Thermomechanical analysis of a heat recovery steam generator coil under intense cyclic loads

In the present energy market, combined cycles cannot be used as a base load power source anymore, because of the increasing importance of renewables, which have dispatch priority, forcing programmable generators to work at partial and variable loads. New generation heat recovery steam generators in particular need to become always more flexible in order to be capable to follow the electric demand. In order to achieve this goal, minimizing start-up times is required. In plants equipped with bypass stack, partialization of bypass damper is also desirable, to further improve flexibility. This work aims to investigate the effects of such practices on the HRSG in terms of thermomechanical fatigue and creep. With FEA and the use of a material model, specifically optimized for grade 91 steel, number of cycles to failure are found in case fast start-ups and damper partialization are practiced. A sensitivity study is conducted, varying an important geometrical parameter to investigate the effect of this variation on allowable number of cycles. Final conclusions are discussed, about the grade of flexibility reachable in modern HRSGs.

Nell’attuale mercato energetico, la tecnologia dei cicli combinati non può più essere applicata per soddisfare il carico elettrico di base, a causa della crescente importanza acquisita dalle energie rinnovabili, che avendo priorità di dispacciamento impongono alle tecnologie programmabili un funzionamento caratterizzato da carichi parziali e forti variazioni del carico. I generatori di vapore a recupero di ultima generazione devono per questo migliorare le loro performance sotto il profilo della flessibilizzazione. Per raggiungere questo obiettivo i tempi di accensione devono essere ridotti il più possibile e, in impianti dotati di camino di bypass, anche la possibilità di lavorare con serranda parzializzata sarebbe auspicabile. L’obiettivo della tesi è quello di analizzare gli effetti di queste pratiche sull’HRSG in termini di fatica termomeccanica e creep. Con l’utilizzo dell’analisi ad elementi finiti e di un modello di materiale appositamente ottimizzato per l’acciaio di grado 91, si calcola il numero di cicli ammissibili nel caso in cui si pratichino avviamenti veloci e parzializzazione della serranda di bypass. È stata inoltre condotta un’analisi di sensitività variando un importante parametro geometrico al fine di valutare gli effetti di questa variazione sulla vita utile del componente in oggetto. Sono presentate alcune conclusioni riguardo la fattibilità di queste configurazioni e sulla possibilità di migliorare la flessibilità dei moderni generatori di vapore a recupero.