High temperature steam cycles for efficient combined cycles power plants

The purpose of this thesis is to make an investigation of the design and the economical viability of NGCCs, that use in the hottest heat exchangers materials that allow to reach very high steam temperatures, till 620 °C. Four different materials are taken into account in this study: THOR, S304H, T92 and T91. For all the combined-cycle power plants studied in this work, a model in Thermoflex26 is built. The HRSG design is made following specific design criteria and not by the means of the software. The increase in steam temperature gives advantages in terms of efficiency but the cost-effectiveness of the analyzed plant configurations is strictly related to the hypotheses made in the economic model and to the natural gas price. A further analysis of the impact of the pinch point temperature difference and HRSG gas-side pressure drops on the plant performances and cost is carried out. In conclusion, high temperature steam cycles for combined cycle power plants are a technology already cost-efficient nowadays, under certain hypothesis. Future developments are directly linked to the advances in gas turbine technology (an high TOT is essential) and to the availability of materials with growing qualities at a low price.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di realizzare una ricerca sulla progettazione e sulla convenienza da un punto di vista economico, di cicli combinati alimentati a gas naturale che impiegano nei banchi più caldi, materiali tali da consentire di raggiungere temperature del vapore, all’uscita di essi, molto alte, fino a 620 °C. Quattro diversi materiali vengono presi in considerazione in questo lavoro: THOR, S304H, T92 e T91. Ogni impianto a ciclo combinato viene simulato attraverso Thermoflex26. La progettazione della caldaia è realizzata seguendo precisi criteri di progetto e non per mezzo del software. L'aumento di temperatura del vapore garantisce vantaggi dal punto di vista dell'efficienza, ma l'accessibilità economica degli impianti considerati, è strettamente legata alle ipotesi fatte per implementare il modello economico e al prezzo del gas naturale. Viene condotta poi un'ulteriore analisi riguardante l'impatto delle perdite di carico dei gas nell'HRSG e della differenza di temperatura di pinch point sulle prestazioni e sul costo dell'impianto. In conclusione, i cicli a vapore ad alta temperatura per impianti a ciclo combinato, sono già una tecnologia, sotto alcune ipotesi, accessibile oggigiorno. Sviluppi futuri, sono legati direttamente al concomitante avanzamento della tecnologia delle turbine a gas (un'alta TOT è fondamentale) e alla disponibilità di materiali sempre più performanti ed economici.