Development and Comparison of Advanced Part Load Control Strategies for the Allam Cycle

A promising solution to tackle the rising concentration of CO2 in the atmosphere is the use of carbon capture and storage (CCS) technologies. Amongst the possible technologies, the Allam cycle appears to be very promising because of its high efficiency, simplicity, low expected cost and near-zero emissions. Preliminary analysis performed by Politecnico di Milano researchers has also shown very good part-load performance. In this work, a more accurate part-load model of the Allam cycle has been created in which (i) off-design performance maps for the compressors, pumps and the turbine are considered, (ii) different part-load control strategies are developed and compared. Since the Allam cycle is a semi-closed supercritical CO2 cycle with intermediate features between the steam cycle and the gas cycle, several control strategies are possible by combining turbine partial-admission, compressor variable inlet & diffuser guide vanes and minimum cycle pressure variation. These control strategies have been tested at various part-load conditions ranging from 90% down to 20%. The study shows that the optimal control strategy varies depending on the cycle load and the increase of part-load cycle efficiency can reach up to 5.1 percentage points compared to classic strategies.

Una soluzione promettente per affrontare la crescente concentrazione di CO2 nell'atmosfera è l'uso di tecnologie di cattura e stoccaggio del carbonio (CCS). Tra le possibili tecnologie, il ciclo di Allam sembra essere molto promettente per la sua alta efficienza, semplicità, basso costo previsto e emissioni prossime allo zero. L'analisi preliminare svolta dai ricercatori del Politecnico di Milano ha anche mostrato ottime prestazioni a carico parziale. In questo lavoro, è stato creato un modello a carico parziale più accurato del ciclo Allam in cui (i) vengono prese in considerazione le mappe delle prestazioni di progettazione per compressori, pompe e turbina, (ii) vengono sviluppate diverse strategie di controllo del carico parziale e confrontato. Poiché il ciclo Allam è un ciclo di CO2 supercritico semichiuso con caratteristiche intermedie tra il ciclo del vapore e il ciclo del gas, sono possibili diverse strategie di controllo combinando ammissione parziale della turbina, palette di ingresso e diffusore variabili del compressore e variazione minima della pressione del ciclo. Queste strategie di controllo sono state testate in varie condizioni di carico parziale che vanno dal 90% al 20%. Lo studio mostra che la strategia di controllo ottimale varia a seconda del carico del ciclo e l'aumento dell'efficienza del ciclo di carico parziale può raggiungere fino a 5,1 punti percentuali rispetto alle strategie classiche.