A methodology for the economic optimal sizing of heat exchangers for novel power generation processes

Future plant for energy production will be cleaner and cleaner in terms of pollutant emissions. State of art power plants integrate also CO2 capture, in order to reduce its impact on the increasing greenhouse effect. Plants considered in the thesis have all the tool to burn the cleanest fuel possible, starting from natural gas. Moreover, with a complex flue gas line that allows to recover residual heat in the gasses and separates pollutant species, carbon dioxide capture, compression and storage takes place. Those plants often integrate technologies and processes that need components that must withstand harsh operating conditions and require ad-hoc design. The two plants are composed by a great number of finned tube heat exchanger, so it is necessary to build a computational model to have an economical overview of the capital cost of those plant in a fast and flexible way. This model works also as a tool optimize heat exchanger from economical point of view considering depreciation and operating cost of the exchangers. The model is built on Excel basis, in order to be used by everyone without specific software installed on the PC. With the model help, the optimization and cost budgeting takes place for every heat exchanger and the HRSG of the NGCC plant. Moreover, a cost analysis on piping and material has been done over every exchanger. A deeper analysis has been done on the HRSG installed in the NGCC plant. Design process of this boiler takes into account, not only tubes and flow of the flue gasses, but also steam drums, valves, measurements tools and insulation. Result is presented in kit of accessories: every kit is a set of tools that every bank or part of HRSG needs according to its classification (drum, economizer, evaporator, superheater, high pressure line, low pressure line...). Thus, new HRSGs can be estimated summing properly those kits relying on boiler configuration. Therefore, this model can be adapted in future analysis on similar clean power production plants.

Gli impianti per produzione di energia tendono ad avere un impatto ambientale sempre minore, grazie ad un trend che porta a ridurre progressivamente le emissioni di inquinanti. Le centrali elettriche allo stato dell'arte integrano inoltre processi per la cattura della CO2, al fine di ridurre l’emissione di uno dei gas responsabili dell'effetto serra sul nostro pianeta. Gli impianti considerati nella tesi sono provvisti di tutti gli strumenti per bruciare il combustibile più pulito possibile a partire dal gas naturale. Inoltre, a valle di una complessa linea di pulizia dei gas di combustione, che consente di recuperare del calore residuo nei gas e separare le specie di inquinanti, avviene la cattura, compressione e stoccaggio della anidride carbonica prodotta. Questi impianti spesso integrano tecnologie e processi che hanno bisogno di componenti in grado di resistere a condizioni operative gravose e che richiedono una progettazione ad-hoc. Gli impianti considerati sono composti da un gran numero di scambiatori di calore a tubi alettati. Si è rivelato necessario, quindi, programmare un modello di calcolo per avere una panoramica economica del costo di investimento in modo rapido e flessibile. Il modello di calcolo programmato inoltre deve permettere di essere utilizzato come strumento di ottimizzazione per gli scambiatori dal punto di vista economico considerando sia l'ammortamento che il costo operativo. Il modello è programmato su base Excel, al fine di poter essere utilizzato da chiunque senza software specifici installati sul PC. Con l'aiuto del modello è stata condotta l’ottimizzazione e la preventivazione dei costi per ogni scambiatore di calore e per l’HRSG dell'impianto NGCC. Inoltre, su ogni scambiatore è stata effettuata un'analisi dei costi sui tubi e sul materiale. Una analisi più approfondita è stata fatta sull'HRSG installato nell'impianto NGCC. Il processo di progettazione di questa caldaia tiene conto non solo delle tubazioni e del flusso dei gas di combustione, ma anche dei corpi cilindrici, delle valvole, degli strumenti di misura e dell’isolamento. Il risultato di questa progettazione è presentato sotto forma di kit di strumenti: ogni kit è l’elenco degli strumenti che vanno installati sui diversi banchi dell’HRSG, divisi per livelli di pressione, o sui corpi cilindrici. Pertanto, nuovi HRSG possono essere stimati sommando correttamente i costi di tali kit in base alla configurazione dei banchi presenti nella caldaia. Questo modello può così essere adattato per analisi future su impianti simili per produzione di energia pulita.