Techno-economic optimization of a regenerative combined cycle gas turbine power plant

The present work has been developed during the past year within the Thermo-Economic Optimization team of General Electric, joined in the quality of Systems Engineer Trainee. Mission of the group, located in Baden (Switzerland), is to identify the best combined cycle design given economic and ambient boundary conditions by adopting the in-house developed optimizer and design tools. In line with the scope of the team, the project aims at investigating the use of a regenerative gas turbine in combined cycle applications. The model of the regeneration, based on the introduction of a gas-air heat exchanger and pipelines for the recirculation of the compressed air, has been developed and integrated within the tools in use by the team. Different multiobjective optimization studies have been carried out to assess the feasibility of the technology from an economic and thermodynamic standpoint by comparison with the reference plant. All configurations are based on a future GT designed for high exhaust temperature and live steam parameters limited to maintain the state of the art HRSG. To the best of our knowledge no study is available in the literature regarding the investigation of the regeneration applied to high exhaust temperature GT in combined cycles and moreover no author has included the partial load response in the analyses conducted. However, if historically most market-based investments in combined cycle power plants were driven by the base load response, nowadays flexibility and partial load operation are key drivers in decision making. Under these circumstances the present work after identifying the best regenerative and reference designs by means of thermo-economic optimization studies, aims at investigating the economic feasibility of the technology under different scenarios in terms of operating hours and load levels.

Questo lavoro di tesi è stato sviluppato nel corso di un tirocinio all’interno del team di Ottimizzazione Termo-Economica della General Electric, iniziato l’anno scorso nel ruolo di Ingegnere di Sistema. Missione del gruppo, collocato a Baden (Svizzera) è di identificare il miglior design di un ciclo combinato, date determinate condizioni economiche e ambientali e adottando l’ottimizzatore e i tool di design sviluppati all’interno dello stesso team. In linea con lo scopo del gruppo, questo progetto punta ad investigare l’uso di una turbina a gas rigenerativa in cicli combinati. Il modello di recupero del calore dai gas di scarico, basato sull’introduzione di uno scambiatore aria-fumi e tubi per la circolazione dell’aria è stato sviluppato e integrato nei tool di design in uso nel team. Varie ottimizzazioni multiobiettivo sono state effettuate per capire la fattibilità della tecnologia, dal punto di vista sia tecnico che economico sulla base di un confronto con il ciclo di riferimento. Tutte le configurazioni impiantistiche impiegano una turbina a gas futura progettata per un’alta temperatura allo scarico e parametri del vapore limitati per matenere lo stato dell’arte nel generatore di vapore a recupero. A detta delle nostre conoscenze nessuno studio è disponibile in letteratura riguardo l’analisi della rigenerazione applicata a turbine a gas con alta temperatura allo scarico in cicli combinati e inoltre nessun autore ha incluso il comportamento a carichi parziali nelle analisi condotte. Tuttavia, se storicamente la maggior parte degli investimenti in cicli combinati erano motivati dal comportamento al carico di base, oggigiorno la flessibilità dell’impianto e le prestazioni a carico parziale rappresentano caratteristiche decisionali. Date le circostanze questo lavoro di tesi dopo aver identificato il miglior design per il ciclo rigenerativo e di riferimento, mira ad investigare la fattibilità economica della nuova tecnologia oggetto di studio considerando scenari diversi in termini di ore operative e livelli di carico.