Validation of a CFD tool for the 3D analysis of heat recovery steam generators

Nowadays, in the field of thermoelectric production, combined cycles are the main alternative to coal-fuelled power plants, by virtue of their high efficiency and high flexibility to compensate electric network instability due to the introduction of non-dispatchable renewable sources; moreover, high efficiency and combustion of natural gas having a lower carbon content compared to other fossil fuels reduce combined cycles carbon footprint. The continuous more stringent heat recovery steam generators performance requirements to be competitive in the market needs a very detailed analysis by means of computational tools that allow calculation in critical conditions, such as very low temperature differences between gas and steam-water. This work is focused on the validation of ACDC-3D, a computational tool that has been originally developed by AC Boilers at the end of last century for integrated CFD calculation of utility boilers furnace and convective pass; the code has been adapted to heat recovery steam generators and applied on several projects. Even if ACDC-3D tool has been compared to plant measurements and results from other commercial CFD tools, a deep validation has never been done. The first part of the work verified ACDC-3D consistency with respect to design codes used in AC Boilers for HRSG design, focusing on the heat transfer and pressure drops evaluation. The second part of the work analysed fluid dynamic 3D calculation in comparison with Ansys Fluent commercial software, focusing on turbulence evaluation and its interaction with the velocity field. The third part of the work proposed an improvement of gas side pressure drop evaluation on the basis of state-of-the-art correlations for a better modelling of 3D flows across tube banks. The flow across finned tubes has been studied with numerical simulations in order to define a corrective method, which can be then implemented in ACDC-3D code or Ansys Fluent, for the estimation of flow pressure differences in the three dimensions.

Attualmente, nel campo della produzione termoelettrica di energia, i cicli combinati sono l’alternativa più valida agli impianti alimentati a carbone, grazie all'elevato rendimento e alla grande flessibilità nel compensare l’instabilità della rete elettrica, dovuta allo sfruttamento di fonti non programmabili di energia rinnovabile; inoltre, l’alta efficienza e l’utilizzo di gas naturale come combustibile, a minor contenuto di carbonio rispetto ad altri combustibili fossili, comportano, per i cicli combinati, ridotte emissioni di CO2. La necessità di raggiungere performance sempre più spinte, per essere competitivi nel mercato dei generatori di vapore a recupero (HRSG), richiede una capacità di analisi molto dettagliata, anche con l'ausilio di strumenti computazionali che permettono di effettuare calcoli in condizioni critiche, ad esempio quando le differenze di temperatura tra i gas e l’acqua/vapore sono molto piccole. Questo lavoro si occupa della validazione di ACDC-3D, un codice CFD originariamente sviluppato dall’azienda AC Boilers, alla fine del secolo scorso, per il calcolo dello scambio termico nella zona di combustione e in quella convettiva delle caldaie; successivamente è stato adattato agli HRSG ed utilizzato per diversi progetti. Anche se i risultati di ACDC-3D sono già stati confrontati con misure su impianti reali e risultati di altri codici commerciali, una vera e propria validazione non è mai stata fatta. Nella prima parte del lavoro si è verificata la consistenza di ACDC-3D rispetto ai codici standard utilizzati da AC Boilers per la progettazione degli HRSG, con particolare attenzione allo scambio termico e alla valutazione delle perdite di carico. Nella seconda parte si è analizzato il calcolo della fluidodinamica 3D, confrontandone i risultati con quelli ottenuti tramite il software commerciale Ansys Fluent, valutando in particolare la turbolenza e la sua interazione con il campo di velocità. Nella terza parte del lavoro viene proposto un metodo per una più accurata stima delle perdite di carico lato gas, valutate sulla base delle correlazioni empiriche comunemente utilizzate, consentendo una più realistica modellizzazione di flussi 3D lungo banchi di tubi. Con simulazioni numeriche è stato studiato l’andamento di un flusso gassoso attraverso banchi di tubi alettati, per definire un metodo di calcolo correttivo, che potrà essere poi implementato in ACDC-3D o Ansys Fluent, per la stima delle differenze di pressione del flusso nelle tre dimensioni.