KFUPM ePrints

Development and Assessment of Solar-Assisted Gas Turbine Cogeneration Systems in Saudi Arabia

l Development and Assessment of Solar-Assisted Gas Turbine Cogeneration Systems in Saudi Arabia. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]PDF
5Mb

Arabic Abstract

تعتبر المملكه العربية السعودية من أكثر مناطق العالم تعرضاً للإشعاع الشمشي حيث يمكن إستخدام تقنيات تحويل الطاقة الشمشية الى طاقة حرارية و بكفائة تشغيل عالية. تتوفر العديد من تقنيات تحويل الطاقة السمشية الى طاقة حرارية التى اثبتت كفاءتها عند دمجها مع محطات توليد الكهرباء. من هذه التقنيات مركزات القطع المكافئ وعاكسات فرينيل بالإضافة الى ابراج الطاقة الشمسية. إن دمج تكنولوجيا الطاقة الشمسية مع محطات الإنتاج المزدوج سوف يؤدي الى خفض إستهلاك الوقود وبالتالي الى خفض الوقود المستهلك للمحطة الذي بدوره سوف يؤدي الى الحد من التلوث البيئي نتيجة إنبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون والغازات الأخرى والتي أدت إلى الانحباس الحراري وارتفاع درجات حرارة الجو وتساقط الأمطار الحامضية وذوبان الثلوج وإنغمار أراضي صالحة للزراعه وإنحباس الأمطار عن مناطق أخرى مما يؤدي إلى التصحر. يقدم هذا العمل دراسة للجدوى الفنية والإقتصادية لدمج الطاقة الشمية فى محطات الإنتاج المزدوج في اللملكة العربية السعودية. ولهذا الغرض تم إقتراح تصاميم هجينة ما بين الوقود الاحفوري ومجمعات الطاقة الشمسية . هذه التصاميم أخذت بعين الإعتبار دمج ثلاثة انواع من مركزات الطاقة الشمسية وهي مركزات القطع المكافئ وعاكسات فريسنيل بالإضافة الى أبراج الطاقة. لقد تم تصميم المحطات لتوليد بخار بمعدل تدفق ثابت (81.44 كجم في الثانية) وبدرجة حرارة ثابتة (394 درجة مئوية) عند ضغط ثابت (45.44 ضغط جوي) خلال العام بالإضافة الى إنتاج الكهرباء. أخذت بعين الاعتبار عند التصميم الثلاثة الأنواع من مركزات الطاقة الشمية المذكورا سابقاً بالإضافة الى أنه تم إستخدام أحجام مختلفة من التوربينات الغازية. وقد استخدم برنامج ثيرموفليكس في عملية المحاكاه والتقييم لجميع التصاميم المقترحة. وقد اجريت عملية التحليل الحراري والإقتصادي لجميع التصاميم بهدف الوصول الى التصميم التشغيلي الأمثل لأجواء المملكه العربية السعودية. وفي النهاية تم تحديد التصميم الأمثل وهو دمج عاكسات فرينيل بمساحة تقدر حوالى 93 هكتار الى الجانب البخاري لمحطة الإنتاج المزدوج وكان سعر وحدة الطاقة المنتجة من هذه المحطة حوالى 5.1 سنت امريكي لكل كيلووات ساعة. وفي هذه الدراسة تم التوصل الى انة يمكن دمج مركزات القطع المكافئ بمساحة تقدر حوالى 104 هكتار في الجانب البخاري أيضاً مع فارق بسيط جدا في سعر وحدة الطاقة المنتجة. مع الأخذ بعين الاعتبار ان مركزات القطع المكافئ تم تركيبها و التحقق من كفائتها في محطات مختلفة حول العالم وعلى العكس من ذلك فإن عاكسات فريسنيل ما زالت نظرية فقط. لذلك لابد أن يتم التحقق من الجدوى التشغلية والتجارية لعاكسات فرينيل تحت ظروف تشغلية حقيقية. إضافة الى ما سبق لقد تم محاكاة المحطة المثالية في مناطق مختلفة في المملكة العربية السعودية وتم التوصل الى ان أفضل منطقة لإنشاء هذه المحطة هي مدينة جزان الواقعة في حنوب اللملكة العربية السعودية.

English Abstract

Saudi Arabia occupies a large portion of high insolation regions where solar energy conversion systems can produce the maximum amount of energy from a specific collector field size. Several solar technologies can convert solar resources into thermal energy; Parabolic Trough System, Fresnel Reflector System, and Solar Tower System are some of these techniques that have proven their ability and reliability when integrated with conventional thermal power plants. Integrating solar technologies with gas turbine cogeneration power plants can definitely reduce conventional fuel consumption, which will result in a considerable reduction in gas emissions. This integration is expected to play an important role in solving the global and environmental energy problems. The present work provides an investigation of the technical and economic feasibility of integrating Concentrating Solar Power (CSP) technologies with cogeneration gas turbine systems that are progressively being installed in Saudi Arabia to produce electricity and steam. In this regard, different designs of hybrid solar/fossil fuel gas turbine cogeneration systems have been proposed. These proposed systems designs consider the possible integration of three main Concentrating Solar Power (CSP) technologies with conventional gas turbine cogeneration systems. These CSP technologies are namely, Solar Tower (ST) systems, Parabolic Trough Collector (PTC) system, and Linear Fresnel Reflector (LFR) systems. An integrated solar gas turbine cogeneration system that generates steam at a constant flow rate of 81.44 kg/s at P = 45.88 (bar) and temperature of T = 394°C throughout the year in addition to the generation of electricity has been simulated and assessed for different CSP technologies and different sizes of gas turbines. THERMOFLEX with PEACE simulation software has been used to assess the performance of each proposed integration design. Thermo-economical analysis was conducted on different designs to reach at the optimal operating design under Dhahran weather conditions. Finally, the optimal integration configuration is found to be the solarization of the steam side in 50 MWe gas turbine cogeneration plant integrated with 0.8 solar multiple (90 hectare) of LFR system. The levelized electricity cost for this configuration is 5.1 USȻ/kWh. Furthermore, the solarization steam side in 50 MWe gas turbine cogeneration plant integrated with 0.8 solar multiple (104 hectare) of PTC system is not too far compared to that for LFR. Obviously the PTC system has the big advantage of being experimentally and commercially validated whereas the figures for the Fresnel collector are only theoretical. Moreover, the results indicate that the proper location to apply optimal integration configuration is Jizan city.



Item Type:Thesis (Masters)
Subjects:Mechanical
Divisions:College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor:Mokheimer, Esmail
Committee Members:Habib, Mohamed and Said, Syed
ID Code:138965
Deposited By:DABWAN YOUSEEF NAJI (g200805860)
Deposited On:21 Jul 2013 14:24
Last Modified:24 Nov 2014 10:46

Repository Staff Only: item control page