Document
Techno-Economic Analysis of Combined Cycle Gas Turbine Air Intake Cooling Methods for Bahrain Operating Conditions
Date Issued
2023
Language
English
Place of institution
Sakhir, Bahrain
Thesis Type
Thesis (Master)
English Abstract
Abstract :
One of the main problems of the combined cycle gas turbine plants is the sensitivity to
the air intake temperature. The increase in the intake temperature reduces the plant's
output and efficiency. In Bahrain, the air temperature reaches around 48 °C during
summer, negatively impacting the power plants' performance.
Based on technical and economic analysis, this thesis investigated the feasibility of
adding different air intake cooling systems on combined cycle gas turbine plants in
Bahrain. Fogging and evaporative cooler systems have been selected to represent the
evaporative cooling method. In addition, mechanical and absorption chillers have been
chosen to represent the refrigeration cooling method.
The selected combined cycle gas turbine plant for this work contains two gas turbines
combined with a steam turbine. The total design output of the selected plant is 491 MW.
The plant has been modeled and simulated in Ebsilon professional software based on
the collected manufacturer data and Bahrain's climate data for 2022.
The technical analysis results have shown that the waste heat absorption chiller, internal
steam absorption chiller, mechanical chiller, fogging system, and evaporative cooler
increased the annual plant generation by 6.85%, 6.23%, 5.89%, 5.16%, and 4.33%,
respectively. In addition, the fogging system, waste heat absorption chiller, and
evaporative cooler increased the annual plant efficiency by 0.16%, 0.12%, and 0.10%,
respectively. On the other hand, the mechanical and internal steam absorption chillers
reduce the annual plant efficiency by 0.78 % and 0.46%, respectively.
The economic analysis results have shown that net present values of the waste heat
absorption chiller, fogging system, internal steam absorption chiller, mechanical
chiller, and evaporative cooler were $ 124 M, $ 113 M, $ 101 M, $ 95 M, and $ 85 M
respectively.
This research has concluded that the waste heat absorption chiller is the best alternative
to cool the air intake of the gas turbines operated on a combined cycle arrangement in
Bahrain, provided that the plant has a reasonable waste heat source. Otherwise, the
fogging system should be prioritized, followed by the internal steam absorption chiller,
mechanical chiller, and evaporative cooler, respectively
Arabic Abstract
الملخص :
واحدة من العوائق الرئيسية لمحطات التوربينات الغازية ذات الدورة المركبة، هي الحساسية لدرجة الحرارة
المحيطة.
تؤدي الزيادة في درجة الحرارة المحيطة إلى تقليل كفاءة المحطة وقدرتها اإلنتاجية. في البحرين ، تصل درجة
الحرارة المحيطة إلى حوالي 84 درجة مئوية خالل فصل الصيف ، مما يؤثر على أداء محطات الطاقة بشكل
سلبي.
استناد ا إلى التحليل الفني واالقتصادي ، بحثت هذه األطروحة في جدوى إضافة أنظمة تبريد مختلفة لتبريد الهواء
الداخل للتوربينات الغازية ذات الدورة المركبة في البحرين، حيث تم اختيار نظام الضباب والمبرد التبخيري لتمثيل
طريقة التبريد عن طريق التبخير ، و تم اختيار المبرد الميكانيكي والمبرد االمتصاصي عن طريق البخار الداخلي
، و المبرد االمتصاصي عن طريق الحرارة المهدرة لتمثيل طريقة التبريد بالتبادل الحراري.
تتكون محطة التوربينات الغازية ذات الدورة المركبة المختارة لهذا العمل من توربينين غازيين وتوربين بخاري
واحد ، مصَّممة بطاقة إجمالية تبلغ 894 ميجاوات. تم تصميم المصنع ومحاكاته في برنامج إبسيلون بروفيشنال
بنا ء على بيانات الشركة المصنعة و بيانات المناخ في البحرين لعام .2222
أظهر التحليل الفني أن المبرد االمتصاصي عن طريق الحرارة المهدرة ، والمبرد االمتصاصي عن طريق البخار
الداخلي ، والمبرد الميكانيكي ، ونظام الضباب ، والمبرد التبخيري زاد من إنتاجية المصنع السنوية للطاقة بمقدار
,%5.46 ,%5.26 ,%6.49 ,%6.45 و ٪8.66 على التوالي. إضافة إلى ذلك ، أدى نظام الضباب والمبرد
االمتصاصي عن طريق الحرارة المهدرة والمبرد التبخيري لزيادة كفاءة المصنع السنوية بنسبة 2.45 ,٪ 2.42
,٪ و 2.42 ٪ على التوالي. من ناحية أخرى ، قلل كل من المبرد الميكانيكي و المبرد االمتصاصي عن طريق
البخار الداخلي من كفاءة المصنع السنوية بنسبة 2..4 ٪ و 2.85 ٪ على التوالي.
أظهرت نتائج التحليل االقتصادي، أن القيم الحالية الصافية للمبرد االمتصاصي عن طريق الحرارة المهدرة ،
ونظام الضباب ، و المبرد االمتصاصي عن طريق البخار الداخلي ، والمبرد الميكانيكي ، والمبرد التبخيري كانت
428 مليون دوالر ، و 446 مليون دوالر ، و 424 مليون دوالر ، و 96 مليون دوالر ، و 46 مليون دوالر على
التوالي.
توصل هذا البحث إلى أن المبرد االمتصاصي عن طريق الحرارة المهدرة هو أفضل بديل لتبريد الهواء الداخل
للتوربينات الغازية ذات الدورة المركبة في البحرين بشرط أن يتوفر هنالك مصدر حرارة مهدر بشكل كاف. خالف
ذلك ، يجب إعطاء األولوية لنظام الضباب ، متبو عا بالمبرد االمتصاصي عن طريق البخار الداخلي ، والمبرد
الميكانيكي ، والمبرد التبخيري على التوالي .
واحدة من العوائق الرئيسية لمحطات التوربينات الغازية ذات الدورة المركبة، هي الحساسية لدرجة الحرارة
المحيطة.
تؤدي الزيادة في درجة الحرارة المحيطة إلى تقليل كفاءة المحطة وقدرتها اإلنتاجية. في البحرين ، تصل درجة
الحرارة المحيطة إلى حوالي 84 درجة مئوية خالل فصل الصيف ، مما يؤثر على أداء محطات الطاقة بشكل
سلبي.
استناد ا إلى التحليل الفني واالقتصادي ، بحثت هذه األطروحة في جدوى إضافة أنظمة تبريد مختلفة لتبريد الهواء
الداخل للتوربينات الغازية ذات الدورة المركبة في البحرين، حيث تم اختيار نظام الضباب والمبرد التبخيري لتمثيل
طريقة التبريد عن طريق التبخير ، و تم اختيار المبرد الميكانيكي والمبرد االمتصاصي عن طريق البخار الداخلي
، و المبرد االمتصاصي عن طريق الحرارة المهدرة لتمثيل طريقة التبريد بالتبادل الحراري.
تتكون محطة التوربينات الغازية ذات الدورة المركبة المختارة لهذا العمل من توربينين غازيين وتوربين بخاري
واحد ، مصَّممة بطاقة إجمالية تبلغ 894 ميجاوات. تم تصميم المصنع ومحاكاته في برنامج إبسيلون بروفيشنال
بنا ء على بيانات الشركة المصنعة و بيانات المناخ في البحرين لعام .2222
أظهر التحليل الفني أن المبرد االمتصاصي عن طريق الحرارة المهدرة ، والمبرد االمتصاصي عن طريق البخار
الداخلي ، والمبرد الميكانيكي ، ونظام الضباب ، والمبرد التبخيري زاد من إنتاجية المصنع السنوية للطاقة بمقدار
,%5.46 ,%5.26 ,%6.49 ,%6.45 و ٪8.66 على التوالي. إضافة إلى ذلك ، أدى نظام الضباب والمبرد
االمتصاصي عن طريق الحرارة المهدرة والمبرد التبخيري لزيادة كفاءة المصنع السنوية بنسبة 2.45 ,٪ 2.42
,٪ و 2.42 ٪ على التوالي. من ناحية أخرى ، قلل كل من المبرد الميكانيكي و المبرد االمتصاصي عن طريق
البخار الداخلي من كفاءة المصنع السنوية بنسبة 2..4 ٪ و 2.85 ٪ على التوالي.
أظهرت نتائج التحليل االقتصادي، أن القيم الحالية الصافية للمبرد االمتصاصي عن طريق الحرارة المهدرة ،
ونظام الضباب ، و المبرد االمتصاصي عن طريق البخار الداخلي ، والمبرد الميكانيكي ، والمبرد التبخيري كانت
428 مليون دوالر ، و 446 مليون دوالر ، و 424 مليون دوالر ، و 96 مليون دوالر ، و 46 مليون دوالر على
التوالي.
توصل هذا البحث إلى أن المبرد االمتصاصي عن طريق الحرارة المهدرة هو أفضل بديل لتبريد الهواء الداخل
للتوربينات الغازية ذات الدورة المركبة في البحرين بشرط أن يتوفر هنالك مصدر حرارة مهدر بشكل كاف. خالف
ذلك ، يجب إعطاء األولوية لنظام الضباب ، متبو عا بالمبرد االمتصاصي عن طريق البخار الداخلي ، والمبرد
الميكانيكي ، والمبرد التبخيري على التوالي .
Member of
Identifier
https://digitalrepository.uob.edu.bh/id/78612427-5ebb-4ad1-9181-6d2c49ba3515