Thermodynamic analysis and simulation of parabolic trough solar collector hybrid steam turbine power plant

Abstract

In this study, thermodynamic analysis of a hybrid solar steam turbine power plant is done considering utilization of solar energy which is produced by parabolic trough collectors. Firstly, simulation of the fuel oil fired simple power plant is carried out and compared with conceptually designed improved solar hybrid version of the plant. During the design procedure, connections of the plant with the solar field via a heat exchanger, preliminary design of this heat exchanger, selection of the solar fluid and sizing and orientation of the solar field are performed. Different cases using data from one unit of Wassit thermal power plant, Wassit, Iraq including fuel saving and increasing power (power bosting) modes for different times of the year are considered, simulations are carried out with MATLAB SIMULINK and compared with each other in terms of increasing efficiency, saving fuel oil, increasing output electricity, decreasing environmental pollution and use of water. Also, extra energy which can be utilized by the solar collector field is found for all cases and simulation of the solar field is done for different times of the year and compared in terms of useful power output, overall heat loss coefficient, fluid output temperature, glass and absorber temperatures. v One unit of Wassit thermal power plant has output power equal to 330MW, and contains 3 Stages of turbine, a condenser, 4 low pressure closed feedwater heaters, 3 high pressure closed feedwater heaters and an open feedwater heater. MATLAB simulations performed using the real data from the original power plant for different modes showed that the proposed power plant efficiency is increased in both modes for all schemes. The rate of increasing output power for one case and the fuel saving for the other cases suggested that, integrating parabolic trough collectors with existing thermal power plant is more reliable, less expensive, environmentally friendly and uses less water (in the steam cycle) than getting electric power from only fuel oil powered thermal power plant. The value of efficiency increase, fuel savings and power increase are also compared for different months of the year (summer, spring and winter). Lastly, simple economic analysis is done and the levelized cost of energy is found to be equal to 13.9 cent/kWh and this price is competitive compared among prices of electricity produced in both conventional and renewable power plants.

Bu çalışmada parabolik oluk tipi güneş kollektörlü hibrit buhar tirübünü santralinin termodinamik analizi yapılmıştır. İlk olarak sıvı yakıtla çalışan basit çevrimli buhar santralının simülasyonu yapılmış, daha sonra da bu simülasyonda bulunan değerler, bu güç santralının solar enerji ile hibritlenmiş olarak tasarlanan, iyileştirilmiş modeli ile kıyaslanmıştır. Tasarım süreci solar kollektörlerde kullanılacak sıvının seçimini, kollektör sahasının ölçüleri ve kullanılacak kollektör sayısının tayinini, kollektör ve buhar santralını bağlayan ısı eşanjörü ve bağlantı parçalarının ön tasarımını içermektedir. Çalışmada Irak'ın Wassit şehrinde bulunan Wassit Güç Santralı'nın bir kısmının değerleri kullanılarak doğrulanan, yılın farklı zamanları için birbirinden farklı vakalar incelenmiştir. Bu vakalar yakıt tasarrufu modu ve güç artırma modu olmak üzere iki modda incelenmiş ve birbirleri ile verim artışı, yakıt tasarrufu, elektrik üretimi artışı, çevre kirliliği azaltımı ve su kullanımı miktarları olarak kıyaslanmıştır. Ayrıca tüm vakalarda yılın farklı zamanları için güneş kollektörü sahası kullanılarak üretilebilecek ekstra enerji miktarları hesaplanmış ve faydalı enerji, toplam ısı kaybı faktörü, solar akışkan sıcaklıkları, cam ve soğurucu boru sıcaklıkları birbirleri ile kıyaslanmıştır. Wassit Güç Santralı'nın bir kısmı 330 MW gücünde olup, üç kademe türbin, bir yoğuşturucu, dört adet düşük basınçlı, üç adet yüksek basınçlı kapalı besleme suyu vii ısıtıcısı, bir adet açık besleme suyu ısıtıcısından ve bağlantı parçalarıyla gerekli diğer ekipmandan oluşmaktadır. Farklı modlardaki vakalar için MATLAB simülasyonları gerçek santrala ait orijinal veriler kullanılarak yapılmış ve göstermiştir ki; tüm durumlarda önerilen hibrit santralın verimi artmaktadır. Bir vakada gücün arttığı, diğer vakada da yakıt sarfiyatının azaldığı ispatlanarak, parabolik oluk tipi güneş kollektörlerinin halihazırdaki termik santralla entegrasyonunun pek çok açıdan oldukça akılcı olduğuna dikkat çekilmiştir. Hibrit sistem sıvı yakıtlı buhar santralına göre daha güvenilir, maliyet etkinliği daha yüksek, çevre dostu, ve su kullanımını azaltması bakımından da daha avantajlı olmaktadır. Verim artışı, yakıt tasarrufu ve güç artışı değerleri ayrıca yılın farklı zamanlarında (yaz-kış-bahar) hesaplanarak birbiri ile kıyaslanmıştır. Son olarak basit ekonomik analiz yapılmış, seviyelendirilmiş enerji maliyeti (LCOE) hesaplanmış, 13.9 cent/kWh olarak bulunan bu değerin yenilenebilir enerjiyi de kapsayan elektrik üretim santralları içinde kıyaslandığında oldukça avantajlı olduğuna dikkat çekilmiştir.