Calculation comparison of waste heat recovery boiler dimensioning tools for gas turbine application

Abstract

Gas turbine combined cycles are used to increase the efficiency and power output of gas turbine power plants. These solutions are often used as peak load power plants, where short start up time and high power-output are the main parameters. Finned tubes are normally used in gas turbine waste heat recovery solutions and so it is also in this Master’s Thesis. The used fin model in this study was spiral serrated fin. Objective of this Master’s Thesis was to compare four dimensioning tools that were property of Alfa Laval Aalborg Oy and create a new calculation tool for gas turbine waste heat recovery solutions to be part of the sales tool. Waste heat recovery boilers can be designed with LMTD- or NTU-method. LMTD-method is used when the fluid inlet and outlet temperatures are known, or they can be solved from energy balances. If only inlet temperature is known the effectiveness -NTU -method, should be used. Two excel-based dimensioning programs, GE2-Select and EGB GS 1999 were examined carefully and the way of calculation were analyzed. The calculation comparison was made within four old calculation tools. Two of them were left out from the comparison, because they were old fashioned and hard to use. The result of the comparison was that none of the programs worked perfectly. Calculation comparison were made for nine cases with EGB GS 1999 and GE2-Select. Results of heat transfer surface and number of tubes differed markable from each other. Calculation of the exhaust gas pressure drop in EGB GS 1999 did not take mass flow rate of exhaust gas into account and therefore it was constant for all nine cases. The result of the comparison was that GE2-Select gives more accurate and sensible results than EGB GS 1999. The aim creating a new dimensioning tool was to solve some problems with the old ones. Therefore, both GE2-Select and EGB GS 1999 were used as a base of calculation in new dimension tool in sales program.

Kaasuturbiini kombivoimalaitoksia käytetään tehokkuuden ja tuotetun tehon kasvattamiseksi. Kaasuturbiinivoimalaitoksia käytetään usein huippuvoimalaitoksina, joissa nopea käynnistyminen ja korkea tehontuotanto ovat tärkeitä parametrejä. Ripaputkia käytetään tavallisesti kaasuturbiinien lämmöntalteenottosovelluksissa ja niitä käytetään myös tässä diplomityössä. Tässä työssä käytetty ripa tyyppi on spiraali-lappuripa. Tämän diplomityön tavoitteena oli vertailla neljää Alfa Laval Aalborg Oy:n mitoitusohjelmaa ja luoda uusi laskentaohjelma kaasuturbiinien lämmöntalteenotto sovelluksille. Lämmöntalteenottokattat voidaan mitoittaa käyttäen apuna joko LMTD- tai NTU-metodia. LMTD-metodia käytetään kun fluidin molemmat sekä sisääntulo että ulosmeno lämpötilat ovat tiedossa tai ne voidaan selvittää energiatasapainoyhtälöistä. Jos vain fluidin sisäänmenolämpötila on tiedossa tulisi käyttää NTU-metodia. Kahta excel-pohjaista mitoitusohjelmaa, GE2-Select:iä ja EGB GS 1999:a, tarkasteltiin tarkemmin ja niissä käytettyä laskentatapaa analysoitiin. Laskennallinen vertailu suoritettiin neljän vanhan laskentaohjeman välillä. Kaksi ohjelmaa jätettiin pois vertailusta, koska ne olivat vanhanaikaisia ja vaikeakäyttöisiä. Laskennallinen vertailu tehtiin yhdeksälle tapaukselle EGB GS 1999 ja GE2- Select ohjelmia käyttäen. Lämmönsiirtoalan ja putkien lukumäärän tulokset vaihtelivat merkittävästi toisistaan. EGB GS 1999 savukaasun painehäviön laskenta ei ottanut huomioon savukaasun massavirtaa ja se oli vakio kaikille yhdeksälle tapaukselle. Vertailun tulos oli, että GE2- Select antaa todenmukaisemmat ja järkevämmät tulokset. Tulokseksi saatiin, että mikään ohjelmista ei toimi täydellisesti. Uuden laskentatyökalun kehittämisen tarkoituksena oli ratkaista joitakin ongelmia, joita vanhoissa oli. Tämän vuoksi molempia GE2-Selecti:ä ja EGB GS 1999 käytettiin pohjana myyntiohjelman uuden työkalun luonnissa.