Gas turbines are the primary technology used for the purpose of power generation nearly everywhere. In this thesis, the Makkah Power Plant, running on a Brayton cycle, is considered for analysis. The peak demand for electric power in the City of Makkah occurs in the middle of the day during the summer and is almost double the off-peak demand. The plant employs turbines of two world renowned manufacturers. However, there are many mechanical and electrical issues related to the overall insufficient operation of the plant. From the balancing of mass, entropy, energy, exergy and cost equations, a greater understanding of the systems as well as their efficiencies is achieved. The parametric study and plant optimization are performed to investigate the effects of the variation of specific input parameters such as fuel mass flow rate, air volume flow rate and compressor inlet air temperature, on the overall operating efficiency of the system. Through this study, the overall plant energetic and exergetic efficiencies are increased by 20% and 12% respectively with cooling down the compressor inlet temperature to 10oC. Furthermore, exergy and exergoeconomic analyses are conducted to obtain that the largest exergy destruction occurs in the combustion chamber, followed by the turbine. The optimization results demonstrate that CO2 emissions can be reduced by increasing the exergetic efficiency and using a low fuel injection rate into the combustion chamber. Finally, this study will assist efforts to understand the thermodynamic losses in the cycle, and to improve efficiency as well as provide future recommendations for better performance, sustainability and lessen environmental impact. / UOIT

A energia é o maior contribuinte para os custos de operação de uma indústria, portanto, estudos para melhoria da eficiência dos sistemas que utilizam alguma fonte de energia são indispensáveis. O presente trabalho tem por objetivo a obtenção de configurações ótimas para satisfazer demandas de eletricidade e cargas térmicas de aquecimento e refrigeração a partir de uma fonte primaria de energia, avaliando o impacto dessas nos custos de produção de eletricidade, vapor e água gelada. Estes tipos de sistemas são conhecidos como sistemas de trigeração. A avaliação de desempenho dos sistemas de trigeração é conduzida através da aplicação da análise exergética e exergoeconômica das alternativas propostas para a determinação do rendimento exergético e custos em base exergética de produção de utilidades desse tipo de sistema. Após apresentar uma breve discussão sobre o uso eficiente e racional de energias primárias e mostrar um panorama da situação para a aplicação de sistemas de trigeração para satisfazer demandas energéticas na indústria e o setor terciário, são descritas diferentes tecnologias envolvidas neste tipo de sistemas e algumas configurações propostas por vários pesquisadores nos anos recentes. O trabalho mostra o impacto das tecnologias de trigeração nos custos em base exergética dos produtos: eletricidade, vapor para processo e água gelada. Sistemas de refrigeração por absorção de efeito simples, duplo efeito e o sistema híbrido de absorção/ejeto compressão são analisados, como parte do estudo dos sistemas de trigeração. Diversos sistemas de trigeração, incluindo o sistema tetra-combinado, são comparados satisfazendo demandas energéticas para três aplicações diferentes: indústria de laticínios, hospital e indústria de bebidas. As configurações em estudo são otimizadas usando o método de algoritmo genético. Os resultados mostram que o sistema de refrigeração híbrido de absorção/ejeto compressão é uma boa alternativa para a produção da água gelada porque o coeficiente de desempenho (COP) e a eficiência exergética são maiores do que no sistema de refrigeração por absorção de efeito simples. Observando o impacto na formação dos custos de conversão de energia para os sistemas de trigeração propostos, os sistemas que utilizam unidade de refrigeração por absorção de duplo efeito são os que apresentam menor impacto. O sistema tetra-combinado apresenta um menor impacto quanto comparado com o ciclo combinado com unidade de refrigeração por absorção de simples efeito. O consumo de combustível e a destruição de exergia dos diferentes sistemas são refletidos nos custos em base exergética dos diferentes produtos. A otimização com algoritmos genéticos mostrou ganhos importantes nos custos em base exergética dos produtos, mediante a maximização da eficiência exergética dos diferentes sistemas de trigeração. O método dos algoritmos genéticos mostra-se como um método robusto para a otimização de sistemas de conversão de energia, mesmo que exija um grande esforço computacional. / Energy is the largest contributor to operating costs of any industry; therefore, studies for improving systems efficiency that use some energy source are essential. This work aims to obtain optimal configurations in order to satisfy required demands for electricity and thermal loads for heating and cooling from a primary source of energy, evaluating the impact of the electricity, steam and chilled water production costs. These types of systems are known as trigeneration systems. The performance evaluation of trigeneration systems is carried out by the application of exergy and exergoeconomic analysis of the proposed alternatives in order to determine exergy efficiency and exergy based costs on production of this type of system utilities. After presenting a brief discussion about efficient and rational use of primary energies and an overview of situation for trigeneration systems application, various technologies involved in this type of systems and some configurations proposed by several authors are described. This research shows the impact of trigeneration technologies in exergy-based costs of products: electricity, steam process and chilled water. Absorption refrigeration systems of simple effect, double effect and the hybrid absorption/ejecto compression are analyzed, as part of the trigeneration systems study. Several trigeneration systems, including the tetra-combined system, are compared with each other, satisfying energetic demands for three different applications: a dairy industry, a hospital and a drinks industry. The configurations in study are optimized using the Genetic Algorithm method. The results show that the hybrid absorption/ejecto compression refrigeration system is a good alternative for chilled water production due to that the coefficient of performance (COP) and the exergetic efficiency are higher than simple effect absorption refrigeration system. Observing the impact in the formation of the energy conversion costs for trigeneration systems proposed, the systems that use a double effect absorption refrigeration system presents the less impact. When tetra-combined system is compared with the system using a simple effect absorption refrigeration system, the results show a reduction in the impact of costs formation. The fuel consumption and exergy destruction of the different systems is reflected in the exergy based costs of the different products. The optimization with genetic algorithms shown important profits in the exergy based costs of products, by means of the exergetic efficiency maximization of the different trigeneration systems. The genetic algorithm method is a robust method for energy conversion systems optimization, even that it demands a great computational effort.

A energia é o maior contribuinte para os custos de operação de uma indústria, portanto, estudos para melhoria da eficiência dos sistemas que utilizam alguma fonte de energia são indispensáveis. O presente trabalho tem por objetivo a obtenção de configurações ótimas para satisfazer demandas de eletricidade e cargas térmicas de aquecimento e refrigeração a partir de uma fonte primaria de energia, avaliando o impacto dessas nos custos de produção de eletricidade, vapor e água gelada. Estes tipos de sistemas são conhecidos como sistemas de trigeração. A avaliação de desempenho dos sistemas de trigeração é conduzida através da aplicação da análise exergética e exergoeconômica das alternativas propostas para a determinação do rendimento exergético e custos em base exergética de produção de utilidades desse tipo de sistema. Após apresentar uma breve discussão sobre o uso eficiente e racional de energias primárias e mostrar um panorama da situação para a aplicação de sistemas de trigeração para satisfazer demandas energéticas na indústria e o setor terciário, são descritas diferentes tecnologias envolvidas neste tipo de sistemas e algumas configurações propostas por vários pesquisadores nos anos recentes. O trabalho mostra o impacto das tecnologias de trigeração nos custos em base exergética dos produtos: eletricidade, vapor para processo e água gelada. Sistemas de refrigeração por absorção de efeito simples, duplo efeito e o sistema híbrido de absorção/ejeto compressão são analisados, como parte do estudo dos sistemas de trigeração. Diversos sistemas de trigeração, incluindo o sistema tetra-combinado, são comparados satisfazendo demandas energéticas para três aplicações diferentes: indústria de laticínios, hospital e indústria de bebidas. As configurações em estudo são otimizadas usando o método de algoritmo genético. Os resultados mostram que o sistema de refrigeração híbrido de absorção/ejeto compressão é uma boa alternativa para a produção da água gelada porque o coeficiente de desempenho (COP) e a eficiência exergética são maiores do que no sistema de refrigeração por absorção de efeito simples. Observando o impacto na formação dos custos de conversão de energia para os sistemas de trigeração propostos, os sistemas que utilizam unidade de refrigeração por absorção de duplo efeito são os que apresentam menor impacto. O sistema tetra-combinado apresenta um menor impacto quanto comparado com o ciclo combinado com unidade de refrigeração por absorção de simples efeito. O consumo de combustível e a destruição de exergia dos diferentes sistemas são refletidos nos custos em base exergética dos diferentes produtos. A otimização com algoritmos genéticos mostrou ganhos importantes nos custos em base exergética dos produtos, mediante a maximização da eficiência exergética dos diferentes sistemas de trigeração. O método dos algoritmos genéticos mostra-se como um método robusto para a otimização de sistemas de conversão de energia, mesmo que exija um grande esforço computacional. / Energy is the largest contributor to operating costs of any industry; therefore, studies for improving systems efficiency that use some energy source are essential. This work aims to obtain optimal configurations in order to satisfy required demands for electricity and thermal loads for heating and cooling from a primary source of energy, evaluating the impact of the electricity, steam and chilled water production costs. These types of systems are known as trigeneration systems. The performance evaluation of trigeneration systems is carried out by the application of exergy and exergoeconomic analysis of the proposed alternatives in order to determine exergy efficiency and exergy based costs on production of this type of system utilities. After presenting a brief discussion about efficient and rational use of primary energies and an overview of situation for trigeneration systems application, various technologies involved in this type of systems and some configurations proposed by several authors are described. This research shows the impact of trigeneration technologies in exergy-based costs of products: electricity, steam process and chilled water. Absorption refrigeration systems of simple effect, double effect and the hybrid absorption/ejecto compression are analyzed, as part of the trigeneration systems study. Several trigeneration systems, including the tetra-combined system, are compared with each other, satisfying energetic demands for three different applications: a dairy industry, a hospital and a drinks industry. The configurations in study are optimized using the Genetic Algorithm method. The results show that the hybrid absorption/ejecto compression refrigeration system is a good alternative for chilled water production due to that the coefficient of performance (COP) and the exergetic efficiency are higher than simple effect absorption refrigeration system. Observing the impact in the formation of the energy conversion costs for trigeneration systems proposed, the systems that use a double effect absorption refrigeration system presents the less impact. When tetra-combined system is compared with the system using a simple effect absorption refrigeration system, the results show a reduction in the impact of costs formation. The fuel consumption and exergy destruction of the different systems is reflected in the exergy based costs of the different products. The optimization with genetic algorithms shown important profits in the exergy based costs of products, by means of the exergetic efficiency maximization of the different trigeneration systems. The genetic algorithm method is a robust method for energy conversion systems optimization, even that it demands a great computational effort.

Der Gegenstand dieser Arbeit ist eine neue Optimierungsmethode zur Minimierung der Produktkosten von Kraftwerksprozessen ohne und mit nachgeschalteten Anwendungen. Diese Methode, die Planern und Projektanten als Werkzeug zur Auslegung von Kraftwerken dienen soll, wird erläutert und exemplarisch zur Optimierung eines ausgewählten Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes verwendet. Im Rahmen der Untersuchungen werden dabei zwei Varianten betrachtet: Der Kraftwerksentwurf/-betrieb ohne und mit Auskopplung von Energie- und Stoffströmen. Beim Kraftwerksentwurf/-betrieb mit Auskopplung von Energie- und Stoffströmen wird das Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit einer nachgeschalteten hybriden Meerwasserentsalzungsanlage verknüpft. Zur Identifizierung der jeweils zu optimierenden Komponenten/Parameter werden bei der neuen Methode Elemente der thermo- bzw. exergoökonomischen Analyse und der Sensitivitäts- und Trendlinienanalysen verwendet. Die Optimierung selbst folgt dem Koordinatenverfahren nach Gauß und Seidel. Anhand der Optimierungsergebnisse und der Kriterien ’Auswahl/Beitrag der Komponenten/Parameter’ sowie ’Rechenumfang’ wird die neue Optimierungsmethode mit bekannten thermo- bzw. exergoökonomischen Optimierungsmethoden (Quadranten-/Matrix-Methode, thermo-/exergoökonomische Kennzahlen-Methode) verglichen und bewertet. Zur Ergebnisdiskussion werden Parameterstudien erstellt. Abschließend werden Empfehlungen zur Gestaltung des untersuchten Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes gegeben und Ansätze für weiterführende Forschungsarbeiten in der Kraftwerkstechnik abgeleitet.

Der Gegenstand dieser Arbeit ist eine neue Optimierungsmethode zur Minimierung der Produktkosten von Kraftwerksprozessen ohne und mit nachgeschalteten Anwendungen. Diese Methode, die Planern und Projektanten als Werkzeug zur Auslegung von Kraftwerken dienen soll, wird erläutert und exemplarisch zur Optimierung eines ausgewählten Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes verwendet. Im Rahmen der Untersuchungen werden dabei zwei Varianten betrachtet: Der Kraftwerksentwurf/-betrieb ohne und mit Auskopplung von Energie- und Stoffströmen. Beim Kraftwerksentwurf/-betrieb mit Auskopplung von Energie- und Stoffströmen wird das Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit einer nachgeschalteten hybriden Meerwasserentsalzungsanlage verknüpft. Zur Identifizierung der jeweils zu optimierenden Komponenten/Parameter werden bei der neuen Methode Elemente der thermo- bzw. exergoökonomischen Analyse und der Sensitivitäts- und Trendlinienanalysen verwendet. Die Optimierung selbst folgt dem Koordinatenverfahren nach Gauß und Seidel. Anhand der Optimierungsergebnisse und der Kriterien ’Auswahl/Beitrag der Komponenten/Parameter’ sowie ’Rechenumfang’ wird die neue Optimierungsmethode mit bekannten thermo- bzw. exergoökonomischen Optimierungsmethoden (Quadranten-/Matrix-Methode, thermo-/exergoökonomische Kennzahlen-Methode) verglichen und bewertet. Zur Ergebnisdiskussion werden Parameterstudien erstellt. Abschließend werden Empfehlungen zur Gestaltung des untersuchten Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes gegeben und Ansätze für weiterführende Forschungsarbeiten in der Kraftwerkstechnik abgeleitet.