Exergetic and thermoeconomic performance analysis and optimization of diesel engine powered cogeneration systems

Abstract

Bu çalışmada, termoekonomik analiz ve optimizasyon yaklaşımı, Gaziantep'te bulunan, 25.32 MW elektrik ve 8100 kg/saat buhar çıktısı olan ağır yakıtlı ve dizel motor tahrikli gerçek bir kojenerasyon sistemine, Sanko Dizel Motorlu Kojenerasyon'a uygulanmıştır. Bu çalışmada sunulan yaklaşım, herhangi bir sistem bileşeni için verilen maliyet ve performans girdilerinin birleşiminin, sistemdeki bileşenlerin ürün çıktılarının ekserjileri ve yakıt maliyetleri sabit kalmak koşuluyla, optimum dizayn şartlarında hesaplanmasını mümkün kılan iteratif (yinelemeli) bir performans iyileştirme yöntemidir. Kojenerasyon sistemine giren yakıtın ekserjisi 62,800 kW olarak hesaplanmıştır. Sisteme giren toplam yakıt ekserjisinin %40.4' ü elektriğe, % 0.3' ü ise buhara çevrilmektedir. Dizel motorlu kojenerasyon sisteminin ikinci kanun (ekserji) verimi %40.6 olarak hesaplanmıştır. Gerçek çalışma şartlarında sisteme giren yakıtın ekserjiye bağlı maliyeti ve birim ekserji maliyeti sırasıyla 1806 $/saat ve 2.70 $/GJ bulunmuştur. Sistemdeki dizel motorlar için yakıt girdisi değerleri sırasıyla 1933.3 $/saat ve 2.85 $/GJ olarak hesaplanmıştır. Gerçek çalışma şartlarında elektrik maliyeti 10.31 $/GJ (8.90 ¢/kW-saat) bulunmuştur. Termoekonomik optimizasyon çalışması neticesinde elektrik maliyeti 8.38 $/GJ (6.70 ¢/Kw-saat) olarak hesaplanmıştır, termodinamik optimizasyon sonucunda ise elektrik maliyeti 21.36 $/GJ' e (23.18 ¢/kW-saat) yükselmektedir. Sistemde üretilen buharın gerçek çalışma şartlarında, termodinamik ve termoekonomik optimizasyon çalışmaları sonucunda maliyeti sırasıyla, 5.22 ¢/kW-saat, 10.04 ¢/kW-saat, and 4.50 ¢/kW-saat olarak hesaplanmıştır. Egzoz emisyon analiz sonuçlarına göre, birleşik ısı ve güç kullanımı, ısı ve gücün ayrı üretildiği sistemlere göre enerji ve ekserjiye bazlı analizlerde yakıt tüketiminde sırasıyla %23.84, ve %17.25 oranında bir tasarruf sağlamaktadır.Anahtar Kelimeler: Birleşik Isı ve Güç Üretimi (CHP), Kojenerasyon, Dizel Motor, Enerji, Ekserji, Eksergoekonomik Analiz, Termoekonomik Analiz, Optimizasyon

In this thesis, we perform exergetic and thermoeconomic performance analysis and optimization of diesel engine powered cogeneration systems. The procedure and formulation of thermodynamic and thermoeconomic analysis are provided and they are applied to an actual cogeneration system located in Gaziantep, Turkey [Sanko Diesel Engine Powered Cogeneration (DEPC) plant] with an electrical power of 25.32 MW and a steam mass flow rate of 8100 kg/h. The approach presented in this thesis is an iterative performance improvement procedure in which the integration of the cost and performance data for a given system component permits the calculation of optimum design conditions when the exergy of the component product and the cost of the component fuel based on SPECO approach remain constant. The exergy input to the plant by fuel is 62,800 kW and 40.4% of this exergy is converted to electrical power while steam production accounts for 0.3% of exergy input. The corresponding exergetic efficiency of this cogeneration plant is 40.6%. The exergetic cost rate and the specific unit exergetic cost of the fuel entering the plant are determined to be 1806 $/h and 2.70 $/GJ, respectively. In optimization studies of the plant, the electricity cost and steam cost are determined for three cases. The electricity cost is 8.90 ¢/kWh in actual base case, 6.70 ¢/kWh in thermoeconomically optimal case, and 23.2 ¢/kWh in thermodynamically optimal case. The steam costs are 5.22 ¢/kWh, 4.50 ¢/kWh, and 10.04 ¢/kWh, respectively, in these three cases. Exhaust emission characteristics of DEPC plant are also assessed, and we determined that using combined power and heat production provide fuel savings of 23.8% in energy approach and 17.3% in exergy approach with respect to separate units of power and heat production.Key words: Combined Heat and Power (CHP), Cogeneration, Diesel Engine, Energy, Exergy, Exergoeconomic Analysis, Thermoeconomic Analysis, Optimization