Determination of the Optimal Structure of Repowering a Metallurgical CHP Plant Fired with Technological Fuel Gases

• Autorzy: Ziębik A. , Warzyc M. , Gładysz P.

Identyfikatory

DOI

10.2478/amm-2014-0017

Warianty tytułu

PL

Dobór optymalnej struktury elektrociepłowni gazowo-parowej opalanej hutniczymi gazami palnymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

CHP plants in ironworks are traditionally fired with low-calorific technological fuel gases and hard coal. Among metallurgical fuel gases blast-furnace gas (BFG) dominates. Minor shares of gaseous fuels are converter gas (LDG) and surpluses of coke-oven gas (COG). Metallurgical CHP plant repowering consists in adding a gas turbine to the existing traditional steam CHP plant. It has been assumed that the existing steam turbine and parts of double-fuel steam boilers can be used in modernized CHP plants. Such a system can be applied parallelly with the existing steam cycle, increasing the efficiency of utilizing the metallurgical fuel gases. The paper presents a method and the final results of analyzing the repowering of an existing metallurgical CHP plant fired with low-calorific technological fuel gases mixed with hard coal. The introduction of a gas turbine cycle results in a better effectiveness of the utilization of metallurgical fuel gases. Due to the probabilistic character of the input data (e.g. the duration curve of availability of the chemical energy of blast-furnace gas for CHP plant, the duration curve of ambient temperature) the Monte Carlo method has been applied in order to choose the optimal structure of the gas-and-steam combined cycle CHP unit, using the Gate Cycle software. In order to simplify the optimizing calculation, the described analysis has also been performed basing on the average value of availability of the chemical energy of blast-furnace gas. The fundamental values of optimization differ only slightly from the results of the probabilistic model. The results obtained by means of probabilistic and average input data have been compared using new information and a model applying average input data. The new software Thermoflex has been used. The comparison confirmed that in the choice of the power rating of the gas turbine based on both computer programs the results are similar.

PL

Tradycyjnie elektrociepłownie hutnicze są opalane niskokalorycznymi palnymi gazami technologicznymi w mieszaninie z pyłem węgla kamiennego. W mieszaninie gazów dominujący jest udział gazu wielkopiecowego. Znacznie mniejsze są udziały gazu koksowniczego i konwertorowego. Modernizacja elektrociepłowni hutniczej (tzw. repowering) polega na dobudowaniu do istniejącej struktury członu gazowego. W analizie założono możliwość wykorzystania istniejących turbin parowych oraz części dwupaliwowych kotłów parowych. Układ gazowo-parowy zostanie połączony równolegle z istniejącym obiegiem parowym, zwiększając tym samym efektywność energetyczną wykorzystania niskokalorycznych gazów hutniczych. W artykule zaprezentowano metodologię oraz wyniki końcowe przeprowadzonej analizy modernizacji istniejącej elektro- ciepłowni hutniczej opalanej niskokalorycznymi gazami hutniczymi w mieszance z pyłem węgla kamiennego. Bazowano przy tym na zbiorze danych wejściowych z lat 1996-2000. Z uwagi na probabilistyczny charakter danych wejściowych (min. wykres uporządkowany dostępności energii chemicznej gazu wielkopiecowego oraz wykres uporządkowany temperatury zewnętrznej) wykorzystano metodę Monte Carlo w celu doboru optymalnej struktury kombinowanego gazowo-parowego układu elektrocie- płowni wykorzystując do tego oprogramowanie Gate Cycle. Obliczenia optymalizacyjne zostały również przeprowadzone w oparciu o uśrednioną wartość strumienia energii chemicznej gazu wielkopiecowego dostępnego dla elektrociepłowni. Wyniki obliczeń podstawowych parametrów z tej analizy różnią się w nieznacznym stopniu od wyników uzyskanych za pomocą modelu probabilistycznego. Wyniki uzyskane zarówno z metody probabilistycznej, jak i bazującej na wartościach średnich danych wejściowych zostały porównane z rezultatami obliczeń w oparciu o nowy zestaw danych (lata 2005-2008), jak również nowy model utworzony w programie Thermotlex oraz Engineering Equation Solver. Obliczenia zostały przeprowadzone w oparciu o uśredniony strumień energii chemicznej gazu wielkopiecowego dostępnego dla elektrociepłowni. Zastosowane do doboru struktury modernizowanej elektrociepłowni hutniczej programy komputerowe Gate Cycle i Thermoflex dały zbliżone rezultaty.

Słowa kluczowe

EN

combined gas-and-steam cycle; metallurgical CHP plant; structure optimization; probabilistic approach

PL

elektrociepłownia hutnicza; układ gazowo-parowy; optymalizacja struktury; podejście probabilistyczne

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 59, iss. 1
• Strony: 105--116
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Ziębik A.

• Silesian University of Technology, 22 Konarskiego Str., 44-100 Gliwice, Poland

autor

Warzyc M.

• Silesian University of Technology, 22 Konarskiego Str., 44-100 Gliwice, Poland

autor

Gładysz P.

• Silesian University of Technology, 22 Konarskiego Str., 44-100 Gliwice, Poland

Bibliografia

• [1] A. Ziębik, Thermoeconomic problems of Metallurgical Combined Heat-and-Power Plants. Proceedings of ECOS 2001, Istanbul.
• [2] B. Bieda, A. Henclik, J. Kulczycka, Life cycle assessment in the energy generation process - variant analysis in metallurgical industry. Archives of Metallurgy and Materials 55, 4 (2010).
• [3] R. Kehlhofer, Combined-Cycle Gas and Steam Turbine Power Plants. Fairmont Press Inc. USA 1991.
• [4] H. Takano, Y. Kitauchi, H. Hiura, Design for the 145-MW Blast Furnace Gas Firing Gas Turbine Combined Cycle Plant, Transactions of the ASME 111, April 1989.
• [5] J. Mulder, P. Havennar, D. Santen, Blast-Furnace Gas Cuts Costs at Ijmond1, Modern Power Systems, September1996.
• [6] G. Thoraval, S. Simonetti, E. Malusardi, Blast-Furnace Gas: an Incentive for Italy. Power Engineering, 5, 1998.
• [7] A. Ziębik, M. Warzyc, Effectiveness of the utilization of technological low calorific gaseous fuels in an industrial combined gas-and-steam cogeneration plant. Proceedings of the ECOS 2002, Berlin, Germany, volume II.
• [8] S. Ostasiewicz, Z. Rusnak, U. Siedlecka, Statistic-Elements of Theory and Exercises. Academy of Economy, Wrocław 1995 (in Polish).
• [9] M. Warzyc, Choice of the optimal structure of gas and steam CHPfired with the metallurgical fuel gases. Ph Ddissertation, Gliwice, 2003 (in Polish).
• [10] A. Ziębik, M. Warzyc, Repowering of Metallurgical CHP Plants Fired with Hard Coal and Low-Calorific Fuel Gases. Proceedings of the ECOS 2004, Mexico.
• [11] A. Dubi, Monte Carlo Applications in Systems Engineering, John Wiley & Sons Ltd, New York, USA 2000.
• [12] F. J. Brooks, GE Gas Turbine Performance Characteristics, GE Power Systems GER-3567H.
• [13] E. Jeffs, Baoshan Combined Cycle Running on Blast- Furnace Gas. Turbomachinery International 2/1998.
• [14] Gate Cycle 5.40, GE Enter Software.
• [15] T. Chmielniak, A. Rusin, K. Cztwiertnia, Gas Turbines. Ossolineum, Wrocław 2001 (in Polish).
• [16] Gas Turbine World - Handbook (for Project Planning, Design and Construction) 18, 1997.
• [17] A. Miller, J. Lewandowski, Gas-and-Steam Systems Fired with Solid Fuel, WNT, Warszawa 1993 (in Polish).
• [18] A. Bejan, G. Tsatsaronis, M. J. Moran, Thermal Design and Optimisation. J. Wiley & Sons Ltd, New York, 1996.
• [19] P. Gładysz, Thermoeconomical analysis of repowering a metallurgical CHPtoahigh-efficiency combined cycle CHP unit. MSc thesis. Silesian University of Technology, Gliwice, 2010 (in Polish).