A thermodynamic simulation method is developed for the process design and the performance evaluation of the gas turbine in IGCC power plant. The present study adopts four clean coal gases derived from four different coal gasification and gas clean-up processes as IGCC gas turbine fuel, and considers the integration design condition of the gas turbine with ASU(Air Separation Unit). In addition, the present simulation method includes compressor performance map and expander choking models for considering the off-design effects due to coal gas firing and ASU integration. The present prediction results show that the efficiency and the net power of the IGCC gas turbines are seperior to those of the natural gas fired one but they are decreased with the air extraction from gas turbine to ASU. The operation point of the IGCC gas turbine compressor is shifted to the higher pressure ratio condition far from the design point by reducing the air extraction ratio. The exhaust gas of the IGCC gas turbine has more abundant wast heat for the heat recovery steam generator than that of the natural gas fired gas turbine.
As the need for clean coal technology has grown, so has the global research and development efforts into integrated gasification combined cycle (IGCC) plants. An IGCC plant couples a gas turbine to a gasification block. Various technical and economic problems exist in designing such a system. One such problem is the difficulty in realizing economies of scale because the single-train flow capacity of commercial IGCC synthetic gas turbine plants is limited; the capacity does not exceed a net power rating of 300 MW. To address this problem, this study modeled and simulated a synthetic gas turbine with the goal of evaluating the feasibility of a 500 MW or larger IGCC plant. First, a gas turbine with the best output and efficiency was chosen for use with natural gas. The turbine was modeled using GateCycle (a simulation tool), and the integrity of the model validated by comparing the result to the design value. Next, off-design modeling was carried out for a gas turbine with synthetic gas based on its on-design model, and the result was compared with the study result of the gas turbine manufacturer. The simulation confirmed that it is possible to create a large capacity IGCC plant by undertaking the remodeling of a gas turbine designed to use natural gas into one suitable for synthetic gas.
Gas turbine technology has steadily advanced since its inception and continues to evolve. Development is active in producing both smaller gas turbines and more powerful and efficient engines. However, it is shown that our state-of-the-art technologies for gas turbine developments remain at a basic level by comparisons with advanced technology countries. This paper shows that development process and preliminary design tools for gas turbine combustor were introduced as a first results of source technology secure researches for the gas turbine combustors.
This study presents analysis results for the hybrid system combining solid oxide fuel cell and gas turbine. Two different system layouts(an ambient pressure system and pressurized system) are considered and their design performance are comparatively investigated taking into account critical design factor, the most critical parameter such as turbine inlet temperature, gas turbine pressure ratio, temperature difference at the fuel cell and fuel cell operating temperature are considered as design constraints. Performance variations according to system layout and design parameters are examined in energetic view point.
Jae Hyun Choi;Jung Yoon;Sungkun Chung;Namhyeong Kim;HangJin Jo
Nuclear Engineering and Technology
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제55권7호
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pp.2697-2711
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2023
In this study, the validity of reducing the number of gas turbine stages designed for a nitrogen Brayton cycle coupled to a sodium-cooled fast reactor was assessed. The turbine performance was evaluated through computational fluid dynamics (CFD) simulations under different off-design conditions controlled by a reduced flow rate and reduced rotational speed. Two different multistage gas turbines designed to extract almost the same specific work were selected: two- and three-stage turbines (mid-span stage loading coefficient: 1.23 and 1.0, respectively). Real gas properties were considered in the CFD simulation in accordance with the Peng-Robinson's equation of state. According to the CFD results, the off-design performance of the two-stage turbine is comparable to that of the three-stage turbine. Moreover, compared to the three-stage turbine, the two-stage turbine generates less entropy across the shock wave. The results indicate that under both design and off-design conditions, increasing the stage loading coefficient for a fewer number of turbine stages is effective in terms of performance and size. Furthermore, the Ellipse law can be used to assess off-design performance and increasing exponent of the expansion ratio term better predicts the off-design performance with a few stages (two or three).
Recently, various methods have been developed to improve the performance of gas turbines for combined cycle power plants. This paper especially focused on the gas turbine with a reheat process. The purpose of this study is to analyze performance characteristics of a reheat-cycle gas turbine on both a design point and off-design operations. Results of the parametric study of this model show how operating and design parameters influence on the performance of the gas turbine. Moreover, possibilities for the analysis of off-design performance based on a self-generated compressor performance characteristic map are presented.
This paper presents guideline for a practical design of the hybrid system combining a pressurized solid oxide fuel cell and a gas turbine. Design of the hybrid system based on a virtually designed gas turbine was simulated using models for off-design operation of the gas turbine. Two system configurations, with different method for supplying reforming steam, are considered and their design characteristics are compared. A higher design cell temperature provides better system performance. However, there exists a maximum allowable design cell temperature because the operating point of the compressor approaches the surge point with increasing fuel cell temperature. Increased pressure loss at the fuel cell moves the compressor operating point toward the surge point and reduces system performance.
Hybrid power generation systems combining a solid oxide fuel cell and a gas turbine is promising due to their high efficiency. In the pressurized hybrid system, the operating condition of the gas turbine may play a critical role in designing the hybrid system. In particular, prevention of surge of the compressor can be a critical issue. The existence of fuel cell between the compressor and the turbine may cause an additional pressure loss and thus compressor operating points tend to approach the surge if the original turbine inlet temperature is pursued. In this study, bypassing some of the turbine inlet gas directly to the turbine exit side is simulated. Its effects on suppressing the surge problem and change in performance characteristics are discussed.
가스 터빈은 기동 및 정지 횟수가 많기 때문에 열피로나 취화 현상으로 인한 가스터빈 케이싱의 균열 또는 케이싱의 플랜지면에서 고온고압 가스의 누설이 발생할 가능성이 높다. 따라서 가스터빈 케이싱의 구조안전성 및 플랜지면에서의 누설평가는 반드시 수행되어야 하는 부분이다. 본 논문에서는 유한요소해석을 바탕으로 터빈 케이싱의 ASME B&PVC VIII-2 구조안전성 평가 및 접촉압력을 통한 누설 평가 그리고 볼트의 구조안전성 평가를 진행하였다. 또한 가스터빈 케이싱의 유한요소모델링 및 해석/평가 방법을 제안하여 가스터빈 개발에 활용할 수 있게 하였다.
A procedure for the prediction of the off-design performance of a gas turbine engine is proposed. The system performance at off-design speed is predicted by coupling the thermodynamic models of a compressor and a turbine. The off-design performance of a compressor is obtained using the stage-stackimg method, while the Ainlay-Mathieson method is used for a turbine. The procedure is applied to a single-shaft gas turbine and its predictability is found satisfactory. The results also show that the net work output increases with the increase of the turbine inlet temperature, while the thermal efficiency is marginal. The maximum thermal efficiency at design point is obtained between the highest pressure ratio and design pressure ratio.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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