This paper proposes a new approach to find an optimum operating condition and design parameters of the heat recovery steam generator (HRSG) system to maximize the efficiency of the steam turbine (bottom) cycle of the combined cycle power plant (CCPP), but without analyzing the bottom cycle seperately. This could be achieved by minimizing the unavailable exergy (the sum of the destroyed and the lost exergies) resulted from the heat transfer process of the HRSG system. The present approach is relatively simple and straightforward because the process of the trial-and-error method, typical in performing the bottom cycle analysis for the system optimization, could be avoided. To demonstrate the usefulness of the present method, a single-stage HRSG system was chosen, and the optimum evaporation temperature was obtained corresponding to maximum useful work for given conditions of water and gas temperatures at the inlets of the HRSG system.
The results show that the optimum evaporation temperature based on the bottom cycle analysis can be estimated reasonably through the present exergy analysis of the HRSG system. Also shown is the dependency of NTU (Number of Transfer Unit) on the evaporation temperature which is an important factor in determining the optimum condition when the construction cost is taken into account in addition to the operating cost. When a system is limited in size, the ratios between the NTU’s of the components (superheater, evaporator and economizer) for given inlet gas temperature turned out to be an important factor in determining the optimum condition. The present approach was confirmed to be a powerful tool for optimization of the single-stage HRSG systems and can easily be extended to multi-stage systems.
본 논문은 복합사이클 발전 플랜트에서, 하부 사이클에 대한 별도의 해석 없이 하부 사이클의 효율을 극대화하기 위한 폐열회수 보일러의 최적 운전 조건 및 설계 변수를 찾는 새로운 접근 방법을 제시한다. 이러한 접근 방법은 폐열회수 보일러 시스템의 열전달 과정에서 발생하는 비유용엑서지(파괴 및 유실 엑서지의 합)를 최소화함에 의해서 얻어질 수 있다. 현재의 접근 방법은 시스템 최적화를 위한 하부 사이클 해석을 수행할 경우 발생하는 반복 계산 방법을 피할 수 있으므로 상대적으로 단순하고 해석적이다. 현재의 방법에 대한 유용성을 전개하기 위하여 단압 폐열회수 보일러 시스템이 선정되었고, 폐열회수 보일러 시스템의 입구 측에서의 물 및 가스 조건이 주어진 경우 최대의 유용일을 추출할 수 있는 최적의 증발온도를 찾았다.
연구 결과로부터 하부 사이클 해석을 통해 얻어진 최적의 증발온도는 현재의 접근 방법을 이용한 폐열회수 보일러의 엑서지 분석을 통해 얻어질 수 있음을 알 수 있다. 또한 건설비가 운전비와 더불어 고려될 경우 최적 조건을 결정하는 데 중요한 요소인 전달단위수에 대한 증발온도의 영향이 제시된다. 시스템의 크기가 한정된 경우, 각 구성 요소(과열기, 증발기, 절탄기)의 전달단위수 비율은 최적의 조건을 결정하는 데 중요한 요소임이 확인되었다. 현재의 접근 방법은 단압 폐열회수 보일러 시스템의 최적화를 위한 아주 유용한 방법임이 확인되었다. 그리고 다압 시스템에 쉽게 확장될 수 있다.
