusätzlich unterstützt ihr flexibler blockbasierter Redispatch den Anteil an erneuerbarer Energie, was zur Reduzierung des Kohlenstoffausstoßes beiträgt. Die ISKK-Kraftwerke kombinieren ein Solarfeld mit einem GuD-Kraftwerk, um den Effizienzgrad von Solarkraftwerken zu erhöhen und gleichzeitig die CO2-Emissionen von GuD- Kraftwerken zu senken. In dieser Arbeit wurden experimentelle und numerische Untersuchungen des ISKK für ein bestehendes ISKK-Kraftwerk in Kuraymat, Ägypten, durchgeführt. Hierbei wurde zum einen eine numerische Untersuchung durch Energie- und Exergieanalyse und eine dynamische Prozesssimulation durchgeführt. Zusätzlich wurden diese Betrachtungen durch experimentelle Untersuchungen von zweiphasigen dynamische Instabilitäten im Abhitzedampferzeuger (AHDE) ergänzt. In der Energie- und Exergieanalyse wurden der thermische Gesamtwirkungsgrad und der exergetische Wirkungsgrad jeder Komponente im ISKK-Kraftwerk für unterschiedliche solare Wärmeeinträge und Umgebungstemperaturen berechnet. Die Analyse ergab, dass der exergetische Wirkungsgrad der Anlagenkomponenten seinen niedrigsten Wert im Solarfeld hat, gefolgt von der Brennkammer. Weiterhin nehmen der thermische Wirkungsgrad und der exergetische Wirkungsgrad des ISKK-Kraftwerks insgesamt mit steigender Umgebungstemperatur ab und erreichen ihre höchsten Werte im kombinierten Betriebsmodus. Aufgrund dieser Ergebnisse wurde eine Untersuchung zu den Quellen der Exergievernichtung im Solarfeld durchgeführt. Um die Grenzen und Möglichkeiten von ISKK-Kraftwerken und deren Regelungsstrukturen zu bewerten, wurde anschließend ein anspruchsvolles dynamisches Prozessmodell der Anlage mit der Software APROS entwickelt. Das Modell beschreibt die Anlage mit einem hohen Detaillierungsgrad, einschließlich des Solarfelds, des Abhitzedampferzeugers und der Regelungsstrukturen. Das entwickelte Modell wurde unter Verwendung der betrieblichen Auslegungsdaten abgestimmt und anhand tatsächlicher Messungen validiert. Es wurde eine dynamische Analyse von vier verschiedenen Tagen durchgeführt. Anschließend wurden die Simulationsergebnisse präsentiert und mit den realen Messungen verglichen. Der Vergleich zeigte, dass der Verlauf der realen Messungen mit hoher Genauigkeit vorhergesagt werden konnte. Folglich kann das validierte Modell das dynamische Verhalten des ISKK-Kraftwerks mit einem hohen Grad an Genauigkeit simulieren und bei zukünftigen Planungsentscheidungen berücksichtigt werden. Schließlich wurden die dynamischen Instabilitäten der Zweiphasenströmung im AHDE untersucht, indem Experimente mit demineralisiertem Wasser in einem Zweiphasenströmungsprüfstand mit einem horizontalen Verdampferrohr durchgeführt wurden. Die experimentellen Ergebnisse für die drei Haupttypen der dynamischen Instabilitäten (Dichtewellenschwingung, Druckabfallschwingung und thermische Schwingung) wurden vorgestellt und im Zeit- und Frequenzbereich verglichen. Die Vergleichsstudie zeigte, dass die Dichtewellenschwingungen einen höheren Frequenzbereich haben, von etwa 0,04 bis 0,1 Hz, verglichen mit den Druckabfallschwingungen, die einen Frequenzbereich von etwa 0,012 bis 0,024 Hz haben. Die Druckabfallschwingungen haben mit ihren niedrigeren Frequenzen im Vergleich zu den Dichtewellenschwingungen einen stärkeren Einfluss auf die thermischen Schwingungen und erhöhen die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Rohrbrands, da die Amplitude der Oberflächentemperaturschwingungen entlang des Verdampferrohrs, die mit der Druckabfallschwingungen verbunden sind, bis zu 60 °C erreichte.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xxv, 122 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institut für Energiesysteme und Energietechnik (EST)
Date Deposited: 21 Dec 2021 08:06
Last Modified: 21 Dec 2021 08:07
DOI: 10.26083/tuprints-00020223
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-202233
Referees: Epple, Prof. Dr. Bernd ; Sadiki, Prof. Dr. Amsini
Date of oral examination: 23 November 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20223
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