Off-design exergy analysis of combined cycle power plants : the case study of La Casella

In the current context of overcapacity and competition of renewable energy, Italian CCGT power plants are experiencing a change in role, moving gradually from baseload or mid-merit units to “back-up” plants, necessary to stabilize the grid. In particular, they are required to operate with increasing flexibility. For this reason, power plants models are crucial to study the off-design performance of power plants and help improve their flexibility. The present work focuses on the case study of Enel’s La Casella combined cycle power plant. A steady-state zero-dimensional model of the power plant was designed with the software Thermoflex. Once validated, the model was employed for studying the impact of cycling operation on the performance of the plant and of individual components, and for evaluating minor retrofit interventions. In detail, exergy analysis was applied to locate and quantify the inefficiencies in different sections of the power plant. This responded to a need of the company for detailed tools of analysis aimed at complementing those already existing for prediction and diagnosis. Moreover, four different configurations for reaching the minimum environmental load, which represents a key parameter for plant operational flexibility, were analyzed in order to reduce the inefficiencies.

Nell'attuale contesto di sovra-capacità e concorrenza da parte delle fonti rinnovabili, gli impianti a ciclo combinato italiani stanno vivendo un cambiamento di ruolo, trasformandosi gradualmente da unità di produzione di base in impianti di "back-up" per le fonti rinnovabili. In particolare, ad essi è richiesta una sempre maggiore flessibilità operativa. Per questi motivi, i modelli termodinamici rappresentano uno strumento cruciale per lo studio del comportamento degli impianti in condizioni di off-design e per migliorarne la flessibilità operativa. Il presente lavoro si concentra sul caso studio della centrale termoelettrica a ciclo combinato Enel La Casella. Un modello termodinamico stazionario zero-dimensionale dell'impianto è stato sviluppato con l'ausilio del software Thermoflex. Una volta validato, il modello è stato utilizzato per studiare l'effetto del funzionamento ciclico sulle performance dell'impianto e dei singoli componenti e per valutare gli effetti di eventuali riconfigurazioni impiantistiche atte al miglioramento della flessibilità. Nel dettaglio, è stata applicata l'analisi exergetica per individuare e quantificare le inefficienze nelle diverse sezioni dell'impianto. Questo tipo di studio deriva dalla necessità dell'azienda di disporre di dettagliati strumenti di analsi atti ad integrare quelli attualmente disponibili a fini predittivi e diagnostici. Inoltre, sono state analizzate quattro differenti configurazioni di impianto atte al raggiungimento del carico minimo tecnico ambientale, il quale rappresenta un parametro chiave per la flessibilità operativa degli impianti termoelettrici.