A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

153
A Computer Program for the Exergoeconomic Analysis of Energy Conversion Plants vorgelegt von Pei Zhao geb. in Jiangsu China von der Fakultät III - Prozesswissenschaften der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften -Dr.-Ing.- genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr. Georg Erdmann Gutachter: Prof. Dr. –Ing. George Tsatsaronis Gutachter: Prof.Dr. Giampaolo Manfrida Gutachter: Prof.Dr.Tetyana Morozyuk Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 23.10.2015 Berlin 2015

Transcript of A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

Page 1: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

A Computer Program for the Exergoeconomic

Analysis of Energy Conversion Plants

vorgelegt von Pei Zhao

geb. in Jiangsu China

von der Fakultät III - Prozesswissenschaften der Technischen Universität Berlin

zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften

-Dr.-Ing.-genehmigte Dissertation

Promotionsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr. Georg Erdmann

Gutachter: Prof. Dr. –Ing. George Tsatsaronis Gutachter: Prof.Dr. Giampaolo Manfrida

Gutachter: Prof.Dr.Tetyana Morozyuk Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 23.10.2015

Berlin 2015

Page 2: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

i  

Acknowledgements

This work has been conducted during my stay as a doctoral student at the  Institute 

for  Energy  Engineering  and  Protection  of  the  Environmental  of  the  Technische 

Universität Berlin, which was supported by the Scholarship Council of China.   

With  this  opportunity,  I  would  like  to  express  my  sincere  gratitude  and 

appreciation to my supervisor, Professor George Tsatsaronis.  I appreciate his expert 

guidance and mentorship, his patience and extremely valuable scientific advice. And 

Prof  Tatiana Morosuk was  so  kind  and  passionate,  always willing  to  assist.  I  also 

would  like  to  thank  Professor  Giampaolo Manfrida  for  his  recommendations  and 

detailed review.  I still want to thank Professor Georg Erdmann for his willingness to 

chair my thesis defense. 

This work would not have been possible without  the  constant  support of my 

family, especially my dear wife Dr. Anyi Wang. I would like to express my honest and 

eternal gratitude towards you and our son Max for having supported me through this 

long journey. I shall never forget your encouragement and strong back at all levels. 

Last  but  not  least,  I  would  like  to  thank  to  my  colleagues,  Dr.  Fontina 

Petrakopoulou and Dipl.‐Ing. Max Sorgenfrei, for providing me the reference cases of 

power plant. 

   

Page 3: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

ii  

Abstract

The  exergoeconomic  analysis  is  an  important  deep‐going  evaluation  method  for 

energy conversion systems. It is a continuation of the energetic and exergetic analysis 

and a  combination of  the exergy and economic analysis.  In  this work, a  computer 

program was developed to facilitate the application of the exergoeconomic analysis 

to the power plants. The initial data are input to the program, then the calculation of 

enthalpy and entropy of each material flow is attained by an ideal gas model and the 

steam table  formulation  IAPWS‐IF97. The values of physical and chemical exergy of 

the streams are obtained by their definitions and the specific values of the reference 

state. Finally, the fuel and product exergy, the exergy destruction and the cost rates 

associated with  these  exergies  of  each  component  are  calculated  by  the  program 

with the SPECO approach.   

Three  reference cases: a combined cycle power plant, an  IGCC plant with CO2 

capture and a compression refrigeration machine are introduced to test the program. 

Compared  to  the  reference  values,  the  average  relative  errors  of  the  enthalpy, 

entropy, exergy and specific cost for each material flow, the fuel exergy, the product 

exergy and the cost rates of fuel and product for the component, are all below 1.5%. 

The exergy destruction and the cost rate associated with the exergy destruction can 

correctly  reflect  the  thermodynamic  inefficiencies  and  the  cost  related  to  these 

inefficiencies of the energy conversion systems.   

The exergoeconomic analysis program affords a direct connection to the process 

simulation software. When complex energy systems and separated exergy forms are 

taken into consideration such as the IGCC power plant with CO2 capture, the program 

is more effective. Although  the degree of  accuracy of  the program  can be  further 

improved in the future, it is still appropriate to evaluate an energy system in general 

for now. 

Page 4: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

iii  

TableofContents

List of Tables .......................................................................................................... vii 

List of Figures ...........................................................................................................x 

Nomenclature ......................................................................................................... xi 

1. Introduction ........................................................................................................ 1 

2. Simulation and evaluation software for energy conversion systems ................... 4 

2.1 Process simulation software ................................................................................ 4 

2.2 Advantages and disadvantages of existing simulation software ......................... 6 

2.2.1 Ebsilon Professional ....................................................................................... 8 

2.2.2 Aspen Plus ...................................................................................................... 9 

2.3 The lack of exergoeconomic analysis in process simulation software ........... 11 

3. Energy and exergy based analyses .................................................................... 12 

3.1 State of the art ................................................................................................... 12 

3.2 Exergy‐based analyses ........................................................................................ 15 

3.2.1 Exergetic analysis ......................................................................................... 15 

3.2.2 Economic analysis ........................................................................................ 16 

3.2.3 Exergoeconomic analysis ............................................................................. 18 

3.2.4 Environmental analysis ................................................................................ 20 

3.2.5 Exergoenvironmental analysis ..................................................................... 21 

3.3 Advanced exergy‐based analyses ....................................................................... 22 

4. The algorithm and mathematical model ........................................................... 23 

4.1 Description of algorithm model ......................................................................... 23 

4.1.1 Program process flowchart ......................................................................... 26 

4.1.2 Two significant data structures ................................................................... 27 

4.1.2.1 Set of streams’ properties .................................................................... 28 

4.1.2.2 Set of components ............................................................................... 31 

4.1.2.3 General form of the component data structure .................................. 32 

Page 5: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

iv  

4.2 Thermodynamic properties calculation ............................................................. 36 

4.2.1 IAPWS‐IF97 for thermodynamic properties calculation of water and steam

 .............................................................................................................................. 36 

4.2.2 Thermodynamic properties calculation of some selected substances ....... 39 

4.3 Exergetic analysis ............................................................................................... 41 

4.3.1 Reference state ............................................................................................ 41 

4.3.2 Physical and chemical exergy ...................................................................... 42 

4.4 SPECO approach for exergoeconomic analysis .................................................. 47 

4.4.1 Identification of exergy streams .................................................................. 48 

4.4.2 Definition of fuel exergy and product exergy.............................................. 48 

4.4.3 Cost balance ................................................................................................ 52 

4.4.4 Auxiliary equations ...................................................................................... 54 

4.4.5 Matrix formulation ...................................................................................... 61 

5. Implementation of the energy and exergy based analyses program for the 

energy conversion systems ................................................................................... 65 

5.1 Combined cycle power plant .............................................................................. 65 

5.1.1 Energetic analysis ........................................................................................ 66 

5.1.2 Exergetic analysis ......................................................................................... 67 

5.1.3 Exergoeconomic analysis ............................................................................. 70 

5.1.4 Error analyses .............................................................................................. 72 

5.1.4.1 Energetic analysis ................................................................................. 72 

5.1.4.2 Exergetic analysis ................................................................................. 73 

5.1.4.3 Exergoeconomic analysis ..................................................................... 74 

5.2 IGCC Plant ........................................................................................................... 75 

5.2.1 Energetic analysis ........................................................................................ 77 

5.2.2 Exergetic analysis ......................................................................................... 79 

5.2.3 Exergoeconomic analysis ............................................................................. 81 

5.2.4 Error analyses .............................................................................................. 84 

5.2.4.1 Energetic analysis ................................................................................. 84 

Page 6: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

v  

5.2.4.2 Exergetic analysis ................................................................................. 84 

5.2.4.3 Exergoeconomic analysis ..................................................................... 85 

5.3 Simple refrigeration machine ............................................................................. 86 

5.3.1 Energetic analysis ........................................................................................ 86 

5.3.2 Exergetic analysis ......................................................................................... 86 

5.3.3 Exergoeconomic analysis ............................................................................. 88 

5.3.4 Error analyses .............................................................................................. 89 

5.3.4.1 Energetic analysis ................................................................................. 89 

5.3.4.2 Exergetic analysis ................................................................................. 90 

5.3.4.3 Exergoeconomic analysis ..................................................................... 91 

6. Conclusion ........................................................................................................ 92 

6.1 Energetic Analysis ........................................................................................... 92 

6.2 Exergetic analysis ............................................................................................ 93 

6.3 Exergoeconomic analysis ................................................................................ 94 

6.4 Summary and future work .............................................................................. 95 

Appendix A ........................................................................................................... 97 

Flow charts and simulation results of this program and the reference paper ........ 97 

A.1 The combined cycle power plant ....................................................................... 98 

A.2 The IGCC power plant with CO2 Capture ........................................................ 103 

A.3 The compression refrigeration machine .......................................................... 111 

Appendix B ..........................................................................................................113 

Exergy rates and cost rates associated with fuel and product for defining 

component models at steady state operation ....................................................... 113 

Appendix C ..........................................................................................................121 

Economic Analysis for the IGCC power plant with CO2 Capture ............................ 121 

Appendix D ..........................................................................................................126 

Thermal properties calculation of Ammonia ......................................................... 126 

D.1 The vapor pressure equation for the Liquid‐Vapor coexisting phase ............. 126 

D.2 The density for the Saturated Liquid and Vapor ............................................. 126 

Page 7: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

vi  

D.3 The latent heat of vaporization and the enthalpy of the Saturated Liquid and 

Vapor ...................................................................................................................... 127 

D.4 The entropy of the Saturated Liquid and Vapor .............................................. 127 

Reference ............................................................................................................128 

 

   

Page 8: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

vii  

ListofTables

Table 2.1 Software for process simulation or thermophysical properties evaluation ... 5 

Table 2.2 Several features of selected simulation software .......................................... 7 

Table 4.1 Characteristics’ variables in a stream abstract data type ............................. 30 

Table 4.2 Structure of components’ set ....................................................................... 31 

Table 4.3 General form of component data structure ................................................. 35 

Table 4.4 Basic equations and backward equations from IAPWS ................................ 37 

Table 4.5 Comparisons between calculated results and international steam tables .. 38 

Table 4.6 Properties of selected working fluids at Tref=298.15K and pref=1.0 bar ...... 40 

Table 4.7 Constants for Eqs. (4.5) through (4.8) .......................................................... 40 

Table  4.8  Standard  molar  chemical  exergy    for  selected  substances  at 

Tref=298.15 K(pref=1.019 atmfor ModelⅠ andpref=1.0 atmfor ModelⅡ) ..... 43 

Table 5.1 Selected thermal results from the reference paper and the program ......... 66 

Table 5.2 The selected results of the generated or supplied work .............................. 67 

Table 5.3 The results of exergies for some selected streams ...................................... 68 

Table 5.4 Selected exergetic results at the component level ...................................... 69 

Table 5.5 The cost rates of selected streams ............................................................... 70 

Table 5.6 Selected results of exergoeconomic analyses at component level .............. 71 

Table 5.7 Selected thermal results from the reference paper and the program ......... 77 

Table 5.8 The selected results of the generated or supplied work .............................. 78 

Table 5.9 The results of exergies for some selected streams in IGCC plant ................. 79 

Table 5.10 Selected exergetic results at the component level for IGCC ...................... 80 

Table 5.11 The cost rates of some selected streams ................................................... 82 

Table 5.12 Selected results of exergoeconomic analyses at component level ............ 83 

Table 5.13 Selected thermal results of the refrigeration machine .............................. 86 

Table 5.14 The results of exergies for the refrigeration machine ................................ 87 

Table 5.15 Selected exergetic results at the component level .................................... 87 

Page 9: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

viii  

Table 5.16 The cost rates of selected streams for the refrigeration machine ............. 88 

Table 5.17 Selected results of exergoeconomic analyses at component level ............ 89 

Table A.1.1 Results at component level for the combined cycle power plant from the 

program ................................................................................................................ 99 

Table A.1.2 Results at component level for the combined cycle power plant from the 

reference paper .................................................................................................. 100 

Table A.1.3 Results at stream level for the combined cycle power plant .................. 101 

Table A.1.4 Results at stream level for the combined cycle power plant .................. 102 

Table A.2.1 Results at stream  level of  the  IGCC power plant with CO2 capture  from 

the program ....................................................................................................... 104 

A.2.2  Results  at  stream  level  of  the  IGCC  power  plant with  CO2  capture  from  the 

reference ............................................................................................................ 107 

Table A.2.3 Results at component  level of the IGCC plant with CO2 capture from the 

program .............................................................................................................. 109 

Table A.3.1 Exergetic results of refrigeration machine from the program ................ 111 

Table A.3.2 Exergoeconomic results of refrigeration machine from the program .... 111 

Table A.3.3 Exergetic results of refrigeration machine from the reference............... 111 

Table A.3.4 Exergoeconomic results of refrigeration machine from the reference ... 112 

Table A.3.5 Thermodynamic data of streams from the program .............................. 112 

Table A.3.6 Thermodynamic data of streams from the reference paper .................. 112 

Table B.1 Exergoeconomic models of selected components used for programming 113 

Table C.1 Parameters and assumptions used  in the calculation of economic analysis 

(all monetary values are expressed in mid‐2007 dollars) .................................. 121 

Table C.2 Calculation of the allowance for funds used during construction (end‐2016 

dollars) of IGCC power plant .............................................................................. 122 

Table C.3 Annual tax depreciation amount for a life period of 20 years ................... 122 

Table C.4 Year by year capital recovery schedule for the IGCC case .......................... 123 

Table C.5 Year by year revenue requirement analysis for the IGCC case ................... 124 

Page 10: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

ix  

Table C.6 Total investment cost rates of components for IGCC power plant ............ 125 

 

   

Page 11: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

x  

ListofFigures

Figure 4.1 Algorithm flowchart .................................................................................... 26 

Figure 4.2 Schematic of a component in a thermal system ......................................... 33 

Figure 4.3 Component models in other process simulation software ........................ 34 

Figure 4.4 Regions and equations of IAPWS‐IF97 ........................................................ 36 

Figure 4.5 Schematic of a component to define fuel and product .............................. 49 

Figure 4.6 The productive structure for the component shown in Fig. 4.5 ................. 50 

Figure 4.7 Schematic of a heat exchanger ................................................................... 55 

Figure 4.8 Schematic of a mixing device ...................................................................... 57 

Figure 4.9 Schematic of a gasifier ................................................................................ 58 

Figure 4.10 Schematic of a dissipative component ..................................................... 60 

Figure 4.11 The cost equations in a matrix form ......................................................... 62 

Figure 5.1 Relative errors of energetic results for the combined cycle power plant ... 72 

Figure 5.2 Relative errors of exergetic results for the combined cycle power plant ... 73 

Figure 5.3 Absolute values comparison of  the specific costs of  fuel and product  for 

the combined cycle power plant.......................................................................... 74 

Figure 5.4 Absolute values comparison of the specific costs of streams .................... 75 

Figure 5.5 Process flowchart of IGCC plant from the reference paper ........................ 76 

Figure 5.6 Relative errors of energetic results of the IGCC case .................................. 84 

Figure 5.7 Relative errors of exergies of the IGCC case ............................................... 85 

Figure  5.8  Relative  errors  of  energetic  results  for  the  compression  refrigeration 

machine ................................................................................................................ 90 

Figure 5.9 Relative errors of exergetic results for the refrigeration machine .............. 90 

Figure  5.10  Relative  errors  of  the  exergoeconomic  results  for  the  refrigeration 

machine ................................................................................................................ 91 

Figure 6.1 Exergy destructions of primary components of the combined cycle power 

plant ..................................................................................................................... 94

Page 12: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

xi  

Nomenclature

Symbols 

Ar              argon B               environmental impact rate [Pts/h]b specific environmental impact [Pts/GJ] 

C               cost rate [€/h] c specific cost [€/GJ] Cp              constant‐pressure specific heat [J/K] Cv              constant‐volume specific heat [J/K] 

E           exergy [J] e                specific exergy [J/kg] E               exergy rate [MW] 

f                 exergoeconomic factor [%] 

fb                exergoenvironmental factor [%] 

G                Gibbs function [J] g                specific Gibbs function [J/kg] H                enthalpy [J] h                specific enthalpy [J/kg] He              Helium 

HHV          higher heating value [kJ/kg] LHV            lower heating value [kJ/kg] m               mass flow rate [kg/s] 

NH3            ammonia 

n                polytropic exponent [‐] p                pressure [bar] Q                heat transfer [J] R                gas constant [J/kg K] r                relative cost difference [%] rb                relative environmental impact difference [%] 

S                entropy [J/K] s specific entropy [J/kg K] T                temperature [K] 

TCO            total concentration [kg/kg] U                internal energy [J] u                specific internal energy [J] V                volume [m3] 

v                specific volume [m3/kg] 

W              work [J] 

Page 13: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

xii  

W               power [W] 

X                dryness [‐] x                concentration [kmol/kmol, kg/kg] 

Y component‐related environmental impact [Pts/h] 

y                exergy destruction ratio [%] Z               investment cost rate [€/h] 

                coefficient of thermal expansion [‐] 

                exergetic efficiency [%] η efficiency [%] ρ density [kg/m3] 

                annual operating hours [h] 

 

Indices 

AV avoidable a,b,c          separated exergy forms 

c                  critical CH              chemical exergy 

CO              construction environmental impact 

D                exergy destruction DI                disposal environmental impact 

dc                dissipative component 

DAF            dry and ash free fuel EN energy stream 

EN              endogenous EX              exogenous e                  exiting F                  exergy of fuel IC                investment cost 

in                inlet i,j                exergy flow indices k,Y,W          component indices 

L                  exergy losses l                  liquid M                mechanical exergy 

max            maximal 

OM,O&M    operating and maintenance environmental impact 

out              outlet P                  exergy of product PH                physical exergy q                  heat transfer ref                reference 

Page 14: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

xiii  

T                  thermal exergy 

tot                overall system 

UN                unavoidable w                  generating power 0                  thermodynamic enviroment 

 

Abbreviations 

ASU              air separation unit AGR              acid gas removal 

CC                carrying charge CExC            cumulative exergy consumption 

ECT              exergetic cost theory EEA              exergy economics approach 

EES              engineering equation slover EFA              engineering functional analysis FEA              first exergoeconomic approach 

HRSG            heat recovery steam generator 

IAPWS          International Association for the Properties of Water and Steam 

IF97             Industrial Formulation 1997 

IGCC              integrated gasification combined cycle 

ISO                International Organization for Standardization LIFOA            Last‐In‐First‐Out approach PEC                purchased equipment cost 

SAA              structural analysis approach SPECO          specific exergy costing TFA             thermoeconomic functional analysis 

TRR              total revenue requirement 

WGS              water gas shift 

Page 15: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

1  

1.Introduction

The  exergoeconomic  analysis  is  a  further  evaluation  method  of  the  energy 

conversion  system principally  focused on  the  cost  rates of exergy  streams and  the 

cost  rates  of  exergy  destructions.  As  an  essential  complement  to  the  traditional 

thermodynamic  analysis  (i.e.  energy‐related  analysis),  a  rapid  growth  of 

exergoeconomic  analysis  occurred  since  1980s.  In  the  last  decades,  the 

exergoeconomic analysis  is more esteemed by the researchers; a  lot of applications 

using  exergoeconomic  analysis  are  presented.  Simultaneously,  various  process 

simulation  software  have  been  developed  almost  at  the  same  period;  one  of  the 

most outstanding programs  is Aspen Plus.  In  the past  years,  the emphases of  the 

improvements  of  the  simulation  programs  are  all  laid  on  the  First  Law  of 

thermodynamics,  the  exergy‐based  analyses  are  seldom  covered  and  the 

exergoeconomic analysis are not  involved. Certainly,  the energy‐based analyses are 

the core and the foundation of all thermodynamic evaluation methods; the closer to 

the reality is the simulation the better. However, for efforts of many years the degree 

of accuracy of  the energy‐based evaluation of simulation software  is very high and 

stable. Therefore, the further evaluation included exergetic analysis, exergoeconomic 

analysis  and  exergoenviromental  analysis  should  be  considered  in  the  simulation 

program according to the researchers’ demand. For now, most researchers combined 

Matlab,  Excel  or  other  computer‐assisted  software  with  a  process  simulation 

software  to  solve  exergy‐based  analyses  problems  that  require  exhaustively 

understanding of the whole procedure of exergy‐based analyses and massive coding 

works. 

Hence,  this  thesis  intends  to  develop  a  computer  program  for  exergy‐based 

analyses especially for the exergoeconomic analysis of the energy conversion systems. 

To realize the foregoing purpose, the following works have been accomplished:   

Page 16: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

2  

1. A database of parameters for the thermal properties calculation of usual 

materials  is built. The equations of  the energetic analysis  include  ideal 

gas model  equations  from  Gatex,  the  basic  equations  and  backward 

equations of steam and water from IF97, etc. 

2. A  library  of  exergetic  and  exergoeconomic models  of  components  is 

found by the methodologies of thermal design and optimization (Bejan 

A., Tsatsaronis G., Moran M. 1996) and the SPECO approach (Lazzaretto 

A,  Tsatsaronis  G,  2006).  The  equations  of  the  exergetic  analysis  and 

exergoeconomic  analysis  are  formulated  with  exergy  balance,  cost 

balance and the fuel and product definitions. 

3. The  resulting matrix of  the  linear equations  is  solved by Gauss‐Jordan 

elimination  and  the  exergetic,  and  exergoeconomic  variables  are 

calculated. 

4. Three  reference energy conversion  systems are  introduced  to examine 

the simulated calculations  for each part of the program. The results of 

the  energetic,  exergetic  and  exergoeconomic  analyses  are  compared 

with the corresponding data from the references. The relative errors of 

the results and the causes of these differences are discussed. 

        All  the  coding  work  is  completed  in  C++  programming  language  with  the 

Microsoft  visual  studio  2008.  The  organization  of  the  dissertation  is  ordered 

according  to  the  exergoeconomic  analysis  procedure.  Chapter  2  presents  some 

frequently used simulation and evaluation software  for power plants and discusses 

their advantages and disadvantages. Chapter 3 provides a comprehensive description 

of conventional exergy‐based methods used in the exergoeconomic analysis program 

and  a  short  description  of  advanced  exergy‐based  methods  not  involved  in  the 

software. Chapter 4 presents  the  structure of  the program,  all  the  algorithms  and 

mathematical  models  of  components.  All  the  equations  and  variables  and  the 

original data  resources are  included. Chapter 5 presents  some  selected  calculation 

Page 17: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

3  

results of three referred energy systems contained a combined cycle power plant, an 

IGCC power plant with CO2  capture and a  compression  refrigeration machine. The 

comparison of  the  final  results  and  the  error  analysis  are  considered  at  the  same 

time.  Conclusions  and  further work  are  presented  in  Chapter  6.  The  process  flow 

charts of three cases, the unabridged results of each part of exergoeconomic analysis, 

the economic analysis results  for  IGCC plant and all  the exergoeconomic models of 

components are listed in appendices. 

 

Page 18: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

4  

2. Simulation and evaluation software for energy

conversionsystems

Nowadays,  process  simulation  is  used  for  the  design,  development,  analysis, 

optimization and failure diagnosis of technical processes such as: petroleum refining, 

chemical  plants,  environmental  systems,  power  plants,  pharmacy,  biological 

processes, and similar technical functions. In the 1970s, related to the development 

of  the  computer  science  and  programming  languages,  process  simulation made  a 

rapid progress simultaneously. However, the basis of process simulation which is the 

modelling  of  chemical  properties  for working  fluids  began much  earlier with  the 

development of thermodynamics (Rhodes C.L., 1996), notably the cubic equation of 

states were precursory events of the 19th century. Various simulation and evaluation 

software are published for distinct fields by different companies at present. Some of 

them only can be applied to a very narrow area even a specific equipment (such as 

piping  system)  or  a  particular  reaction  process,  for  example,  BatchColumn  from 

ProSim; while  some others have a broad  range of applications  for many  industries 

and can simulate very complex process  like Aspen Plus from Aspen Technology. For 

energy  conversion  systems,  the  modern  simulation  software  is  Aspen  Plus, 

Thermoflow, Gate‐cycle, ProSimPlus and Ebsilon Pro, etc. 

2.1Processsimulationsoftware

Process  simulation  is  a model‐based  representation, which  usually means  a more 

convenient, efficient and economical process for similar performance of an elaborate 

process  is built for prediction or guidance. Thus, the process simulation always uses 

mathematical models  of  chemical,  physical,  biological,  and  other  processes which 

introduce approximations and assumptions or allow  interpolation and extrapolation 

within  certain  limits  for  facilitating  the  description  of  the  process.  There  are  two 

types  modeling  method  for  existing  process  simulation  software  (Gani  R., 

Page 19: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

5  

Pistikopoulos  E.N.,  2002);  80  percent  of  commercial  simulation  systems  use  the 

sequential modular method which builds a mathematical model for each component 

as a module, called unit operations, positioned and connected by product or streams 

between  modules;  the  others  gain  the  required  information  by  solving  the 

simultaneous equations; and the rest few combine the two methods together mostly 

for the simulation of dynamic processes.  In the program of this thesis all equations 

are  solved  simultaneously,  in  which  each  component  as  a  module  has  a  set  of 

equations  for the exergetic analysis, the definition of the P rule and F rule and the 

formulation of auxiliary equations  (elaborated below  in Section 4.1.2.2‐4.1.2.3 and 

4.4.2‐4.4.4) since these manipulations mainly based on the component level. Besides, 

the calculation of the specific cost rates for the exergoeconomic analysis requires the 

simultaneous  equations  (cost balance equations with  auxiliary equations) which  is 

expressed as a matrix discussed in Section 4.4.5. 

In general, the simulation software solves the mass and energy balance of the 

process  to  find  a  stable  operating  point  first,  and  then  optimal  conditions  for  a 

considered  process  are  determined  which  is  essentially  an  optimization  problem 

ordinarily solved  in an  iterative process  in computer. The  following  table  lists some 

common  simulation  software  for  process  simulation  or  thermophysical  properties 

evaluation. 

 

Table 2.1 Software for process simulation or thermophysical properties evaluation 

Software Developer ApplicationsAriane  ProSim  Utilities  management  and  power  plant 

optimization 

ProSimPlus  ProSim  Process simulation and optimization 

Aspen Plus  Aspen Technology  Process simulation and optimization 

Aspen 

HYSYS 

Aspen Technology  Process simulation and optimization 

CADSIM 

Plus 

Aurel Systems Inc.  Steady‐state and dynamic process simulation 

ChemCAD  Chemstations  Software suite for process simulation 

Ebsilon  STEAG  Process simulation and optimization 

Page 20: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

6  

Professional 

Cycle‐Tempo  Asimptote  Thermodynamic analysis and optimization of 

energy conversion systems 

Design II  WinSim Inc.  Process simulation 

gPROMS  PSE Ltd  Advanced process simulation and modelling 

PRO/ II  SimSci  Dynamic and steady‐state process simulation 

system 

VMGSim  VMG  General Purpose, Static, Sequential‐Modular 

Process Simulator 

Gate‐Cycle  GE‐Energy  Power plant performance prediction 

Thermo‐Calc  Thermo‐Calc 

Software 

Thermodynamic properties calculation 

EES  F‐Chart  Engineering Equation Solver 

REFPROP  NIST  Thermodynamic properties calculation 

FactSage  ThermFact  Inc.  & 

GTT‐Technologies 

Thermochemical Database System 

HSC 

Chemistry 

Chemistry‐Software  Thermodynamic calculation 

 

2.2 Advantages and disadvantages of existing simulation

software

The  functions  of  today’s  simulation  software  become more  powerful  than  before, 

and lots of engineering problem can be managed by simulation software, such as: 

1. New  product  and  process  development  in which  the  amount  of  experimental 

investigation can be reduced. 

2. The  project  design  included  concept  design,  equipment  design,  and  process 

design.  The  simulation  software  can  provide  design  parameters  and  compare 

different design options so that saving time for engineers. 

3. Optimization of the process operation conditions. The information can make full 

use of existing equipment or locate the reasonable modification. 

4. Fault diagnosis for the production process. 

5. Economic evaluation of the simulation process. 

Page 21: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

7  

6. Advanced process control, production management and operator training. 

Existing  process  simulation  software  is  normally  with  different  focuses  on 

functions mentioned  above.  Some  even  only  have  one  function,  like  Thermo‐Calc 

that  can  calculate  the  thermodynamic  properties.  However,  some  simulation 

software contains comprehensive functions, for example, ProSimPlus and Aspen Plus. 

Several features of selected simulation software are compared in following Table 2.2. 

 

Table 2.2 Several features of selected simulation software 

Software Model

library

Application

field

Convergence

speed

Accuracy Model type Learning

cost

Aspen Plus  Large  Full range of 

process 

industries 

Medium  Very high  Sequential 

modular 

High Very 

complic‐at

ed 

ChemCAD  Small  Mainly in 

colleges and 

universities 

Very fast  Low 

Basically 

needs 

Sequential 

modular 

Low 

Easy to 

use 

PRO/ II  Large  Oil refining 

and 

Chemical 

Industry 

Medium  High  Sequential 

modular 

High 

HYSYS  Large  Oil refining 

and 

Chemical 

Industry 

Fast  High  Sequential 

modular 

High 

Gatecycle  Medium  Power plant 

design and 

analysis 

Fast  High  Sequential 

modular 

Medium 

EES  Small  Chemical 

equations 

Very fast  High  Simultaneous 

equations 

Low 

Ebsilon 

Professional 

Medium  Power 

system 

Fast  High  Sequential 

modular 

Medium 

 

Through  the above  table  it can be  seen,  the process  simulation  software  that 

has a broad range of applications and powerful functions usually has relatively slow 

convergence speed, and more complex operation, but more accurate  results, more 

closer to the actual  industry.  In addition, the software with narrow  limits has rapid 

Page 22: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

8  

convergence speed and is very easy to use but with low accuracy of results, more for 

teaching and research. Moreover, most of the process simulation software is an open 

system  that  can  interact with  the  users  by  input  and  output  files  or  user‐defined 

components. 

Generally, PRO/II is more accurate in the oil refining industry owing to the large 

number of experiential data from factories in its model library. While Aspen Plus has 

a  better  performance  in  the  chemical  industry  for  steady‐state  process  simulation 

and HYSYS like PRO/II is often used for oil refining, but its advantage is in a dynamic 

process simulation. The Design  institutes and  industries prefer to use these kinds of 

simulation software. However, the database of ChemCAD is much smaller compared 

to above‐mentioned software but the operation interface of ChemCAD is friendly so 

that  it  usually  adopted  by  colleges  and  universities.  The  Gatecycle  and  Ebsilon 

Professional are  specific  simulation  software aimed at power  systems and  suitable 

for both industries and universities. Instead, EES is seen more like a engineering tool 

for sovling the chemical equations. 

2.2.1EbsilonProfessional

In  this  thesis,  the  first application  in Section 5.1  that  is  the combined cycle power 

plant was simulated by the simulation software Ebsilon Professional (Petrakopoulou 

F, 2011). Ebsilon  is the abbreviation for “energy balance and simulation of the  load 

response  of  power  generating  or  process  controlling  network  structures”  (Ebsilon 

Professional 2014). Ebsilon software  is developed by STEAG Company that  is “all  in 

one”  solution  for power plant projects.  It  can be used  for engineering, acquisition 

and  planning  for  all  kinds  of  power  plants  and  other  thermodynamic  processes. 

Ebsilon  Professional  comes  with  a  powerful  graphical  editor  and  enables  the 

balancing of  single  components, groups of  components,  subsystems and  complete 

systems, regardless of the fact, whether these components or systems form an open 

or  a  closed  circuit.  The  graphical  user  interface  is  used  to  model  cycles.  The 

Page 23: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

9  

calculation core of Ebsilon Professional creates and solves a set of equations for the 

cycle. 

The  process  simulation  results  can  be  imported  in  Ebsilon  Professional  or 

exported  from  Ebsilon  Professional.  The  data  in  the  output  file  given  by  Ebsilon 

Professional contains  the  full  information of  the combined cycle power plant, e.g., 

the  flow  sheet of  the plant,  the  thermal properties of  each material  streams  and 

energy streams, the compositions of each working fluid. The exported file could be 

Excel,  DLL  or  Text  files.  Therefore,  the  program  developed  for  exergoeconomic 

analysis  in  this  thesis  will  not  simulate  the  combined  cycle  again  but  load  the 

exported  text  files  from Ebsilon Professional. This  can be achieved on a necessary 

condition that the integration of the division of operation units is similar. In general, 

the simulation software is the closer to the actual system the lower integration level. 

While  Ebsilon  Professional  just  has  an  appropriate  integration  with  the 

exergoeconomic analysis program. How the program uses the  input data to do the 

exergoeconomic analysis discussed in Chapter 4. 

2.2.2AspenPlus

Accordingly,  the  second  application  in  Section  5.2 which  is  the  IGCC  (integration 

gasification  combined  cycle)  problem was  simulated  by Aspen  Plus  (Sorgenfrei M. 

and Tsatsaronis G., 2013). With regard to the complicated energy conversion systems 

like  IGCC with CO2 capture, Aspen Plus has some advantages  in dealing with  these 

kinds of power plants since it has a large amount of equipment models and abundant 

thermophysical database. 

Aspen  Plus  represented  “Advanced  System  for  Process  Engineering”  is  the 

market‐leading process optimization software that supports the full range of process 

industries.  Aspen  Plus  boasts  the  world’s most  extensive  property  database  and 

handles solid, fluid and gas phase processes, making it the best choice for chemicals, 

polymers, specialty chemicals, pharmaceuticals and biotech, biofuels, power, carbon 

Page 24: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

10  

capture,  minerals,  metals  and  mining  (Aspentech,  2014).  Aspen  Plus,  as  well  as 

Ebsilon  Professional,  can  export  the  simulation  results  as  a  text  file,  but  the 

exergoeconomic analysis software cannot use  the  report  file as  input data directly. 

There are two reasons that cause this situation. One is the information in the text file 

has  too  many  redundant  data  included  all  properties  values  within  the  whole 

iterative  procedure  and  the  iterative  time,  etc.  However,  the  exergoeconomic 

analysis software only needs the flowsheet, the final thermophysical properties from 

the  iteration  and  the  compositions  of  each  material  streams.  The  other  is  the 

exergoeconomic analysis software doesn’t have parallel components model to Aspen 

Plus for now. The convergence level of the exergoeconomic analysis software is much 

higher  than  Aspen  Plus.  For  example,  the  coal  preparation  unit  of  the  second 

application  IGCC  problem  from  Aspen  Plus  has  dryer, mill  and  lock  hopper  units 

respectively,  but  in  the  exergoeconomic  analysis  software  there  are  no  related 

component and the coal preparation unit only can be treated as a whole unit. As a 

result,  the  data  from  Aspen  Plus  should  be  preprocessed  before  going  to  an 

exegoeconomic  analysis.  The  primary  work  for  pretreatment  is  to  increase  the 

integrated  level  of  the  entire  power  plant  and  to  redefine  the  operation  units  to 

conform  to  the needs of  the exergoecnomic analysis program.  In  the  future work, 

high  integration  is no  longer required when more and more component models for 

the exergoeconomic analysis are added into the model library of the program. 

Economic  evaluation  of  a  process  or  capital  cost  assessment  comparison  of 

different  schemes  is  an  important  element  of  process  engineering.  The  extended 

functionalities  of  Aspen  Plus  contain  Activated  Economics,  using  the  power  of 

Activated Economics, process engineers can execute relative cost analyses inside the 

Aspen  Plus  user  interfaces.  Map  and  size  equipment  from  unit  operations  and 

consider  preliminary  capital  and  operating  costs  that  is  another  advantage  other 

process simulation software do not have. 

Page 25: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

11  

2.3The lackofexergoeconomicanalysis inprocess simulation

software

Exergoeconomic  analysis  as  a  relatively new methodology  rapidly developed  since 

later 1980s  that was during  the  same  time  as  the development period of process 

simulation  software  (e.g.  Aspen  Plus was  designed  by Massachusetts  Institute  of 

Technology  and  other  cooperators  in  1976‐1981).  Generally,  the  commercial 

simulation  software  applies  sophisticated  mathematical  model  for  process 

simulation  instead  of  the  new  method  or  incomplete  theory.  Most  process 

simulation software for now still only based on the energetic analyses,  i.e., focused 

on energy  flows of a system. Through strict mass balances and energy balances of 

the  process,  stream  flow  rates,  compositions  and  properties  can  be  predicted;  in 

addition  chemical equilibriums  are  required when  chemical  reactions occur  in  the 

facilities. The operating conditions of the equipment and the size of the components 

can  predicted  as well.  The  properties  determined  by  process  simulation  software 

usually  include  temperature, pressure, mass  flow  rate and  chemical  compositions, 

the  enthalpy  and  entropy  are  also  calculated  automatically.  For  many  years, 

numerous efforts are made to find more precise and rapidly constringed models for 

the calculation of properties. At  this point,  the engineers and  researchers need  to 

combine  two  or more  software  together  to  solve  the  problems  of  exergy‐based 

analyses,  such  as,  EES  or Matlab,  but  the  procedure  is  both  time‐consuming  and 

error‐prone.  For  many  years  of  development,  the  conventional  exergoeconomic 

analysis methods have been mature and also have a  lot of applications on complex 

energy  conversion  systems  (Petrakopoulou  F,  etc.  2011a,  2011b).  Based  on  the 

exergoeconomic  analysis  approach  (Lazzaretto  A,  Tsatsaronis  G,  2006),  it  is 

appropriate  to  develop  a  process  simulation  program  to  treat  the  exergy‐based 

problems, which can facilitate the assessment and improvement of the performance 

of energy systems. This is also the original intention of this thesis. 

Page 26: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

12  

3.Energyandexergybasedanalyses

3.1Stateoftheart

For many years thermodynamic analysis using the first law, i.e. energy‐based analysis, 

has been used  to determine which components and operational parameters affect 

the total efficiency of an energy system. This method  is simple and practicable, but 

energy  balances  neither  provide  information  regarding  the  degradation  of  energy 

during a process nor quantify the usefulness or the quality of energy in the material 

streams  flowing  through a  system while  the  second  law assesses  the  flow of work 

known both as availability or exergy. The researchers in Europe usually trace back to 

19th  century  when  exergy  as  a  concept  was  conceived  first  by  Carnot,  and  then 

developed by J. Willard Gibbs in 1873 and Stodola and Gouy (F.Bosnjakovic, 1938) in 

1889.  In America, Darsious proposed to use an  independent parameter to evaluate 

the efficiency in 1930. Moreover, then J. H. Keenan abstracted this kind of parameter 

named “Availability” from point function  in 1932, who also first  introduced the  idea 

of combining exergy with costs. The term "exergy" was coined in 1956 by Zoran Rant 

by using the Greek ex and ergon meaning "extraction of work". In the late 1950s, the 

studies  on  the  second  law  analysis methodologies  and  exergy  costing were  in  an 

embryonic  stage  and  started  in  both  Europe  and  America  independently.  Till  the 

1970s, a great deal of literatures and publications by many scientists established the 

theoretical  foundations  of  the  exergy  based  methodology.  These  contributions 

included that in the US, Obert and Gaggioli (1963) applied the exergy method to the 

optimal selection of steam piping and then Gaggioli et al. presented several papers in 

1977 and 1978 about available energy accounting method; Tribus and Evans  (1962, 

1965)  studied desalination processes by exergy analysis,  for which  they coined  the 

word  ‘‘thermoeconomics’’,  and  it  is  the  beginning  of  a  concrete  formulation  of 

thermoeconomics; El‐Sayed and Evans (1970), El‐Sayed and Aplenc (1970) published 

Page 27: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

13  

two  important  papers  in which  the mathematical  foundation  for  thermal  system 

optimization was given;  in Europe Bergmann and Schmidt  (1965) assigned costs  to 

the  exergy destruction  in  each  component of  a  steam power plant  and optimized 

feed water heaters;  Szargut  (1967,  1971, 1974)  analyzed of  a  simple  cogeneration 

plant using  exergy  costing procedure  and  introduced  an ecological  cost  coefficient 

into  the  literature;  Beyer  (1972,  1978,  1979)  used  structural  analysis  and 

thermoeconomics to industrial production process. 

After  that,  in  1983,  Tsatsaronis  introduced  some  fundamental  concepts  of 

thermoeconomics  such  as  Fuel  and  Product  and  proposed  the  term 

‘‘exergoeconomics’’  which  was  in  a  general  sense  expressing  an  accurate  and 

unambiguous  characterization  of  a  combination  of  economics  and  the  exergy 

concept. Since  the 1980s,  the exergoeconomic  cost analysis  rapidly expanded, and 

the  methodologies  applied  in  design  and  optimization  of  thermal  systems 

comprehensively  occurred.  During  this  decade,  there  are  two  research  trends  in 

exergoeconomic  analysis.  One  is  exergoeconomic  accounting methods  which  is  a 

continuation of Obert and Gaggioli (1963), including Tsatsaronis and Winhold (1984, 

1985, 1986), Valero and Lozano et al. (1986, 1989); and the other is Lagrangian‐based 

approaches first introduced by Tribus and Evans (1965), including Tribus and EI‐Sayed 

(1980,  1981),  Evans  et  al.  (1983)  and  Frangopoulos  (1983,  1987).  The  important 

contributions  of  conventional  exergoeconomic  analysis  were  done  in  the  1990s, 

there were numerous publications and applications to power plants, combined heat 

and power production or cogeneration facilities which  included Von Spakovsky MR, 

Curti V (1992), Tsatsaronis G, Pisa J (1994), Frangopoulos CA (1994), Von Spakovsky 

MR  (1994), Valero A, LozanoMA, Serra L, Torres C  (1994), Hua B, Chen QL, Wang P 

(1997), Kim SM, Oh SD, Kwon YH, Kwak HY (1998), Cerqueira SAAG, Nebra SA (1999), , 

Lazzaretto  A,  Tsatsaronis  G  (1999)  etc.  Since  late  1990s,  progressed  innovative 

methodologies of fuzzy logic and genetic algorithm methods have also been applied 

to existing power plants and cogeneration  facilities  (Manolas DA, Frangopoulos CA, 

Page 28: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

14  

Gialamas TP, Tsahalis DT, 1997; Cziesla F, Tsatsaronis G, 2002; Valdes M, Duran MD, 

Rovira A, 2003; Mazur VA, 2005; Groniewsky A, 2013).   

In the last ten years, the exergoeconomic analysis primarily applied to complex 

systems,  in  which  the  Lagrangian‐based  methods  are  limited  because  of  the 

weakness of the calculus method itself. If the component of the complex system fails 

to achieve thermoeconomic isolation, the Lagrange multipliers vary from iteration to 

iteration making the applicability of this method very difficult. Therefore, there have 

been  no  new  progresses  or  interesting  applications  of  these methods. While,  the 

accounting methods do not have  these  limitations,  and were  rapidly developed  in 

recent years. The exergoenviromental analysis  (Meyer et al., 2009; Tsatsaronis and 

Morosuk, 2008a, 2008b) was developed to involve an ecological evaluation instead of 

economic  assessment  into  exergoecomonic  analysis.  Then  advanced  accounting 

methods (Tsatsaronis, 2008) included advanced exergetic, advanced exergoeconomic 

and advanced exergoenviromental analysis were proposed  in order  to describe  the 

interactions of  the  components  and  reveal  the  real potential of  improvement.  For 

this  objective,  the  thermodynamic  efficiency,  exergoeconomic  costs  and 

environmental  impacts  are  split  into  avoidable,  unavoidable,  endogenous  and 

exogenous  parts,  and  also  their  combination,  such  as:  avoidable  endogenous, 

avoidable  exogenous  parts  or  unavoidable  endogenous,  unavoidable  exogenous 

parts  (Tsatsaronis, Kelly and Morosuk, 2006; Tsatsaronis and Morosuk, 2007, 2010; 

Morosuk and Tsatsaronis, 2008a,2008b, 2009, 2010; Cziesla F et al, 2006; Kelly et al, 

2009; Petrakopoulou F et al, 2012a, 2012b). Endogenous and exogenous parts  can 

provide detailed information about the mutual effects within plant components and 

the  whole  plant,  in  addition,  avoidable  and  unavoidable  parts  can  reveal  the 

positions  and  the  real  potential  of  optimizations.  These  progresses  effectively 

prevent the optimization strategy to be misled as it may happen in the conventional 

exergy‐based analyses. 

Page 29: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

15  

3.2Exergy‐basedanalyses

In general, a rigorous evaluation of energy conversion systems consists of exergetic 

analysis, exergoeconomic and exergoenvironmental analyses. 

3.2.1Exergeticanalysis

The real thermodynamic inefficiencies in an energy conversion system are related to 

exergy destruction and exergy loss. An exergetic analysis often aims to the calculation 

of measures  of  performance which  involves  exergy  destruction  ratios,  exergy  loss 

ratio  and  exergetic  efficiencies.  For  a  considered  irreversible  system,  the  exergy 

destruction for the k‐th system component is  kDE , . Thereafter the exergy loss  ,  

is only defined for the overall system. An exergy balance equation for the k‐th system 

component can be written  in a general form:  kDkPkF EEE ,,, . The exergy of fuel 

kFE ,   and  the  exergy  of  product  kPE ,

  have  different  definitions  in  different 

approaches.  In  this  thesis,  the  fuel and product definitions proposed by Lazzaretto 

and Tsatsaronis (2006) are used. For the overall system, the exergy balance is: 

, , , , 3.10  

The exergetic efficiency  is defined as  the  ratio between  the exergy of product 

and the exergy of fuel, for the component k: 

kF

kD

kF

kPk E

E

E

E

,

,

,

, 1

                                                                                              (3.11) 

For the overall system 

totF

totLtotD

totF

totPtot E

EE

E

E

,

,,

,

, 1

                                                                              (3.12) 

The total exergy destruction  totDE ,   is equal to the sum of exergy destructions within 

the  components,  i.e.  kDtotD EE ,, .  In  some applications,  some  components are 

Page 30: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

16  

defined as dissipative component like condenser and throttling valve in which exergy 

is  destroyed  without  any  useful  product,  thus,  no  exergetic  efficiencies  can  be 

defined. 

Some  exergetic  variables  associated  with  exergy  destruction  are  defined  for 

characterizing  the performance of  a  conversion  system or  the  system  component. 

The exergy destruction ratio   

totF

kDkD E

Ey

,

,,

                                                                                                          (3.13) 

can  be  used  to  compare  dissimilar  components  to  improve  components with  the 

highest values of the exergy destruction  kDE , . Alternatively, the component exergy 

destruction  rate  can  be  compared  to  the  total  exergy  destruction  rate within  the 

system,   

totD

kDkD

E

Ey

,

,,

*

                                                                                                        (3.14) 

In addition, the total exergy destruction ratio, i.e., Eq. (3.15) and the total exergy loss 

ratio, i.e., Eq. (3.16) can be used to compare different energy conversion systems. 

totF

totDtotD E

Ey

,

,,

                                                                                                          (3.15) 

totF

totLtotL E

Ey

,

,,

                                                                                                          (3.16) 

With a conventional exergetic analysis, the real thermodynamic inefficiencies within 

the energy conversion system are identified. 

3.2.2Economicanalysis

For  the  exergoeconomic  analysis, we  need  the  total  capital  investment  cost,  fuel 

costs and operating, and maintenance  (O&M) expenses  that are determined by an 

economic analysis. To estimate  the major  costs of a  thermodynamic  system,  there 

are many different approaches. In this thesis, the economic analysis is not part of the 

Page 31: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

17  

considerations of the exergoeconomic analysis program. The values of the cost rate 

kZ   associated  with  capital  investment  cost  and  operating  and  maintenance 

expenses  for the k‐th component are all taken  from other applications directly and 

are not recalculated again. In these applications, the TRR (total revenue requirement) 

method is used (Bejan et al., 1996). The procedure commonly involves four steps: 1. 

Estimation  of  total  capital  investment;  2.  Year  by  year  analysis;  3.  Calculation  of 

revenue requirements; 4. Levelized costs. For the first step, the most difficult part is 

the estimation of the PEC  (purchased equipment cost). The sources of the value of 

PEC  can  be  derived  from  vendors’  quotations,  cost  databases  maintained  by 

engineering  companies,  commercial  computer  programs,  literature  or  other 

resources. However, most researchers cannot get exactly the same size equipment, 

or  the  same  year  purchased  equipment  cost  value  from  their  sources.  Thus,  the 

effect of size on equipment cost, i.e., Eq. (3.17) and the effect of the cost indices that 

are basically inflation indicators on the time value of money, i.e., Eq. (3.18) should be 

used in this case. 

W

YwY X

XCC                                                                                                     (3.17) 

YX   and  WX   are  the  sizes  or  capacities  of  the  equipment  and  YC   and  WC   are 

the  purchase  costs  of  the  same  type  of  equipment  in  the  same  year  but  with 

different  sizes.  The  degression  exponent  α  expresses  that  the  increase  in  the 

equipment cost is usually lower than the increase in the equipment size or capacity, 

this value remains constant within a given size range and usually less than one. 

ref

nowrefnow I

ICC                                                                                                   (3.18) 

The equipment cost for now  nowC   can be assembled from the known cost data  refC  

by  using  appropriate  cost  indices  nowI   and  refI   of  now  and  the  reference  year. 

Then using principles of economic evaluation, though the balance between the total 

Page 32: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

18  

revenue requirements, annual CC (carrying charges), levelized fuel costs and levelized 

operating and maintenance costs over  the entire plant economic  life,  the cost  rate 

kZ   for component k can be estimated by Eq. (3.19). 

k k

kk PEC

PECMOCCZ

)&(                                                                                       (3.19) 

  is  the annual operating hours, CC  represents  the annual carrying charges, O&M 

indicates  the  levelized annual operating and maintenance  costs and PEC expresses 

the  purchased  equipment  costs.  The  results  of  the  cost  rates  kZ   are  important 

input  data  introduced  to  the  exergoeconomic  analysis.  More  details  about  the 

economic analysis can be found in Bejan et al. (1996) or other references. 

3.2.3Exergoeconomicanalysis

Exergoeconomics combines exergy analysis with conventional cost analysis  in order 

to assess and improve the performance of energy systems (Tsatsaronis G, Lin L, Pisa J, 

1993). The primary purpose of an exergoeconomic evaluation is to consider not only 

the  inefficiencies,  but  also  the  costs  associated with  these  inefficiencies  and  the 

investment expenditures  required  to  reduce  them. For  this purpose, a specific cost 

ic   represented the cost of per unit exergy associated with the i‐th exergy stream (as 

well as heat or work streams) is used. The cost rate  iC   of the exergy stream i can be 

written as: 

iii EcC                                                                                                                 (3.20) 

To apply the exergoeconomic analysis to a system operating at steady state, cost 

balances are formulated for each component separately shown as Eq. (3.21). 

kwe

kekkqi

ki CCZCC ,,,,                                                                       (3.21) 

Here,  the  subscript  i  expresses  the  entering  streams  of  component  k,  relatively, 

subscript e  is associated with the exiting streams of component k. q represents the 

Page 33: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

19  

receiving heat transfer streams and w is the generating power streams. It should be 

noticed  that  the  terms  kqC ,   and  kwC ,

  can be negative  if  there  is  a heat  transfer 

from the component or when a component receives power, and even non‐existent if 

there is no heat transfer and power generation. 

Generally,  the cost balance equations are stated at  the component  level. Thus 

for a system component, if the number of unknown cost of exiting exergy streams in 

this  component  is higher  than one,  auxiliary  equations  are  required.  The  auxiliary 

costing equations are based on the F and P principles which are described below  in 

Section 4.4 or also see in Lazzaretto and Tsatsaronis (2006). 

From  the  exergoeconomic  evaluation,  some  effective  variables  are  defined  to 

reveal  the  improvement  of  cost  effectiveness  for  the  considered  system  or  find  a 

trade‐off between the  investment cost and the component efficiency  in an  iterative 

optimization.  An  important  variable,  which  can  be  revealed  only  through  a 

exergoeconomic analysis,  is the cost rate associated with exergy destruction for the 

k‐th component. The appropriate expression is: 

kDkFkD EcC ,,,                                                                                                         (3.22) 

where,  kFc ,   is the specific cost of fuel. 

Another variable is the relative cost difference in the k‐th component, shown as: 

kF

k

k

k

kF

kFkP

c

Z

c

ccr

,,

,, 1

                                                                              (3.23) 

where,  k   is the exergetic efficiency of the component k,  kFkpk EE ,, / . 

In  addition,  the  variable  kf   is  the  exergoeconomic  factor  defined  for 

component k by 

kDk

kk CZ

Zf

,

                                                                                                      (3.24) 

From  the definition of  the exergoeconomic  factor, conclusions can be made: a  low 

Page 34: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

20  

value of  kf   suggests  improving  the  component efficiency and a high value of  kf  

suggests reducing the investment costs of this component.   

3.2.4Environmentalanalysis

Analogous to the economic analysis, the environmental impact is calculated through 

environmental  analysis.  Some  of  the  approaches  suggested  combining  an  exergy 

analysis  with  an  environmental  assessment  with  CExC  (cumulative  exergy 

consumption) (Szargut J, 2002, 2004) and some suggested taking into account the life 

cycle of components as the economic analysis (Meyer et al., 2009). The latter is much 

prevalent  in  respect  to  the  environmental  analysis  for  recent  years; moreover  it 

became  part  of  the  ISO  (International  Organization  for  Standardization)  14000 

environmental  management  standards:  in  ISO  14040:2006  and  14044:2006.  The 

environmental  impact  of  component  k,  kY ,  consists  of  construction  (including 

manufacturing,  transport  and  installation),  operating  and  maintenance(including 

pollutant formation), and disposal: 

dcdifDIk

OMk

COkk BYYYY ,

                                                                            (3.25) 

where,  the  terms  COkY ,  OM

kY and  DIkY   correspond  to  construction,  operating  and 

maintenance, and disposal environmental  impact, however,  the  term  dcdifB ,   is  the 

environmental  impact  rate associated with a dissipative  component;  this  impact  is 

assigned to the productive component(s) served by the dissipative component. 

The environmental  impact  rates  related  to dissipative  components,  dcdifB , , usually 

are  charged  to  the productive  components  in which  chemical  reaction occurs, and 

should  be  zero  for  those which  are  not  served  by  the  dissipative  components.  In 

some  applications,  the  treatment  of  the  cost  rate  of  a  dissipative  component  in 

economic analysis,  dcdifC , , is similar to the way in the environmental analysis. 

Page 35: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

21  

3.2.5Exergoenvironmentalanalysis

The  procedure  for  the  exergoenvironmental  analysis  is  highly  consistent with  the 

corresponding  exergoeconomic  analysis.  First,  an  exergy  analysis  of  the  energy 

conversion  system  is  carried  out;  then,  an  economic  or  an  environmental  analysis 

follows; last, the cost rates or the environmental impacts are assigned to the exergy 

streams in the system. Therefore, the environmental impact balance for component 

k has a similar formulation with the cost balance, written as: 

e

keki

ki BYB ,,                                                                                             (3.26) 

with  iii EbB .  ib   is  the  specific  environmental  impact  (also  called  specific 

environmental cost) which equals the average environmental impact per exergy unit 

associated with the production of the i‐th exergy stream. 

In  an  exergoeconomic  analysis  the  cost  rates  kFC ,   and  kPC ,

are  calculated 

from  F  and  P  rules,  respectively.  Similarly,  in  an  exergoenvironmental  analysis  the 

environmental  impact  rates  kFB ,   and  kPB ,

  are  calculated  by  the  same  F  and  P 

rules, and the environmental impact of exergy destruction can be written as: 

kDkFkD EbB ,,,                                                                                                       (3.27) 

Accordingly, the relative difference of specific environmental impacts  kbr ,   is: 

kF

kFkPkb b

bbr

,

,,,

                                                                                                    (3.28) 

In contrast to the exergoeconomic factor, the exergoenvironmental factor can be 

written as: 

kDk

kkb BY

Yf

,,

                                                                                                      (3.29) 

        As  a  result  of  the  high  unification  between  exergoeconomic  analysis  and 

exergoenvironmental analysis,  the computer program developed here can calculate 

Page 36: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

22  

the specific exergoenviromental impact of exergy streams only by replacing the input 

value of  kZ   from  the economic analysis  to  kY   in  the environmental analysis, but 

without any other changes. 

3.3Advancedexergy‐basedanalyses

As it was described in Section 3.1, the advanced exery‐based analyses appeared 

only for few years, and the superiority of these approaches are that the interactions 

of  the  components  and  the  real  potential  of  improvement  can  be  quanfied; 

simultaneously the optimization strategy, which may be misled by mutually affected 

components,  can  be  improved.  The  advanced  exergy‐based  analyses  consist  of 

advanced  exergetic  analysis,  advanced  exergoeconomic  analysis  and  advanced 

exergoenvironmental analysis. These parts are not contained in this program for now; 

they  may  be  included  in  the  future  version  of  this  program.  Hence,  only  brief 

overviews  of  the  advanced  exergy‐based  analyses  are  discussed  here,  the 

elaborations can be found in Morosuk and Tsatsaronis (2008b) and Kelly et al. (2009). 

Generally,  the  basis  of  the  advanced  exergy‐based  analyses  is  splitting  the  exergy 

destruction into endogenous exergy destruction  ENkDE ,

, exogenous exergy destruction 

EXkDE ,

, avoidable exergy destruction  AVkDE ,

, unavoidable exergy destruction  UNkDE ,

  and 

their  combination  avoidable  endogenous  exergy  destruction  ENAVkDE

,,

,  avoidable 

exogenous exergy destruction  EXAVkDE

,,

, unavoidable endogenous exergy destruction 

ENUNkDE,

, , Unavoidable exogenous exergy destruction  EXUN

kDE,

, . Then  the cost  rates of 

exergy destruction  for  the exergoeconomic analysis  (and  the environmental  impact 

of  exergy  destruction  for  the  exergoenvironmental  analysis)  are  all  split  into 

separated parts accordingly. While the investment costs and the component‐related 

environmental impact can be split into avoidable and unavoidable part.    

Page 37: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

23  

4.Thealgorithmandmathematicalmodel

4.1Descriptionofalgorithmmodel

With the development of science and technology, simulation technology has formed 

a relatively complete theoretical system. Simulation and modeling are an inseparable 

whole.  The  so‐called model  can be  a physical model,  a mathematical model, or  a 

mathematical‐physical  hybrid  model.  Physical  models  usually  are  scale  models 

simulated  by  the  simulation  object  whose  physical  characteristics  resemble  the 

physical  characteristics  of  the  system  being  modeled.  Mathematical  models, 

especially the mathematical models of a continuous process, usually consist of a set 

of nonlinear partial differential equations or algebraic expressions. Due to the rapid 

development  of  computer  technology,  the  use  of  mathematical  models  is  more 

general  and  flexible  than  using  physical models.  Simulation  and modeling  can  be 

applied to almost any situation, especially those which need onerous direct tests by 

other methods; or those which practical tests are completely  impossible. Therefore, 

the  simulation  technology  for  chemical  and  energy  systems  has  become  an 

indispensable  and  universal  significance  scientific  instrument  and  engineering 

practice method. 

According  to  the  different  research  purposes,  mathematical  models  of 

simulation  systems  are  typically  divided  into  steady‐state  models  and  dynamic 

models. The  steady‐state model  is  a mathematical description of  the  relationships 

between the  input variables and output variables when a system or a process  is at 

steady state or equilibrium state; it reflects the static characteristics of the system or 

the process. When the stable operating condition of the system changes, there are 

always  some  kind  of  established mathematical  relationships  between  the  various 

state parameters,  these  relationships  can be expressed  in  formulas,  curves,  tables, 

etc.,  so  as  to  constitute  steady‐state mathematical model. Dynamic mathematical 

Page 38: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

24  

models are used  to describe  the mathematical  relationships of parameters varying 

with time when the system or process  is  in a non‐steady state. Theoretically, when 

the  time  tends  to  infinity, all  final steady state value of parameters decided by  the 

dynamic mathematical model should be exactly the same with those determined by 

the steady state mathematical model. 

Since  the  state  parameters  used  in  energetic  analysis  and  exergetic  analysis 

which are considered below, are all in thermodynamic equilibrium state, the system 

can  be  regarded  in  steady‐state.  Exergoeconomic  methods  can  be 

divided into two main groups:  

(1) Exergoeconomic accounting methods (e.g., Obert and Gaggioli, 1963; 

Gaggioli, 1977; Tsatsaronis, 1984; Valero et al., 1986). 

(2) Lagrangian‐based approaches (e.g., Evans and Tribus, 1965; Frangopoulos, 1

983; Tribus and El‐Sayed, 1980, 1981; Evans et al., 1983). 

Exergoeconomic accounting methods calculate  the  average  cost  according  to 

the average number of external resources required for producing a unit of product. 

This cost reflects the "static" performance of a system production. Lagrangian‐based 

approaches aim  to  allow  optimization  of  a  system as  a whole  and  the calculation 

of marginal costs  that  reflect  the  “dynamic”  performance  of  a  system 

production. Accounting  and  Lagrangian‐based methods  are  interrelated. When  the 

environment  state  and  definitions  of  fuel  and  product  are  the  same,  the  costs 

calculated by both methods are the same. The cost balances and auxiliary equations 

used  in  accounting  methods  can  be  obtained  through  derivatives  in  the 

Lagrangian‐based  approaches.  However,  Accounting  methodologies  have  no 

limitations  with  the  complexity  of  the  system  being  considered  whereas 

Lagrangian‐based methods are  limited.  In  this  thesis universality of  the program  is 

more  important,  as  a  result,  the  SPECO  approach  that  belongs  to  the  accounting 

methods is selected. 

As  it  has  been  discussed  in  Chapter  3,  the  steps  required  to  accomplish  an 

Page 39: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

25  

exergoeconomic analysis are: 

(1) Energetic analysis 

(2) Exergy analysis 

(3) Economic analysis 

(4) Exergoeconomic analysis 

The economic feasibility of the construction and operation is not included in this 

program.    is associated both with  the  IC  (investment  cost) and O&M  (operating 

and maintenance cost) of component k ( & ), the calculated cost rates 

are used as program users’ input for the exergoeconomic analysis.  

To achieve the above‐described four steps in a computer program, an algorithm 

was developed to realize this mathematic model. An algorithm always consists of two 

elements: data and operations. And data is stored in the data structures (e.g., stream 

data structure, component data structure); operations implement by functions. Data 

structures and function established method will be elaborated below. 

Page 40: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

26  

4.1.1Programprocessflowchart

Input data

Data input from

simulation software

Data input by manual operation

Input data analyze

Thermal properties calculate

Get incidence matrix

Initial data of material streams

Flow sheet

Flow sheet analyze

Components analyze by SPECO

approach

Streams data set

Components data set

Flow sheet sorted by streams

Flow sheet sorted by

components

Energetic and exergetic analyze

Specific cost of streams analyze

Costing equations associated with

streams entering the overall system

Auxiliary costing

equations

Cost balance

equations

Formulate coefficient matrix for specific cost

calculation

Check results

Right

Wrong

Check flow sheet

Wrong

Check the matrix is fulfilled or not

No

Solve equationsfailed

Specific cost

results

Exergoeconomic

analyze

Save results

End

Initial data

Enegetic and exergetic analysis

Exergoeconimic analysis

 

 

Figure 4.1 Algorithm flowchart 

 

Page 41: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

27  

As the main process flows illustrated in Figure 4.1, the initial data for calculation 

are taken from the process simulation software such as Ebsilon or Aspen plus when a 

complex  system  is  considered.  Otherwise,  if  a  simple  case  is  considered, manual 

work  is also acceptable. The  initial data  consist of  two main parts; one  is  thermal 

properties  of  state  parameters  (i.e.,  independent  variables  associated  with  all 

material and energy streams), the other is the flow sheet (i.e., a matrix indicated the 

relations between streams and components) which is essential for process simulation. 

Mass balance, energy balance, and exergy equations  stated at the component level 

can  be  formulated  by  combining  thermal  properties  data  and  flow  sheet.  Solving 

these equations, the results of exergetic analysis are obtained. These results not only 

need to be outputted and shown in a list table but also should be stored for further 

exergoeconomic  analysis. Using  the  aforementioned methodology  in  section 3.2.3, 

cost  balance  assigned  to  each  component  can  be  built.  However,  the  number  of 

components  is always  less than the number of streams  in and out the components. 

Therefore,  to  solve  this  problem,  in  addition  to  the  known  values  of  cost  rates 

associated with  the  exergy  streams  supplied  to  the  overall  system  from  outside, 

auxiliary  equations which  are  formulated  by  the  SPECO method  in  this  thesis  are 

necessary. When the matrix for calculating costs is complete, the remaining question 

is just how to solve the matrix. In this program, Gaussian elimination method and its 

extensional  method  Gauss‐Jordan  elimination  (Golub,  Gene  H.,  and  Van  Loan, 

Charles  F.,  1996;  Lipschutz,  Seymour,  and  Lipson,  Mark,  2001.)  are  chosen  to 

implement this function. Then the calculated result of cost rate for each stream can 

be used to further exergoeconomic analyses. 

4.1.2Twosignificantdatastructures

In  the early days of  computer programming,  the purpose of using  computers was 

mainly dealing with numerical problems. When using a computer to solve a specific 

problem,  it  is  usually  necessary  to  go  through  the  following  steps:  First,  an 

Page 42: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

28  

appropriate mathematical model should be found from the concrete issue, and then 

an algorithm will be designed or selected for the mathematical model solution, and 

finally  the program  compiling and debugging,  testing, need  to be  repeated until  a 

final answer  (Sartaj Sahni, 2005). The essence of seeking mathematical model  is to 

analyze  the  problem,  extract  operating  objects  and  identify  the  relationships 

between these operating objects, then these objects, relations, operations should be 

described by mathematical form (Clifford A. Shaffer, 2011). 

At  that  time,  due  to  the  operation  objects  are  some  simple  integer,  real  or 

Boolean  data  type,  the  programmer’s  primary  focus  is  on  programming  skills, 

without  attentions  on  data  structures.  In  the  wake  of  hardware  and  software 

development  and  the  expansion  of  computer  application  area,  non‐numerical 

problem  is  getting  more  and  more  important.  According  to  statistics,  today's 

non‐numerical problems handling time occupy more than 85% of the machine time. 

Such kind of  issues related to more complex data structures, relationships between 

data elements  in general cannot be described by mathematical equations but with 

logical operations. Consequently, the key in order to effectively solve these problems 

is not only a mathematical analysis and calculation methods, but also a suitable data 

structure. 

In this exergoeconomic analysis program two data structures (i.e., set of streams, 

set of components) are  the most  significant, which  influence  the entire calculation 

through the data exchange between each other or the call and storage of data with 

algorithms. 

4.1.2.1Setofstreams’properties

The  role of  this data  structure  is used  to  record all  relevant  information with  total 

streams, simultaneously can be defined by a set of streams described in abstract data 

type as well. Each  stream contains  lots of characteristics  indicated by  sub‐items of 

the structure are shown in Table 4.1.   

Page 43: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

29  

The sub‐item StreamNo can uniquely  identify a data record of this stream,  for 

the reason that  it can be treated as a key  item or an  index for data manipulation of 

the  set  that  refers  to  data  classification, merging,  sorting,  access,  retrieval,  input, 

output and other  standard operations. Therefore  if  the  initial  input data  is coming 

from  the  export  files  of  other  simulation  software,  in  order  to  facilitate  the 

calculation, the streams should be reordered by StreamNo, while StreamID is used to 

record  the original stream number. The usages of PhEStreamNo, ChEStreamNo and 

EnStreamNo, are similar to the sub‐item StreamNo. The difference is these three sub 

items are assigned only when the exergy streams for cost evaluation are separated to 

physical and chemical. The most remaining items represent the thermal properties of 

this  stream. But  the  last nine entries attend  to  reveal  the mesh  relations or graph 

structure  of  connections  among  streams  and  components,  and  that  the  values  of 

which will  constitute a  flow  sheet matrix. The detailed explanation of  the  thermal 

properties evaluation method will be expounded below. 

Page 44: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

30  

Table 4.1 Characteristics’ variables in a stream abstract data type 

Subitem Datatype Comments Subitem Datatype Comments

StreamNo  int  Stream’s serial number for both data input ways  S  double  Specific entropy at working condition 

StreamID      int  Stream ID only for recording original stream No. from other 

process simulation software 

Eph    double  Specific physical exergy at working condition 

PhEStreamNo  int  Physical exergy stream No. only for cost analysis also 

separated to physical and chemical 

Ech    double  Specific chemical exergy at working condition 

ChEStreamNo  int  Chemical  exergy  stream  No.  only  for  cost  analysis  also 

separated to physical and chemical 

Etot    double  Specific total exergy at working condition 

EnStreamNo  int  Energy  stream  No.  only  for  cost  analysis  also  separated  to 

physical and chemical 

Etot    double  Total exergy at working condition 

Workingfluid  char[]  Material flow  C    double  Specific cost rate 

Composition  vector  Vector for storing composition of material flow  Cph    double  Specific physical cost rate 

X  double  Dryness of water steam  Cch    double  Specific chemical cost rate 

LHV      double  Low heating value  Component1    char[]  Component associated with this stream 

HHV      double  High heating value  Cp1No    int  Component No. 

MassRate      double  Mass rate of material flow  Direction1    int  Stream direction entering or exiting component 

T0 

P0 

h0 

s0 

    double 

    double 

    double 

    double 

    double 

    double 

    double 

Temperature at reference state 

Pressure at reference state 

Enthalpy at reference state 

Entropy at reference state 

Temperature at working condition 

Pressure at working condition 

Specific enthalpy at working condition 

Component2 

Cp2No 

Direction2 

Innerstream 

Exergystream 

Costcheck 

 

  char[] 

  int 

  int 

  Boolean 

  Boolean 

  Boolean 

 

Another component associated with this stream 

Component No. 

Stream direction that entering or exiting component 

The stream inside the system or from outside 

The stream which is an exergy or energy stream 

Cost rate of energy stream provided by system or at which 

external resources are purchased from outside 

Page 45: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

31  

4.1.2.2Setofcomponents

Another essential factor for this calculation is the data structure of components’ set. 

Sub‐items in the structure are shown in Table 4.2.   

 

Table 4.2 Structure of components’ set 

Subitem Datatype Comments

ComponentNo  int  Component’s serial number 

ComponentType  char[]  Component’s name 

Compressor  structure  Data  structure  for  defining  compressors,  fans,  and 

pumps 

Turbine  structure  Data structure for defining turbines 

Combustion_Chamber  structure  Data structure for defining a combustion chamber 

Heater  structure  Data  structure  for  defining  heaters,  reheaters, 

economizers,    condensers and preheaters 

Steam_Generator  structure  Data structure for defining steam generator 

Mixer  structure  Data structure for defining mixers and ejectors 

Deaerator 

Evaporator 

Splitter 

Gasifier 

Throttling_valve 

structure 

structure 

structure 

structure 

structure 

Data structure for defining deaerators 

Data structure for defining evaporators 

Data structure for defining separators and splitters 

Data structure for defining gasifier 

Data structure for defining throttling valve 

 

The  intention of  the sub‐item ComponentNo  is similar as StreamNo  in section 

4.1.2.1;  it  can  distinguish  diverse  components  from  each  other.  The  following 

sub‐item ComponentType declares what kind of component  it  is, and depending on 

ComponentType properties associated with the component will be recorded  in one 

of  the  component  structure  from  Table  4.2.  Each  component  structure  can  be 

considered  as  a  mathematic  model  included  data  and  operations  reflected  the 

characteristics of a real facility or an abstract subsystem depending on different levels 

of  integration  division.  The  division  of  integration  is  artificial  according  to  the 

purpose of research or probability for convenience. For now, this structure consists of 

common  plant  components; more  components’ model  can  be  flexibly  and  lightly 

Page 46: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

32  

appended in future work with a similar definition. 

4.1.2.3Generalformofthecomponentdatastructure

A  complex  conversion  power  plant  is  composed  of many  various  components,  for 

instance, compressors, gas turbine, steam turbines, etc. As that is presented in Table 

4.2,  each  different  component  has  always  its  specific  definition  within  its  data 

structure. But meanwhile, the sub‐items of these components’ structure also have a 

lot in common. As a result, a general form is extracted in Table 4.3. The comments of 

sub‐items  are  shown  in  Table  4.3  as  well.  Some  of  the  sub‐items  represent  the 

thermal  properties  (i.e.,  T_inlet,  P_inlet,  h_outlet  and  s_outlet  etc.)  and 

exegoeconomic parameters (i.e., c_inlet, c_outlet and cph_inlet etc.) associated with 

incoming  streams  and  outgoing  streams  of  a  component,  and  some  are  the 

component characteristics  (i.e., Ep, Ef,  ε, cf and Cd etc.) evaluated by exergy‐based 

method. Specific component structure differs in that evaluation method (i.e., SPECO 

approach discussed in section 4.4) of exergy rates and cost rates associated with fuel 

and product is particular. 

The  application  of  the  first  sixteen  sub‐items  in  component  structure  is 

demonstrated with the aid of Figure 4.2. It should be noticed that in real components 

not  all  of  the  stream  situations  shown  in  Figure  4.2  exist  simultaneously,  and  the 

amount  of  streams  with  the  same  condition  also  can  be more  or  less  than  the 

general  case.  Generally,  the  component  model  construction  for  the  process 

simulation  software  is  critical  because  the  dependent  variables  of  streams  in  a 

process  simulation  are  always  under  some  constraint  conditions  (energy  balance, 

mass balance, cost balance etc.) which are stated at component level. Whereas there 

are at  least two streams corresponded with a component, which stream connected 

with which component should be confirmed  in a component model. And still when 

the  component  contains  lots  of  streams,  as  the  schematic  in  Figure  4.2,  different 

streams should be marked  in accord with the purpose of the component  (e.g.,  fuel 

Page 47: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

33  

stream, oxidizer stream, energy stream, hot stream or cold stream etc.).   

 

 

 

 

Figure 4.2 Schematic of a component in a thermal system 

 

To solve this problem, popular process simulation software all uses the graphical 

representation for real component model, shown in Figure 4.3, in which the working 

fluid of  streams at  component  inlet and outlet are already defined and  cannot be 

changed by users. These definitions can be directly used in the component structures 

which are built in this program when the input data are taken from Ebsilon. But when 

the  input  data  are  by manual  operation,  the  streams  can  be  distinguished  by  the 

sub‐item  Workingfluid  or  an  assemblage  of  sub‐items  Workingfluid,  T,  P  and 

StreamMass  in  Table  4.3  expect  for  a  special  case  seldom  encountered  in  heat 

exchanger in practical applications. The latter is illustrated by streams 11, 12, 25 and 

26 in Figure 4.2. If the incoming streams are 11 for the hot stream and 25 for the cold 

stream, when the outgoing streams 12 and 26 have identical material flows and mass 

flow rates, these two streams cannot be differentiated automatically by the program 

that which  one  belongs  to  the  hot  stream  and which  stream  belongs  to  the  cold 

stream. Consequently,  the  streams’  serial number 12, 26 will be artificially used  to 

Page 48: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

34  

identify these two streams according to the rule which is the serial number of exiting 

stream  equals  the  serial  number  of  entering  stream  plus  one.  This  should  be 

observed carefully when the users start an analysis with this program and all  initial 

data  for  exergoeconomic  analysis  are  inputted  by  themselves.  Time  permitting,  a 

graphical  interface of the component model  in this program also can be realized  in 

future work. 

Figure 4.3 Component models in other process simulation software 

Page 49: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

35  

Table 4.3 General form of component data structure 

Subitem Datatype Comments Subitem Datatype Comments

InletStreamNo  int  Incoming stream’s serial number    OutletStreamPhEx  double  Physical exergy of outgoing stream 

OutletStreamNo      int  Outgoing stream’s serial number  InletStreamChEx    double  Chemical exergy of incoming stream 

InletStreamMass  double  Mass rate of inlet stream  OutletStreamChEx    double  Chemical exergy of outgoing stream 

OutletStreamMass  double  Mass rate of outlet stream  c_inlet    double  Specific cost of incoming stream 

InletPhStreamNo  int  Incoming physical exergy stream’s serial number  c_outlet    double  Specific cost of outgoing stream 

InletChStreamNo  int  Incoming chemical exergy stream’s serial number  cph_inlet    double  Specific physical cost of incoming stream 

OutletPhStreamNo  int  Outgoing physical exergy stream’s serial number  cch_inlet    double  Specific chemical cost of incoming stream 

OutletChStreamNo  int  Outgoing chemical exergy stream’s serial number  cph_outlet    double  Specific physical cost of outgoing stream 

InletWorkingfluid      char[]  Incoming material flow  cch_outlet    double  Specific chemical cost of outgoing stream 

OutletWorkingfluid      char[]  Outgoing material flow  Q    double 

The definitions of Q, W, Ep, Ef , ε, Sgen, Ed, y, y*, Cd, 

cf, cp, r and f can be found  in Chapter 3, Section 3.2 

and Section 3.3 

EnStreamNo      int  Energy stream’s serial number  W    double 

EnStreamNewNo 

T_inlet 

T_outlet 

P_inlet 

P_outlet 

h_inlet 

h_outlet 

    int 

    double 

    double 

    double 

    double 

    double 

    double 

Energy stream’s number for cost analysis separated 

Temperature at inlet 

Temperature at oulet 

Pressure at inlet 

Pressure at outlet 

Specific enthalpy of incoming stream 

Specific enthalpy of outgoing stream 

Ep 

Ef 

ε 

Sgen 

Ed 

y* 

  double 

  double 

  double 

  double 

  double 

  double 

  double 

s_inlet      double  Specific entropy of incoming stream  Cd    double 

s_outlet      double  Specific entropy of outgoing stream  Cf    double 

InletStreamEx      double  Exergy of incoming stream  Cp    double 

OutletStreamEx      double  Exergy of outgoing stream  R    double 

InletStreamPhEx      double  Physical exergy of incoming stream  F    double 

Page 50: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

36  

4.2Thermodynamicpropertiescalculation

In  this  thesis,  the  arguments  of  thermodynamic  properties  for  a material  stream 

except water and steam are T (temperature) and p (pressure). For water and water 

steam, p and T, T and x (dryness) or p and x are chosen for different regions, and the 

functions of p, s; p, h; T, s; x, s can be chosen as well. 

4.2.1 IAPWS‐IF97 for thermodynamic properties calculation of

waterandsteam

The working fluid water and water steam is widely used in energy conversion plants. 

The  thermodynamic  properties  calculation  methods  for  water  and  steam  are 

maturely developed. The methodology that the IAPWS (The International Association 

for  the  Properties  of  Water  and  Steam)  release  on  IF97  (the  IAPWS  Industrial 

Formulation 1997) is generally recognized in industrial and scientific fields. 

        The  IAPWS‐IF97  consists of a  set of equations  for different  regions  that  cover 

the following range of validity: 

273.15 K≤T≤1073.15K, p≤100 MPa 

1073.15 K < T≤2273.15K, p≤10 MPa . 

Figure  4.4  shows  the  five  regions  into  which  the  entire  range  of  validity  of 

IAPWS‐IF97 is divided. 

 

Figure 4.4 Regions and equations of IAPWS‐IF97 

 

Page 51: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

37  

The boundaries of the regions can be directly taken from Fig. 4.4 except for the 

boundary  between  regions  2  and  3;  this  boundary  is  defined  by  the  so‐called 

B23‐equation.  Both  regions  1  and  2  are  individually  covered  by  a  fundamental 

equation  for  the  specific  Gibbs  free  energy  g(p,T),  region  3  by  a  fundamental 

equation for the specific Helmholtz free energy f(ρ,T), where ρ is the density, and the 

saturation  curve  by  a  saturation‐pressure  equation  ps(T).  The  high‐temperature 

region  5  is  also  covered  by  a  g(p,T)  equation.  These  five  equations,  shown  in 

rectangular boxes  in  Fig. 4.4,  form  the  so‐called basic equations  (IAPWS, 1997).  In 

addition to the basic equations, for regions 1, 2, and 4 so‐called backward equations 

are provided  in form of T(p,h) and T(p,s) for regions 1 and 2, and Ts(p) for region 4. 

These backward equations are numerically consistent with  the corresponding basic 

equations and make  the calculation of properties as  functions of p,h and of p,s  for 

regions 1 and 2, and of p for region 4 extremely fast. In this way, properties such as 

T(p,h), h(p,s), and h’(p) can be  calculated without any  iteration  from  the backward 

equation  alone  or  by  combination with  the  corresponding  basic  equation.  But  for 

Region 3, the basic equation is f(ρ,T), while f(p,T) is more convenient for this program. 

This  function  of  p,T  only  can  be  established  by  iterations  before  supplementary 

released on backward equations for a specific volume as a function of pressure and 

temperature v(p,T) for Region 3 in 2005. 

 

Table 4.4 Basic equations and backward equations from IAPWS 

Document Region1 Region2 Region3 Boudary23 Region4 Region5

IF97  g(p,T)  g(p,T)  f(ρ,T)  p(T)  ps(T)  g(p,T) 

  T(p,h)  T(p,h)    T(p)  Ts(p)   

  T(p,s)  T(p,s)         

IF97‐S01  p(h,s)  p(h,s)         

IF97‐S03rev      T(p,h)       

      v(p,h)       

      T(p,s)       

      v(p,s)       

IF97‐S04      p(h,s)    Ts(h,s)   

IF97‐S05      v(p,T)       

 

Page 52: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

38  

        From  2001  to  2005,  IAPWS  released  four  supplementary  for  IAPWS‐IF97 

included several backward equations for region 1, 2, 3 and 4, shown in Table 4.4. The 

details and  concrete expression of  these equations will not be discussed here and 

can be  found  in  references  (IAPWS, 2001, 2003, 2004, 2005).  If  the quality of wet 

steam is known, thermodynamic properties of wet steam can be calculated based on 

the equations from Region 4 as well. Region 5 of IAPWS‐IF97 is not the frequent area 

for water and steam  in energy conversion plants. But  the calculation of  region 5  is 

still involved in this program with iteration. 

The  specific gas  constant of ordinary water used  for  this  formulation  and  the 

values of the critical parameters are: 

R =0.461526  kJ/kg ∙ K                                                                                            (4.1) 

Tc= 647.096  K (4.2) 

pc=22.064  MPa (4.3) 

ρc=322 kg/m                                                                                                     (4.4) 

 

Table 4.5 Comparisons between calculated results and international steam tables 

LocationP

[bar]

T

[℃]

Internationalsteamtables Resultsofthisprogram

h[kJ/kg] s[kJ/kg·K] h[kJ/kg] s[kJ/kg·K]

Region 1  10  25  105.761  0.36700  105.761282  0.366999 

  290  110  482.524  1.3953  482.523632  1.395257 

  800  260  1147.67  2.7368  1147.665905  2.736847 

Region 2  0.01  10  2519.41  8.9953  2519.405022  8.995251 

  200  400  2816.84  5.5525  2816.836198  5.552468 

  900  750  3573.51  5.9470  3573.507647  5.947036 

Region 3  240  370  1802.54  3.9649  1802.540109  3.964866 

  700  450  2123.43  4.3080  2123.425402  4.307995 

  1000  580  2759.87  5.0361  2759.866893  5.036122 

Region 4  1  99.6059  2674.95 

417.436 

7.3588 

1.3026 

2674.949651 

417.436506 

7.358807 

1.302560 

  80  295.009  2758.61 

1317.08 

5.7448 

3.0277 

2758.611082 

1317.079790 

5.744849 

3.207651 

  210.43  370  2333.50 

1892.64 

4.7996 

4.1142 

2333.501248 

1892.643277 

4.799621 

4.114155 

Region 5  0.1  875  4338.32  10.791  4338.317352  10.791143 

  20  1425  5746.66  9.3440  5746.648534  9.343976 

  100  1850  6936.72  9.2246  6936.888538  9.224653 

Page 53: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

39  

The  calculation  results  of  some  randomly  selected  p,T  compared  with 

international steam tables (Wagner W., Kretzschmar H.‐J., 2008) are shown  in Table 

4.5. The data  in region 1, 2, 3 and 4 are exactly the same with  international steam 

table, while  in  region 5  there are minuscule errors but without  impact  to practical 

application, thus it can be neglected. 

4.2.2 Thermodynamic properties calculation of some selected

substances

To  calculate  the  thermodynamic properties of  selected  substances as working  fluids 

for energy conversion plants, an ideal gas model for many real gases is used to create a 

gas  database  in  the  program.  The  values  given  in  Table  4.6  and  4.7  can  be  used 

together with the equations (4.5) to (4.9) with  y /1000  . 

, 4.5  

, 102 3

4.6  

, ln2 2

4.7  

, , , 4.8  

, , 4.9  

These four functions are valid for the temperature  limit Tref<T<Tmax at pref= 1.0 bar. 

The constants a,b,c and d are shown in Table 4.7 for various substances and  =8.314 

[kJ/kmol·K] is the universal gas constant  (Bejan A., Tsatsaronis G., Moran M. 1996). 

Then the thermodynamic properties of mixture real gases such as combustion gases, 

flue gases can be calculated through function (4.10) and (4.11). 

4.10  

4.11  

The  terms    and    should  be  calculated  using  Eq.  (4.6),  (4.7)  and  (4.9),  and   

Page 54: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

40  

represents the mole fraction of the gas composition. 

 

Table 4.6 Properties of selected working fluids at Tref=298.15K and pref=1.0 bar 

Working 

fluid* M 

[kg/kmol] p,ref

[kJ/kmol] ref 

[kJ/kmol] ref 

[kJ/kmol·K]gref 

[kJ/kmol]C(s)  12.01  8.53  0  5.740  ‐1711 

S(s)  32.06  22.77  0  32.058  ‐9558 

N2  28.01  29.49  0  191.610  ‐57128 

O2  32.00  28.92  0  205.146  ‐61164 

H2  2.02  29.13  0  130.679  ‐38961 

CO  28.01  28.54  ‐110528  197.648  ‐169457 

CO2  44.01  35.91  ‐393521  213.794  ‐457264 

H2O  18.02  31.96  ‐241856  188.824  ‐298153 

H2O(l)  18.02  75.79  ‐285829  69.948  ‐306685 

CH4  16.04  35.05  ‐74872  186.251  ‐130403 

SO2  64.06  39.59  ‐296833  248.094  ‐370803 

H2S  34.08  33.06  ‐20501  205.757  ‐81847 

NH3  17.03  35.59  ‐46111  192.451  ‐103491 

*) Substance is in the gas phase unless denoted as liquid (l) 

 

Table 4.7 Constants for Eqs. (4.5) through (4.8) 

and T0<T≤Tmaxforselectedsubstance 

Working 

fluid* H+  +            Tmax[K] 

C(s)  ‐2.101  ‐6.540  0.109  38.940  ‐0.146  ‐17.385  1100 

S(s)  ‐5.242  ‐59.014  14.795  24.075  0.071  0.000  368 

N2  ‐7.069  51.539  24.229  10.521  0.180  ‐2.315  3000 

O2  ‐9.589  36.116  29.154  6.477  ‐0.184  ‐1.017  3000 

H2  ‐7.823  ‐22.966  26.882  3.586  0.105  0.000  3000 

CO  ‐120.809  18.937  30.962  2.439  ‐0.280  0.000  3000 

CO2  ‐413.886  ‐87.078  51.128  4.368  ‐1.469  0.000  3000 

H2O  ‐253.871  ‐11.750  34.376  7.841  ‐0.423  0.000  3000 

H2O(l)  ‐289.932  ‐67.147  20.355  109.198  2.033  0.000  500 

CH4  ‐81.242  96.731  11.933  77.647  0.142  ‐18.414  2000 

SO2  ‐315.422  ‐43.725  49.936  4.766  ‐1.046  0.000  2000 

H2S  ‐32.887  1.142  34.911  10.686  ‐0.448  0.000  2000 

NH3  ‐60.244  ‐29.402  37.321  18.661  ‐0.649  0.000  450 

*) Substance is in the gas phase unless denoted as liquid (l) 

In  addition  to  the  selected  substances  included  in  Table  4.7,  there  are  some 

Page 55: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

41  

other common working fluid for energy conversion systems such as He (Helium) and 

Ar  (Argon) which are  the  important  compositions of air, or  coal and  coal ash. The 

enthalpy and entropy of Helium and Argon at temperature T and pressure p can be 

calculated with Eq. (4.12) and (4.13) when Helium and Argon are seen as ideal gases, 

with constant heat capacities. 

4.12  

4.13  

The  term  5.19 kJ/kg ∙ K   and  0.52 kJ/kg ∙ K   can  be  found 

in  chemical  handbook  (David  R.  Lide,  2003).  For  coal  and  coal  ash,  the  thermal 

properties calculation will be discussed below simultaneously with the discussion of 

the chemical exergy in Section 4.3.2. 

4.3Exergeticanalysis

4.3.1Referencestate

Exergy  is a measure of the deviation of the state of the system  from the state of a 

thermodynamic environment (Moran M.J.,Shapiro H.N.,1992; Bejan A., Tsatsaronis G., 

Moran M. 1996). The thermodynamic environment (reference state) in exergy‐based 

analysis is a large thermodynamic system in equilibrium in which the state variables 

(T0, p0)  and  the  chemical  potential  of  the  chemical  components  contained  in  it 

remain constant. Since our natural environment is not in equilibrium, there is a need 

to model an exergy‐reference environment (e.g., Tsatsaronis G., Cziesla F, 2002, 2004; 

Tsatsaronis G, 2007; Kotas T.J, 1995; Ahrends J, 1980; Szargut J. et al, 1988). Thus, the 

thermodynamic environment model  should be  as  close  as possible  to  the physical 

environment but is not identical with this. The temperature T0and pressure p0 of the 

reference environment are often taken as standard state values, such as T0=298.15

K and p0 = 1.013 bar.  However,  these  properties  may  be  specified  differently 

depending  on  the  application  as  the  actual  or  average  ambient  temperature  and 

pressure,  respectively,  for  the  time  and  location  at  which  the  system  under 

Page 56: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

42  

consideration  operates  or  is  designed  to  operate.  And  although  the  intensive 

properties  of  the  environment  are  assumed  to  remain  constant,  the  extensive 

properties  can  change as a  result of  interactions with other  systems. Therefore,  in 

this program, the values of the state variables (T0,p0) can be defined by users at the 

beginning of the exergoeconomic analysis for the entire energy conversion system or 

be changed for some material streams considered as from other systems among the 

analysis as the occasion demands. 

4.3.2Physicalandchemicalexergy

The total exergy of a system consists of nuclear, magnetic, electrical, surface tension 

effects,  physical,  chemical,  kinetic  and  potential  exergy  (Moran  M.J.,Shapiro 

H.N.,1992;  Bejan  A.,  Tsatsaronis  G.,  Moran  M.  1996).  For  many  engineering 

applications, only the changes in physical and chemical exergy are considered.   

For  a  given mass  flow  rate,  ,  the  physical  exergy  associated with  the  i  –th 

material stream,  , can be expressed as Eq. (4.14) 

 

∙ 4.14  

 

where  the  specific  enthalpy  ,    and  specific  entropy  ,    at  the  reference 

state (T0,p0) and the given temperature and pressure (T,p) can be calculated using 

the equations  in Section 4.2. The physical exergy of a working  fluid can be  further 

split  into  its  thermal  exergy  ( ) which  is  due  to  its  temperature  and mechanical 

exergy ( ) which is due to its pressure. For any real fluids at any states, the physical 

exergy of a point X defined at  the given pressure p and  the  temperature T0 of  the 

environment is (Morosuk T., Tsatsaronis G, 2005): 

4.15  

, , 4.16  

, , , , 4.17  

Page 57: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

43  

This  splitting may  improve  some  results obtained  from exergy‐based analysis  (e.g., 

for the refrigeration system), but for now it is not included in this program and can be 

involved in the future research. 

Table 4.8 Standard molar chemical exergy    for selected substances at 

Tref=298.15 K(pref=1.019 atmfor ModelⅠandpref=1.0 atmfor ModelⅡ) (Bejan A., 

Tsatsaronis G., Moran M. 1996) 

Substance  Formula*)  [kJ/kmol]ModelⅠ 

 

ModelⅡ 

Nitrogen  N2(g)  639  720 

3970 

19870 

9500 

900 

410260 

236100 

609600 

275100 

313400 

88900 

55600 

‐ 

812000 

337900 

233700 

331300 

‐ 

831650 

1 265800 

1 361100 

1 495840 

2 003900 

2 154000 

2 805800 

3 463300 

3 303600 

5 413100 

722300 

718000 

1 363900 

1 375700 

Oxygen  O2(g)  3951 

Carbon dioxide  CO2(g)  14176 

Water  H2O(g)  8636 

Water  H2O(l)  45 

Carbon(graphite)  C(s)  404589 

Hydrogen  H2(g)  235249 

Sulfur  S(g)  598158 

Carbon monoxide  CO2(g)  269412 

Sulfur dioxide  SO2(g)  301939 

Nitrogen monoxide  NO(g)  88851 

Nitrogen dioxide  NO2(g)  55585 

Hydrogen peroxide  H2O2(g)  133587 

Hydrogen sulfide  H2S(g)  799890 

Ammonia  NH3(g)  336684 

Oxygen  O(g)  231968 

Hydrogen  H(g)  320822 

Nitrogen  N(g)  453821 

Methane  CH4(g)  824348 

Acetylene  C2H2(g)  ‐ 

Ethylene  C2H4(g)  ‐ 

Ethane  C2H6(g)  1 482033 

Propylene  C3H6(g)  ‐ 

Propane  C3H8(g)  ‐ 

n‐Butane  C4H10(g)  ‐ 

n‐Pentane  C5H12(g)  ‐ 

Benzene  C6H6(g)  ‐ 

Octane  C8H18(g)  ‐ 

Methanol  CH3OH(g)  715069 

Methanol  CH3OH(l)  710747 

Ethyl alcohol  C2H5OH(g)  1 348328 

Ethyl alcohol  C2H5OH(l)  1 342086 

The  chemical  exergy  of  an  ideal  gas  l  having  the  mole  fraction   in  the 

Page 58: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

44  

thermodynamic environmental gas phase is: 

4.18  

Then the chemical exergy of an ideal mixture of N ideal gases can be formulated as: 

4.19  

Here    is the mole fraction of the substance l in the mixture gases working fluid at 

temperature T0. 

For  calculating  the  chemical  exergy  the  chemical  composition  of  the 

environment  has  to  be  specified.  Two  alternative  standard  exergy  reference 

environments have gained acceptance for engineering evaluations that are ModelⅠ

andModelⅡ inTable4.8(Bejan A., Tsatsaronis G., Moran M. 1996). The tabulated 

standard chemical exergy values for substances contained in the environment model 

at standard conditions  (Tref,pref)  facilitate  the calculation of chemical exergy values 

for a working fluid. The effect of small variations in the values of T0 and p0 (reference 

environment by custom definition) on  the chemical exergy of  reference substances 

might  be  neglected  in  practical  applications.  This  program  uses ModelⅠ as  the 

default value of standard chemical exergy, and ModelⅡ also can be called with a few 

adjustments. 

The  standard  chemical exergy of  a  substance not present  in  the environment 

can be  calculated by  considering a  reversible  reaction of  the  substance with other 

substances  for which  the  values  of  standard  chemical  exergy  are  known(Bejan A., 

Tsatsaronis G., Moran M. 1996). The general  form of  this standard chemical exergy 

can be formulated as: 

∆ 4.20  

The  subscript    denotes  the  products  and    denotes  the  reactants  of  the 

reversible  reaction,  where  the  standard  chemical  exergies  for  the  products  and 

reactants are assumed to be known. And  ∆   is the change in Gibbs function of the 

reaction,  regarding each  substance as  separate at T0 and p0. This equation  can be 

Page 59: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

45  

written alternatively as: 

4.21  

In  the  above  equations,  the  subscript    represents  the  fuel.  The  terms    and   

are specific enthalpy and specific entropy  that can be obtained by  the  functions  in 

Section 4.2.2.  If  the  temperature and pressure  respectively equal  to T0 and p0,  the 

term  in  curly brackets on  the  right  side of  Eq.  (4.21)  corresponds  to  the  standard 

heating  value:  the  higher  heating  value  ( ) when water  exits  the  system  as  a 

liquid; and the lower heating value ( ) when water exits the system as vapor. 

For  energy  conversion  processes,  calculation  of  the  exergy  of  fossil  fuels  is 

particularly  important.  ModelⅠ and  ModelⅡ  already  contain  some  pure 

hydrocarbon fuels which can be directly used for the exergy calculation. But for coal, 

the model of the reversible reactor should be used. At assumption that 1 kg of DAF 

(dry and ash  free) coal entering  the control volume,  the chemical equation  for  the 

reaction is described by: 

⟶ 4.22  

where c,h,o,n,s denote the number of atoms of carbon, oxygen, hydrogen, nitrogen 

and sulfur in kmol/kg DAF, and    [kmol/kgDAF]are the stoichiometric coefficients. 

,2 , ,

2 ,

4 2 

Thus the counterpart of Eq. (4.21) can be rewritten as: 

,

,

4.23  

Ignoring  the  slight difference between  (T0,p0) and  (Tref,pref),  the  standard  specific 

entropy    can be found in Table 4.6 and the standard chemical exergy    is given 

in Table 4.8. To complete the calculation of Eq. (4.23), values of    (the higher 

Page 60: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

46  

heating  value  of  the  dry  and  ash  free  coal)  and  the  absolute  entropy    are 

required.  In  the absence of a measured value,    [MJ/kg] can be estimated 

by following equation (Eiserman W, Johnson P, Conger WI, 1980): 

152.9 98.7673 8

4.24  

And the estimating of absolute entropy  [kJ/kg ∙ K] is: 

37.1653 31.4767 exp 0.564682 20.1145

54.3111 44.6712 4.25  

The  terms  c, h, o, n, s  have  identical meaning with  that  in  the  chemical  equation 

(4.22). 

The specific chemical exergy of coal in [MJ/kg]can be estimated as: 

% ∙%

∙ % ∙ 4.26  

Through  the  estimated  value  of    and  the  expression  of  the  first  curly 

bracket in Eq. (4.21), the absolute enthalpy hDAF[kJ/kg]can be written as: 

4.27  

And then the enthalpy and entropy of coal at the state (T0,p0) has similar formation 

with chemical exergy like the following equations: 

% ∙%

∙ % ∙ 4.28  

% ∙%

∙ % ∙ 4.29  

The thermodynamic properties calculation of coal ash in solid form uses the Eq. (4.12) 

and  (4.13),  but  the  specific  heat  will  not  remain  constants  instead  it  should  be 

calculated as (Eiserman W, Johnson P, Conger WI, 1980): 

0.594 5.86 10 4.30  

The  term    in  Eq.  (4.12)  is  equal  to  ‐940.9  MJ/kmol  for  coal  ash  and    in 

Eq.(4.13)  is  equal  to 54.0kJ/kmol ∙ K. An  average molecular weight of  ash  is 76.0 

kg/kmol. Alien from enthalpy and entropy, the chemical exergy more correlate with 

Page 61: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

47  

the ash composition. The standard chemical exergies of CaO, K2O, P2O5, MgO, SO3, 

and Na2O are very large compared with that of SiO2, Al2O3, Fe2O3, and TiO2. It implies 

that    is  sensitive  to  the  total concentration of CaO, K2O, P2O5, MgO, SO3, and 

Na2O  in ash (TCO) (Song G, Shen L, Xiao J, et al, 2013). A correlation between   

[kJ/kg] and TCO [wt%]is: 

29.3761 30.67 4.31  

When an average composition was concerned, the value of    is 456.036kJ/kg. 

4.4SPECOapproachforexergoeconomicanalysis

The SPECO  (Specific Exergy Costing) method presents a general,  systematic,  simple 

and  unambiguous  approach  for  developing  the  exergetic  efficiencies  of  a  thermal 

system  and  its  components  (Lazzaretto  A,  Tsatsaronis  G,  2006).  Compared  with 

previous  exergy‐based  approaches  included  the  EEA  (Exergy  Economics  Approach) 

(Gaggioli  R  A,  1980,  1983),  FEA  (First  Exergoeconomic  Approach)  (Tsatsaronis  G, 

Winhold M, 1984, 1985, 1986), ECT  (Exergetic Cost Theory)  (Valero A, et al, 1986), 

TFA  (Thermoeconomic  Functional  Analysis)  (Frangopoulos  CA,  1987),  EFA 

(Engineering Functional Analysis) (Von Spakovsky MR, 1990), LIFOA (Last‐In‐First‐Out 

Approach)  (Tsatsaronis  G,  Lin  L,  1993;  Lazzaretto  A,  Andreatta  R,  1995)  and  SAA 

(Structural  Analysis  Approach)  (Valero  A,  et  al,  1992),  it  is  chosen  to  realize  an 

exergoeconmic analysis using computer programming for three major reasons. First, 

the productive structure derived  from  the application of TFA and EFA which  is also 

applied in SPECO can be helpful in understanding the fuel and product definitions of 

components,  facilitates modeling  the real components and  reflects  the  interactions 

of  exergy  exchanges  among  components;  Second,  The  SPECO  method  provides 

general criteria for developing auxiliary costing equations associated with any system, 

especially when the exergoeconomic analysis are considered with chemical, physical, 

thermal and mechanical exergy separately; Third, a general matrix  is formulated for 

the SPECO approach  that extends  the application of  the ECT matrix  formulation  to 

calculation  of  average  costs.  The  matrix  formulation  for  the  system  of  linear 

Page 62: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

48  

equations  was  presented  in  conjunction  with  ECT,  SAA  and  LIFOA,  this  type  of 

expressions are the most convenient formation for computer programming. 

4.4.1Identificationofexergystreams

Using  the SPECO method  for exergoeconomic analysis,  initially, a decision must be 

made with respect to whether the analysis of the components should be conducted 

using  total exergy or  separate  forms of  the  total exergy of a material  stream  (e.g., 

thermal,  mechanical  and  chemical  exergies)  (Lazzaretto  A,  Tsatsaronis  G,  2006). 

Consequently, all exergy streams associated with the incoming and outgoing material 

and  energy  streams  are  identified  after  the  decision  is  alternatively made  by  the 

users  of  this  program  at  the  beginning  of  the  analysis.  In  the  first  edition,  the 

separate  form of  total exergy  involves physical and chemical exergies;  thermal and 

mechanical exergies are not included yet. 

4.4.2Definitionoffuelexergyandproductexergy

After  all  streams  in  an  energy  conversion  system  are  identified,  a  further 

determination  should  be  made  which  is  the  definition  of  fuel  and  product  of 

components. In general, different thermoeconomic analysis methods apply different 

definitions;  but  for  a  given  definition  of  fuel  and  product,  diverse  approaches 

mentioned above lead to similar results. In SPECO method, the product is defined to 

be  the  sum  of  all  the  exergy  values  to  be  considered  at  the  outlet  (including  the 

exergy of energy streams generated  in the component) plus all the exergy  increases 

between inlet and outlet (i.e., the exergy additions to the respective material streams) 

that are in accord with the purpose of the component. And the fuel is equal to all the 

exergy values  to be considered at the  inlet  (including  the exergy of energy streams 

supplied  to  the component) plus all  the exergy decreases between  inlet and outlet 

(i.e., the exergy removals from the respective material streams) minus all the exergy 

increases between  inlet and outlet  that are not  in accord with  the purpose of  the 

component.  More  detailed  explanations  refer  to  the  literature  (Lazzaretto  A, 

Page 63: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

49  

Tsatsaronis G, 2006). To make it clear, the definition of fuel and product in the SPECO 

method applied to the component is illustrated here with Fig.4.5 and 4.6 which cover 

all situations that might be encountered. 

 

 

 

01112 EE

02526 EE

012 EE

 

Figure 4.5 Schematic of a component to define fuel and product (Lazzaretto A, 

Tsatsaronis G, 2006) 

 

According to the aforementioned definition of fuel, when the chemical composition 

of  a  stream  doesn’t  change,  the  fuel  should  contain    (the  exergy  of  energy 

streams  supplied  to  the  component),  ,    (the  exergy  decreases 

between  inlet and outlet) and  ,   due  to  the purpose of owning and operating 

the component; the product involves    (the exergy of energy streams generated in 

the  component),    (the  exergy  increases  between  inlet  and  outlet 

consistent  with  the  purpose  of  the  component)  and    at  the  outlet  of  the 

component. Thus, the fuel ( ) and product ( ) for this component are: 

4.32  

4.33  

Otherwise, if the composition of a stream changes because of mixing, separation or 

chemical  reaction  and differences  in  the exergy  streams need  to be  considered  in 

accord with the purpose of the component, the productive structure  in Fig. 4.6 can 

facilitate  the  understanding  of  fuel  and  product  definitions  better.  In  this  case, 

Page 64: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

50  

generally, when  the analysis  is  conducted using only  total exergies, a difference  in 

total  exergy  values  between  inlet  and  outlet  of  the  considered  material  stream 

should be used unless the chemical exergy represents the main exergy  form of this 

material  stream  and  the  purpose  of  the  component  dictates  that  the  chemical 

exergies  at  the  inlet  and  outlet  should  be  considered  separately  at  the  fuel  and 

product sides. As an example, if only total exergy are used, when    is considered as 

a fuel stream of an combustion chamber,    is considered as an oxidizer stream and 

  is  considered  as  an  combustion  gases  at  the outlet,  the  fuel  can be expressed 

using    and  the  product  is    since  the main  exergy  form  in 

stream 5 is the chemical exergy whereas in stream 9 and 8 is the physical exergy. 

 

01112 EE

02526 EE

021 aa EE

0985 aaa EEE

0859 bbb EEE

)( 988cc eem

)( 595cc eem

021 bb EE

 

Figure 4.6 The productive structure for the component shown in Fig. 4.5 (Lazzaretto 

A, Tsatsaronis G, 2006) 

 

But if the exergy is divided into different forms when the researchers need more 

accurate  result  particularly  there  is  an  exothermal  chemical  reaction  occurs  in  a 

energy conversion plant, as for streams 5a, 5b and 5c shown in Fig 4.6, the definition 

of fuel and product becomes more complex. In Fig 4.6, two material streams 5 and 8 

enter  the  component  and  exit  as  stream  9  ( )  after mixing with  or 

Page 65: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

51  

without chemical reaction. For form a in Fig. 4.6,    and    (the specific exergy of 

stream 5 and stream 8 of the exergy form a) both decrease between inlet and outlet, 

the exergy decrease can be written as    and evidently be part of  the 

fuel.  For  the  exergy  form  b,    and    both  increase  and  the  total  increase  is 

  which belongs  to  the product. However,  for  the exergy  form  c,  the 

specific  exergy  increases  for  stream  5  and  decreases  for  stream  8.  In  this  case, 

according to the fuel definition, a specific exergy decrease is always interpreted as a 

fuel,  but  a  specific  exergy  increase  should  be  distinguished  by  two  subcases 

depending on whether the increase is consistent with the purpose of the component 

or not. In the first subcase, the specific exergy increase is incidental to the purpose of 

the component  (e.g.,  the  increase  in specific chemical exergy  for  the air mass  flow 

rate  between  inlet  and  outlet  of  a  combustion  chamber).  The  total  difference 

between  inlet  and  outlet  should  be    or  ∆

.  This  difference  ∆   obviously  is  part  of  the  fuel  of  the  component 

whether the value is negative or positive. It should be noted that  ∆   being positive 

is a practically unknown but theoretically possible event (Lazzaretto A, Tsatsaronis G, 

2006).  In  the  second  subcase,  the  specific  exergy  increase  is  desired  for  the 

component, thus the fictitious auxiliary device in Fig. 4.6 is used to demonstrate the 

separate exergy changes and  seprate costs per exergy unit  for  separate  streams at 

the outlet. An imaginary state 9* is defined as the state in which the streams    and 

  are  not merged.  Then  the  exergy  difference    belongs  to  fuel  and 

  is part of the product. According to these two subcases, the equation 

to define the fuel and product can be summarized respectively as follow: 

Assuming subcase one applied to the exergy form c, the equations are 

4.34  

4.35  

If subcase two applied to the exergy form c, the equations should be 

4.36  

4.37  

Page 66: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

52  

It should be mentioned that in the paper (Lazzaretto A, Tsatsaronis G, 2006) it is 

considered  that  making  a  distinction  between  physical  and  chemical  exergy  in 

components in which the chemical exergy of each stream remains constant does not 

in  any  way  affect  the  results,  while  unnecessarily  increases  the  required 

computational efforts. These components include compressors, pumps, turbines and 

heat exchangers, etc. As a result, only exergy differences between inlet and outlet for 

every material  streams are used  in  the definition of  fuel and product,  just  like  the 

stream 1 and 2 in Fig. 4.5. But in this computer program, the efforts of computation 

are  no  longer  a  problem  that  we  are  concerned  with.  And  if  the  users make  a 

decision to use the separate form of exergy that discussed in section 4.4.1 when the 

analysis  begin,  then  the  separate  form  of  exergy  will  be  used  not  only  in  the 

components  (e.g.,  combustion  chamber,  gasifier)  where  chemical  composition  of 

material streams changes but also  those  (e.g.,  fan, condensor) where  the chemical 

reaction  are  not  occur.  As  an  example,    (the  difference  of  the  separate 

exergy form a between the stream 1 and 2 shown  in Fig. 4.6) belongs to fuel, while 

  which equals  zero and  is not accord with  the purpose of  the  component 

(the difference of the separate exergy form b between the stream 1 and 2) is neither 

part of fuel nor part of product. From the thermodynamic viewpoint maybe  it’s not 

meaningful at component  level, but  it’s necessary  for using the program to analyze 

the entire system. The reason will be discussed below in section 4.4.3. 

4.4.3Costbalance

For the  incoming and outgoing streams of the component, the general  form of the 

cost balance equations is represented as Eq. (3.21) in section 3.2.3. In order to do an 

exergoeconomic  analysis  to  a  complex  system,  the  cost  balances  should  be 

formulated  for each  system  component  separately.  If  there are k  components  in a 

system,  then  there  will  be  k  cost  balance  equations.  Moreover,  for  the  kth 

component, the equations can be written alternatively as: 

, , 4.38  

Page 67: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

53  

, , , , 4.39  

These two equations  in some particular situations cannot be used to calculate 

the  specific  cost  of  the  product  of  the  kth  component.  For  an  instance, within  a 

mixing device as the second sub case for exergy form c in section 4.4.2, it is difficult 

to calculate the specific cost of the product directly through the value of    and  . 

Instead  the  separate  costs  per  exergy  unit  ,   and  ,   of  the  fictitious  auxiliary 

device at the imaginary state 9* are required (see section 3.3 in the paper presented 

by  Lazzaretto  A,  Tsatsaronis  G,  2006).  However,  the  separate  costs  ,   and  ,  

increase  the  number  of  unknowns  for  the  cost  balance  equation  and  cannot  be 

described  in  a  unified  form  with  other  components.  It  is  adverse  for  the matrix 

formulation  and  detrimental  to  computer  programming.  Thus  in  this  thesis,  the 

separate  costs  are  not  needed  and  the  value  of    is  calculated  from  the  cost 

balance with the value of  .   

If the separate forms of exergy (e.g., physical and chemical for this program) are 

used for exergoeconomic analysis, the cost balance equation can be written as: 

, , , , , , , , 4.40  

In previous discussion in section 3.2, for each component, the incoming streams from 

upstream components are assumed to be known, so that the outgoing streams which 

are  unknown  can  be  calculated  through  cost  balance  combined  with  auxiliary 

equations.  The  specific  cost  rates  with  separate  forms  in  the  left  part  of  the 

equations  are  associated with  the  upstream  components  and  can’t  be  calculated 

from the total specific cost  ,   directly. Therefore, regardless of which component 

analyzed with separate forms of exergy streams, once the separate forms are used, 

all  streams of  the whole  system and each  component whether  there are  chemical 

reaction or not must use  the  separate  form of exergy. And  the  specific cost of  the 

exergy streams supplied with a material stream to the overall system from outside as 

known variables inputted into the program need to be separated as well. 

Page 68: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

54  

4.4.4Auxiliaryequations

If  the number of exiting exergy streams  is n, when  the unknown variables  is  larger 

than  one  (n>1),  only  one  equation,  the  cost  balance  is  not  enough  to  solve  the 

problem,  then  n‐1  auxiliary  equations  are  needed.  The  auxiliary  equations  are 

determined with  the aid of  the F and P principles  in SPECO method  (Lazzaretto A, 

Tsatsaronis G, 2006). The F and P principles are derived  from  the  fuel and product 

definitions.   

In simple terms, the F principle means the cost per exergy unit associated with 

the removed exergy of an exergy stream  in a considered component must be equal 

to  the  average  specific  cost  associated  with  the  removed  exergy  from  upstream 

component supplied to the same exergy stream, when the exergy difference of this 

stream between inlet and outlet which is considered as a fuel. 

The P principle refers to each exergy unit  is supplied to all streams that belong 

to the definition of product have the same average cost. 

Applying the F and P principle, auxiliary equations can be obtained from Fig. 4.5. 

From the F principle, the equations are: 

4.41  

4.42  

The P principle leads to the equations as follows: 

4.43  

The number of equations gained from the F principle equals the sum of exiting 

streams that were identified as a fuel. And the number of equations provided by the 

P  principle  is  always  equal  to  the  number  of  exiting  exergy  streams which were 

identified as a product minus one.  In the SPECO method,  it  is considered that each 

exiting exergy stream  is associated either with  the  fuel or with  the product, so  the 

total number of exiting streams  (i.e., number of unknowns) should be equal to the 

number  of  equations  (cost  balance  plus  auxiliary  equation  provided  by  F  and  P 

principle). Nevertheless it should be emphasized that there is a particular case which 

Page 69: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

55  

is also discribed at the end of section 4.4.2. When the separate forms of exergy are 

used for the component without chemical composition change, since the difference 

of exergy between  inlet and outlet    is not  included  in fuel or product, one 

additional auxiliary equation  is needed. Here  in this program,  it  is assumed that the 

cost  per  exergy  unit  associated with  this  stream  remains  constant  (i.e.,  ), 

because  no  exergy  transfer  associated with  the  difference  of  this  exergy  between 

inlet and outlet can be attributed to the purpose of the component. 

Combining the fuel and product definition with the F and P principles applied to 

components,  the  auxiliary  equations  of  each  specific  component  model  are 

determined and saved to the component data structure. In the following, the exergy 

rates and the auxiliary costing equations associated with fuel and product for some 

selected  components  at  steady  state  operation  are  demonstrated.  All  the 

components included in this program can be found in Appendix C. 

1. Heat exchangers 

Q

 

Figure 4.7 Schematic of a heat exchanger 

 

The  fuel  and  product  of  heat  exchangers  are  varied  because  the  purpose  of  heat 

exchangers changes along with  the  temperature of  the exergy  streams at  the  inlet 

and  the  outlet.  For  different  definitions  of  fuel  and  product,  different  auxiliary 

equations are formulated. The schematic of a heat exchanger in Fig. 4.7 can make the 

demonstration easier. When  the  temperature  ( ) of  the hot  stream at  the  inlet  is 

lower  than  the  temperature  ( )  of  the  reference  state,  in  other  words,  the 

temperatures  of  all  the  streams  at  the  inlet  and  outlet  are  below  the  reference 

temperature, the purpose of the heat exchanger is to increase the physical exergy of 

the  hot  stream  between  inlet  and  outlet.  Thus  the  exergetic  efficiency  of  heat 

exchanger and the auxiliary equation can be written as following, while  : 

Page 70: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

56  

4.44  

4.45  

When  the  temperature  ( )  of  the  cold  stream  at  the  inlet  is  higher  than  the 

temperature ( ) of the reference state, i.e. . This means the temperatures of 

all  the  streams  at  the  inlet  and  outlet  are  above  the  reference  temperature.  The 

exergetic efficiency and the auxiliary equation should be: 

4.46  

4.47  

If the temperature ( ) of the incoming cold stream is lower than the reference 

temperature ( ), simultaneously, the temperature of the entering hot stream ( ) is 

higher  than  ,  i.e.   and  ,  there  are  four  subcase  distinguished  by 

the temperature of the exiting hot stream ( ) and the temperature of the outgoing 

cold stream ( ). 

The  first  subcase  is    and  ,  the  purpose  of  the  heat  exchanger 

dictates  that    is  at  the  fuel  side  and    belongs  to  product.  As  a  result  the 

exergetic efficiency and the auxiliary equation from F principle are: 

4.48  

4.49  

The  second  subcase  is    and  ,  no  exergy  difference  between 

inlet and outlet are used,  the purpose of  the heat exchanger dictates  that    and 

  are associated with the fuel and    and    at the outlet are product. Then the 

exergetic efficiency and the auxiliary equation from P principle are: 

4.50  

4.51  

The  third  subcase  is    and  ,  at  this  time  the  heat  exchanger 

should be  treated as a dissipative  component  since  there  is no product here  from 

Page 71: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

57  

thermodynamic viewpoint, and no efficiency are used. 

The fourth subcase is    and  , the purpose of the heat exchanger 

dictates  that    belongs  to product  and    is  associated with  fuel.  The exergetic 

efficiency and the auxiliary equation from F principle are: 

4.52  

4.53  

Some  of  these  cases  may  be  practically  unknown,  but  theoretically  can  be 

encountered. So the software should cover all the possibilities in the heat exchanger. 

2. Mixing devices 

 

Figure 4.8 Schematic of a mixing device 

 

As shown in Fig. 4.8, when total exergies are used, the exergetic efficiency of the 

mixing device is: 

,

, 4.54  

For mixing devices, since there is only one exiting stream, the cost rate of the exiting 

stream  can  be  calculated  directly  through  the  cost  balance.  However,  due  to  the 

discussion in section 4.4.2 and the F and P principles, the specific cost of fuel and the 

specific cost of the product are: 

, 4.55  

, 4.56  

, 4.57  

Page 72: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

58  

So the specific costs  ,   and  ,   of the imaginary state 3* do not necessarily 

need  to be considered explicitly  in  the analysis of a mixing device. When  the  total 

exergy  is split  into physical and chemical exergies, the exiting streams become two, 

separate exergy streams for each mass flow rate at the outlet need to be considered 

only for the physical exergy. The fuel of the mixing device is: 

,

4.58  

The product of the mixing device is: 

, 4.59  

According  to  the  fuel and product definition only one auxiliary  costing equation  is 

required that is from F principle: 

4.60  

The specific cost of fuel and the specific cost of product are: 

4.61  

, 4.62  

, 4.63  

The  specific  costs  ,   and  ,   of  the  imaginary  state  3*  still do not need  to be 

calculated. 

3. Gasification reactor 

 

Figure 4.9 Schematic of a gasifier 

 

Page 73: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

59  

It  should  be  noted  that  in  Fig.  4.9  when  total  exergies  are  considered,  the 

treatment  of    is  determined  by  the  physical  exergy  of  stream  1, whereas  the 

treatment of  ,    and    depends on the chemical exergy of stream 2, 3 and 4. 

In each stream, the dominating exergy form determines the treatment of total exergy. 

Consequently, the exergetic efficiency of gasification reactor is: 

4.64  

And the auxiliary costing equation is derived from the F principle, which is: 

4.65  

If  physical  and  chemical  exergies  are  separately  used,  according  to  the 

description in section 4.4.2, the fuel and the product of the gasification reactor are: 

4.66  

4.67  

or 

4.68  

One  auxiliary  equation  is  determined  by  the  F  principle  and  two  auxiliary 

equations are derived from the P principle as follows: 

4.69  

4.70  

4.71  

The specific cost of fuel and the specific cost of the product are: 

4.72  

4.73  

The unknowns  ,  ,    and    are calculated by combination of cost 

balance and Eq. (4.69) to (4.71). 

 

Page 74: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

60  

4. Dissipative components 

auxC 0CdcZ

dcdifC ,

 

Figure 4.10 Schematic of a dissipative component 

 

For  the  practical  applications  which  contain  dissipative  components,  all  cost 

associated with  owning  and  operating  a  dissipative  component must  be  charged 

directly to the components served by it. As shown in Fig. 4.10, the exergy of the main 

working  fluid  at  the  outlet  is  lower  than  at  the  inlet  because  of  the  exergy 

destruction within the dissipative component, which is: 

∆ 4.74  

According to the F principle, the cost per unit of the main working fluid remains 

constant between inlet and outlet, it can be written as: 

4.75  

If the rate of the total charges associated with the use of the auxiliary working 

fluid  is    and  the  contribution  of  investment  cost  and  operating  and 

maintenance  expense  is  ,  the  cost  balance  for  the  dissipative  component 

becomes (see Lazzaretto A, Tsatsaronis G, 2006): 

, 4.76  

The  term  ,   is  a  fictitious  cost  rate  associated  with  the  use  of  the 

dissipative component being considered. When this cost rate  ,   derived from a 

dissipative component needs to be charged to another component,  it can be added 

Page 75: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

61  

to the cost rate    of the latter component, the equation is: 

, 4.77  

In  this  program,  all  these  dissipative  components  first  are  calculated  as 

productive  components.  In  this  case,  if  there  is  no  auxiliary working  fluid  in  the 

dissipative component (e.g. throttling valve), the value of  ,   can be calculated 

through the following equation: 

, ∆ 4.78  

If auxiliary working fluid  is used (e.g. condenser), compared Eq. (4.76) with Eq. 

(4.79),  it  is  obviously,  the  value  of  ,   is  equal  to  the  value  of  the  cost  rate 

associated with the auxiliary working fluid at the outlet, i.e.,  , . The latter  ,  

can  be  obtained  directly  from  the  exergoeconomic  analysis  with  the  program 

calculation. 

, , 4.79  

With the values of  ,   for dissipative components, the users can recalculate 

the term    in Eq. (4.77) of the productive components served by these dissipative 

components. For throttling valve used to control the mass flow rate in a pump should 

be  charged  to  the  pump. And  for  the  condenser,  the  fictitious  cost  rate  could  be 

apportioned among all remaining plant components by using the entropy increase in 

each component as a weighting factor. These decisions should be made by the users, 

and it is not the consideration of this program. When the new    are inputted to the 

software,  the cost rate per exergy unit  for productive components update, and  the 

new efficiencies can be calculated correctly. 

4.4.5Matrixformulation

An exergoeconomic analysis  is an appropriate combination of an exergetic analysis 

with economic principles. This is achieved through exergy costing, by which a specific 

cost rate c is assigned to each exergy stream of the plant. Thus, if a general example 

Page 76: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

62  

consisting of n components and l exergy streams (including j material streams and k 

energy streams) is considered, for calculating the cost rates of each exergy stream a 

  system of  linear equations  is needed  to be  solved.  It  should be noted  that  l 

equals j plus k ( ) when total exergies are used, alternatively, is equal to 2j 

plus k ( 2 ) when chemical and physical exergies are considered separately. 

Therefore,  the  number  of  components  and  the  number  of  exergy  streams  are 

inputted by  the program users as an  initial data  for  formulating  the matrix  form of 

equations. As was first presented by Valero A, et al, in 1986 and also used in SPECO 

method, these linear equations can be written in the form: 

4.80  

It is illustrated in Fig 4.11, and the separate forms of exergy are used. 

 

     

PHE1

PHjE

CHE1

CHjE

ENE1

ENkE

APH

m,0

ACH

m,0

A en,0

PHc1

PHjc

CHc1

CHjc

ENc1

Z 1

Z n

PHb1

PHjb 0

CHb1

CHjb 0

ENb1

ENkb 0

ENkc

A ll  

Figure 4.11 The cost equations in a matrix form (Lazzaretto A, Tsatsaronis G, 2006) 

 

The vector    of the unknown variables consists of the cost rates    ( ,   

Page 77: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

63  

and  )  can be written  alternatively  as  the product of  two  vectors    ( ,   

and  ) and    ( ,    and  ). The vector    refers to the exergy values of 

all streams and can be calculated by the method discussed in section 4.2 and 4.3. The 

matrix    is  composed  of  the  sub‐matrices  ,  ,  , ,  , ,  , ,  ,  . 

The  subscript  m  represents  material  stream,  en  represents  energy  stream,  0 

represents the specific cost of this stream is known, Frefers to the fuel definition and 

P  refers  to  the product.    and    are  the  incidence matrices  representing  the 

interconnections  between  all  components  and  all  exergy  streams  which  can  be 

obtained  from  the  flow  sheet.  The  elements  of  these  two matrices  are  ‐1  (for  an 

exergy  stream entering a component), +1  (for a  stream exiting a component), or 0 

(when there is no interconnection between a stream and a component). As a result, 

Eq.  (4.81)  represents  the equations of cost balances  for all  the components of  the 

plant. 

4.81  

The matrices  ,   and  ,   are associated with the exergy streams supplied 

with a material stream to the overall system from outside. Where, the matrix  ,  

refers to not only the energy streams supplied to the overall system from outside but 

also the energy streams provided by the system itself. The elements of matrices  , , 

,   and  ,   are similar to the matrices    and  , only consist of ‐1, +1 and 

0. The equations associated with these matrices have the form: 

4.82  

The  value  of    are  the  known  variables  from  the  specific  cost  at  which  all 

external resources are purchased or the average costing of the electricity generated 

by  the  system.  The  auxiliary  equations  of  matrix  forms    and    are  placed 

within  the  large  matrix    one  below  the  other  since  each  row  of  each  matrix 

supplies one auxiliary equation obtained  from  the F and P principles. The auxiliary 

equations are either of the forms as Eq. (4.41) to (4.43). Thus the coefficients of   

and    are of one of the following forms: 

1,

1 ,

1 ,

1 4.83  

Page 78: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

64  

For this program, the F and P principles and the auxiliary equations of different 

component are respectively recorded into the different component model of the set 

of  component  data  structure.  Then  the  matrices    and    can  be  directly 

obtained  from  the  set  of  component  data  structure. When  the  large matrix    is 

loaded, the unknown variables of vector    can be calculated. With the value of the 

specific cost,  it  is the possible to perform the exergoeconomic analysis described  in 

Section 3.2.3. 

   

Page 79: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

65  

5. Implementation of the energy and exergy based

analysesprogramfortheenergyconversionsystems

In  this  chapter,  the  exergoeconomic  analysis  program  is  applied  to  three  different 

types of thermal power plant cases. These cases are all from the published literature 

of  colleagues  in  the  Institute  for  Energy  Engineering  in  TU  Berlin.  And  the 

assumptions  of  these  cases  used  in  the  simulation  and  the  conventional 

exergy‐based analyses are  inherited by the exergoeconomic analysis program  in this 

dissertation.  The  selected  results  of  each  method  (energetic,  exergetic, 

exergoeconomic)  for  the  considered  plants  from  the  reference  literature  and  the 

program are presented in the respective sections and compared in Table 5.1‐5.17. In 

addition,  the unabridged  results  and  the process  flow  chart diagrams  are  given  in 

Appendix A.   

5.1Combinedcyclepowerplant

The combined cycle power plant is an important type of thermal power plants in use 

on  the power grid  today, operating on carbon‐based  fuels such as natural gas, and 

petroleum  products.  The  reference  case  of  a  combined  cycle  power  plant  from 

Petrakopoulou F (2011) consists of conventional exergy‐based analyses and advanced 

exergy‐based  analyses;  only  the  results  of  the  conventional  exergy‐based  analyses 

are  necessary  for  the  comparison  here.  It  is  appropriate  to  prove  that  the 

exergoeconomic  analysis program  is working  correctly, because  the  reference  case 

used the same approaches for exergoeconomic analyses. Petrakopoulou used Ebsilon 

Professional  to  simulate  the  referred  combined  cycle  power  plant  and Matlab  to 

perform the exergetic analysis and exergoeconomic analysis. In this dissertation, the 

basic thermal data like temperature, pressure and compositions of working fluids are 

exported from Ebsilon Professional as well, and packed as an output text file which 

can be  read  in  the exergoeconomic analysis program. The  tiny deviations between 

the values of these thermal properties with the reference case are negligible. 

Page 80: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

66  

5.1.1Energeticanalysis

The  process  simulation  software  gives  the  enthalpy  and  entropy  values  of  each 

stream after an  iterative simulation procedure. The program also has a database of 

several substances  listed  in Table 4.7  for thermal properties calculation. The results 

of some selected flows in combined cycle power plant are compared in Table 5.1. 

 

Table 5.1 Selected thermal results from the reference paper and the program 

Selectedenergeticanalysisresultsfromtheexergoeconomicanalysisprogram

Stream Mass[kg/s]

Workingfluid

T[K]

P[bar]

h[kJ/kg]

s[kJ/kgK]

1  614.5  Air  288.15  1.013  ‐69.3506  6.8391 

2  614.5  Air  666.05  17  319.8104  6.8899 

3  14  CH4  288.15  50  ‐4689.5029  9.510 

53  14  CH4  288.15  17  ‐4689.5029  10.0693 

4  628.5  Combustion 

gases 

1537.15  16.49  140.1646  7.9685 

5  628.5  Combustion 

gases 

853.75  1.058  ‐693.0014  8.0388 

19  94.6  Water  306.05  3.728  138.1683  0.4764 

20  94.6  Water  408.75  3.616  570.4277  1.6936 

Selectedenergeticanalysisresultsfromthereferencepaper1  614.5  Air  288.15  1.013  15.1555  6.8695 

2  614.5  Air  666.05  17  406.3903  6.9207 

3  14  CH4  288.15  50  32.6806  9.5187 

53  14  CH4  288.15  17  32.6806  10.0778 

4  628.5  Combustion 

gases 

1537.17  16.49  1497.7913  8.1490 

5  628.5  Combustion 

gases 

853.78  1.058  642.4399  8.2220 

19  94.6  Water  306.04  3.728  138.1683  0.4764 

20  94.6  Water  408.77  3.616  570.4277  1.6936 

 

As can be seen  in Table 5.1, the values of enthalpy and entropy are not equal 

except the water. Since the reference states of enthalpy and entropy calculation are 

different  between  Ebsilon  Professional  and  the  program,  the  comparisons  of  the 

absolute  values  of  enthalpy  and  entropy  are  pointless, while  the  thermodynamic 

Page 81: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

67  

properties  calculation  of  water  and  steam  are  based  on  the  same  reference 

(IAPWS‐IF97). However, the relative deviations of each substance from the exergetic 

and exergoeconomic analysis program are accurate with small deflections compared 

to  the  results  from  the  reference  paper.  The  results  of  the  generated  or  supplied 

power of some selected components are presented in Table 5.2. 

 

Table 5.2 Selected results of the generated or supplied work 

Components W[MW]From this thesis

W[MW]From reference

Compressor  239.14  242.68 

SteamTurbine1  29.92  29.18 

SteamTurbine2  36.11  35.21 

SteamTurbine3  62.91  61.35 

Condenser Pump  0.04  0.04 

LowPressurePump  0.00  0.00 

HighPressurePump  1.04  1.12 

IntermediatePressurePump  0.03  0.03 

GasTurbine  526.00  530.67 

Net Power Output  284.00  288.00 

Total energetic efficiency  0.589  0.583 

5.1.2Exergeticanalysis

Most of the process simulation software does not provide the values of the physical 

and  chemical  exergies  for  each material  stream.  The  combined  cycle  power  plant 

from  the  reference  paper  uses  another  program  named  Gatex  to  calculate  the 

exergies, but  the disadvantage  is  that researchers need  to code  the exergy balance 

equations  everytime  for  different  applications, while  the  exergoeconomic  analysis 

program overcomes this problem. The results of exergies for some selected streams 

from  distinct  sources  are  paralleled  with  each  other  in  Table  5.3.  However,  the 

derived  rates  of  fuel  exergies  and  product  exergies  at  the  component  level  are 

contrasted in Table 5.4, accompanied by the exergy destructions and other exergetic 

variables.  The  reference  states  of  exergetic  analysis  are  the  same  that  the 

temperature is 288.15 K and the pressure is 1.013 bar. 

Page 82: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

68  

Table 5.3 The results of exergies for some selected streams 

ResultsfromthereferenceStream Mass

[kg/s]Workingfluid

T[K]

P[bar]

EPH[MW]

ECH[MW]

Etot[MW]

1  614.5  Air  288.15  1.013  0.00  0.96  0.96 

2  614.5  Air  666.05  17  231.30  0.96  232.25 

3  14  CH4  288.15  50  8.15  721.47  729.62 

53  14  CH4  288.15  17  5.9  721.47  727.37 

4  628.5  Combustion 

gases 

1537.15  16.49  735.74  5.27  741.01 

5  628.5  Combustion 

gases 

853.75  1.058  184.60  5.27  189.87 

7  268.5  Combustion 

gases 

720.76  1.05  52.39  2.25  54.64 

9  360  Combustion 

gases 

722.45  1.05  70.66  3.02  73.68 

18  628.5  Combustion 

gases 

368.49  1.03  11.22  5.27  16.49 

19  94.6  Water  306.05  3.728  0.24  0.24  0.47 

20  94.6  Water  408.75  3.616  7.95  0.24  8.18 

22  72.4  Water  413.25  3.616  6.49  0.18  6.67 

31  22.1  Steam  487.23  4.1  17.95  0.06  18.01 

41  65.2  Steam  833.79  124  103.35  0.16  103.51 

Resultsfromtheexergoeconomicanalysisprogram1  614.5  Air  288.15  1.013  0.00  1.10  1.10 

2  614.5  Air  666.05  17  230.13  1.10  231.24 

3  14  CH4  288.15  50  8.15  719.51  727.66 

53  14  CH4  288.15  17  5.9  719.51  725.41 

4  628.5  Combustion 

gases 

1537.17  16.49  715.55  8.3  723.85 

5  628.5  Combustion 

gases 

853.78  1.058  179.16  8.3  187.46 

7  268.5  Combustion 

gases 

720.76  1.05  50.54  3.55  54.09 

9  360  Combustion 

gases 

722.45  1.05  68.18  4.75  72.93 

18  628.5  Combustion 

gases 

368.49  1.03  8.36  8.3  16.66 

19  94.6  Water  306.04  3.728  0.24  0.24  0.47 

20  94.6  Water  408.77  3.616  7.95  0.24  8.18 

22  72.4  Water  413.25  3.616  6.49  0.18  6.67 

31  22.1  Steam  487.23  4.1  17.95  0.06  18.01 

41  65.2  Steam  833.79  124  103.35  0.16  103.51 

Page 83: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

69  

The definitions of product exergy and  fuel exergy of different components are 

given  in Chapter 4.4, and  the detailed graphic demonstrations  for each component 

model are presented in Appendix B. 

 

Table 5.4 Selected exergetic results at the component level 

Resultsfromthereference

EF EP ED Eps yD*

Component [MW] [MW] [MW] [%] [%]

Compressor  242.68  231.30  11.38  95.3  1.56 

CC  729.62  508.76  220.87  69.7  30.23 

GT  551.15  530.67  20.47  96.3  2.8 

Reheater  26.47  23.89  2.58  90.3  0.35 

HPSH  35.07  31.72  3.35  90.5  0.46 

HPEVAP  43.64  39.91  3.73  91.5  0.51 

HPECON  28.92  24.91  4.00  86.2  0.55 

IPSH  0.18  0.12  0.06  69.0  0.01 

IPEVAP  6.10  5.67  0.38  92.9  0.06 

IPECON  1.06  0.87  0.19  82.5  0.03 

LPSH  1.43  1.04  0.38  73.3  0.05 

LPEVAP  19.03  15.48  3.55  81.4  0.49 

LPECON  11.49  7.71  3.78  67.1  0.52 

HPST  31.29  29.18  2.11  93.2  0.29 

IPST  37.39  35.21  2.18  94.2  0.3 

LPST  70.99  61.35  9.64  86.4  1.32 

ResultsfromtheexergoeconomicanalysisprogramCompressor  240.00  230.46  9.58  96.0  1.31 

CC  725.43  505.78  219.65  69.7  30.14 

GT  538.16  526.00  12.17  97.7  1.67 

Reheater  26.10  23.89  2.21  91.5  0.30 

HPSH  34.58  31.72  2.86  91.7  0.39 

HPEVAP  43.21  39.91  3.30  92.3  0.45 

HPECON  28.69  24.91  3.77  86.8  0.52 

IPSH  0.18  0.12  0.05  69.6  0.01 

IPEVAP  6.05  5.67  0.38  93.7  0.05 

IPECON  1.05  0.87  0.18  83.2  0.02 

LPSH  1.41  1.04  0.37  73.9  0.05 

LPEVAP  18.84  15.48  3.36  82.2  0.46 

LPECON  11.32  7.71  3.61  68.1  0.50 

HPST  31.29  29.92  1.37  95.6  0.19 

IPST  37.39  36.11  1.28  96.6  0.18 

LPST  70.99  62.91  8.08  88.6  1.11 

Page 84: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

70  

5.1.3Exergoeconomicanalysis

The economic analysis  is not  included  in the exergoeconomic analysis program; the 

investment  costs  of  components  are  considered  as  input  data  for  the 

exergoeconomic  calculation.  And  the  detailed  graphic  demonstrations  for  the 

auxiliary  cost  balance  equations  of  each  component  model  are  presented  in 

Appendix B as well. The specific cost of selected streams and the cost rates of total 

exergy are compared in Table 5.5 in which the thermal properties of each stream are 

corresponding with  the same stream  in Table 5.3. The specific cost  for  fuel  (in  this 

case  is  CH4)  is  9.2  €/GJ,  besides  the  specific  cost  of  air  and  cooling water  at  the 

reference state are assumed to be 0 €/GJ. 

 

Table 5.5 Cost rates of selected streams 

NO. Mass[kg/s]

Workingfluid

Etot[MW]

ci[€/GJ]

Ci[€/h]

Etot[MW]

ci[€/GJ]

Ci[€/h]

Fromthereference Fromtheprogram1  614.5  Air  0.96  0.00  0.00  1.10  0.00  0.00 

2  614.5  Air  232.25  19.4  16198  231.24  19.10  15900 

3  14  CH4  729.62  9.2  24037  727.66  9.2  24100 

53  14  CH4  727.37  9.2  23962  725.41  9.2  24026 

4  628.5  Combustion 

gases 

741.01  15.5  41252  723.85  15.62  40886 

5  628.5  Combustion 

gases 

189.87  15.5  10570  187.46  15.62  10588 

7  268.5  Combustion 

gases 

54.64  15.5  3042  54.09  15.62  3055 

9  360  Combustion 

gases 

73.68  15.5  4102  72.93  15.62  4119 

18  628.5  Combustion 

gases 

16.49  0.00  0.00  16.66  15.62  941 

19  94.6  Water  0.47  26.1  44  0.47  20.45  34 

20  94.6  Water  8.18  30.6  900  8.18  24.01  707 

22  72.4  Water  6.67  31.1  748  6.67  24.68  593 

31  22.1  Steam  18.01  25.3  1642  18.01  22.88  1484 

41  65.2  Steam  103.51  20.3  7581  103.51  19.25  7173 

 

The results of exergoeconomic variables from the reference and the program are 

Page 85: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

71  

shown in Table 5.6, respectively. 

 

Table 5.6 Selected results of exergoeconomic analyses at component level 

Resultsfromthereference cF cP CD Z CD+Z f r

Component [€/GJ] [€/GJ] [€/h] [€/h] [€/h] [%] [%]Compressor  16.9  19.5  693  1423  2116  67.3  15.0 

CC  9.2  13.7  7276  1017  8293  12.3  49.5 

GT  15.5  16.9  1140  1627  2766  58.8  9.4 

Reheater  15.5  19.4  143  111  255  43.7  25.4 

HPSH  15.5  19.4  186  158  344  45.8  25.6 

HPEVAP  15.5  19.0  207  185  392  47.1  23.1 

HPECON  15.5  20.4  223  89  312  28.6  31.8 

IPSH  15.5  35.4  3  4  7  56.3  128.8 

IPEVAP  15.5  20.5  24  65  90  73.1  32.8 

IPECON  15.5  22.3  10  5  16  33.4  44.2 

LPSH  15.5  29.5  21.0  19  41  47.7  90.9 

LPEVAP  15.5  24.2  197  174  372  46.9  56.4 

LPECON  15.5  30.8  211  93  304  30.7  99.3 

HPST  20.3  24.2  155  182  336  54.0  18.9 

IPST  20.3  24.7  159  329  488  67.4  21.7 

LPST  21.4  29.7  743  764  1508  50.7  38.5 

Total  9.2  20.6  9897  6519  16416  39.7  124.8 

Resultsfromtheexergoeconomicanalysisprogram

Compressor  16.97  19.39  585.2  1423  2008  70.9  14.3 

CC  9.23  13.79  7297.5  1017  8314  12.2  49.5 

GT  15.62  16.97  689.6  1627  2317  70.2  7.8 

Reheater  15.62  18.49  125.2  111  236  47.0  17.4 

HPSH  15.62  18.55  162.1  158  320  49.4  17.8 

HPEVAP  15.62  18.33  187.1  185  372  49.7  16.4 

HPECON  15.62  19.12  213.9  89  303  29.4  21.5 

IPSH  15.62  31.63  3.1  4  7  55.2  126.1 

IPEVAP  15.62  19.99  23.8  65  89  73.2  32.8 

IPECON  15.62  20.52  10.2  5  15  33.5  44.2 

LPSH  15.62  26.36  21.0  19  39  46.6  89.3 

LPEVAP  15.62  22.28  195.4  174  368  46.9  56.4 

LPECON  15.62  26.48  208.5  93  301  30.8  99.2 

HPST  19.24  21.81  152.9  182  318  52.0  18.3 

IPST  19.21  22.46  157.4  329  457  65.6  20.7 

LPST  20.09  26.04  734.3  764  1431  48.7  37.2 

Total  9.2  20.52  9720  6519  16513  39.4  124.4 

 

Page 86: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

72  

5.1.4Erroranalyses

The relative errors can be defined by comparing the results from the exergoeconomic 

analysis program and the reference paper. If A0 denotes the real value of Ai in a data 

set A, then the relative error can be written as: 

%100%1000

0

0

A

AA

A

A ii                                                                           (5.1) 

The  reasons  that  lead  to  the  systematic  error  are  diverse  and  will  be  discussed 

separately in the following sections.   

5.1.4.1Energeticanalysis

Comparing  the  difference  between  enthalpy  and  entropy  values  for  the  same 

working  fluid  respectively  from  the  exergoeconomic  analysis  program  and  the 

reference  paper  in  Table  5.1,  the  relative  deviations  are  shown  in  Figure  5.1. 

Moreover,  the work generated and  supplied  to  the combined cycle power plant of 

each component in Table 5.2 is contrasted in Figure 5.1 as well. 

 

 

Figure 5.1 Relative errors of energetic results for the combined cycle power plant 

 

Granted the exceptions or noises, such as point 7 in Figure 5.1, the relative deviations 

‐0.08

‐0.06

‐0.04

‐0.02

0

0.02

0.04

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Δhref

REΔh

Δsref

REΔs

Wref

REW

Page 87: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

73  

between  two  different  sources  are  less  than  3%,  and  the  errors  of  enthalpy  and 

entropy are negative which means  the absolute value of  these energetic  results  is 

lower than the reference value. In addition, the results of water and steam are totally 

matched, the deviations all exist in the results of air and combustion product stream 

indicate  that  the  causes  of  these  errors  are  most  coming  from  the  distinct 

thermodynamic  database  of  the  working  fluid  and  the  state  equations,  and  the 

properties calculation for this program are described in Section 4.2 and 4.3. 

5.1.4.2Exergeticanalysis

The relative errors of exergetic results of 16 principal components of the combined 

cycle  system  from  Table  5.4  are  illustrated  in  Figure  5.2.  The  exergies  of  fuel  and 

product are lower than the reference values while the exergy efficiencies are higher 

than the reference values. The interval of the results for 16 points in the rectangular 

coordinate is among ‐2.5% to +2.5%. These deviations of exergetic results are caused 

by the same reason with the energetic results. 

 

 

    Figure 5.2 Relative errors of exergetic results for the combined cycle power plant 

 

But  the  relative errors of exergy destructions and  the exergy destruction  ratio 

are bigger than other exergetic results. Since the exergy destruction is defined to be 

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

0.01

0.02

0.03

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Ef‐REF [MW]

Ep‐REF [MW]

Ef [MW]

Ep [MW]

Eps‐REF [%]

Eps [%]

Page 88: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

74  

the  difference  between  fuel  exergy  and  product  exergy,  the  errors  from  the  fuel 

exergy and product exergy will be accumulated only if the errors of the fuel are equal 

to the errors of product.   

5.1.4.3Exergoeconomicanalysis

The  deflections  of  the  cost  rates  of  fuel  and  product  of  16  components  and  the 

overall system  in Table 5.6 are  illustrated  in Figure 5.3. For  fuel cost,  the variations 

are minimal. For the product cost, although the trend of these two polylines are the 

same, but the average deviations are around 6% that cannot be accepted for a real 

application. However, it should not happen if the value of fuel exergy, product exergy 

and  fuel cost has minuscule errors. According  to  the  same cost balance equations, 

the  product  cost  rates  can  be  calculated  with  these  three  variables,  and  the 

deviations should be minimal as well. 

 

 

Figure 5.3 Absolute values comparison of the specific costs of fuel and product for 

the combined cycle power plant 

 

The deviations of the fuel costs are derived from the same origin with the energetic 

and  exergetic  analysis,  i.e.,  the  thermodynamic  data  libraries  of  the  substances. 

Otherwise, the reason results  in the product cost deviations can be found  in Figure 

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

cf‐REF [€/GJ]

cf [€/GJ]

cp‐REF [€/GJ]

cp [€/GJ]

Page 89: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

75  

5.4.  The  significant  point  on  the  horizontal  ordinate  is  point  9,  which  is  the 

combustion gases  stream with  stream No. 18  in Table 5.6  (also  in Table A.1.3 and 

Table A.1.4), the value of the specific cost is 0 €/GJ for the reference and 15.62 €/GJ 

for  the program. This  stream  is  the exhaust gas at  the outlet of  the heat  recovery 

generator; the 0 value are personal setting by the reference paper that changes the 

auxiliary equation and the cost balance equation of the low‐pressure economizer. As 

opposed to the reference, the value of the specific cost is directly gained from the F 

rule of the economizer in the program. As a result, the 0 value of the specific cost of 

exhaust gas  leads to much higher values of specific costs of the downstream flows, 

which are the water and steam streams in this case, also can be seen in Table 5.6 and 

Figure 5.4. 

 

 

Figure 5.4 Absolute values comparison of the specific costs of streams 

 

5.2IGCCPlant

An  integrated  gasification  combined  cycle  (IGCC)  is  based  on  the  coal  gasification 

technology  that uses  a  gasifier  to  turn  coal or other  carbon‐based  solid  fuels  into 

syngas. The  impurities in the syngas should be removed before it is combusted, and 

the combustion process is similar to a combined cycle power plant. Then the excess 

0

5

10

15

20

25

30

35

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

ci‐REF [€/GJ]

ci [€/GJ]

Page 90: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

76  

heat  is passed  to a heat  recovery steam generator. A  lot of  facilities  that make  the 

IGCC  much  more  complex  are  required  for  dealing  with  the  pollutants,  such  as 

hydrogen  sulfide  and  carbon  dioxide.  In  this  thesis,  the  reference  case  uses  the 

conventional IGCC plant with CO2 capture from Sorgenfrei and Tsatsaronis (2014), in 

which Aspen Plus 8.0  is used for process simulation and EES  is used for the physical 

and chemical exergy calculation. The process flow diagram can be seen in Figure 5.5 

 

Figure 5.5 Process flowchart of IGCC plant from the reference paper (Sorgenfrei and 

Tsatsaronis, 2014) 

In  the  conventional  IGCC  plant with  CO2  capture,  pure  oxygen  is  supplied  to  the 

gasifier  for  inhibiting  the nitric oxide generation and  increasing  the carbon capture 

rate  from  the air  separation unit. The  carbon monoxide  in  the  syngas  is  shifted  to 

hydrogen  via  the water‐gas  shift  reactor.  The hydrogen  sulfide  and  carbon dioxide 

from  the  shift  reactor can be captured  in  the acid gas  removal unit. The hydrogen 

sulfide is then turned into sulfur as a reusable byproduct in the Claus plant, and the 

carbon  dioxide  is  compressed  and  stored.  These  processes  result  in  nearly 

carbon‐free fuel into the combustion chamber. However, thermal properties of some 

selected common substances  in the existing database  in this program are all  in the 

gas phase except water, but a more  improved and  comprehensive  thermodynamic 

properties database  is necessary  for  the energetic and exergetic analysis of  the air 

Page 91: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

77  

separation unit and acid gas  removal unit due  to  the  liquid phase and  liquid‐vapor 

mixture working  fluids. Simultaneously,  there aren’t  component models associated 

with some equipment with chemical reactions  like the absorber. Hence, a  judicious 

subsystem  partition  can  result  in  a  considerable  simplification  of  the  equipment, 

which means  the  coal dryer, mill and  lock hopper are  seen as a unit named  “Coal 

preparation unit”. Likewise, the air separation equipment and the acid gas removal 

equipment are also modeled as one single air separation unit and acid gas removal 

unit  in  the  exergoeconomic  analysis  program.  The  detailed  schematic  of  the  IGCC 

case used for the program calculation is given in Figure A.2. 

5.2.1Energeticanalysis

The enthalpy and entropy results from the reference are directly given by Aspen Plus 

and  the  EES  software.  The  numerical  values  are  drawn  a  comparison  with  the 

associated  values  from  the  program  in  Table  5.7.  Contrasted  with  Table  5.1,  the 

enthalpy  results  from  Aspen  Plus  (property  method  Redlich‐Kwong‐Soave  with 

Boston Matthias Alpha  function,  i.e., RKS‐BM  is used)  and  the program  should be 

calculated  using  similar  reference  state  or  equation  of  state,  while  Ebsilon 

Professional  is distinct. Yet  it  is  completely  converse  for  the entropy  results, which 

are closer for Ebsilon and the program. Generally, the results from exergetic analysis 

depend on the accuracy of the enthalpy and entropy value. If the exergy value from 

different sources is consistent as well, the diverse ways to calculate the enthalpy and 

entropy  are  all  appropriate.  The  results  of  the  generated  or  supplied work  of  the 

pumps, compressors and turbines are presented in Table 5.8. 

 

Table 5.7 Selected thermal results from the reference paper and the program 

No. Mass

[kg/s]

Workin

gfluid

T

[K]

P

[bar]

h

[kJ/kg]

s

[kJ/kg]

h

[kJ/kg]

s

[kJ/kg]

Fromthereference Fromtheprogram

1 80.00 Coal  288.15  1.013 ‐1882.978 ‐  27227.4 1.2731

2 178.81 N2  402.74  1.013 ‐175.642 0.3092  ‐175.894 7.2756

4 175.00 N2  523.15  1.100 235.538 0.5636  235.328 7.4001

Page 92: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

78  

6 257.80 Air  288.15  1.013 ‐10.359 0.1129  ‐10.148 6.8505

35 6.50 N2  428.02  56.0 133.932 ‐0.8262  135.102 6.0222

37 59.85 O2  393.70  45.0 83.406 ‐0.7202  88.864 5.7106

42 135.63 Raw gas  1823.13  40.0 ‐1267.601 4.4484  ‐1268.420 10.460

46 291.96 Raw gas  553.15  40.0 ‐3363.687 2.5117  ‐3359.916 8.5201

51 149.37 Raw gas  414.32  38.966 ‐4463.054 1.7002  ‐4456.662 8.3513

59 244.37 Shift gas  561.63  38.766 ‐8246.324 ‐3.6969  ‐8230.455 8.9239

62 206.52 Shift gas  302.51  34.896 ‐7855.132 ‐0.9846  ‐7843.075 7.4285

64 25.71 Clean gas  293.15  34.626 ‐911.598 ‐5.9782  ‐916.676 26.620

65 42.00 Syngas  418.28  34.126 ‐5137.749 ‐2.8971  ‐5131.770 22.084

72 1230.02 Air  288.15  1.013 ‐10.358 0.1129  ‐10.148 6.8505

73 1230.02 Air  705.99  19.45 425.582 0.1884  425.042 6.9270

74 1272.02

Exhaust 

gas  1586.38  19.45 237.968 1.1130  257.757 8.4535

76 1272.02

Exhaust 

gas  886.05  1.050 ‐660.883 1.2451  ‐657.391 8.5899

88 1272.02

Exhaust 

gas  406.15  1.050 ‐1222 7.6790  ‐1222.063 7.6782

90 346.00 Water  295.15  2.041 92.47 0.3249  92.477 0.3249

133 199.11 Steam  863.15  164.0 3544 6.5970  3544.451 6.5970

135 214.01 Steam  830.85  35.0 3582 7.3230  3582.419 7.3224

140 244.20 Mixed  299.82  0.035 2257 7.5450  2255.094 7.5391

 

Table 5.8 The selected results of the generated or supplied work 

Components W[KW]

From thesis

W[KW]

From reference

CM1 N2 1764 1783.54

CM1 O2 4801 4829

CM2 N2 753 767

CM2 O2 4758 4779

CM3 N2 811 836

CM3 O2 4776 4793

Compressor 2020 2141

Compressor 535293 524572

Gas Turbine 1164085 1147611

HP SteamTurbine 84770 84713

IP SteamTurbine 142651 142670

LP SteamTurbine 159167 158697

LPPump 6 6

HPPump 4803 4778

IPPump 564 572

Total energetic efficiency  0.343  0.332 

Page 93: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

79  

5.2.2Exergeticanalysis

Applied the program to the IGCC power plant, the results of exergies at the streams 

level are compared with the corresponding values from the reference paper in Table 

5.9.   

 

Table 5.9 The results of exergies for some selected streams in IGCC plant 

No. Mass

[kg/s]

Workin

gfluid

EPH[MW]

ECH[MW]

Etot[MW]

EPH[MW]

ECH[MW]

Etot[MW]

Fromthereference Fromtheprogram1 80.00 Coal  0.000  2557.60  2557.60  0.000  2467.62  2467.62 

2 178.81 N2  3.626  4.35  7.98  3.515  4.28  7.79 

4 175.00 N2  12.833  4.49  17.33  12.824  4.49  17.32 

6 257.80 Air  0.000  1.53  1.53  0.000  1.53  1.53 

35 6.50 N2  2.419  0.17  2.59  2.406  0.17  2.57 

37 59.85 O2  17.865  6.88  24.75  17.916  6.88  24.80 

42 135.63 Raw gas  283.619  1649.36  1932.97  282.731  1648.68  1931.41 

46 291.96 Raw gas  161.469  3550.40  3711.87  161.183  3548.96  3710.14 

51 149.37 Raw gas  72.494  1649.66  1722.15  72.055  1649.89  1721.95 

59 244.37 Shift gas  155.467  1567.13  1722.60  155.379  1570.93  1726.31 

62 206.52 Shift gas  89.830  1565.62  1655.45  90.446  1564.42  1654.86 

64 25.71 Clean gas  53.756  1426.82  1480.58  53.394  1423.47  1476.87 

65 42.00 Syngas  69.058  1424.96  1494.01  68.184  1425.62  1493.81 

72 1230.02 Air  0.000  7.30  7.30  0.000  7.30  7.30 

73 1230.02 Air  509.418  7.30  516.72  508.177  7.30  515.47 

74 1272.02

Exhaust 

gas  1651.50  26.71  1678.21  1649.96  26.50  1676.46 

76 1272.02

Exhaust 

gas  436.593  26.71  463.30  435.852  26.50  462.35 

88 1272.02

Exhaust 

gas  52.000  26.71  78.71  51.746  26.50  78.24 

90 346.00 Water  0.157  17.11  17.27  0.157  17.28  17.44 

133 199.11 Steam  328.000  9.83  337.83  327.561  9.94  337.51 

135 214.01 Steam  315.000  10.56  325.56  315.467  10.69  326.16 

140 244.20 Mixed  21.000  12.02  33.02  20.587  12.20  32.78 

 

The most representative streams are selected for the comparison, for example 

the external raw materials  into the  IGCC system  like the coal, the air and the water 

streams;  the  inlet and outlet streams of  the gasification process;  the  incoming  raw 

Page 94: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

80  

gas and the outgoing shift gas stream through the water gas shift reaction; the clean 

gas stream out of the acid gas removal unit; all streams associated with gas turbine 

system; the combustion gas stream before and after the heat recovery generator and 

the water and steam streams  in both upstream and downstream side of the steam 

turbine.  These  significant  flows  can  describe  the  performance  of  the  IGCC  power 

plant in general. 

The  reference  state  of  the  exergetic  analysis  for  IGCC  power  plant with  CO2 

capture is that the temperature is at 288.15 K, and the pressure is at 1.013 bar. The 

selected exergetic results at the component level for the IGCC plant are presented in 

Table 5.10. 

 

Table 5.10 Selected exergetic results at the component level for IGCC 

EF EP ED Eps yD yD*

Component [MW] [MW] [MW] [%] [%] [%]

CoalPrepareUnit 93.10  43.65  49.44  46.89  0.2  0.35 

Gasifier 2353.49  1914.22  439.27  81.34  17.74  31.36 

ASU 46.75  18.44  28.31  39.44  1.14  2.02 

CM1 O2  4.8  4.28  0.52  89.15  0.021  0.037 

CM1 N2  1.76  1.62  0.14  91.78  0.006  0.01 

Syngas Cooler HP  180.27  129.75  50.52  72  2.04  3.607 

Syngas Cooler IP  7.96  6.69  1.27  84.1  0.05  0.091 

Scrubber  Dissipative component  18.12  ‐  0.732  1.294 

WGS HT  750.667  701.287  49.375  93.42  1.994  3.533 

Evaporator  69.18  61.05  8.13  88.25  0.33  0.58 

WGS LT  230.757  220.196  10.56  95.42  0.426  0.754 

Heater  34.33  19.96  14.37  58.14  0.58  1.026 

AGR  Dissipative component  180  ‐  7.18  12.708 

Saturator  18.08  14.79  3.29  81.79  0.133  0.235 

Compressor  535.29  508.18  27.12  94.93  1.1  1.936 

CC  1406.43  1073.6  332.83  76.34  13.44  23.762 

GT  1214.11  1143.09  50.02  94.15  2.02  3.571 

HPSH1  36.86  34.95  1.90  94.84  0.077  0.136 

HPSH2  64.07  58.02  6.06  90.55  0.245  0.432 

IPSH1  91.16  84.53  6.63  92.73  0.268  0.473 

IPSH2  0.186  0.18  0.006  96.98  0.0002  0.0004 

IPSH3  25.02  21.29  3.72  85.12  0.15  0.266 

IPEVAP        96.54  82.87  13.67  85.84  0.552  0.976 

Preheater IP  32.31  27.42  4.89  84.87  0.197  0.349 

Page 95: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

81  

LPSH  1.45  1.16  0.29  80  0.012  0.021 

LPEVAP  31.14  25.26  5.88  81.12  0.237  0.42 

Preheater LP  0.62  0.556  0.062  89.9  0.0025  0.004 

Economizer  4.77  2.51  2.27  52.5  0.09  0.162 

Turbine LP  169.1  159.17  9.93  94.13  0.401  0.709 

Turbine IP  148.43  142.65  5.78  96.11  0.233  0.412 

Turbine HP  88.44  84.77  3.67  95.85  0.148  0.262 

Total  2476.44  824.74  1400.68  33.30  49.35  100 

 

Since there are no identical detailed exergetic analysis results at the component 

level from the reference case, in addition, the fuel and product exergy are redefined 

in  separated  exergy  forms  for  the  exergetic  and  exergoeconomic  analysis  in  the 

program  as  above‐mentioned,  the  exergetic  results  for  IGCC  case  will  not  be 

compared  in  this  thesis.  But  it  doesn’t  affect  the  validity  and  accuracy  of  the 

calculation of the program, because the fuel and product exergy and other exergetic 

parameters are derived  from  the  fuel and product definition of  component model 

and  the exergies of streams. The  fuel and product definition of  the component  for 

the  IGCC case are the same as the combined cycle case (SPECO approach), and the 

exergies  of  all  streams  are  highly  accurate  in  Table  A.2.1.  Therefore,  the  same 

consideration  are  applied  to  the  exergoeconomic  analysis,  and  the  results  of  the 

exergoeconomic  variables  at  the  component  level  are  not  compared  too.  The 

detailed graphic demonstrations  for  specific  facilities of  IGCC  case  such as  gasifier, 

WGS, saturator, coal preparation unit and ASU are presented in Appendix B.   

5.2.3Exergoeconomicanalysis

In  IGCC  plant,  the  chemical  and  physical  of  streams  are  supplied  or  generated  at 

different unit costs, therefore, the specific cost of the chemical and physical exergy 

are  separated  for  the  exergoeconomic  analysis  of  the  IGCC  case  in  the  program, 

which is trying to improve the accuracy of the thermoeconomic analysis. Commonly, 

taking these differing unit costs into consideration will at least double the amount of 

computation, the definition of the fuel and product should be modified as well. As a 

result,  for  the  complex  power  system  like  IGCC with CO2  capture,  the  researchers 

Page 96: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

82  

didn’t  implement  the separated cost before. However,  this program will provide an 

option to apply this separation by the predefined component model library. 

The  selected  results of exergoeconomic analysis arranged by  the  sequence of 

streams are shown in Table 5.11, and that at the component level are listed in Table 

5.12.   

 

Table 5.11 The cost rates of some selected streams 

No. Mass

[kg/s]

EPH[MW]

ECH[MW]

Etot[MW]

cPH

[$/GJ]

cCH

[$/h]

ci [$/GJ]

Ci [$/h]

1 80.00 0.00  2467.62  2467.62  0.00 1.30 1.30 11548.44

2 178.81 3.51  4.28  7.79  56.49 124.88 94.03 2637.23

4 175.00 12.82  4.49  17.32  56.49 124.88 74.23 4627.95

6 257.80 0.00  1.53  1.53  0.00 0.00 0.00 0.00

35 6.50 2.41  0.17  2.57  55.986 124.88 60.46 559.92

37 59.85 17.92  6.88  24.80  127.01 124.88 126.42 11285.45

42 135.63 282.73  1648.68  1931.41  17.25 4.59 6.44 44777.74

46 291.96 161.18  3548.96  3710.14  18.88 4.59 5.21 69547.74

51 149.37 72.06  1649.89  1721.95  18.94 4.59 5.19 32154.69

59 244.37 155.38  1570.93  1726.31  37.71 1.92 5.14 31962.28

62 206.52 90.45  1564.42  1654.86  27.52 1.92 3.32 19782.50

64 25.71 53.39  1423.47  1476.87  27.52 5.91 6.69 35556.49

65 42.00 68.18  1425.62  1493.81  89.87 3.62 7.55 40617.32

72 1230.02 0.00  7.30  7.30  0.00 0.00 0.00 0.00

73 1230.02 508.18  7.30  515.47  16.92 0.00 16.68 30947.92

74 1272.02 1650  26.50  1676.46  12.49 0.12 12.29 74174.07

76 1272.02 435.85  26.50  462.35  12.49 0.12 11.78 19602.17

88 1272.02 51.75  26.50  78.24  12.49 0.12 8.30 2337.28

90 346.00 0.16  17.28  17.44  51.25 0.00 0.46 28.92

133 199.11 327.56  9.94  337.51  28.34 0.00 27.51 33421.52

135 214.01 315.47  10.69  326.16  25.43 0.00 24.59 28877.64

140 244.20 20.59  12.20  32.78  26.00 0.00 16.33 1927.17

 

The  exergoeconomic  analysis  is  not  included  in  the  reference  IGCC  case;  the 

investment  costs  kZ   of  the  components are  calculated by economic analysis. The 

fuel  cost  (here  is  coal  at 1.3 $/GJ)  and  the purchased equipment  cost of different 

equipments  is quoted  from  the case 6‐Shell  IGCC power plant with CO2 capture of 

the  final report of cost and performance baseline  for  fossil energy plants volume 1 

Page 97: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

83  

(2013,  Revision  2a).  The  total  revenue  requirement method  introduced  in  section 

3.2.2  is applied  for economic analysis of  the  IGCC power plant, and  the  results are 

presented in Appendix C. 

 

Table 5.12 Selected results of exergoeconomic analyses at component level 

cF cP CD Z CD+Z f rComponent [$/GJ] [$/GJ] [$/h] [$/h] [$/h] [%] [%]

CoalPrepareUnit 56.49 965.32 1005.4 12632.582  13637.982 92.63  1608.83 

Gasifier 965.32 1950.6 6108.5 7.591  6116.091 0.12  102.07 

ASU 24.4 295.016 2486.7 9794.174  12280.874 79.75  1109.08 

CM1 O2  24.4 43.65 42.9 253.718  296.618 85.54  78.89 

CM1 N2  24.4 48.49 12.7 127.695  140.395 90.95  98.75 

Syngas Cooler HP  18.876 28.14 3433.21 893.562  4326.772 20.65  49.08 

Syngas Cooler IP  18.876 24.91 86.16 59.236  145.396 40.74  31.97 

Scrubber  ‐  ‐  586.6  586.6 100.0  ‐ 

WGS HT  0.8136  1.169  144.62 752.553  897.173 83.88  43.68 

Evaporator  37.7 44.7 1103.85 430.071  1533.921 28.04  18.57 

WGS LT  0.4316 0.927 16.41 376.276  392.686 95.82  114.78 

Heater  37.7 77.1 1951.04 752.479  2703.519 27.83  104.51 

AGR  ‐  ‐  15773.96  15773.956 100.0  

Saturator  239.57 314.95 2840.3 1173.2  4013.5 29.23  31.46 

Compressor  13.9 16.92 1356.3 4174.088  5530.388 75.48  21.73 

CC  3.66 5.47 4388.85 2608.805  6997.655 37.28  49.45 

GT  12.486 13.9 2248.4 3652.327  5900.727 61.90  11.32 

HPSH1  12.486 15 85.48 230.553  316.033 72.95  20.13 

HPSH2  12.486 15.44 272.2 344.42  616.62 55.86  23.66 

IPSH1  12.486 15.3 298.1 547.728  845.828 64.76  22.54 

IPSH2  12.486 18.9 0.25 3.917  4.167 94.00  51.37 

IPSH3  12.486 19.2 167.3 349.259  516.559 67.61  53.77 

IPEVAP        12.486 17.68 614.4 934.781  1549.181 60.34  41.60 

Preheater IP  12.486 16.2 219.73 148.285  368.015 40.29  29.75 

LPSH  12.486 23.33 12.96 32.192  45.152 71.30  86.85 

LPEVAP  12.486 19.95 264.24 414.274  678.514 61.06  59.78 

Preheater LP  12.486 19.98 2.81 12.196  15.006 81.27  60.02 

Economizer  12.486 30.22 101.94 57.973  159.913 36.25  142.03 

Turbine HP  28.34 30.125 374.77 169.253  544.023 31.11  6.30 

Turbine IP  25.43 27.3 528.75 428.691  957.441 44.77  7.35 

Turbine LP  26 28.74 929.82 636.242  1566.062 40.63  10.54 

Total  1.3 24.4 40806.6 77767.9  118574.6 65.59  1776.92 

 

Page 98: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

84  

5.2.4Erroranalyses

5.2.4.1Energeticanalysis

The relative errors of the enthalpy results of 21 points in the rectangular coordinate 

which represent 21 streams in Table 5.7 expect coal are slight. The overall accuracy is 

higher than Figure 5.1, which means the enthalpy results of the working fluids from 

the program are more closed to the values from Aspen Plus than that from Ebsilon 

Professional.  For  the entropy  results, only point 17  to point 21  that  represent  the 

water and  steam  streams  in Table 5.7 are  compared. The entropy  results of water 

from the reference paper is obtained by EES, which are also calculated based on the 

steam table IAPWS‐97, resulting in the same outcome with the program. The relative 

errors of most supplied and generated work from Table 5.8 are among ‐2% to +2%. 

 

 

Figure 5.6 Relative errors of energetic results of the IGCC case 

 

5.2.4.2Exergeticanalysis

22  streams  in  Table  5.9  are  taken  into  consideration;  the  relative  errors  of  the 

chemical, physical and total exergies are shown in Figure 5.7. The deviations of most 

‐0.08

‐0.06

‐0.04

‐0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021

href [kJ/kg]

sref [kJ/kg]

h [kJ/kg]

s [kJ/kg]

Wref [MW]

W [MW]

Page 99: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

85  

points  are within  the  range of ±1%  so  that  the exergy estimate of  the program  is 

satisfactory. Point 1 has  the biggest deviation  since  the  coal properties  calculation 

method discussed in Section 4.3.2 is an approximate approach. 

 

 

Figure 5.7 Relative errors of exergies of the IGCC case 

 

5.2.4.3Exergoeconomicanalysis

Without the  information of exergoeconomic analysis from reference paper, no error 

analysis  is performed  to  the  IGCC case. But  through Table 5.10 and 5.13,  it can be 

seen that the total exergy efficiency of the IGCC power plant is 0.333, the net power 

output  is  824.74MW  and  the  specific  cost  of  the  output  electricity  is  24.4  $/GJ, 

implying the general performance obtained from the exergetic, and exergoeconomic 

analysis is appropriate. 

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

0.01

0.02

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

EPH‐Ref [MW] ECH‐Ref [MW] Etot‐Ref [MW]

EPH [MW] ECH [MW] Etot [MW]

Page 100: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

86  

5.3Simplerefrigerationmachine

A  simple  compression  refrigeration  machine  system  from  the  reference  paper 

(Morosuk  T,  Tsatsaronis  G,  2007)  is  implemented  here  without  the  advanced 

exergoeconomic analysis. The process  flow diagram  is  shown  in Appendix A.3, and 

the results of the numerical analysis are presented in Table 5.13‐5.17. 

5.3.1Energeticanalysis

R717 (Ammonia or NH3) is used as the refrigerant in the refrigeration machine of the 

reference, only the thermal properties of gas phase of R717 can be calculated with 

Table 4.7, the liquid phase, and saturated line are calculated in this program based on 

the thermal properties of critical state and the method from the literature (Chen Z S, 

Cheng W L, Hu P, 2001, 2003). 

 

Table 5.13 Selected thermal results of the refrigeration machine 

No. Mass

[kg/s]

Working

fluid

T

[K]

P

[bar]

h

[kJ/kg]

s

[kJ/kg]

h

[kJ/kg]

s

[kJ/kg]

Fromthereference Fromtheprogram

1  0.09186 R717  248.15  1.51  1430  5.981  1430  5.979 

2  0.09186 R717  426.15  11.67  1810  6.166  1829  6.194 

3  0.09186 R717  303.15  11.67  341.6  1.488  343.7  1.499 

4  0.09186 R717  248.15  1.51  341.6  1.594  343.7  1.601 

6  6.45 Water  293.15  1 83.93  0.296  84.01  0.296 

7  6.45 Water  298.15  1 104.8  0.367  104.9  0.367 

8  9.942  Air  268.15  1  268.3  6.757  ‐30.35  6.782 

9  9.942  Air  258.15  1  258.2  6.719  ‐40.46  6.743 

 

As  the  comparison  in  Table  5.13,  the  thermal  results  of  the  program  are 

acceptable for energetic analysis.   

5.3.2Exergeticanalysis

In  the  reference paper,  in order  to define appropriate exergetic efficiencies  for  the 

Page 101: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

87  

components, the physical exergy associated with each material stream are split  into 

its thermal and mechanical parts. But in this program, this split is not applied and can 

be realized  in the future work. The reference state of exergy‐based analysis for this 

case is 293.15 K and 1 bar. 

 

Table 5.14 The results of exergies for the refrigeration machine 

No Mass[kg/s]

Workin

gfluid

ePH

[kJ/kg]eCH

[kJ/kg]Etot[KW]

ePH

[kJ/kg]eCH

[kJ/kg]Etot[KW]

Fromthereference Fromtheprogram1  0.09186 R717  67.5  19841  1828.8 67.7  19841  1828.8

2  0.09186 R717  393.2  19841  1858.7 403.8  19841  1859.7

3  0.09186 R717  296.1  19841  1849.8 294.5  19841  1849.6

4  0.09186 R717  264.9  19841  1846.9 264.7  19841  1846.9

6  6.45 Water  0  49.9  321.9 0  49.9  321.9

7  6.45 Water  0.176  49.9  323 0.176  49.9  323

8  9.942  Air  1.138  5.2  63 1.142  5.2  63.1

9  9.942  Air  2.285  5.2  74.4 2.296  5.2  74.5

5  work  34.9  36.65 

 

The  chemical exergy of  the  flowing  stream has no  contribution  in  this energy 

system, the exergy fuel and the product exergy in Table 5.15 only associated with the 

physical exergy in Table 5.14. 

 

Table 5.15 Selected exergetic results at the component level 

Exergeticresultsfromtheprogram

EF EP ED Eps yD*

Component [MW] [MW] [MW] [%] [%]

CM  36.65  30.87  5.778  84.24  24.03 

CD  10.04  1.137  8.903  11.33  37.03 

TV  21.57  18.82  2.737  86.85  11.38 

EV  18.10  11.47  6.625  63.39  27.55 

ResultsfromthereferencepaperCM  34.9  29.92  4.981  85.7  22.28 

CD  8.919  1.138  7.781  12.76  34.41 

TV  21.82  18.95  2.868  86.85  12.83 

EV  18.14  11.41  6.721  62.9  30.07 

 

Page 102: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

88  

5.3.3Exergoeconomicanalysis

The  cost  rates  associated with  thermal  and mechanical  exergy  are not  considered 

here too. Instead, the cost rates of physical exergy are calculated in the program, and 

the  fuel  of  the  compression  refrigeration machine  is  the  power  supplied  to  the 

compressor, which is known through the market price of electricity. Here, the price is 

assumed to be 0.1 €/KWh, equal to 27.78 €/GJ. 

 

Table 5.16 The cost rates of selected streams for the refrigeration machine 

Resultsfromtheexergoeconomicanalysisprogram Mass EPH ECH Etot cPH cCH ci Ci

stream [kg/s] [KW] [KW] [KW] [€/GJ] [€/GJ] [€/GJ] [€/GJ]

1  0.09186  67.7  19841  1828.8 59.4  0  0.20  1.33 

2  0.09186  403.8  19841  1859.7 53.32  0  1.06  7.12 

3  0.09186  294.5  19841  1849.6 53.32  0  0.78  5.19 

4  0.09186  264.7  19841  1846.9 59.4  0  0.78  5.20 

6  6.45  0  49.9  321.9 0  0  0.00  0.00

7  6.45  0.176  49.9  323 643.31  0  2.26 2.63

8  9.942  1.142  5.2  63.1 61.617  0  11.09  2.52 

9  9.942  2.296  5.2  74.5 111.28  0  34.08  9.14 

5    34.9      27.78  3.67 

Resultsfromthereferencepaper1  0.09186  67.5  19841  1828.8 60.12  0  0.20  1.34 

2  0.09186  393.2  19841  1858.7 53.51  0  1.04  6.96 

3  0.09186  296.1  19841  1849.8 53.51  0  0.79  5.24 

4  0.09186  264.9  19841  1846.9 60.12  0  0.79  5.27 

6  6.45  0  49.9  321.9 0  0  0.00  0.00

7  6.45  0.176  49.9  323 588.34  0  2.07 2.40

8  9.942  1.138  5.2  63 61.617  0  11.06  2.51 

9  9.942  2.285  5.2  74.4 112.37  0  34.31  9.19 

5    34.9      27.78  3.49 

 

The cost rates of the chemical exergy in Table 5.16 are all 0 because no increase 

or decrease occurs  in chemical exergy form within any of the components. The cost 

rates of the fuel and the product of each component are obtained from the cost rates 

of physical exergy. Different  from the other two power plants discussed above, the 

condenser  and  the  throttling  valve  in  this  case  are  considered  to  be  productive 

Page 103: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

89  

components, and the exergoeconomic variables of them are compared in Table 5.17. 

 

Table 5.17 Selected results of exergoeconomic analyses at component level 

Resultsfromtheexergoeconomicanalysisprogram

cF cP CD Z CD+Z f rComponent [€/GJ] [€/GJ] [€/h] [€/h] [€/h] [%] [%]

CM  27.78  52.098  0.558  2.125  2.703  78.6  87.5 

CD  53.32  643.31  1.709  0.707  2.416  29.3  1106 

TV  52.13  59.838  0.514  0.0068  0.5204  1.31  14.8 

EV  59.40  160.44  1.417  2.756  4.173  66.0  170 

Resultsfromthereferencepaper

CM  27.78  51.581  0.489  2.125  2.623  81.0  90 

CD  52.86  588.34  1.481  0.707  2.188  32.3  1013 

TV  52.13  59.356  0.538  0.0068  0.5448  1.25  13.86 

EV  60.12  76.864  1.456  2.756  4.212  65.4  170 

 

5.3.4Erroranalyses

5.3.4.1Energeticanalysis

Figure 5.8 shows that the biggest relative error of enthalpy and entropy for 8 streams 

in Table 5.13  is only 1%.  It demonstrates that the program  is also adaptable to the 

cooling system, and the accuracy is much higher than the combined cycle system and 

the  IGCC power plant. Of  course,  the primary  reason  for  the  improvement of  the 

precision  is  probably  because  the  complexity  of  the  system.  The  point  2  on  the 

horizontal ordinate of the biggest relative error  is the R717  in the supercooled area 

suggests that the thermal properties evaluation of ammonia  in supercooled area  in 

the program has some distinction with the reference paper. 

 

Page 104: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

90  

 

Figure 5.8 Relative errors of energetic results for the compression refrigeration 

machine 

5.3.4.2Exergeticanalysis

The relative deviations of the physical exergy are similar to errors of the enthalpy in 

Figure 5.8. Moreover, the errors of the exergetic parameters at the component level 

from  Table 5.15  are  illustrated  in  Figure 5.9.  Since  the  simple  refrigeration  system 

only has  four  components,  the  relative error of  the point 2,  i.e.,  the  condenser,  is 

significantly affected by the  incoming stream that  is the stream 2  in Table 5.16 and 

also is the point 2 with the biggest relative errors in Figure 5.8. 

 

 

Figure 5.9 Relative errors of exergetic results for the refrigeration machine 

 

‐0.002

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

1 2 3 4 5 6 7 8

href [kJ/kg]

sref [kJ/kg]

h [kJ/kg]

s [kJ/kg]

‐0.15

‐0.1

‐0.05

0

0.05

0.1

0.15

1 2 3 4

Ef‐REF [KW]

Ep‐REF [KW]

Eps‐REF %

Ef [KW]

Ep [KW]

Eps %

Page 105: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

91  

5.3.4.3Exergoeconomicanalysis

In  Figure  5.10,  the  fuel  and  the  product  cost  rates  of  four  components  are 

approximate except the product cost rates of the condenser. For the condenser, the 

large amount of deviation of the fuel exergy and minuscule difference of the product 

exergy  in Figure 5.9 results  in the significant  increase  in the product cost rates. The 

origin of  this variation can be  traced back  to  the  thermodynamic data of  the R717 

stream at  the  inlet of  the condenser  (the point 2  in Figure 5.8).  It  reveals  that  the 

deviations are exaggerated during the entire exergy‐based analysis. 

 

   

Figure 5.10 Relative errors of the exergoeconomic results for the refrigeration 

machine 

 

‐0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

1 2 3 4

cf‐ref  (€/GJ)

cp‐ref (€/GJ)

cf  (€/GJ)

cp (€/GJ)

Page 106: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

92  

6.Conclusion

In this dissertation, a computer program for the exergoeconomic analysis of energy 

conversion systems has been developed based on the SPECO method. The input data 

pretreatment functions of the thermal properties calculation part and the exergetic 

analysis of considered energy systems have been realized too. Three typical energy 

systems  have  been  introduced  to  examine  whether  the  program  is  running 

appropriately  or  not.  And  the  results  of  the  calculation  from  the  program  are 

inspected and compared with the values from the reference papers  in Chapter 5. A 

combined cycle power plant with the most comprehensive results of each step of the 

whole  exergoeconomic  analysis  is  primarily  used  to  find  out  the  accuracy  of  the 

program output data  step by  step. The  IGCC power plant with CO2 capture case  is 

focused on the capability of handling complicated systems and the exergoeconomic 

analysis  with  separated  exergy  forms.  The  last  simple  compression  refrigeration 

machine is aimed at the exergy‐based calculation when the operating temperature is 

lower  than  the  environment  temperature.  A  short  summary  of  the  results  of  the 

energetic analysis, the exergetic analysis and the exergoeconomic analysis for three 

different cases are presented below, respectively. 

6.1EnergeticAnalysis

The energetic analysis is always the first procedure of an exergoeconomic analysis for 

energy conversion systems. The results of this part from the reference paper are all 

coming  from  the commercial popular simulation software with very high precision. 

As  already  discussed  in  Chapter  5,  the  results  of  the  exergetic  analysis  and  the 

exergoeconomic  analysis  are  significantly  influenced  by  the  outcomes  of  the 

energetic analysis. Seen the relative error analysis for the three considered systems, 

the average  relative deviation of  the common gases  is 1.05%  for  the enthalpy and 

0.92% for the entropy, and completely no difference occurs for the water and steam 

flows. But the comparison of the energetic results sometimes is inconvenient due to 

Page 107: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

93  

the distinct reference state of different simulation software. Hence,  the contrast of 

exergy values of each material stream is more intuitively clear. 

6.2Exergeticanalysis

The physical exergies of  the working  fluids are directly  related  to  the enthalpy and 

entropy, and the average relative deviation of the total exergy of 67 streams in Table 

A.1.3 that belong to the combined cycle power plant is 0.56%. Similarly, the average 

relative deviation of the total exergy of 151 streams in Table A.2.1 from the IGCC case 

is  0.86%.  The  sample  of  the  compression  refrigeration machine  is  too  small;  the 

average  deviation  is  pointless,  and  the  relative  errors  of  each  stream  have  been 

presented  in Section 5.3.4.2. All  the exergetic variables at  the component  level are 

derived  from  the  exergy  of  streams  and  the  component  models;  the  errors  are 

enlarged among the numerical calculation. Take the combined cycle power plant for 

example;  the average  relative deviations of  the  fuel and product exergies of  these 

flows basically remain steady, which are 0.89% and 0.59% separately. As a result, the 

average  relative  deviation  of  the  exergetic  efficiency  is  1.25%;  however,  for  the 

exergy  destructions  this  value  is  greatly  increased  to  14.2%.  But  for  a  general 

estimate  of  energy  conversion  systems  by  the  exergy‐based  analysis,  what  the 

researcher concerned is that which components are the most inefficient facilities and 

with  the  highest  exergy  destructions  rather  than  the  true  value  of  the  exergy 

destruction.  Figure  6.1  shows  that  the  point  1,  2,  3  and  16  represented  air 

compressor,  combustion  chamber, gas  turbine and  low‐pressure  steam  turbine are 

the most  influential equipment  in the combined cycle power plant. This conclusion 

can  be  acquired  from  both  exergy  destruction  results  in  Figure  6.1  even  a  big 

variation  exists.  Consequently,  the  errors  of  exergy  destructions  do  not  affect  the 

implementation of  the program, and  it  can be  significantly  improved by modifying 

the calculation method of thermal properties of substances in the future.   

 

Page 108: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

94  

 

Figure 6.1 Exergy destructions of primary components of the combined cycle power 

plant 

 

Although  the definition of  the exergetic efficiency of  the  IGCC power plant  is 

adjusted and formulated by physical and chemical exergy instead of total exergy, the 

degree of accuracy remains unchanged no matter which kind of exergy form is used. 

The exergy calculation of the refrigerant R717 and the exergetic analysis of the third 

refrigeration machine case are appropriate only the precision of super cooling area of 

the refrigerant should be improved. 

6.3Exergoeconomicanalysis

The average relative error for the fuel cost rates of the combined cycle is 1.23% that 

is a little bit expanded than the fuel exergy but acceptable. For the product cost rates, 

the mean  value  is  about  0.54%  for  the  compressor,  combustion  chamber  and  gas 

turbine  but  grows  to  6.75%  for  other  components  as  a  result  of  the  different 

definitions of the product for the low pressure economizer. A detailed explanation is 

in Section 5.1.4.3. The exergoeconomic analysis for the  IGCC case can’t compare to 

any  reference  data,  but  the  correctness  of  the  calculation  still  can  be  roughly 

confirmed  because  the  cost  balance  for  the  overall  system  is  fulfilled,  the  total 

exergetic efficiency and the cost rate of electricity are in the reasonable range. It also 

0

50

100

150

200

250

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Ed‐REF [MW] Ed [MW]

Page 109: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

95  

can be proved by the refrigeration machine case since the cost rate of physical exergy, 

and  chemical  exergy  are  split  too.  The  average  relative  deviation  of  the  physical 

exergy  cost  of  9  streams  is  1.5%.  For  the  fuel  and  the  product  cost  rates  at  the 

component  level, the difference  is  less than 1%. The cost rates associated with the 

exergy  destruction  is  similar  to  the  exergy  destruction;  big  errors  exist,  but  the 

components that have ultimate cost associated with the inefficient is the same. 

6.4Summaryandfuturework

In general, the program provides a fast way to apply the exergoeconomic analysis to 

common energy conversion systems.  It can read text files or Excel files as the  initial 

data input of exergoeconomic analysis that makes the connection to other simulation 

software easier and more flexible. It also reveals that the exergoeconomic accounting 

method, especially the SPECO approach, is suitable and convenient to be realized by 

a  computer  program. When  complex  systems  are  considered  and  the  separated 

exergy forms are used, the exergoeconomic analysis with the program will save more 

times for the researchers.   

The  precision  of  the  parameters  that  are  directly  obtained  from  the  thermal 

properties database is highest while the degree of the accuracy drops quickly for the 

exergetic  and  exergoeconomic  variables  that  are  indirectly  gained  through  other 

calculated  results.  Therefore,  the  average  relative  errors  of  the  enthalpy,  entropy, 

exergy and specific cost for each material flow similar to the average relative errors 

of  the  fuel  exergy,  the  product  exergy  and  the  cost  rates  associated  with  these 

exergies for the component are all below 1.5%. However, the exergy destruction and 

other variables bound up with the exergy destruction are not very precise. But as has 

been  discussed  above,  this  inaccuracy  does  not  prevent  the  researchers  from 

acquiring  correct  conclusions  of  the  exergy‐based  analyses.  Consequently,  the 

program is suitable for a probable evaluation to an energy conversion system. 

Nonetheless, for numerical analysis and process simulation, the precision is the 

higher,  the  better.  The  accuracy  of  the  program  can  be  significantly  improved  by 

Page 110: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

96  

using a more accurate equation of state, more comprehensive substances databases 

or better approach for liquid and solid phase. 

Simultaneously, the library of the components exergoeconomic models need to 

be  extended  by  more  specialized  equipment  and  components  with  chemical 

reactions so that the program can be applied to the much larger scope. Perhaps, the 

user‐defined component function is another possibility. 

In addition, splitting the physical exergy into the thermal exergy and mechanical 

exergy  also  can  be  achieved  by  some  modification  works  in  the  future.  The 

exergoenvironmental  analysis  has  identical  procedure  with  the  exergoeconomic 

analysis, the only distinguish is that the input data of investment cost  kZ   should be 

instead by  the environmental  impact  kY   and  the cost  rate  iC   will be changed  to 

the impact rate  iB . 

Finally, the program for now is still a fundamental trial edition; there are a lot of 

works to accomplish it. 

   

Page 111: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

97  

AppendixA

Flowchartsandsimulationresultsofthisprogramandthe

referencepaper

Page 112: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

98  

A.1Thecombinedcyclepowerplant

 

Page 113: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

99  

Table A.1.1 Results at component level for the combined cycle power plant from the program 

EF EP ED Eps yD* cF cP CD Z CD+Z f rComponent (MW) (MW) (MW) (%) (%) (€/GJ) (€/GJ) (€/h) (€/h) (€/h) (%) (%)Compressor 240.00 230.46 9.58 96.0 1.31 16.97 19.39 585.2 1423 2008 70.9 14.3

CC 725.43 505.78 219.65 69.7 30.14 9.23 13.79 7297.5 1017 8314 12.2 49.5 GT 538.16 526.00 12.17 97.7 1.67 15.69 16.97 689.6 1627 2317 70.2 7.8

Reheater 26.10 23.89 2.21 91.5 0.30 15.69 18.49 125.2 111 236 47.0 17.4 HPSH 34.58 31.72 2.86 91.7 0.39 15.69 18.55 162.1 158 320 49.4 17.8

HPEVAP 43.21 39.91 3.30 92.3 0.45 15.69 18.33 187.1 185 372 49.7 16.4 HPECON 28.69 24.91 3.77 86.8 0.52 15.69 19.12 213.9 89 303 29.4 21.5

IPSH 0.18 0.12 0.05 69.6 0.01 15.69 31.63 3.1 4 7 55.2 126.1 IPEVAP 6.05 5.67 0.38 93.7 0.05 15.69 19.99 23.8 65 89 73.2 32.8 IPECON 1.05 0.87 0.18 83.2 0.02 15.69 20.52 10.2 5 15 33.5 44.2

LPSH 1.41 1.04 0.37 73.9 0.05 15.69 26.36 21.0 19 39 46.6 89.3 LPEVAP 18.84 15.48 3.36 82.2 0.46 15.69 22.28 195.4 174 368 46.9 56.4 LPECON 11.32 7.71 3.61 68.1 0.50 15.69 26.48 208.5 93 301 30.8 99.2

HPST 31.29 29.92 1.37 95.6 0.19 19.24 21.81 152.9 182 318 52.0 18.3 IPST 37.39 36.11 1.28 96.6 0.18 19.21 22.46 157.4 329 457 65.6 20.7 LPST 70.99 62.91 8.08 88.6 1.11 20.09 26.04 734.3 764 1431 48.7 37.2

Cond. Pump 0.04 0.04 0.00 92.2 0.00 20.00 77.01 0.7 7 8 91.0 310.0 HP Pump 1.04 0.96 0.09 91.8 0.01 20.00 33.40 11.7 40 50 76.6 81.4 IP Pump 0.02 0.02 0.01 77.4 0.00 20.00 141.45 0.7 8 8 91.0 614.6 LP Pump 0.00 0.00 0.00 84.9 0.00 20.00 466.60 0.1 3 2 97.3 1858.4 Deaerator 0.56 0.53 0.03 95.4 0.00 22.90 38.04 2.3 28 28 92.0 61.6

Mixer 1 1.81 1.63 0.18 90.1 0.02 19.21 21.33 12.9 0 13 0.0 12.2 Mixer 2 0.63 0.58 0.04 92.9 0.01 19.24 20.70 3.2 0 3 0.0 21.2 Mixer 3 0.18 0.18 0.00 99.9 0.00 15.74 15.76 0.0 0 0 0.0 0.1

Condenser 12.43 - 7.53 - 1.03 20.69 - 946.4 91 1032 8.3 - Total 728.77 414.90 293.47 56.93 40.27 9.2 20.52 9720 6519 16513 39.4 124.4

Page 114: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

100  

Table A.1.2 Results at component level for the combined cycle power plant from the reference paper 

EF EP ED Eps yD* cF cP CD Z CD+Z f rComponent (MW) (MW) (MW) (%) (%) (€/GJ) (€/GJ) (€/h) (€/h) (€/h) (%) (%)Compressor 242.68 231.30 11.38 95.3 1.56 16.9 19.5 693 1423 2116 67.3 15.0

CC 729.62 508.76 220.87 69.7 30.23 9.2 13.7 7276 1017 8293 12.3 49.5 GT 551.15 530.67 20.47 96.3 2.8 15.5 16.9 1140 1627 2766 58.8 9.4

Reheater 26.47 23.89 2.58 90.3 0.35 15.5 19.4 143 111 255 43.7 25.4 HPSH 35.07 31.72 3.35 90.5 0.46 15.5 19.4 186 158 344 45.8 25.6

HPEVAP 43.64 39.91 3.73 91.5 0.51 15.5 19.0 207 185 392 47.1 23.1 HPECON 28.92 24.91 4.00 86.2 0.55 15.5 20.4 223 89 312 28.6 31.8

IPSH 0.18 0.12 0.06 69.0 0.01 15.5 35.4 3 4 7 56.3 128.8 IPEVAP 6.10 5.67 0.38 92.9 0.06 15.5 20.5 24 65 90 73.1 32.8 IPECON 1.06 0.87 0.19 82.5 0.03 15.5 22.3 10 5 16 33.4 44.2

LPSH 1.43 1.04 0.38 73.3 0.05 15.5 29.5 21.0 19 41 47.7 90.9 LPEVAP 19.03 15.48 3.55 81.4 0.49 15.5 24.2 197 174 372 46.9 56.4 LPECON 11.49 7.71 3.78 67.1 0.52 15.5 30.8 211 93 304 30.7 99.3

HPST 31.29 29.18 2.11 93.2 0.29 20.3 24.2 155 182 336 54.0 18.9 IPST 37.39 35.21 2.18 94.2 0.3 20.3 24.7 159 329 488 67.4 21.7 LPST 70.99 61.35 9.64 86.4 1.32 21.4 29.7 743 764 1508 50.7 38.5

Cond. Pump 0.04 0.04 0.01 78.8 0.00 20.00 84.2 1 7 8 91.3 321.6 HP Pump 1.12 0.96 0.17 85.3 0.02 20.00 36.7 12 40 52 77.3 83.8 IP Pump 0.03 0.02 0.01 65.3 0.00 20.00 147.4 1 8 8 91.4 637.6 LP Pump 0.00 0.00 0.00 67.2 0.00 20.00 406.5 0 3 3 97.4 1934.4 Deaerator 0.56 0.53 0.03 95.4 0.00 25.1 41.2 2 28 30 92.4 64.3

Mixer 1 1.81 1.63 0.18 90.1 0.02 20.3 22.8 13 0 13 0.0 12.2 Mixer 2 0.63 0.58 0.04 92.9 0.01 20.3 24.7 3 0 3 0.0 21.3 Mixer 3 0.18 0.18 0.00 99.9 0.00 15.5 15.5 0.0 0 0 0.0 0.1

Condenser 12.43 - 9.24 - 1.26 21.4 - 712 91 803 11.3 - Total 730.58 412.54 300.41 56.5 41.12 9.2 20.6 9897 6519 16416 39.7 124.8

Page 115: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

101  

Table A.1.3 Results at stream level for the combined cycle power plant 

from the program 

Stream jm jT jP jPHE , jCHE ,

jtotE , jc jC

j (kg/s) (°C) (bar) (MW) (MW) (MW) (€/GJ) (€/h)1 614.50 15.00 1.01 0.00 1.10 1.10 0.00 0.00 2 614.50 392.90 17.00 230.13 1.10 231.24 19.10 15900.00 3 14.00 15.00 50.00 8.15 719.51 727.66 9.20 24100.00 4 628.50 1264.03 16.49 715.55 8.3 723.85 15.69 40886.00 5 628.50 580.64 1.06 179.16 8.3 187.46 15.69 10589.00 6 268.50 580.64 1.06 76.54 3.55 80.09 15.69 4524.00 7 268.50 447.61 1.05 50.54 3.55 54.09 15.69 3055.00 8 360.00 580.64 1.06 102.62 4.75 107.37 15.69 6065.00 9 360.00 449.30 1.05 68.18 4.75 72.93 15.69 4119.00

10 628.50 448.58 1.05 118.72 8.3 127.02 15.69 7175.00 11 628.50 341.18 1.04 75.67 8.3 83.97 15.69 4743.00 12 628.50 257.92 1.04 47.08 8.3 55.38 15.69 3128.00 13 628.50 257.35 1.04 46.91 8.3 55.21 15.69 3118.00 14 628.50 237.62 1.04 40.88 8.3 49.18 15.69 2778.00 15 628.50 234.08 1.04 39.83 8.3 48.13 15.69 2719.00 16 628.50 229.27 1.04 38.42 8.3 46.72 15.69 2639.00 17 628.50 156.37 1.03 19.65 8.3 27.94 15.69 1578.00 18 628.50 95.34 1.03 8.36 8.3 16.66 15.69 941.00 19 94.60 32.89 3.73 0.24 0.24 0.47 20.45 34.00 20 94.60 135.62 3.62 7.95 0.24 8.18 24.01 707.00 21 95.40 140.01 3.62 8.55 0.24 8.79 24.68 781.00 22 72.40 140.01 3.62 6.49 0.18 6.67 24.68 593.00 23 7.20 140.01 3.62 0.65 0.02 0.67 24.68 60.00 24 7.20 140.49 25.13 0.67 0.02 0.69 26.84 67.00 25 7.20 216.62 24.38 1.54 0.02 1.56 24.01 135.00 26 7.20 222.62 24.38 7.21 0.02 7.23 20.97 546.00 27 7.20 237.92 23.16 7.33 0.02 7.35 21.21 561.00 28 72.40 305.14 23.16 79.35 0.18 79.53 19.45 5568.00 29 72.40 560.64 22.00 103.24 0.18 103.42 19.23 7160.00 30 72.40 317.23 4.10 65.85 0.18 66.03 19.23 4571.00 31 22.10 214.08 4.10 17.95 0.06 18.01 22.88 1484.00 32 22.10 146.37 4.32 16.91 0.06 16.96 22.69 1386.00 33 0.80 146.37 4.32 0.63 0.00 0.63 22.69 52.00 34 23.00 140.01 3.62 2.06 0.06 2.12 26.81 205.00 35 23.00 140.02 4.32 2.06 0.06 2.12 27.06 207.00 36 23.00 146.37 4.32 17.54 0.06 17.60 22.70 1438.00 37 65.20 140.01 3.62 5.84 0.16 6.01 26.81 580.00 38 65.20 141.75 134.56 6.80 0.16 6.96 27.63 693.00 39 65.20 325.17 130.53 31.72 0.16 31.88 21.01 2411.00 40 65.20 331.17 130.53 71.63 0.16 71.79 19.58 5060.00 41 65.20 560.64 124.00 103.35 0.16 103.51 19.25 7173.00 42 65.20 313.21 23.16 72.06 0.16 72.22 19.25 5005.00 43 94.60 293.03 4.10 83.62 0.24 83.86 20.03 6047.00 44 94.60 32.88 0.05 12.63 0.24 12.87 20.03 928.00 45 94.60 32.88 0.05 0.20 0.24 0.44 20.03 32.00 46 5177.40 15.00 1.01 0.00 8.06 8.06 0.00 0.00 47 135.60 15.00 1.01 0.00 0.34 0.34 0.00 0.00 48 74.00 16.00 1.01 0.00 0.18 0.19 0.00 0.00 49 5239.00 22.88 1.01 1.84 7.52 9.36 0.00 0.00 50 7396.20 22.88 1.33 3.51 18.47 21.98 ‐ ‐ 51 7396.20 16.00 1.01 0.05 18.47 18.53 ‐ ‐ 52 7396.20 16.00 1.37 0.32 18.47 18.80 ‐ ‐ 53 14.00 15.00 17.00 5.90 719.51 725.41 ‐ ‐ 54 498.50 392.90 17.00 186.69 0.89 187.59 ‐ ‐ 55 512.50 1435.04 16.49 681.78 9.43 691.21 ‐ ‐ 56 116.00 392.90 17.00 43.44 0.21 43.65 ‐ ‐ 57 116.00 392.90 16.49 43.15 0.21 43.36 ‐ ‐ 58 ‐ ‐ ‐ ‐ C1 239.14 16.97 14610.00 59 ‐ ‐ ‐ ‐ ST1 29.92 21.81 2349.00 60 ‐ ‐ ‐ ‐ ST2 36.11 22.46 2920.00 61 ‐ ‐ ‐ ‐ ST3 62.91 26.04 5897.00 62 ‐ ‐ ‐ ‐ COND P 0.04 20.00 3.00 63 ‐ ‐ ‐ ‐ LPP 0.00 20.00 0.00 64 ‐ ‐ ‐ ‐ HPP 1.04 20.00 75.00 65 ‐ ‐ ‐ ‐ IPP 0.03 20.00 2.00 66 ‐ ‐ ‐ ‐ GT1 284.00 16.97 17350.00 67 ‐ ‐ ‐ ‐ tot 413.45 20.00 29768.00

 

 

Page 116: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

102  

Table A.1.4 Results at stream level for the combined cycle power plant 

from the reference paper 

Stream jm jT jP jPHE , jCHE ,

jtotE , jc jC

j (kg/s) (°C) (bar) (MW) (MW) (MW) (€/GJ) (€/h)1 614.50 15.00 1.01 0.00 0.96 0.96 0.00 0.00 2 614.50 392.90 17.00 231.30 0.96 232.25 19.40 16198.00 3 14.00 15.00 50.00 8.15 721.47 729.62 9.20 24037.00 4 628.50 1264.03 16.49 735.74 5.27 741.01 15.50 41252.00 5 628.50 580.64 1.06 184.60 5.27 189.87 15.50 10570.00 6 268.50 580.64 1.06 78.86 2.25 81.11 15.50 4515.00 7 268.50 447.61 1.05 52.39 2.25 54.64 15.50 3042.00 8 360.00 580.64 1.06 105.73 3.02 108.75 15.50 6054.00 9 360.00 449.30 1.05 70.66 3.02 73.68 15.50 4102.00

10 628.50 448.58 1.05 123.05 5.27 128.33 15.50 7144.00 11 628.50 341.18 1.04 79.42 5.27 84.69 15.50 4715.00 12 628.50 257.92 1.04 50.50 5.27 55.77 15.50 3105.00 13 628.50 257.35 1.04 50.32 5.27 55.59 15.50 3095.00 14 628.50 237.62 1.04 44.22 5.27 49.49 15.50 2755.00 15 628.50 234.08 1.04 43.16 5.27 48.43 15.50 2696.00 16 628.50 229.27 1.04 41.74 5.27 47.01 15.50 2617.00 17 628.50 156.37 1.03 22.71 5.27 27.98 15.50 1558.00 18 628.50 95.34 1.03 11.22 5.27 16.49 0.00 0.00 19 94.60 32.89 3.73 0.24 0.24 0.47 26.10 44.00 20 94.60 135.62 3.62 7.95 0.24 8.18 30.60 900.00 21 95.40 140.01 3.62 8.55 0.24 8.79 31.10 986.00 22 72.40 140.01 3.62 6.49 0.18 6.67 31.10 748.00 23 7.20 140.01 3.62 0.65 0.02 0.67 31.10 75.00 24 7.20 140.49 25.13 0.67 0.02 0.69 34.40 85.00 25 7.20 216.62 24.38 1.54 0.02 1.56 27.60 155.00 26 7.20 222.62 24.38 7.21 0.02 7.23 22.10 574.00 27 7.20 237.92 23.16 7.33 0.02 7.35 22.30 590.00 28 72.40 305.14 23.16 79.35 0.18 79.53 20.60 5885.00 29 72.40 560.64 22.00 103.24 0.18 103.42 20.30 7553.00 30 72.40 317.23 4.10 65.85 0.18 66.03 20.30 4822.00 31 22.10 214.08 4.10 17.95 0.06 18.01 25.30 1642.00 32 22.10 146.37 4.32 16.91 0.06 16.96 25.10 1531.00 33 0.80 146.37 4.32 0.63 0.00 0.63 25.10 57.00 34 23.00 140.01 3.62 2.06 0.06 2.12 31.10 237.00 35 23.00 140.02 4.32 2.06 0.06 2.12 31.50 240.00 36 23.00 146.37 4.32 17.54 0.06 17.60 25.10 1588.00 37 65.20 140.01 3.62 5.84 0.16 6.01 31.10 674.00 38 65.20 141.75 134.56 6.80 0.16 6.96 31.90 800.00 39 65.20 325.17 130.53 31.72 0.16 31.88 22.90 2628.00 40 65.20 331.17 130.53 71.63 0.16 71.79 20.80 5363.00 41 65.20 560.64 124.00 103.35 0.16 103.51 20.30 7581.00 42 65.20 313.21 23.16 72.06 0.16 72.22 20.30 5290.00 43 94.60 293.03 4.10 83.62 0.24 83.86 21.40 6465.00 44 94.60 32.88 0.05 12.63 0.24 12.87 21.40 992.00 45 94.60 32.88 0.05 0.20 0.24 0.44 21.40 34.00 46 5177.40 15.00 1.01 0.00 8.06 8.06 0.00 0.00 47 135.60 15.00 1.01 0.00 0.34 0.34 0.00 0.00 48 74.00 16.00 1.01 0.00 0.18 0.19 0.00 0.00 49 5239.00 22.88 1.01 1.84 7.52 9.36 0.00 0.00 50 7396.20 22.88 1.33 3.51 18.47 21.98 ‐ ‐ 51 7396.20 16.00 1.01 0.05 18.47 18.53 ‐ ‐ 52 7396.20 16.00 1.37 0.32 18.47 18.80 ‐ ‐ 53 14.00 15.00 17.00 5.90 721.47 727.37 ‐ ‐ 54 498.50 392.90 17.00 187.64 0.78 188.41 ‐ ‐ 55 512.50 1435.04 16.49 704.31 5.80 710.10 ‐ ‐ 56 116.00 392.90 17.00 43.66 0.18 43.84 ‐ ‐ 57 116.00 392.90 16.49 43.37 0.18 43.55 ‐ ‐ 58 ‐ ‐ ‐ ‐ C1 242.68 16.90 14775.00 59 ‐ ‐ ‐ ‐ ST1 29.18 24.20 2542.00 60 ‐ ‐ ‐ ‐ ST2 35.21 24.70 3130.00 61 ‐ ‐ ‐ ‐ ST3 61.35 29.70 6549.00 62 ‐ ‐ ‐ ‐ COND P 0.04 20.00 3.00 63 ‐ ‐ ‐ ‐ LPP 0.00 20.00 0.00 64 ‐ ‐ ‐ ‐ HPP 1.12 20.00 81.00 65 ‐ ‐ ‐ ‐ IPP 0.03 20.00 2.00 66 ‐ ‐ ‐ ‐ GT1 288.00 16.90 17534.00 67 ‐ ‐ ‐ ‐ tot 412.54 20.00 29669.00

 

Page 117: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

103  

A.2TheIG

CCpow

erplan

twithCO

2Cap

ture

 

 

M

5

6

Page 118: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

104  

Table A.2.1 Results at stream level of the IGCC power plant with CO2 capture from the program 

Stream Mass(kg/s)

T(C)

P(bar)

h(kJ/kg)

s(kJ/kgK)

EPH

(MW)

ECH

(MW)

Etot(MW)

c($/GJ)

cPH

($/GJ)

cCH($/GJ)

C($/h)

1  80.0000    15.000  1.013  27227.40  1.273  0.00  2467.62  2467.62  1.30  0.00  1.30  11548.44 2  178.8148    129.592  1.013  ‐175.89  7.276  3.51  4.28  7.79  94.03  56.49  124.88  2637.23 3  76.2105    129.592  1.013  27299.37  1.309  4.37  2350.73  2355.09  3.09  965.32  1.30  26171.75 4  175.0000    250.000  1.100  235.33  7.400  12.82  4.49  17.32  74.23  56.49  124.88  4627.95 5  76.2105    50.000  1.013  27246.79  1.285  0.88  2350.73  2351.61  1.66  965.32  1.30  14071.98 6  257.8000    15.000  1.013  ‐10.15  6.850  0.00  1.53  1.53  0.00  0.00  0.00  0.00 8  196.6900    17.719  1.100  ‐7.65  6.787  1.39  5.05  6.44  161.57  295.02  124.88  3745.53 9  59.8498    17.719  4.450  ‐6.61  6.033  6.65  6.88  13.53  208.48  295.02  124.88  10155.16 10  15.1900    17.719  1.100  ‐7.65  6.787  0.11  0.39  0.50  161.57  295.02  124.88  289.26 11  181.5000    17.719  1.100  ‐7.65  6.787  1.28  4.66  5.94  161.57  295.02  124.88  3456.27 12  175.0000    17.719  1.100  ‐7.65  6.787  1.24  4.49  5.73  161.57  295.02  124.88  3332.49 13  6.5000    17.719  1.100  ‐7.65  6.787  0.05  0.17  0.21  161.57  295.02  124.88  123.78 14  6.5000    276.644  8.000  263.71  6.864  1.66  0.17  1.83  62.39  56.127  124.88  411.42 17  59.8498    104.451  10.000  73.61  6.063  10.93  6.88  17.81  168.88  196.58  124.88  10827.72 18  6.5000    35.000  8.000  10.35  6.258  1.15  0.17  1.32  64.82  56.127  124.88  308.09 19  75.0000    25.000  9.200  105.69  0.367  0.11  3.75  3.86  0.00  0.00  0.00  0.00 20  75.0000    29.594  9.200  124.88  0.431  0.17  3.75  3.92  7.71  174.04  0.00  108.73 21  75.0000    25.000  9.200  105.69  0.367  0.11  3.75  3.86  0.00  0.00  0.00  0.00 22  75.0000    37.106  9.200  156.26  0.533  0.31  3.75  4.06  30.27  391.04  0.00  442.49 23  59.8498    35.000  10.000  9.07  5.874  10.32  6.88  17.20  167.90  196.58  124.88  10397.99 25  6.5000    146.384  20.500  126.23  6.300  1.83  0.17  2.00  61.88  56.126  124.88  444.51 27  59.8498    120.242  21.200  88.57  5.906  14.53  6.88  21.41  143.61  152.48  124.88  11069.63 28  75.0000    25.000  9.200  105.69  0.367  0.11  3.75  3.86  0.00  0.00  0.00  0.00 29  75.0000    27.144  9.200  114.65  0.397  0.14  3.75  3.89  2.39  66.57  0.00  33.43 30  6.5000    35.000  20.500  10.35  5.979  1.68  0.17  1.84  62.35  56.126  124.88  413.80 31  67.2000    25.000  9.200  105.69  0.367  0.10  3.36  3.46  0.00  0.00  0.00  0.00 32  67.2000    40.122  9.200  168.86  0.574  0.35  3.36  3.70  35.36  378.63  0.00  471.28 33  59.8498    35.000  21.200  9.07  5.678  13.70  6.88  20.58  143.25  152.48  124.88  10612.24 35  6.5000    154.872  56.000  135.10  6.022  2.41  0.17  2.57  60.46  55.986  124.88  559.92 37  59.8498    120.554  45.000  88.86  5.711  17.92  6.88  24.80  126.42  127.01  124.88  11285.45 38  9.7626    1549.978  40.000  ‐10526.60  2.680  12.56  4.63  17.19  10.03  13.25  1.30  620.49 39  9.7626    349.000  40.000  ‐12100.44  1.337  0.97  4.63  5.60  3.37  13.25  1.30  67.91 40  250.0000    15.000  1.013  63.08  0.224  0.00  12.49  12.49  0.00  0.00  0.00  0.00 41  250.0000    70.000  1.013  293.08  0.955  4.88  12.49  17.36  9.50  33.83  0.00  593.77 42  135.6322    1549.978  40.000  ‐1268.42  10.460  282.73  1648.68  1931.41  6.44  17.25  4.59  44777.74 43  156.3294    288.307  41.000  ‐3347.17  8.533  87.72  1900.27  1987.99  5.25  19.59  4.59  37560.89 44  291.9618    900.000  40.000  ‐2371.27  9.714  349.41  3548.96  3898.37  5.87  18.88  4.59  82338.67 45  291.9618    315.800  40.000  ‐3304.85  8.617  169.14  3548.96  3718.10  5.24  18.88  4.59  70088.78 46  291.9618    280.000  40.000  ‐3359.92  8.520  161.18  3548.96  3710.14  5.21  18.88  4.59  69547.74 47  291.9618    280.030  39.310  ‐3359.86  8.527  160.59  3548.96  3709.54  5.21  18.95  4.59  69547.74 48  156.3294    280.030  39.310  ‐3360.08  8.528  86.00  1900.27  1986.27  5.21  18.94  4.59  37239.38 50  135.6324    280.030  39.310  ‐3359.87  8.527  74.60  1648.69  1723.29  5.21  18.94  4.59  32308.36 

Page 119: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

105  

51  149.3656    141.170  38.966  ‐4456.66  8.351  72.06  1649.89  1721.95  5.19  18.94  4.59  32154.69 52  21.0000    160.000  75.000  679.62  1.935  2.60  1.05  3.65  0.00  0.00  0.00  0.00 53  7.2668    141.170  38.966  596.50  1.748  0.69  0.36  1.05  195.91  299.46  0.00  740.27 54  244.3657    241.354  38.766  ‐7685.65  9.353  173.90  1684.34  1858.24  6.00  37.00  2.80  40161.02 55  244.3657    275.000  38.766  ‐7626.33  9.465  180.53  1684.34  1864.87  6.18  37.71  2.80  41509.76 56  244.3657    519.681  38.766  ‐7632.21  9.813  223.31  1592.18  1815.50  6.47  37.71  2.08  42262.31 57  244.3657    488.619  38.766  ‐7693.69  9.734  213.86  1592.18  1806.04  6.30  37.71  2.08  40978.82 58  244.3657    210.000  38.766  ‐8227.55  8.863  144.68  1592.18  1736.86  5.05  37.71  2.08  31586.01 59  244.3657    288.482  38.766  ‐8230.45  8.924  155.38  1570.93  1726.31  5.14  37.71  1.92  31962.28 60  244.3657    154.783  38.766  ‐8482.41  8.412  129.85  1570.93  1700.78  4.65  37.71  1.92  28495.75 61  244.3657    30.000  38.766  ‐9067.24  7.054  95.52  1552.70  1648.22  4.00  37.71  1.92  23708.43 62  206.5197    29.361  34.896  ‐7843.07  7.429  90.45  1564.42  1654.86  3.32  27.52  1.92  19782.50 63  37.8460    29.361  34.896  ‐13410.09  8.864  0.183  1.89  2.073  18.73  27.52  1.92  3925.92 64  25.7109    20.000  34.626  ‐916.68  26.620  53.39  1423.47  1476.87  6.69  27.52  5.91  35556.49 65  41.9965    145.129  34.126  ‐5131.77  22.083  68.18  1425.62  1493.81  7.55  89.87  3.62  40617.32 66  193.7144    145.129  34.126  613.15  1.789  19.23  9.67  28.90  36.99  55.60  0.00  3848.66 67  193.7144    145.146  35.000  613.28  1.789  19.25  9.67  28.92  37.05  55.67  0.00  3857.42 68  16.2892    15.342  35.000  67.76  0.229  0.06  0.81  0.87  4.23  66.37  0.00  13.23 69  16.2892    15.000  1.000  63.08  0.224  0.00  0.81  0.81  0.00  0.00  0.00  0.00 70  210.0037    135.331  35.000  571.29  1.687  18.20  10.49  28.68  37.48  59.09  0.00  3870.65 71  210.0000    200.000  35.000  853.18  2.328  38.65  10.49  49.14  43.73  55.60  0.00  7736.34 72  1230.0210    15.000  1.013  ‐10.15  6.850  0.00  7.30  7.30  0.00  0.00  0.00  0.00 73  1230.0210    432.843  19.450  425.04  6.927  508.18  7.30  515.47  16.68  16.92  0.00  30947.92 74  1272.0180    1313.228  19.450  257.76  8.453  1649.96  26.50  1676.46  12.29  12.49  0.12  74174.07 76  1272.0180    612.900  1.050  ‐657.39  8.590  435.85  26.50  462.35  11.78  12.49  0.12  19602.17 78  1272.0180    577.700  1.050  ‐700.76  8.540  399.00  26.50  425.49  11.72  12.49  0.12  17945.57 79  1272.0180    514.000  1.050  ‐778.48  8.445  334.93  26.50  361.42  11.58  12.49  0.12  15065.67 80  1272.0180    416.000  1.050  ‐896.14  8.285  243.76  26.50  270.26  11.27  12.49  0.12  10968.09 81  1272.0180    415.788  1.050  ‐896.39  8.285  243.58  26.50  270.07  11.27  12.49  0.12  10959.71 82  1272.0180    386.800  1.050  ‐930.73  8.234  218.56  26.50  245.06  11.15  12.49  0.12  9835.32 83  1272.0180    260.400  1.050  ‐1077.93  7.987  122.03  26.50  148.52  10.28  12.49  0.12  5496.26 84  1272.0180    208.900  1.050  ‐1136.71  7.871  89.72  26.50  116.22  9.67  12.49  0.12  4044.10 85  1272.0180    206.400  1.050  ‐1139.54  7.865  88.27  26.50  114.77  9.63  12.49  0.12  3979.14 86  1272.0180    145.600  1.050  ‐1208.00  7.712  57.14  26.50  83.63  8.57  12.49  0.12  2579.62 87  1272.0180    144.200  1.050  ‐1209.56  7.709  56.52  26.50  83.02  8.54  12.49  0.12  2551.82 88  1272.0180    133.000  1.050  ‐1222.06  7.678  51.75  26.50  78.24  8.30  12.49  0.12  2337.28 89  101.8000    10.800  2.100  45.58  0.163  0.02  5.08  5.11  0.00  0.00  0.00  0.00 90  346.0000    22.000  2.041  92.48  0.325  0.16  17.28  17.44  0.46  51.25  0.00  28.92 91  38.58  22.000  2.041  92.48  0.325  0.02  1.93  1.94  0.46  51.25  0.00  3.22 92  38.58  120.200  2.000  504.68  1.530  2.52  1.93  4.45  17.21  30.36  0.00  275.73 93  307.4200  22.000 2.041 92.48 0.325 0.14 15.35 15.49 0.46 51.25 0.00 25.69 94  307.4200  120.200 2.000 504.68 1.530 20.10 15.35 35.45 43.60 76.91 0.00 5565.50 95  346.0000  120.200 2.000 504.68 1.530 22.62 17.28 39.90 40.66 71.72 0.00 5841.23 96  315.8100  120.200 2.000 504.68 1.530 20.65 15.77 36.42 40.66 71.72 0.00 5331.56 97  30.19 120.200 2.000 504.68 1.530 1.97 1.51 3.48 40.66 71.72 0.00 509.67 98  116.7000  120.200 2.000 504.68 1.530 7.63 5.83 13.46 40.66 71.72 0.00 1970.15 99  199.1100  120.200 2.000 504.68 1.530 13.02 9.94 22.96 40.66 71.72 0.00 3361.41 100  30.19 120.240 3.212 504.89 1.530 1.98 1.51 3.49 41.02 72.29 0.00 514.86

Page 120: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

106  

101  116.7000  120.700 41.260 509.51 1.532 8.14 5.83 13.97 40.68 69.82 0.00 2045.18 102  199.1100  122.700 195.100 528.81 1.540 17.28 9.94 27.22 40.02 63.06 0.00 3922.72 103  30.1900  135.600 3.187 570.33 1.693 2.53 1.51 4.04 38.13 60.81 0.00 554.86 104  135.2600  120.700 41.260 509.51 1.532 9.43 6.76 16.19 36.62 62.84 0.00 2133.62 105  63.71 122.700 195.100 528.81 1.540 5.53 3.18 8.71 40.02 63.06 0.00 1255.17 106  40.142 135.600 3.187 570.33 1.693 3.37 2.00 5.37 69.03 110.10 0.00 1335.68 107  128.42 120.700 41.260 509.51 1.532 8.95 6.41 15.37 36.62 62.84 0.00 2025.72 108  135.4 122.700 195.100 528.81 1.540 11.75 6.76 18.51 40.02 63.06 0.00 2667.55 109  63.71 355.700 177.200 2520.67 5.127 66.58 3.18 69.76 44.11 46.22 0.00 11078.06 110  6.8400  120.700 41.260 509.51 1.532 0.48 0.34 0.82 36.62 62.84 0.00 107.90 111  40.142 133.850 3.027 2725.35 6.989 28.63 2.00 30.63 28.56 30.56 0.00 3149.47 112  30.19 133.850 3.027 2725.35 6.989 21.53 1.51 23.04 28.56 30.56 0.00 2368.66 113  6.8400  247.400 38.020 2801.91 6.091 7.17 0.34 7.51 26.18 27.43 0.00 708.17 114  135.4 355.700 177.200 2520.67 5.127 141.50 6.76 148.26 29.62 31.04 0.00 15811.01 115  30.19 188.900 3.000 2843.08 7.264 22.69 1.51 24.19 28.31 30.19 0.00 2465.81 116  128.42 250.400 40.020 1087.57 2.797 36.37 6.41 42.79 23.54 27.69 0.00 3626.18 117  20.1200  250.400 40.020 1087.57 2.797 5.70 1.00 6.70 23.54 27.69 0.00 568.13 118  20.1200  247.400 38.020 2801.91 6.091 21.09 1.00 22.10 8.19 8.58 0.00 651.30 119  108.3 250.400 40.020 1087.57 2.797 30.67 5.41 36.08 23.54 27.69 0.00 3058.05 120  108.3 247.400 38.020 2801.91 6.091 113.54 5.41 118.95 19.46 20.38 0.00 8331.88 121  26.9600  247.400 38.020 2801.91 6.091 28.26 1.35 29.61 12.75 13.36 0.00 1359.48 122  135.26 247.400 38.020 2801.91 6.091 141.80 6.76 148.56 18.12 18.98 0.00 9691.36 123  116.7 247.400 38.020 2801.91 6.091 122.35 5.83 128.17 18.12 18.98 0.00 8361.54 124  116.7 380.000 36.760 3172.98 6.746 143.64 5.83 149.47 18.28 19.02 0.00 9835.20 125  95.0000  380.000 36.760 3172.98 6.746 116.93 4.74 121.67 18.28 19.02 0.00 8006.37 126  21.7000  380.000 36.760 3172.98 6.746 26.71 1.08 27.79 18.28 19.02 0.00 1828.82 127  6.8000  380.000 36.760 3172.98 6.746 8.37 0.34 8.71 18.28 19.02 0.00 573.09 128  6.8000  400.000 36.760 3220.01 6.817 8.55 0.34 8.89 18.29 19.02 0.00 585.38 129  14.9 380.000 36.760 3172.98 6.746 18.34 0.74 19.08 18.28 19.02 0.00 1255.74 130  199.11 355.700 177.200 2520.67 5.127 208.08 9.94 218.02 34.26 35.90 0.00 26889.06 131  199.11 494.000 167.900 3268.23 6.248 292.61 9.94 302.55 28.95 29.94 0.00 31534.36 132  214.01 358.900 36.760 3122.48 6.667 257.45 10.69 268.14 26.58 27.68 0.00 25653.32 133  199.11 590.000 164.000 3544.45 6.597 327.56 9.94 337.51 27.51 28.34 0.00 33421.52 134  199.11 357.342 36.760 3118.71 6.661 239.12 9.94 249.06 27.21 28.34 0.00 24397.59 135  214.01 557.700 35.000 3582.42 7.322 315.47 10.69 326.16 24.59 25.43 0.00 28877.64 137  214.01 224.400 3.000 2915.86 7.416 167.04 10.69 177.73 23.90 25.43 0.00 15290.74 139  244.2000  220.000 3.000 2906.89 7.398 189.69 12.20 201.88 24.43 26.00 0.00 17756.55 140  244.2000  26.670 0.035 2255.09 7.539 20.59 12.20 32.78 16.33 26.00 0.00 1927.17 142  244.2000  26.670 0.035 111.84 0.391 0.21 12.20 12.41 0.44 26.00 0.00 19.78 143  244.2000  26.680 2.000 112.05 0.391 0.26 12.20 12.46 0.64 30.95 0.00 28.92 144  18.5600  247.400 38.020 2801.91 6.091 19.46 0.93 20.38 18.12 18.98 0.00 1329.82 145  18.5600  120.700 41.260 509.51 1.532 1.29 0.93 2.22 11.06 18.98 0.00 88.44 146  75.0000  15.000 1.013 63.08 0.224 0.00 3.75 3.75 0.00 0.00 0.00 0.00 147  75.0000  75.000 1.013 314.02 1.016 1.72 3.75 5.47 614.84 1950.61 0.00 12107.36 148  13851.0000  15.000 1.013 63.08 0.224 0.00 691.78 691.78 0.00 0.00 0.00 0.00 149  13851.0000  24.030 1.013 100.87 0.354 8.03 691.78 699.81 0.87 76.03 0.00 2198.55 150  9.952 133.850 3.027 2725.35 6.989 7.10 0.50 7.59 28.56 30.56 0.00 780.82 151  9.952 135.600 3.187 570.33 1.693 0.84 0.50 1.33 162.77 259.60 0.00 780.82

Page 121: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

107  

A.2.2 Results at stream level of the IGCC power plant with CO2 capture from the 

reference 

Stream Mass(kg/s)

T(C)

P(bar)

h(kJ/kg)

s(kJ/kgK)

EPH

(MW)ECH

(MW)Etot(MW)

1  80.0000    15.000  1.013  ‐1882.98  ‐ 0.00  2557.60  2557.60  2  178.8148    129.592  1.013  ‐175.64  0.309 3.63  4.35  7.98  3  76.2105    129.592  1.013  ‐1023.78  ‐ ‐ ‐ 2557.50  4  175.0000    250.000  1.100  235.54  0.564 12.83  4.49  17.33  5  76.2105    50.000  1.013  ‐1139.57  ‐ ‐ ‐ 2557.50  6  257.8000    15.000  1.013  ‐10.36  0.113 0.00  1.53  1.53  8  196.6900    17.719  1.100  ‐7.53  ‐0.050 1.39  5.05  6.44  9  59.8498    17.719  4.450  ‐7.67  ‐0.388 6.69  6.88  13.57  10  15.1900    17.719  1.100  ‐7.53  ‐0.050 0.11  0.39  0.50  11  181.5000    17.719  1.100  ‐7.53  ‐0.050 1.28  4.66  5.94  12  175.0000    17.719  1.100  ‐7.53  ‐0.050 1.23  4.49  5.73  13  6.5000    17.719  1.100  ‐7.53  ‐0.050 0.05  0.17  0.21  14  6.5000    276.644  8.000  264.12  0.027 1.67  0.17  1.83  17  59.8498    104.451  10.000  72.21  ‐0.356 10.91  6.88  17.80  18  6.5000    35.000  8.000  8.87  ‐0.584 1.15  0.17  1.32  19  75.0000    25.000  9.200  ‐16033.36  ‐9.484 0.14  3.75  3.89  20  75.0000    29.594  9.200  ‐16011.24  ‐9.411 0.21  3.75  3.96  21  75.0000    25.000  9.200  ‐16033.36  ‐9.484 0.13  3.75  3.87  22  75.0000    37.106  9.200  ‐15975.09  ‐9.293 0.33  3.75  4.08  23  59.8498    35.000  10.000  6.79  ‐0.547 10.30  6.88  17.18  25  6.5000    146.384  20.500  125.71  ‐0.542 1.83  0.17  2.00  27  59.8498    120.242  21.200  85.84  ‐0.517 14.50  6.88  21.38  28  75.0000    25.000  9.200  ‐16033.36  ‐9.484 0.14  3.75  3.89  29  75.0000    27.144  9.200  ‐16023.03  ‐9.450 0.17  3.75  3.92  30  6.5000    35.000  20.500  6.58  ‐0.872 1.68  0.17  1.84  31  67.2000    25.000  9.200  ‐16033.36  ‐9.484 0.13  3.36  3.48  32  67.2000    40.122  9.200  ‐15960.58  ‐9.246 0.41  3.36  3.76  33  59.8498    35.000  21.200  4.13  ‐0.751 13.65  6.88  20.53  35  6.5000    154.872  56.000  133.93  ‐0.826 2.42  0.17  2.59  37  59.8498    120.554  45.000  83.41  ‐0.720 17.87  6.88  24.75  38  9.7626    1549.978  40.000  ‐ ‐ ‐ ‐ 39  9.7626    349.000  40.000  ‐ ‐ ‐ ‐ 40  250.0000    15.000  1.013  ‐ ‐ ‐ ‐ 41  250.0000    70.000  1.013  ‐ ‐ ‐ ‐ 42  135.6322    1549.978  40.000  ‐1267.60  4.448 283.62  1649.36  1932.97  43  156.3294    288.307  41.000  ‐3351.09  2.524 87.88  1901.04  1988.92  44  291.9618    900.000  40.000  ‐2383.19  3.693 348.32  3550.40  3898.73  45  291.9618    315.800  40.000  ‐3291.78  2.636 171.97  3550.40  3722.37  46  291.9618    280.000  40.000  ‐3363.69  2.512 161.47  3550.40  3711.87  47  291.9618    280.030  39.310  ‐3363.69  2.519 160.85  3550.40  3711.26  48  156.3294    280.030  39.310  ‐3363.69  2.519 86.13  1901.04  1987.17  50  135.6324    280.030  39.310  ‐3363.69  2.519 74.73  1649.36  1724.08  51  149.3656    141.170  38.966  ‐4463.05  1.700 72.49  1649.66  1722.15  52  21.0000    160.000  75.000  ‐15369.94  ‐7.677 3.03  1.05  4.08  53  7.2668    141.170  38.966  ‐15463.04  ‐7.889 0.80  0.39  1.19  54  244.3657    241.354  38.766  ‐7715.05  0.221 175.15  1654.40  1829.55  55  244.3657    275.000  38.766  ‐7654.20  0.336 181.95  1654.40  1836.35  56  244.3657    519.681  38.766  ‐7654.25  0.688 223.26  1583.48  1806.74  57  244.3657    488.619  38.766  ‐7715.10  0.610 213.90  1583.48  1797.38  58  244.3657    210.000  38.766  ‐8246.43  ‐0.257 145.11  1583.48  1728.58  59  244.3657    288.482  38.766  ‐8246.32  ‐0.193 155.47  1567.13  1722.60  60  244.3657    154.783  38.766  ‐8531.04  ‐0.781 127.29  1567.13  1694.42  61  244.3657    30.000  38.766  ‐9117.21  ‐2.327 92.93  1567.13  1660.06  62  206.5197    29.361  34.896  ‐7855.13  ‐0.985 89.83  1565.62  1655.45  63  37.8460    29.361  34.896  ‐16004.14  ‐9.410 0.23  1.96  2.19  64  25.7109    20.000  34.626  ‐911.60  ‐5.978 53.76  1426.82  1480.58  65  41.9965    145.129  34.126  ‐5137.75  ‐2.897 69.06  1424.96  1494.01  66  193.7144    145.129  34.126  ‐15446.93  ‐7.844 22.35  9.94  32.28  67  193.7144    145.146  35.000  ‐15446.78  ‐7.844 22.37  9.94  32.31  68  16.2892    15.342  35.000  ‐16077.18  ‐9.645 0.07  0.81  0.89  69  16.2892    15.000  1.000  ‐16082.44  ‐9.648 0.00  0.81  0.81  70  210.0037    135.331  35.000  ‐15495.68  ‐7.962 21.14  10.75  31.90  71  210.0000    200.000  35.000  ‐15164.87  ‐7.210 45.18  10.49  55.67  72  1230.021    15.000  1.013  ‐10.36  0.113 0.00  7.30  7.30  73  1230.021    432.843  19.450  425.58  0.188 515.37  7.30  522.67  74  1272.018    1313.228  19.450  237.97  1.113 1651.50  26.71  1678.21  76  1272.018    612.900  1.050  ‐660.88  1.245 436.59  26.71  463.30  78  1272.018    577.700  1.050  ‐704.30  8.535 397.09  26.71  423.80 

Page 122: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

108  

79  1272.018    514.000  1.050  ‐781.70  8.440 337.68  26.71  364.39  80  1272.018    416.000  1.050  ‐898.60  8.282 243.01  26.71  269.72  81  1272.018    415.788  1.050  ‐898.80  8.281 243.12  26.71  269.83  82  1272.018    386.800  1.050  ‐932.90  8.231 218.07  26.71  244.78  83  1272.018    260.400  1.050  ‐1079.00  7.985 122.40  26.71  149.11  84  1272.018    208.900  1.050  ‐1137.00  7.870 90.77  26.71  117.48  85  1272.018    206.400  1.050  ‐1140.00  7.864 89.16  26.71  115.87  86  1272.018    145.600  1.050  ‐1208.00  7.713 58.00  26.71  84.71  87  1272.018    144.200  1.050  ‐1210.00  7.709 56.93  26.71  83.64  88  1272.018    133.000  1.050  ‐1222.00  7.679 52.66  26.71  79.37  89  101.8000    10.800  2.100  45.58  0.163  0.02  5.08  5.11 90  346.0000    22.000  2.041  92.48  0.325  0.16  17.28  17.44 91  38.58  22.000  2.041  92.48  0.325  0.02  1.93  1.94 92  38.58  120.200  2.000  504.68  1.530  2.52  1.93  4.45 93  307.4200  22.000 2.041 92.48 0.325 0.14 15.35 15.49 94  307.4200  120.200 2.000 504.68 1.530 20.10 15.35 35.45 95  346.0000  120.200 2.000 504.68 1.530 22.62 17.28 39.90 96  315.8100  120.200 2.000 504.68 1.530 20.65 15.77 36.42 97  30.19 120.200 2.000 504.68 1.530 1.97 1.51 3.48 98  116.7000  120.200 2.000 504.68 1.530 7.63 5.83 13.46 99  199.1100  120.200 2.000 504.68 1.530 13.02 9.94 22.96 100  30.19 120.240 3.212 504.89 1.530 1.98 1.51 3.49 101  116.7000  120.700 41.260 509.51 1.532 8.14 5.83 13.97 102  199.1100  122.700 195.100 528.81 1.540 17.28 9.94 27.22 103  30.1900  135.600 3.187 570.33 1.693 2.53 1.51 4.04 104  135.2600  120.700 41.260 509.51 1.532 9.43 6.76 16.19 105  63.71 122.700 195.100 528.81 1.540 5.53 3.18 8.71 106  40.142 135.600 3.187 570.33 1.693 3.37 2.00 5.37 107  128.42 120.700 41.260 509.51 1.532 8.95 6.41 15.37 108  135.4 122.700 195.100 528.81 1.540 11.75 6.76 18.51 109  63.71 355.700 177.200 2520.67 5.127 66.58 3.18 69.76 110  6.8400  120.700 41.260 509.51 1.532 0.48 0.34 0.82 111  40.142 133.850 3.027 2725.35 6.989 28.63 2.00 30.63 112  30.19 133.850 3.027 2725.35 6.989 21.53 1.51 23.04 113  6.8400  247.400 38.020 2801.91 6.091 7.17 0.34 7.51 114  135.4 355.700 177.200 2520.67 5.127 141.50 6.76 148.26 115  30.19 188.900 3.000 2843.08 7.264 22.69 1.51 24.19 116  128.42 250.400 40.020 1087.57 2.797 36.37 6.41 42.79 117  20.1200  250.400 40.020 1087.57 2.797 5.70 1.00 6.70 118  20.1200  247.400 38.020 2801.91 6.091 21.09 1.00 22.10 119  108.3 250.400 40.020 1087.57 2.797 30.67 5.41 36.08 120  108.3 247.400 38.020 2801.91 6.091 113.54 5.41 118.95 121  26.9600  247.400 38.020 2801.91 6.091 28.26 1.35 29.61 122  135.26 247.400 38.020 2801.91 6.091 141.80 6.76 148.56 123  116.7 247.400 38.020 2801.91 6.091 122.35 5.83 128.17 124  116.7 380.000 36.760 3172.98 6.746 143.64 5.83 149.47 125  95.0000  380.000 36.760 3172.98 6.746 116.93 4.74 121.67 126  21.7000  380.000 36.760 3172.98 6.746 26.71 1.08 27.79 127  6.8000  380.000 36.760 3172.98 6.746 8.37 0.34 8.71 128  6.8000  400.000 36.760 3220.01 6.817 8.55 0.34 8.89 129  14.9 380.000 36.760 3172.98 6.746 18.34 0.74 19.08 130  199.11 355.700 177.200 2520.67 5.127 208.08 9.94 218.02 131  199.11 494.000 167.900 3268.23 6.248 292.61 9.94 302.55 132  214.01 358.900 36.760 3122.48 6.667 257.45 10.69 268.14 133  199.11 590.000 164.000 3544.45 6.597 327.56 9.94 337.51 134  199.11 357.342 36.760 3118.71 6.661 239.12 9.94 249.06 135  214.01 557.700 35.000 3582.42 7.322 315.47 10.69 326.16 137  214.01 224.400 3.000 2915.86 7.416 167.04 10.69 177.73 139  244.2000  220.000 3.000 2906.89 7.398 189.69 12.20 201.88 140  244.2000  26.670 0.035 2255.09 7.539 20.59 12.20 32.78 142  244.2000  26.670 0.035 111.84 0.391 0.21 12.20 12.41 143  244.2000  26.680 2.000 112.05 0.391 0.26 12.20 12.46 144  18.5600  247.400 38.020 2801.91 6.091 19.46 0.93 20.38 145  18.5600  120.700 41.260 509.51 1.532 1.29 0.93 2.22 146  75.0000  15.000 1.013 63.08 0.224 0.00 3.75 3.75 147  75.0000  75.000 1.013 314.02 1.016 1.72 3.75 5.47 148  13851.0  15.000 1.013 63.08 0.224 0.00 691.78 691.78 149  13851.0  24.030 1.013 100.87 0.354 8.03 691.78 699.81 150  9.952 133.850 3.027 2725.35 6.989 7.10 0.50 7.59 151  9.952 135.600 3.187 570.33 1.693 0.84 0.50 1.33

 

 

 

Page 123: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

109  

Table A.2.3 Results at component level of the IGCC plant with CO2 capture from the program 

EF EP ED Eps y yD* cF cP CD Z CD+Z f rComponent (KW) (KW) (KW) (%) (%) (%) ($/GJ) ($/GJ) ($/h) ($/h) ($/h) (%) (%)

CoalPrepareUnit  9310 4365 4944 46.89 0.2 0.353  56.49 965.32 1005.4 12632.582  13637.982 92.63  1608.83  Gasifier  2353486 1914217 439269 81.34 17.74 31.361  1.67 4.586 2640.7 17456.379  20097.079 86.86  174.61  ASU  46750 18440 28309.6 39.44 1.14 2.021  24.4 295.016 2486.7 9794.174  12280.874 79.75  1109.08  Heater  18164 11588 6575 63.8 0.27 0.469  19 31.05 449.4 54.074  503.474 10.74  63.42  CM1 N2  1764 1619 145 91.78 0.006 0.010  24.4 48.49 12.7 127.695  140.395 90.95  98.75  CM1 O2  4801 4280 521 89.15 0.021 0.037  24.4 43.65 42.9 253.718  296.618 85.54  78.89  Heater  511 59 452 11.52 0.0183 0.032  56.127 513.055 712.6 5.464  718.064 0.76  774.12  Heater  607 200 408 32.89 0.016 0.029  196.58 615.5 288.4 12.758  301.158 4.24  213.10  CM2 N2  753 675 78 89.64 0.0032 0.006  24.4 56.12 6.85 70.257  77.107 91.12  130.00  CM2 O2  4758 4209 549 88.46 0.0222 0.039  24.4 44.33 48.24 253.703  301.943 84.02  81.68  Heater  152 25 127 16.35 0.005 0.009  56.126 373.793 134.85 2.737  137.587 1.99  521.91  Heater  833 243 590 29.17 0.024 0.042  152.48 538.65 323.98 13.893  337.873 4.11  253.26  CM3 N2  811 729 82 89.93 0.0033 0.006  24.4 55.66 7.17 74.899  82.069 91.26  128.11  CM3 O2  4776 4219 557 88.35 0.0225 0.040  24.4 44.32 48.89 253.718  302.608 83.84  81.64  Mixer  120409 99367 21042 82.5 0.85 1.502  17.25 20.9 1306.67 0  1306.67 0.00  21.16  Compressor  2020 1727 292 85.5 0.012 0.021  24.4 51.72 25.68 144.136  169.816 84.88  111.97  Syngas Cooler HP  180270 129746 50523 72 2.04 3.607  18.876 28.14 3433.21 893.562  4326.772 20.65  49.08  Syngas Cooler IP  7962 6694 1268 84.1 0.05 0.091  18.876 24.91 86.16 59.236  145.396 40.74  31.97  ThrottlingValve  Dissipative component  596 0.024 0.043  0  0 Scrubber  Dissipative component 18119 0.732 1.294  586.6  586.6 100.00  Mixer  49323 34240 15083 69.42 0.609 1.077  19.02 110.49 1032.77 0  1032.77 0.00  480.91  Heater  9453 6633 2820 70.17 0.114 0.201  37.7 56.5 383.04 65.249  448.289 14.56  49.87  WGS HT  750667  701287 49375 93.42 1.994 3.525  0.8136 1.169 144.62 752.553  897.173 83.88  43.68  Evaporator  69180 61050 8130 88.25 0.328 0.580  37.7 44.7 1103.85 430.071  1533.921 28.04  18.57  WGS LT  230757 220196 10561 95.42 0.426 0.754  0.4316 0.927 16.41 376.276  392.686  95.82    114.78   Heater  25595 20454 5141 79.9 0.2076 0.367  37.7 52.5 689.35 399.163  1088.513 36.67  39.26  Heater  34331 19961 14370 58.14 0.58 1.026  37.7 77.1 1951.04 752.479  2703.519 27.83  104.51  AGR  Dissipative component 177999 7.18 12.708  15773.956  15773.956 100.00  Saturator  18083 14790 3293 81.79 0.133 0.235  239.57 314.95 2840.3 1173.2  4013.5 29.23  31.46 

Page 124: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

110  

Pump  25 21 5 81.04 0.0002 0.000  24.4 118.67 0.42 6.538  6.958 93.96  386.35  Mixer  2464 1356 1108 55.04 0.045 0.079  55.67 101.15 222 0  222 0.00  81.70  Pump  76 55 21 72.67 0.0008 0.001  24.4 66.37 1.83 6.538  8.368 78.13  172.01  CombustionChamber  1406425 1073599 332826 76.34 13.44 23.762  3.66 5.47 4388.85 2608.805  6997.655 37.28  49.45  Compressor  535293 508177 27116 94.93 1.1 1.936  13.9 16.92 1356.3 4174.088  5530.388 75.48  21.73  Gas Turbine  1214107 1143085 71022 95.88 2.02 5.071  12.486 13.9 2248.4 3652.327  5900.727 61.90  11.32  HPSH1  36856 34954 1902 94.84 0.077 0.136  12.486 15 85.48 230.553  316.033 72.95  20.13  HPSH2  64072 58016 6056 90.55 0.245 0.432  12.486 15.44 272.2 344.42  616.62 55.86  23.66  Turbine HP  88443 84770 3673 95.85 0.148 0.262  28.34 30.125 374.77 169.253  544.023 31.11  6.30  Mixer  415 408 6 98.44 0.0003 0.000  19.02 19.32 0.44 0  0.44 0.00  1.58  Turbine IP  148427 142651 5776 96.11 0.233 0.412  25.43 27.3 528.75 428.691  957.441 44.77  7.35  IPSH1  91162 84531 6632 92.73 0.268 0.473  12.486 15.3 298.1 547.728  845.828 64.76  22.54  Mixer  803 764 39 95.08 0.0016 0.003  25.43 26.74 3.6 0  3.6 0.00  5.15  Turbine LP  169100 159167 9933 94.13 0.401 0.709  26 28.74 929.82 636.242  1566.062 40.63  10.54  IPSH2  186 181 6 96.98 0.0002 0.000  12.486 18.9 0.25 3.917  4.167 94.00  51.37  IPSH3  25015 21293 3722 85.12 0.15 0.266  12.486 19.2 167.3 349.259  516.559 67.61  53.77  IPEVAP  96535 82865 13670 85.84 0.552 0.976  12.486 17.68 614.4 934.781  1549.181 60.34  41.60  Preheater IP  32308 27419 4889 84.87 0.197 0.349  12.486 16.2 219.73 148.285  368.015 40.29  29.75  LPSH  1445 1157 288 80 0.012 0.021  12.486 23.33 12.96 32.192  45.152 71.30  86.85  LPEVAP  31136 25258 5879 81.12 0.237 0.420  12.486 19.95 264.24 414.274  678.514 61.06  59.78  Preheater LP  619 556 62 89.9 0.0025 0.004  12.486 19.98 2.81 12.196  15.006 81.27  60.02  LP Pump  6.2 4.5 1.7 72.5 0.00007 0.000  24.4 320 0.15 4.644  4.794 96.87  1211.48  Economizer  4773 2505 2268 52.5 0.09 0.162  12.486 30.22 101.94 57.973  159.913 36.25  142.03  HP Pump  4803 4261 542 88.72 0.022 0.039  24.4 36.6 47.6 139.4  187 74.55  50.00  IP Pump  564 506 57 89.83 0.0023 0.004  24.4 41.15 5.03 25.506  30.536 83.53  68.65  Condenser  20376 8033 12343 39.42 0.498 0.881  26 76.03 1155.44 291.169  1446.609 20.13  192.42  COND Pump  51 48 3 94.34 0.00011 0.000  24.4 52.59 0.254 4.644  4.898 94.81  115.53  Mixer  149 22 127 14.67 0.005 0.009  30.95 210.93 14.16 0  14.16 0.00  581.52  Total  2476443 824738 1400677 33.3 49.35 100.000  1.3 24.4 40806.654 77767.9  118574.554 65.59  1776.92 

 

 

Page 125: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

 

A.3

C

T

Co

C

 

3Thecom

Table A.

ComponenCM 

CD 

TV 

EV 

Table A.3.2 

mponentCM 

CD 

TV 

EV 

Table A.3

ComponenCM 

CD 

TV 

EV 

mpressi

.3.1 Exerget

Ent (KW

36

10

21

18

Exergoecon

cF (€/GJ)

27.78 

53.32 

52.13 

59.40 

3.3 Exerget

Ent (KW

34

8.9

21

18

ionrefrig

tic results o

EFW) (K.65  30

.04  1.

.57  18

.10  1

nomic resul

cP(€/GJ)52.098 

643.31 

59.838 

160.44 

ic results of

EFW) (K4.9  29

919  1.

.82  18

.14  1

111 

geration

 

f refrigerati

EPKW) (0.87  5

.137  8

8.82  2

1.47  6

 

ts of refrige

CD(€/h)0.558 

1.709 

0.514  0

1.417 

 

f refrigeratio

EPKW) (9.92  4

.138  7

8.95  2

1.41  6

nmachin

ion machine

ED E(KW) (5.778  8

8.903  1

2.737  8

6.625  6

eration mac

Z (€/h)2.125 

0.707 

0.0068 

2.756 

on machine

ED E(KW) (4.981  8

7.781  1

2.868  8

6.721  6

ne

e from the p

Eps(%) (%84.24  1

11.33  2

86.85 

63.39  1

chine from t

CD+Z(€/h)2.703 

2.416 

0.5204 

4.173 

e from the r

Eps(%) (%85.7  1

12.76 

86.85 

62.9  1

 

program 

y y%) (%15.77 24

24.29 37

7.47 11

18.08 27

the program

f (%) (78.6 

29.3  1

1.31 

66.0 

reference 

y y%) (%14.27 22

22.3 34

8.2 12

19.26 30

D*

%).03 

.03 

.38 

.55 

r%)87.5 

1106 

14.8 

170 

D*

%).28 

.41 

.83 

.07 

Page 126: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

112  

Table A.3.4 Exergoeconomic results of refrigeration machine from the reference 

cF cP CD Z CD+Z f rComponent (€/GJ) (€/GJ) (€/h) (€/h) (€/h) (%) (%)

CM  27.78  51.581  0.489  2.125  2.623  81.0  90 

CD  52.86  588.34  1.481  0.707  2.188  32.3  1013 

TV  52.13  59.356  0.538  0.0068  0.5448  1.25  13.86 

EV  60.12  162.73  1.456  2.756  4.212  65.4  170 

 

Table A.3.5 Thermodynamic data of streams from the program 

Stream T(C)

P(bar)

h(kJ/kg)

s(kJ/kgK)

EPH

(kJ/kg)

ECH

(kJ/kg)

Etot(KW)

cPH

(€/GJ)

c(€/GJ)

C(€/h)

  R717 (m   = 0,09186 kg/s) 

1  ‐25  1.51  1430  5.979  67.7  19841  1828.8 59.4  0.20  1.33 

2  153  11.67  1829  6.194  403.8  19841  1859.7 53.32  1.06  7.12 

3  30  11.67  343.7  1.499  294.5  19841  1849.6 53.32  0.78  5.19 

4  ‐25  1.51  343.7  1.601  264.7  19841  1846.9 59.4  0.78  5.20 

  Water ( 76m   = 6,45 kg/s) 

6  20  1  84.01  0.296  0  49.9  321.9 0  0.00  0.00

7  25  1  104.9  0.367  0.176  49.9  323 643.31  2.26 2.63

  Air ( 98m   = 9,942 kg/s) 

8  ‐5  1  ‐30.35  6.782  1.142  5.2  63.1 61.617  11.09  2.52 

9  ‐15  1  ‐40.46  6.743  2.296  5.2  74.5 111.28  34.08  9.14 

5  Compressor      36.65    27.78  3.67 

 

Table A.3.6 Thermodynamic data of streams from the reference paper 

Stream T(C)

P(bar)

h(kJ/kg)

s(kJ/kgK)

EPH

(kJ/kg)

ECH

(kJ/kg)

Etot(KW)

cPH

(€/GJ)

c(€/GJ)

C(€/h)

  R717 (m   = 0,09186 kg/s) 

1  ‐25  1.51  1430  5.981  67.5  19841  1828.8 60.12  0.20  1.34 

2  153  11.67  1810  6.166  393.2  19841  1858.7 52.86  1.04  6.96 

3  30  11.67  341.6  1.488  296.1  19841  1849.8 52.86  0.79  5.24 

4  ‐25  1.51  341.6  1.594  264.9  19841  1846.9 60.12  0.79  5.27 

  Water ( 76m   = 6,45 kg/s) 

6  20  1  83.93  0.296  0  49.9  321.9 0  0.00  0.00

7  25  1  104.8  0.367  0.176  49.9  323 588.34  2.07 2.40

  Air ( 98m   = 9,942 kg/s) 

8  ‐5  1  268.3  6.757  1.138  5.2  63 61.617  11.06  2.51 

9  ‐15  1  258.2  6.719  2.285  5.2  74.4 112.37  34.31  9.19 

5  Compressor      34.9    27.78  3.49 

Page 127: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

113  

AppendixB

Exergyratesandcostratesassociatedwithfuelandproduct

fordefiningcomponentmodelsatsteadystateoperation

Table B.1 Exergoeconomic models of selected components used for programming 

Component Assum‐

putions

Schematic Exergyandcost

rateoffuel

Exergyandcost

rateofproduct

Compressor 

Pump or   

Fan 

 

W

 

3E = CMW  

3C  

3E = CMW  

3C  

2E ‐ 1E  

2C ‐ 1C  

PHE2 ‐ PHE1

 

PHC2 ‐ PHC1

 

Turbine 

 

 

Auxiliary equation  W

 

1E ‐ 2E   3E = TW  

1C ‐ 2C   3C  

1c = 2c    

PHE1 ‐ PHE2

  3E = TW  

PHC1 ‐ PHC2

   

Auxiliary equation  PHc1 = PHc2   3C  

Heat 

exchanger 

3T ≥ 0T  

Q

 

1E ‐ 2E   4E ‐ 3E  

1C ‐ 2C   4C ‐ 3C  

Auxiliary equation 1c = 2c    

    PHE1 ‐ PHE2

  PHE4 ‐ PHE3

    PHC1 ‐ PHC2

  PHC4 ‐ PHC3

 

Page 128: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

114  

Auxiliary equation  PHc1 = PHc2    

 1T ≤ 0T    

3E ‐ 4E   2E ‐ 1E  

   3C ‐ 4C   2C ‐ 1C  

Auxiliary equation   3c = 4c    

    PHE3 ‐ PHE4

  PHE2 ‐ PHE1

 

    PHC3 ‐ PHC4

  PHC2 ‐ PHC1

 

Auxiliary equation    PHc3 = PHc4    

1T > 0T , 3T < 0T    1E ‐ 2E + 3E   4E  

            &  2T > 0T , 4T > 0T    1C ‐ 2C + 3C   4C  

Auxiliary equation   1c = 2c    

    PHE1 ‐ PHE2

+ PHE3   PHE4

 

    PHC1 ‐ PHC2

+ PHC3   PHC4

 

Auxiliary equation    PHc1 = PHc2    

            &  2T < 0T , 4T > 0T    1E + 3E   2E + 4E  

   1C + 3C   2C + 4C  

Auxiliary equation     2c = 4c  

    PHE1 + PHE3

  PHE2 + PHE4

 

    PHC1 + PHC3

  PHC2 + PHC4

 

Auxiliary equation      PHc2 = PHc4  

            &  2T > 0T , 4T < 0T     Dissipative 

component  

            &  2T < 0T , 4T < 0T    1E + 3E ‐ 4E   2E  

   1C + 3C ‐ 4C   2C  

Page 129: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

115  

Auxiliary equation   3c = 4c    

    PHE1 + PHE3

‐ PHE4   PHE2

 

    PHC1 + PHC3

‐ PHC4   PHC2

 

    PHc3 = PHc4    

Evaporator 

 

3E ‐ 4E   2E + 5E ‐ 1E  

with steam drum 3C ‐ 4C   2C + 5C ‐ 1C  

Auxiliary equation 3c = 4c  

12

1122

ee

ecec

=

15

1155

ee

ecec

 

  PHE3 ‐ PHE4

  PHE2 + PHE5

‐ PHE1  

  PHC3 ‐ PHC4

  PHC2 + PHC5

‐ PHC1  

Auxiliary equations  PHc3 = PHc4  PHPH

PHPHPHPH

ee

ecec

12

1122

=

PHPH

PHPHPHPH

ee

ecec

51

5511

 

Mixing 

 

)( 322 eem   )( 131 eem  

unit  )( 32,3222 ececm   )( 1131,31 ececm  

Auxiliary equation 2c = 2,3c    

  )( 322PHPH eem +

CHE1 + CHE2

‐ CHE3  

)( 131PHPH eem  

  )( 32,3222PHPHPHPH ececm

+ CHC1 + CHC2

‐ CHC3  

)( 1131,31PHPHPHPH ececm  

Auxiliary equation  PHc2 = PHc 2,3   CHCHCH cmcmcm 221133  

Page 130: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

116  

Combustion   1E ‐ 4E   3E ‐ 2E  

chamber 

 

1C ‐ 4C   3C ‐ 2C  

Auxiliary equation 1c = 4c    

  CHE1 + CHE2

‐ CHE3 ‐

CHE4  

PHE3 + PHE4

‐ PHE1 ‐

PHE2  

  CHC1 + CHC2

‐ CHC3 ‐

CHC4  

PHC1 + PHC2

‐ PHC3 ‐

PHC4  

Auxiliary equation  CHc1 = CHc4  

CHCH

CHCH

EE

CC

21

21

=

CHCH

CHCH

EE

CC

43

43

 

PHPH

PHPHPH

emE

ecmC

244

2244

=

PHPHPH

PHPHPHPH

emmEE

ecmmCC

24213

224213

)(

)(

 

Deaerator 

 

1E ‐ 341 )( emm ‐

4E  

)( 232 eem  

 1C ‐ 3341 )( ecmm ‐

4C  

332 ecm ‐ 2C  

Auxiliary equations 1c = 4c    

  PHE1 ‐ PHemm 341 )( ‐

PHE4  

)( 232PHPH eem  

  PHC1 ‐ PHecmm 3341 )( ‐

PHC4  

332 ecm PH ‐ PHC2  

Auxiliary equation  PHc1 = PHc4    

       

Page 131: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

117  

Steam 

 

1E + 2E ‐( 3E + 4E )  6E ‐ 5E + 8E ‐ 7E  

generator 1C + 2C ‐( 3C + 4C )  6C ‐ 5C + 8C ‐ 7C  

Auxiliary equations 3c = 4c =

21

21

EE

CC

 56

56

EE

CC

=78

78

EE

CC

 

  CHE1 + CHE2

‐ CHE3 ‐

CHE4 ‐( PHE3

+ PHE4 ‐

PHE1 ‐ PHE2

PHE6 ‐ PHE5

+ PHE8 ‐

PHE7  

  CHC1 + CHC2

‐ CHC3 ‐

CHC4 ‐( PHC3

+ PHC4 ‐

PHC1 ‐ PHC2

PHC6 ‐ PHC5

+ PHC8 ‐

PHC7  

Auxiliary equations  PHc3 = PHc4 =

PHPH

PHPH

EE

CC

21

21

 

CHc1 = CHc3  

CHCH

CHCH

EE

CC

21

21

=

CHCH

CHCH

EE

CC

43

43

 

PHPH

PHPH

EE

CC

56

56

=

PHPH

PHPH

EE

CC

78

78

 

Throttling 2p < 1p , 

 

Dissipative 

component  TVDE , = 1E ‐ 2E  

valve 2T ≥ 0T  

 2p < 1p , 

   

 1T < 0T   ME1

‐ ME2  

Mc1 = Mc2  

TE2 ‐ TE1

 

Auxiliary equation 

         

Page 132: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

118  

Gasifier 

 

1E ‐ 4E   3E ‐ 2E  

 1C ‐ 4C   3C ‐ 2C  

Auxiliary equation 1c = 4c    

  CHE1 + CHE2

‐ CHE4   CHE3

+ PHE3 + PHE4

PHE1 ‐ PHE2

 

  CHC1 + CHC2

‐ CHC4   CHC3

+ PHC3 + PHC4

PHC1 ‐ PHC2

 

Auxiliary equation  CHc2 = CHc4   CHc3 = PHPH

PHPHPH

emE

ecmC

244

2244

=PHPHPH

PHPHPHPH

emmEE

ecmmCC

24213

224213

)(

)(

 

Coal preparation 

4

2

3

1

N2, moisture Prepared

coalcoal

N2

 

3E ‐ 4E   2E ‐ 1E  

unit 3C ‐ 4C   2C ‐ 1C  

Auxiliary equation 3c = 4c    

  PHE3 ‐ PHE4

+

PHemm 121 )( +

CHE3 ‐ CHE4

+

CHemm 121 )(  

PHE2 ‐ PHem 12 + CHE2

CHem 12  

  PHC3 ‐ PHC4

+

PHPHecmm 1121 )(

+ CHC3 ‐ CHC4

+

CHCHecmm 1121 )(  

PHC2 ‐ PHPHecm 112 +

CHC2 ‐ CHCHecm 112  

Auxiliary equation  PHPHPH cmcmcm 441133  PHPH

PHPHPHPH

ee

ecec

12

1122

=

Page 133: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

119  

CHCH

CHCHCH

emmE

ecmmC

1213

11213

)(

)(

= CHc4  

CHCH

CHCHCHCH

ee

ecec

12

1122

 

Air separation 

 

4E = ASUW   3E + 2E ‐ 1E  

Unit 4C   3C + 2C ‐ 1C  

Auxiliary equation   

12

1122

ee

ecec

=

13

1133

ee

ecec

 

 4E = ASUW   PHE3

+ PHE2 ‐ PHE1

+

CHE3 + CHE2

‐ CHE1  

 4C   PHC3

+ PHC2 ‐ PHC1

+

CHC3 + CHC2

‐ CHC1  

Auxiliary equation   

PHPH

PHPHPHPH

ee

ecec

12

1122

=

PHPH

PHPHPHPH

ee

ecec

13

1133

 

PHPHPH

PHPHPH

EEE

CCC

123

123

=

CHCHCH

CHCHCH

EEE

CCC

123

123

 

CHc3 = CHc2  

Saturator   3E ‐ 4E   2E ‐ 1E  

 3C ‐ 4C   2C ‐ 1C  

Auxiliary equation 3c = 4c    

Page 134: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

120  

  PHE3 ‐ PHE4

  PHE2 ‐ PHE1

 

  PHC3 ‐ PHC4

  PHC2 ‐ PHC1

 

Auxiliary equation  PHc3 = PHc4    

Water Gas 

Shift 

reactor 

 

 

PHE1 ‐ PHE2

+ CHE1 ‐

CHelseH emm 2,2 )(

2  

CHHHH emm

222)( 1,2,

= CHHH em

22  

  PHPHEc 11 ‐ PHPHEc 22

+ CHCH Ec 11 ‐

CHelse

CHelseH ecmm 2,2,2 )(

2  

CHHH

CHH emc

222 2,  

Auxiliary equation  PHPH cc 21        

CHc1 = CHelsec 2,  

CHelse

CHelseH ecmm 2,2,2 )(

2

+ CHHH em

22 =

CHCHecm 222  

 

Scrubber 

 

Dissipative 

component  

Acid gas removal 

 

Dissipative 

component  

 

Page 135: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

121  

AppendixC

Economic Analysis for the IGCC power plant with CO2

Capture

Table C.1 Parameters and assumptions used in the calculation of economic analysis 

(all monetary values are expressed in mid‐2007 dollars) 

Parameter(units) ValueAverage general inflation rate (%) 

Average nominal escalation rate of all costs except fuel (%) 

Average nominal escalation rate of coal (%) 

Beginning of design and construction period 

Date of commercial operation 

Plant economic life (years) 

Plant life for tax purpose (years) 

Plant financing fractions and required returns on capital 

5.0 

5.0 

3.0 

Jan.  1,  2014 

Jan.  1,  2017 

25 

20 

 

Type of financing  Common  Equity 

50 

15 

Debt 

Financing fraction (%)      50 

Required annual return (%)        9 

Resulting average cost of money (%)  12 

Average combined income tax rate (%)  30 

Average property tax rate (% of PFI)   

Average insurance rate (% of PFI)   

Average capacity factor (%)  80 

Labor position for operating and maintenance  30 

Average labor rate ($/h)  34.65 

Annual fixed operating and maintenance costs (106$)  58.21 

Annual  variable  operating  and maintenance  costs  at  full  capacity 

(106$) 34.63 

Unit cost of coal ($/GJ)  1.3 

Allocation  of  plant‐facilities  investment  to  the  individual  years  of 

design and construction (%) 

 

        Jan.1‐Dec.31, 2014  40 

        Jan.1‐Dec.31, 2015  30 

        Jan.1‐Dec.31, 2016  30 

 

The case 6‐Shell IGCC power plant with CO2 capture from the final report of cost 

and performance baseline for fossil energy plants volume 1 (2013, Revision 2a) is the 

reference case for economic analysis. The Eq. 3.17 is used to adjust the fixed capital 

Page 136: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

122  

costs  of  similar‐sized  components.  The  capacities  of  the  equipment  are 

recommended as  YX   and  WX . To simplify the calculation, the amount of work of 

turbines,  compressors  and  pumps,  the  heat  capacity  of  heat  exchangers  and  the 

mass  flow rates  for some other  facilities are used. The exponent α  is referred  from 

Chapter 7 of Bejan, Tsatsaronis and Moran (1996),  if no corresponding value exists, 

0.6 is taken. In addition, through the Eq. 3.18, the equipment cost of the calculation 

year  (2014) can be estimated by  the known cost of  the  reference year  (2007) with 

CEPCI  (the chemical engineering plant cost  index), which  is 579.7  for end‐2014 and 

525.4 for end‐2007 (Chemical Engineering Journal). 

Table C.2 Calculation of the allowance for funds used during construction (end‐2016 

dollars) of IGCC power plant   

year Commonequity debt  

    Escalated 

investment 

AFUDC  Escalated 

investment 

AFUDC 

2014  659911414  329955707  137995148  329955707  79325580 

2015  519680238  259840119  60604488  259840119  35856223 

2016  545664250  272832125  19747733  272834125  12013064 

 

Table C.3 Annual tax depreciation amount for a life period of 20 years 

Yearofcommercial

year MACRS depreciationfactor(%)

AnnualTaxdepreciation($)

1  2017  3.75  71388950 

2  2018  7.219  137428488 

3  2019  6.677  127110405 

4  2020  6.177  117591878 

5  2021  5.713  108758685 

6  2022  5.285  100610827 

7  2023  4.888  93053116 

8  2024  4.522  86085555 

9  2025  4.462  84944670 

10  2026  4.461  84925633 

11  2027  4.462  84944670 

12  2028  4.461  84925633 

13  2029  4.462  84944670 

14  2030  4.461  84925633 

Page 137: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

123  

15  2031  4.462  84944670 

16  2032  4.461  84925633 

17  2033  4.462  84944670 

18  2034  4.461  84925633 

19  2035  4.462  84944670 

20  2036  4.461  84925633 

21  2037  2.231  42472335 

    100  1903705333 

 

Table C.4 Year by year capital recovery schedule for the IGCC case 

Yearofcommercialoperation

year AnnualTaxdepreciation($)

DeferredIncomeTaxes

RecoveryofComnonEquityAFUDC

TotalCapitalRecovery

1  2017  76148213  ‐1427779  8800814  83521248

2  2018  76148213  18384082  8800814  103333109

3  2019  76148213  15288658  8800814  100237685

4  2020  76148213  12433099 8800814  97382126

5  2021  76148213  9783142 8800814  94732169

6  2022  76148213  7338784 8800814  92287811

7  2023  76148213  5071471 8800814  90020498

8  2024  76148213  2981203 8800814  87930230

9  2025  76148213  2638937 8800814  87587964

10  2026  76148213  2633226 8800814  87582253

11  2027  76148213  2638937 8800814  87587964

12  2028  76148213  2633226 8800814  87582253

13  2029  76148213  2638937 8800814  87587964

14  2030  76148213  2633226 8800814  87582253

15  2031  76148213  2638937 8800814  87587964

16  2032  76148213  2633226 8800814  87582253

17  2033  76148213  2638937 8800814  87587964

18  2034  76148213  2633226 8800814  87582253

19  2035  76148213  2638937 8800814  87587964

20  2036  76148213  2633226 8800814  87582253

21  2037  76148213  ‐10102763 8800814  74846264

22  2038  76148213  ‐22844464 8800814  62104563

23  2039  76148213  ‐22844464 8800814  62104563

24  2040  76148213  ‐22844464 8800814  62104563

25  2041  76148213  ‐22844464 8800814  62104563

    1903705333    220020366  2123730694 

 

Page 138: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

124  

Table C.5 Year by year revenue requirement analysis for the IGCC case 

Year Capitalrecovery

Returnoncommonequity

Interestondebt

Incometaxes

Fuelcost O&Mcosts Totalrevenuerequirement

2017  83521248 161392244 96835346 74367661 83660000  151226600  651003099

2018  103333109 155043637 93026182 51834968 86169800 158787930 648195626

2019  100237685 147209141 88325485 51572752 88754894 166727327 642827284

2020  97382126 139606802 83764081 51170164 91417541 175063693 638404407

2021  94732169 132218630 79331178 50653763 94160067 183816877 634912684

2022  92287811 125029205 75017523 50016938 96984869 193007721 632344067

2023  90020498 118023106 70813864 49281638 99894415 202658107 630691628

2024  87930230 111187056 66712234 48442170 102891248 212791013 629953951

2025  87587964 104507776 62704666 45921887 105977985 223430563 630130841

2026  87582253 97854166 58712499 43076051 109157325 234602092 630984386

2027  87587964 91200984 54720590 40218976 112432044 246332196 632492754

2028  87582253 84547374 50728424 37373140 115805006 258648806 634685003

2029  87587964 77894192 46736515 34516065 119279156 271581246 637595138

2030  87582253 71240582 42744349 31670229 122857530 285160309 641255252

2031  87587964 64587400 38752440 28813155 126543256 299418324 645702539

2032  87582253 57933790 34760274 25967319 130339554 314389240 650972430

2033  87587964 51280609 30768365 23110244 134249741 330108702 657105625

2034  87582253 44626999 26776199 20264408 138277233 346614137 664141229

2035  87587964 37973817 22784290 17407333 142425550 363944844 672123798

2036  87582253 31320207 18792124 14561497 146698316 382142086 681096483

2037  74846264 24667025 14800215 24446123 151099266 401249191 691108084

2038  62104563 18969042 11381425 34745831 155632244 421311650 704144755

2039  62104563 14226687 8536012 32713393 160301211 442377233 720259099

2040  62104563 9484332 5690599 30680955 165110248 464496094 737566791

2041  62104563 4741977 2845186 28648517 170063555 487720899 756124697

Page 139: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

125  

Table C.6 Total investment cost rates of components for IGCC power plant 

No ComponentType PEC ZCI ZOM Zk($/h)1  CoalPrepareUnit  270026000  7480.8651    5151.7167    12632.582   2  Eco  162264  4.4954    3.0958    7.591   3  Gasifier  373136400  10337.4604    7118.9183    17456.379   4  ASU  209354000  5799.9935    3994.1802    9794.174   7  Eco  1155841  32.0217    22.0518    54.074   8  Compressor1  N2  2729527  75.6195    52.0755    127.695   9  Compressor1  O2  5423323  150.2490    103.4694    253.718   

10  HE  116788  3.2355    2.2282    5.464   11  HE  272715  7.5554    5.2030    12.758   12  CM2  N2  1501771  41.6054    28.6517    70.257   13  CM2  O2  5423000  150.2401    103.4632    253.703   14  HE  58507  1.6209    1.1162    2.737   15  HE  296962  8.2271    5.6656    13.893   16  CM3  N2  1601003  44.3546    30.5449    74.899   17  CM3  O2  5423321  150.2490    103.4693    253.718   18  Condenser  880497  24.3935    16.7986    41.192   19  Membrane Wall  1777961  49.2571    33.9210    83.178   21  CM  3080962  85.3557    58.7804    144.136   22  Syngas  Cooler  HP  19100200  529.1565    364.4050    893.562   23  Syngas  Cooler  IP  1266194  35.0789    24.1572    59.236   24  Throttlingvalve  0  0.0000    0.0000    0.000   26  Scrubber  12538786  347.3775    239.2224    586.600   28  HE  1394721  38.6397    26.6093    65.249   29  HT‐WGS  16086084  445.6527    306.8999    752.553   30  Evaporator  9192924  254.6830    175.3881    430.071   31  LT‐WGS  8043042  222.8264    153.4499    376.276   32  HE  8532259  236.3798    162.7835    399.163   33  HE  16084504  445.6090    306.8697    752.479   35  AGR  337174000  9341.1494    6432.8062    15773.956   36  Saturator  25077573  694.7551    478.4449    1173.200   37  Saturator Pump  139745  3.8715    2.6661    6.538   39  Pump  139745  3.8715    2.6661    6.538   40  CombustionChamber  55764150  1544.9034    1063.9016    2608.805   41  Compressor  89222640  2471.8454    1702.2426    4174.088   42  Gas Turbine  78069810  2162.8648    1489.4623    3652.327   43  HPSH1  4928148  136.5306    94.0221    230.553   44  HPSH2  7362108  203.9616    140.4587    344.420   45  Steam  Turbine  HP  3617837  100.2294    69.0232    169.253   47  Steam  Turbine  IP  9163428  253.8658    174.8253    428.691   48  IPSH1  11707892  324.3582    223.3701    547.728   50  Steam  Turbine  LP  13599901  376.7749    259.4670    636.242   52  IPSH2  83732  2.3197    1.5975    3.917   54  IPSH3  7465538  206.8271    142.4320    349.259   56  IPEV  19981287  553.5664    381.2149    934.781   57  IP Preheater  3169656  87.8129    60.4726    148.285   59  LPSH  688114  19.0637    13.1282    32.192   62  LPEV  8855257  245.3282    168.9459    414.274   64  LP Preheater  260704  7.2226    4.9739    12.196   65  Throttlingvalve  0  0.0000    0.0000    0.000   66  LPPump  99264  2.7500    1.8938    4.644   67  Economizer  1239196  34.3310    23.6421    57.973   72  HPPump  2979728  82.5511    56.8490    139.400   73  IPPump  545210  15.1046    10.4018    25.506   79  Condenser  6223838  172.4267    118.7421    291.169   80  CondenserPump  99264  2.7500    1.8938    4.644   

 

Page 140: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

126  

AppendixD

ThermalpropertiescalculationofAmmonia

D.1 The vapor pressure equation for the Liquid‐Vapor

coexistingphase

The vapor pressure equation is (Lester Hour and John S. Gallagher, 1978): 

1 1 1 1 ]                (D.1) 

The  coefficients  of  the  vapor  pressure  equation  are  =‐7.296510;  =1.618053; 

=‐1.956546;  =‐2.114118;  =405.4  K;  =111.85  atm,  and  the  subscript  c 

indicates the critical point. 

 

D.2ThedensityfortheSaturatedLiquidandVapor

The generalized corresponding‐states equation of the density for the Saturated Vapor 

is (Chen Z S, Cheng W L, Hu P. 2003):   

0.0198 0.11| 0.82| 0.07 1                                         (D.2) 

in  which, / ;   0.256 1.85 0.066 1 ; ⁄ ; 

⁄ ;  ⁄ .  In this equation, the  item    will significantly affect the 

results only when the item    is large than 0.98. 

The  generalized  corresponding‐states  equations  of  the  density  for  the  Saturated 

Liquid are (Chen Z S, Cheng W L, Hu P. 2003): 

∙ ∆                                                                                         (D.3) 

∆ ∆ . . ∆                                                                                          (D.4) 

∆                                                                                                                 (D.5) 

where the subscript b represent the boiling point. 

 

Page 141: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

127  

D.3The latentheatofvaporizationand theenthalpyofthe

SaturatedLiquidandVapor

The generalized corresponding‐states equation of the latent heat of vaporization for 

ammonia is (Chen Z S, Cheng W L, Hu P. 2003): 

∆ , ∆. . | ∆ |

                                                                                (D.4) 

The  generalized  corresponding‐states  equation  of  the  enthalpy  of  the  Saturated 

Liquid is (Chen Z S, Cheng W L, Hu P. 2003): 

∆ ∆ . . ∆                                                                                        (D.5) 

∆                                                                                           (D.6) 

The enthalpy of the Saturated Vapor is formulated as the following equation: 

∆                                                                                                           (D.7) 

where    represent  the enthalpy of  the Saturated Vapor and  ∆ ∆ , ∙ ∆ ,  

in which the item  ∆ ,   is the latent heat of vaporization on boiling point. 

 

D.4TheentropyoftheSaturatedLiquidandVapor

For the calculation of the entropy of the Saturated Liquid, the reference state should 

be chosen, according to the current common practice, the reference temperature T0= 

273.15 K, the pressure p0=1 bar, the entropy of the Saturated Liquid at the reference 

state is s0 = 1. 0 kJ / (kgK). Then the equation of the entropy of the Saturated Liquid 

can be written as: 

                                                                      (D.8) 

The entropy of the Saturated Vapor is formulated as the following equation: 

∆                                                                                                            (D.9) 

   

Page 142: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

128  

Reference

Abusoglu A, Kanoglu M. Exergoeconomic analysis and optimization of combined heat 

and  power  production:  A  review[J].  Renewable  and  Sustainable  Energy 

Reviews, 2009, 13(9): 2295‐2308. 

Ahrends  J.  Reference  States.  Energy‐The  International  Journal,  1980,  Vol.  5,  pp. 

667‐677. 

Aspen Plus, Aspentech, http://www.aspentech.com, accessed: December, 2014.  

Atkinson, Kendall A. An Introduction to Numerical Analysis, the second edition, John 

Wiley & Sons, New York, 1989, ISBN: 0‐471‐50023‐2. 

Baghernejad  A,  Yaghoubi  M.  Exergoeconomic  analysis  and  optimization  of  an 

Integrated Solar Combined Cycle System  (ISCCS) using genetic algorithm[J]. 

Energy Conversion and Management, 2011, 52(5): 2193‐2203. 

Bejan A.,  Tsatsaronis G., Moran M.  Thermal Design  and Optimization, Wiley, New 

York, 1996. 

Bergmann  E,  Schmidt  KR.  Zur  kostenwirtschaflichten  optimierung  der 

wärmeaustauscher  für  die  regenerative  speisewaservorwärmung  im 

dampfkraftwerkein  störungsverfahren mit der exergie.  Energie und  Exergie 

Düsseldorf: VDI‐Verlag; 1965. p. 63–89. 

Beyer,  J.  (1972)  Zur  Anfteilung  der  Primärenergiekosten  in  Koppelprozessen  auf 

Grundlage der Strukturanalyse, Energieanwendung, 21 (6), 179‐183. 

Beyer,  J.  (1978)  Einige  Problemed  der  praktischen  Anwendung  der  exergetischen 

Methode  in  wärmewirtschaftlichen  Untersuchungen  industrieller 

Produktions‐ prozesse I, Energieanwendung, 27 (6), 204‐208. 

Beyer,  J.  (1979)  Einige  Problemed  der  praktischen  Anwendung  der  exergetischen 

Methode  in  wärmewirtschaftlichen  Untersuchungen  industrieller 

Produktions‐ prozesse II, Energieanwendung, 28 (2), 66‐70. 

Page 143: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

129  

Black J. Cost and performance baseline for fossil energy plants volume 1: bituminous 

coal  and  natural  gas  to  electricity[J].  Final  report  (2a  ed.) National  Energy 

Technology Laboratory (2013 Sep) Report no.: DOE20101397, 2010. 

Bosnjakovic, F. Kampf den Nichtumkehrbarkeiten. 

Cerqueira SAAG, Nebra SA. Cost attribution methodologies  in cogeneration systems. 

Energy Convers Manage 1999;40:1587–97. 

Chase M W. NIST–JANAF Thermochemical Tables, fourth Edition. J. Phys. Chem. Ref. 

Data, Monograph 9, 1998, 1‐1951. 

Chemical Engineering Plant Cost Index (CEPCI), Chemical Engineering Journal, 2014. 

Chen Z  S, Cheng W  L, Hu P. Generalized  corresponding equations of  saturated gas 

density,  enthalpy  and  enthalpy  of  vaporization  [J].  Journal  of  Engineering 

Thermophysics, 2003, 2. 

Chen Z S, Cheng W L, Hu P. The corresponding parameter  transformations and  the 

general  corresponding‐states  equations  of  thermodynamic  properties  of 

working fluids[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2001, 22(1): 19‐21. 

Clifford  A.  Shaffer.  Data  Structures  &  Algorithm  Analysis  in  C++,  2011,  ISBN: 

048648582X. 

Cziesla  F,  Tsatsaronis G.  Iterative  exergoeconomic  evaluation  and  improvement  of 

thermal power plants using fuzzy inference systems. Energy Convers Manage 

2002;43:1537–48. 

Cziesla F, Tsatsaronis G, Gao Z. Avoidable thermodynamic  inefficiencies and costs  in 

an  externally  fired  combined  cycle  power  plant[J].  Energy,  2006,  31(10): 

1472‐1489. 

David R. Lide (ed), CRC Handbook of Chemistry and Physics, 84th Edition. CRC Press. 

Boca Raton, Florida, 2003. 

Dean J A. Lange's handbook of chemistry[J]. 1985, 1436. 

EbsilonProfessional, http://www.steag‐systemtechnologies.com/ebsilon_professional, 

accessed: 2014. 

Page 144: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

130  

EES, F‐Chart software, http://www.fchart.com/ees/, accessed: December, 2014.  

Eiserman W,  Johnson  P,  Conger WI.  Estimating  thermodynamic  properties  of  coal, 

char, tar and ash. Fuel Proc Tech, 1980; 3:39–53. 

Erlach  B,  Serra  L,  Valero  A.  Structural  theory  as  standard  for  thermoeconomics. 

Energy Convers Manage, 1999; 40: 1627–49. 

Evans, R. B., Kadaba, P. V. and Hendrix, W. A. (1983) Exergetic functional analysis for 

process design and synthesis, in: Efficiency and Costing Second Law Analysis 

of Processes, A. C. S. Symposium Series, 235, 239‐261. 

Evans,  R.  B.  and  Tribus M.  (1965)  Thermo‐Economics  of  Saline Water  Conversion, 

Industrial and Engineering Chemistry, Process Design and Development, 4 (2), 

195‐206. 

Frangopoulos CA. Application of  the  thermoeconomical  functional approach  to  the 

CGAM problem. Energy 1994;19:323–42. 

Frangopoulos C A. Thermo‐economic functional analysis and optimization [J]. Energy, 

1987, 12(7): 563‐571. 

Frangopoulos  CA.  Thermoeconomical  functional  analysis:  a  method  for  optimal 

design or  improvement of  complex  thermal  systems. Ph.D. Thesis. Atlanta, 

USA: Georgia Institute of Technology; 1983. 

Gaggioli, R. A. (1977) Proper evaluation and pricing of energy, Proc. Int. Conf. Energy 

Use Management, 11(24‐28), 31‐43. 

Gaggioli  R  A.  Second  law  analysis  for  process  and  energy  engineering  [C]  //  ACS 

symposium series. Oxford University Press, 1983 (235): 3‐50. 

Gaggioli, R. A., Wepfer, W. J.(1978) Available energy accounting ‐ a cogeneration case 

study, Pres. at the 85th National Meeting of the AIChE, Philadelphia, PA, June 

8, p. 60a, Exergy. 

Gaggioli  R  A, Wepfer W  J.  Exergy  economics:  I.  Cost  accounting  applications  [J]. 

Energy, 1980, 5(8): 823‐837. 

Page 145: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

131  

Gani  R.,  Pistikopoulos  E.N.,  “Property Modelling  and  Simulation  for  Product  and 

Process Design″, Fluid Phase Equilib., 194‐197, 43‐59, 2002. 

Garcia‐Heller  V,  Paredes  S,  Ong  C  L,  et  al.  Exergoeconomic  analysis  of  high 

concentration  photovoltaic  thermal  co‐generation  system  for  space 

cooling[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 34: 8‐19. 

Golub, Gene H.,  and  Van  Loan,  Charles  F. Matrix  computations,  the  third  edition, 

Johns Hopkins, Baltimore, 1996, ISBN: 0‐8018‐5414‐8. 

Groniewsky A. Exergoeconomic optimization of a thermal power plant using particle 

swarm optimization[J]. Thermal Science, 2013, 17(2): 509‐524. 

Hua  B,  Chen  QL,  Wang  P.  A  new  exergoeconomic  approach  for  analysis  and 

optimization of energy systems. Energy 1997; 22:1071–8. 

International Association for the Properties of Water and Steam. Release on  IAPWS 

Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and 

Steam. Erlangen, Germany: 1997. 

International Organization for Standardization (ISO). Environmental management‐life 

cycle  assessment.  European  Standard  EN  ISO  14040  and  14044,  Geneva, 

Switzerland, 2006. 

J.W.  Gibbs  (1873).  "A  method  of  geometrical  representation  of  thermodynamic 

properties of substances by means of surfaces: reprinted in Gibbs, Collected 

Works, ed. W. R. Longley and R. G. Van Name, New York: Longmans, Green, 

1931.  Transactions  of  the  Connecticut  Academy  of  Arts  and  Sciences  2: 

382–404. 

Keenan, J. H. A steam chart for second law analysis, Trans. ASME, 54 (1932), 195‐204. 

Kelly  S,  Tsatsaronis  G,  Morosuk  T.  Advanced  exergetic  analysis:  Approaches  for 

splitting  the  exergy  destruction  into  endogenous  and  exogenous  parts[J]. 

Energy, 2009, 34(3): 384‐391. 

Kim  SM, Oh  SD,  Kwon  YH,  Kwak HY.  Exergoeconomic  analysis  of  thermal  systems. 

Energy 1998;23:393–406. 

Page 146: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

132  

Kotas  T.J.  The  Exergy Method  of  Thermal  Plant  Analysis. Malabar,  Florida:  Krieger 

Publishing Company, 1995. 

Lazzaretto A, Andreatta R. Algebraic  formulation of a process‐based exergy‐costing 

method.  In:  Krane RJ,  editor.  Symposium  on  the  thermodynamics  and  the 

design,  analysis,  and  improvement  of  energy  systems,  vol.  35.  New  York: 

ASME; 1995. p. 395‐403. 

Lazzaretto A, Tsatsaronis G. On  the  calculation of efficiencies  and  costs  in  thermal 

systems. Proc ASME Adv Energy Syst Div 1999;39:421–30. 

Lazzaretto  A,  Tsatsaronis  G.  SPECO:  a  systematic  and  general  methodology  for 

calculating efficiencies and costs in thermal systems [J]. Energy, 2006, 31(8): 

1257‐1289. 

Lester Hour and John S. Gallagher. Thermodynamic Properties of Ammonia. National 

Measurement  Laboratory,  National  Bureau  of  Standards, Washington,D.C. 

20234. 

Lipschutz,  Seymour,  and  Lipson,  Mark.  Schaum's  Outlines:  Linear  Algebra,  Tata 

McGraw‐hill edition. Delhi 2001, 69‐80. 

Lozano M. A., Valero A. Theory of the exergetic cost. Energy, 1993; 18: 939–60. 

MACRS, http://www.smbiz.com/sbrl012.html, accessed: December, 2014. 

Manolas DA, Frangopoulos CA, Gialamas TP, Tsahalis DT. Operation optimization of an 

industrial  cogeneration  system  by  a  genetic  algorithm.  Energy  Convers 

Manage 1997;38:1625–36. 

Mazur VA. Fuzzy thermoeconomic optimization. Exergy 2005;2:1–13. 

Meyer, L., Tsatsaronis, G., Buchgeister, J. and Schebek, L. (2009) Exergoenvironmental 

analysis  for  evaluation  of  the  environmental  impact  of  energy  conversion 

systems, Energy‐ The International Journal 34, 75‐89. 

Moran M.J., Shapiro H.N. Fundamentals of Engineering thermodynamics, New York: 

John Wiley, 1992. 

Page 147: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

133  

Morosuk  T,  Tsatsaronis  G.  (2008a)  A  new  approach  to  the  exergy  analysis  of 

absorption refrigeration machines[J]. Energy, 2008, 33(6): 890‐907. 

Morosuk T, Tsatsaronis G. Advanced exergy analysis  for chemically reacting systems 

application  to a simple open gas‐turbine system[J].  International  Journal of 

Thermodynamics, 2010, 12(3): 105‐111. 

Morosuk  T, Tsatsaronis G. Advanced exergetic evaluation of  refrigeration machines 

using different working fluids[J]. Energy, 2009, 34(12): 2248‐2258. 

Morosuk  T,  Tsatsaronis  G.  Exergoeconomic  evaluation  of  refrigeration  machines 

based on avoidable endogenous and exogenous costs[C]//Proceedings of the 

20th  International Conference on Efficiency, Cost, Optimization,  Simulation 

and Environmental  Impact of Energy Systems  (Mirandola, A., Arnas, O. and 

Lazzaretto, A., Eds.), Padova. 2007, 1: 1459‐1467. 

Morosuk T., Tsatsaronis G. Graphical models for splitting physical exergy. Proceedings 

of ECOS 2005 “Shaping our future energy systems”, Eds. Kjelstrup S., Hustad 

J.E.,  Gundersen  T.,  Rosjorde  A.  and  Tsatsaronis  G.,  June  20‐23,  2005, 

Trondheim, Norway, 2005, Vol.1, pp. 377‐384. 

Morosuk T, Tsatsaronis G. (2008b) How to calculate the parts of exergy destruction in 

an  advanced  exergetic  analysis[C]//Proceedings  of  the  21st  International 

Conference on Efficiency, Costs, Optimization, Simulation and Environmental 

Impact of Energy Systems. Cracow, Gliwice, Poland, June, 2008: 185‐194. 

Obert, E. F. and Gaggioli, R. A. (1963) Thermodynamics, McGraw‐Hill, New York. 

Petrakopoulou  F,  Comparative  Evaluation  of  Power  Plants  with  CO2  Capture: 

Thermodynamic,  Economic  and  Environmental  Performance.  Berlin: 

Technischen Universität Berlin, 2011. 

Petrakopoulou  F,  Boyano  A,  Cabrera  M,  et  al.  (2011a)  Exergoeconomic  and 

exergoenvironmental  analyses  of  a  combined  cycle  power  plant  with 

chemical  looping  technology[J].  International  Journal  of  Greenhouse  Gas 

Control, 2011, 5(3): 475‐482. 

Page 148: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

134  

Petrakopoulou F, Boyano A, Cabrera M, et al. Exergy‐based analyses of an advanced 

zero  emission  plant[J].  International  Journal  of  Low‐Carbon  Technologies, 

2010, 5(4): 231‐238. 

Petrakopoulou  F,  Tsatsaronis  G,  Boyano  A,  et  al.  (2011b)  Exergoeconomic  and 

exergoenvironmental  evaluation  of  power  plants  including  CO2  capture[J]. 

Chemical engineering research and design, 2011, 89(9): 1461‐1469. 

Petrakopoulou  F,  Tsatsaronis  G,  Morosuk  T.  Conventional  Exergetic  and 

Exergoeconomic  analyses  of  a  power  plant  with  chemical  looping 

combustion  for  CO2  capture[J].  International  Journal  of  Thermodynamics, 

2010, 13(3): 77. 

Petrakopoulou F, Tsatsaronis G, Morosuk T, et al. (2012a) Conventional and advanced 

exergetic analyses applied to a combined cycle power plant[J]. Energy, 2012, 

41(1): 146‐152. 

Petrakopoulou F, Tsatsaronis G, Morosuk T, et al. (2012b) Advanced exergoeconomic 

analysis  applied  to  a  complex  energy  conversion  system[J].  Journal  of 

Engineering for Gas Turbines and Power, 2012, 134(3): 031801. 

Rant,  Zoran  (1956).  "Exergie,  Ein  neues  Wort  für  "technische  Arbeitsfähigkeit"". 

Forschung auf dem Gebiete des Ingenieurswesens 22: 36–37. 

Rhodes  C.L.,  “The  Process  Simulation  Revolution:  Thermophysical  Property  Needs 

and Concerns”, J.Chem.Eng.Data, 41, 947‐950, 1996. 

Sartaj  Sahni.  Data  Structures,  Algorithms,  and  Applications  in  C++,  2005,  ISBN: 

0929306325. 

Song G, Shen L, Xiao J, et al. Estimation of Specific Enthalpy and Exergy of Biomass 

and  Coal  Ash  [J].  Energy  Sources,  Part  A:  Recovery,  Utilization,  and 

Environmental Effects, 2013, 35(9): 809‐816. 

Sorgenfrei, M.  and  Tsatsaronis, G.,  Exergetic  Assessment  of  a  Syngas‐Redox‐Based 

IGCC  Plant  for  Generating  Electricity.  ASME,  J.  Eng.  Gas  Turbines  Power 

136(3), 031702 (Nov 22, 2013). 

Page 149: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

135  

Szargut  J.  Anwendung  der  exergie  zur  angenhärten  wirtschaftlichen  optimierung. 

Brenstof‐Wärme‐Kraft, 1971;23:516–9. 

Szargut J. Grenzen  für die anwendungsmöglichkeiten des Exergiebegriffs  (Exergy  for 

as system and for a flow process). Brenstof‐Wärme‐Kraft, 1967;19:309–13. 

Szargut  J. Optimization of  the design parameters aiming at  the minimization of  the 

depletion of non‐renewable resources. Energy 2004; 29(12‐15): 2161‐9. 

Szargut  J. Wärmeökonomische  probleme  des  umweltschutzes.  Energieanwendung, 

1974; 23:306–10. 

Szargut  J.,  Morris  D.R.,  Steward  F.R.  Exergy  Analysis  of  Thermal,  Chemical,  and 

Metallurgical Processes. New York: Hemisphere, New York, 1988. 

Szargut  J,  Ziebik  A,  Stanek  W.  Depletion  of  the  non‐renewable  natural  exergy 

resources as a measure of the ecological cost. Energy 2002; 43(43): 1149‐63. 

The International Association for the Properties of Water and Steam. Supplementary 

release on backward equations  for pressure as a  function of enthalpy and 

entropy  p(h,  s)  to  the  IAPWS  Industrial  formulation  1997  for  the 

thermodynamic properties of water and steam[R]. Gaithersburg, USA: 2001. 

The  International  Association  for  the  Properties  of  Water  and  Steam.  Revised 

supplementary release on backward equations for the functions T(p,h), v(p,h) 

and T(p,s), v(p,s)  for  region 3 of  the  IAPWS  industrial  formulation 1997  for 

the thermodynamic properties of water and steam[R]. Kyoto, Japan: 2004. 

The International Association for the Properties of Water and Steam. Supplementary 

release on backward equations p(h,s) for region 3, equations as a function of 

h and s for the region boundaries, and an equation Tsat(h,s) for region 4 of 

the IAPWS industrial formulation 1997 for the thermodynamic properties of 

water and steam[R]. Kyoto, Japan: 2004. 

The International Association for the Properties of Water and Steam. Supplementary 

release on backward equations for specific volume as a function of pressure 

and temperature v(p,T) for region 3 of the IAPWS industrial formulation 1997 

Page 150: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

136  

for the thermodynamic properties of water and steam [R]. Santorini, Greece: 

2005. 

Tribus, M.  and  EI‐Sayed,  Y. M.  (1981)  A  specific  strategy  for  the  improvement  of 

process  economics  through  thermoeconomic  analysis,  Proc.  2nd  World 

Congress of chemical engineering II, Montreal, 278‐281. 

Tribus,  M.  and  EI‐Sayed,  Y.  M.  (1980)  Thermoeconomic  analysis  of  an  industrial 

Process, Center for advanced Engineering Study, M.I.T., Cambridge, MA. 

Tribus  M.,  Evans  R.  (1962)  A  Contribution  to  the  Theory  of  Thermoeconomics. 

University  of  California,  Los  Angeles  (UCLA),  Dept.  of  Engineering.  Report 

62‐36. 

Tsatsaronis,  G.  (1984)  Combination  of  Exergetic  and  Economic  Analysis  in  Energy 

Conversion  Processes,  in:  Energy  Economics  and Management  in  Industry 

(Reis, A., Smith,  I., Peube,  J. L., Stephan, K., Eds.), Pergamon Press, Oxford, 

151‐157. 

Tsatsaronis G. Definitions and nomenclature in exergy analysis and exergoeconomics. 

Energy‐ The International Journal, 2007, Vol. 32, No.4, pp. 249‐253. 

Tsatsaronis G. Design  optimization  using  exergoeconomics.  In Bejan A., Mamut  E., 

eds.  “Thermodynamic  Optimization  of  Complex  Energy  Systems”,  Kluwer 

Academic Publishers, 1999, pp. 101‐117. 

Tsatsaronis, G. (2008) Recent Developments in Exergy Analysis and Exergoeconomics, 

International Journal of Exergy, 5(5/6), 489‐499. 

Tsatsaronis G.,  Cziesla  F.  Exergy Analysis  of  Simple  Processes,  Encyclopedia  of  Life 

Support Systems (EOLSS), UNESCO, 2004. 

Tsatsaronis  G.,  Cziesla  F.  Thermoeconomics,  Encyclopedia  of  Physical  Science  and 

Technology, Third Edition, Vol. 16, Academic Press, 2002, pp. 659‐680. 

Tsatsaronis, G., Kelly,  S. O.,  and Morosuk,  T. V.  (2006)  Endogenous  and  Exogenous 

Exergy  Destruction  in  Thermal  Systems,  Proceedings  of  the  ASME 

International  Mechanical  Engineering  Congress  and  Exposition,  Chicago, 

IMECE2006‐13675. 

Page 151: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

137  

Tsatsaronis G, Lin L, Pisa  J. Exergy costing  in exergoeconomics[J].  Journal of energy 

resources technology, 1993, 115(1): 9‐16. 

Tsatsaronis,  G.  and  Morosuk,  T.  (2008a)  A  general  exergy‐based  method  for 

combining  a  cost  analysis with  an  environmental  impact  analysis.  Part  I  ‐ 

Theoretical  Development,  Proceedings  of  the  ASME  International 

Mechanical  Engineering  Congress  and  Exposition,  Boston, 

IMECE2008‐67218. 

Tsatsaronis,  G.  and  Morosuk,  T.  (2008b)  A  general  exergy‐based  method  for 

combining  a  cost  analysis with  an  environmental  impact  analysis.  Part  II  ‐ 

Theoretical  Development,  Proceedings  of  the  ASME  International 

Mechanical  Engineering  Congress  and  Exposition,  Boston, 

IMECE2008‐67219. 

Tsatsaronis  G,  Morosuk  T,  Cziesla  F.  LNG‐Based  Cogeneration  Systems:  Part  2 

Advanced Exergy‐Based Analyses of a Concept[C]//ASME 2009 International 

Mechanical  Engineering  Congress  and  Exposition.  American  Society  of 

Mechanical Engineers, 2009: 247‐256. 

Tsatsaronis  G,  Morosuk  T.  Advanced  exergetic  analysis  of  a  novel  system  for 

generating electricity  and  vaporizing  liquefied natural  gas[J].  Energy,  2010, 

35(2): 820‐829. 

Tsatsaronis G, Morosuk T. Advanced exergoeconomic evaluation and its application to 

compression  refrigeration  machines[C]//ASME  2007  International 

Mechanical  Engineering  Congress  and  Exposition.  American  Society  of 

Mechanical Engineers, 2007: 859‐868. 

Tsatsaronis  G.,  Park M.H.  On  avoidable  and  unavoidable  exergy  destructions  and 

investment  costs  in  thermal  systems. Energy  conversion and management, 

2002, Vol.43, No.9‐12, p.1259‐1270. 

Tsatsaronis  G,  Pisa  J.  Exergoeconomic  evaluation  and  optimization  of  energy 

systems—application to the CGAM problem. Energy 1994;19:287–321. 

Page 152: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

138  

Tsatsaronis  G,  Winhold  M.  Exergoeconomic  analysis  and  evaluation  of 

energy‐conversion plants—II. Analysis of a coal‐fired steam power plant [J]. 

Energy, 1985, 10(1): 81‐94. 

Tsatsaronis G, Winhold M. Thermoeconomic analysis of power plant, EPRI AP‐3651, 

RP  2029‐8,  final  report.  Palo  Alto,  CA:  Electric  Power  Research  Institute: 

1984. 

Tsatsaronis  G,  Winhold  M,  Stojanoff  CG.  Thermoeconomic  analysis  of  a 

gasification‐combined‐cycle  power  plant,  EPRI  AP‐4734,  RP  2029‐8,  final 

report. Palo Alto, CA: Electric Power Research Institute: 1986. 

Valdes M, Duran MD, Rovira A. Thermoeconomic optimization of combined cycle gas 

turbine  power  plants  using  genetic  algorithms.  Appl  Therm  Eng 

2003;23:2169–82. 

Valero A, Lozano M A, Muñoz M. A general  theory of exergy saving. Part  I: On  the 

exergetic cost, part  II: on the thermoeconomic cost, part  III: energy savings 

and thermoeconomics. In: Gaggioli R, editor. Computer‐Aided Engineering of 

Energy System, vol. 2‐3. New York: ASME; 1986. p. 1‐21. 

Valero  A,  Lozano  M  A,  Muñoz  M.  A  general  theory  of  exergy  saving.  I.  On  the 

exergetic cost [J]. Computer‐Aided Engineering and Energy Systems. Second 

Law Analysis and Modelling, R. Gaggioli, ed, 1986, 3: 1‐8. 

Valero A, LozanoMA, Serra L, Torres C. Application of the exergetic cost theory to the 

CGAM problem. Energy 1994;19:365–81. 

Valero  A,  LozanoMA,  Serra  L,  Tsatsaronis  G,  Pisa  J,  Frangopoulos  C,  et  al.  CGAM 

problem: definition and conventional solution. Energy 1994;19:279–86. 

Valero A, Torres C, Serra L. A general  theory of  thermoeconomics: Part  I: structural 

analysis.  In:  Valero  A,  Tsatsaronis  G,  editors.  International  symposium  on 

efficiency,  costs, optimization  and  simulation of energy  systems, ECOS’ 92. 

Zaragoza, Spain, June 15‐18; 1992, p. 137‐145. 

Page 153: A computer program for the exergoeconomic analysis of ...

139  

Valero, A., Torres, C. and Lozano, M. A. (1989) On the Unification of Thermoeconomic 

Theories, in: Simulation of Thermal Energy Systems (Boehm, R. F., EI‐Sayed, Y. 

M., Eds.), ASME, New York, 63‐74. 

Von Spakovsky MR. Application of engineering functional analysis to the analysis and 

optimization of the CGAM problem. Energy 1994;19:343–64. 

Von  Spakovsky MR, Curti V.  The performance optimization of  a  cogeneration heat 

pump facility. ECOS’92, ASME, New York, USA; 1992. 

Von Spakovsky M R, Evans R B. The design and performance optimization of thermal 

systems [J]. Journal of engineering for gas turbines and power, 1990, 112(1): 

86‐93. 

Wagner Wolfgang, Kretzschmar Hans‐Joachim. International steam tables: properties 

of water  and  steam  based  on  the  industrial  formulation  IAPWS‐IF97  [M]. 

New York: Springer‐Verlag Berlin Heidelberg, 2008. 

Zumdahl, Steven S. (2008). "Thermochemistry". Chemistry. Cengage Learning. p. 243. 

ISBN 978‐0‐547‐12532‐9.