Aspen Plus simulation of fossil fuel power plants in full and partial load operation with CO2 capture plant integration

In a scenario where the environmental issues associated to power production become more and more important, the application of CCS technologies to fossil fuel power plants can play a determining role; still, this implies a performance reduction of the plants. Moreover, the high variability in energy demand imposes a part-load operation of the cited plants for most time of their activities, with an additional drop in the efficiency. Concerning these issues, this thesis is aimed at developing a USC and a NGCC models based on EBTF [2] within Aspen Plus software, able to simulate full and part-load behavior of the two plants, always taking into consideration the effects of a post combustion CO2 capture section presence. In fact, the very most part of the articles in literature use Aspen Plus for the only simulation of the CCS system or the full load operation of the plant. Developing a validated turbine model based on Stodola Ellipse, the final power plant models have the possibility to simulate different loads conditions, from 100% to 50%, evaluating the corresponding efficiency reduction as well as the most important parameters change. The USC plant is regulated with a throttling valve before the HP turbine, while the NGCC is managed by a fuel reduction combined with a compressor VGV control to maintain the gas turbine outlet temperature (TOT) and the steam cycle works in sliding pressure. The effect of a post combustion capture system is simulated with a steam extraction from the IP/LP crossover and a successive section including an attemperator and the stripper reboiler. During part-load operation, a valve placed before the LP steam turbine is in charge of maintaining an acceptable pressure value at the reboiler extraction, simulating a controlled extraction. The final models are then suitable for a future implementation of a complete and exhaustive post combustion capture system, allowing the simulation within the only Aspen Plus software of completely integrated power plants with a CCS section.

In uno scenario dove le problematiche ambientali associate alla produzione di potenza diventano sempre più importanti, l’applicazione di tecnologie per la cattura della CO2 (CCS) ad impianti di potenza da fonti fossili può giocare un ruolo determinante; ad ogni modo, questo implica una riduzione delle prestazioni degli impianti. Inoltre, l’alta variabilità nella domanda energetica impone un’operazione a carichi parziali degli impianti citati per la maggior parte della loro attività, con un ulteriore calo di efficienza. Date queste problematiche, questa tesi ha lo scopo di sviluppare all’interno del software Aspen Plus un modello di USC e NGCC, basati sulle direttive EBTF, in grado di simulare il comportamento a carichi parziali dei due impianti, oltre che a pieno carico, sempre tenendo in considerazione gli effetti della presenza di una sezione di cattura di CO2 post combustione. Infatti, la grande maggioranza degli articoli in letteratura fa uso di Aspen Plus solamente per la simulazione di sistemi CCS o di impianti di potenza, ma solo a pieno carico. Avendo sviluppato e validato un modello di turbina basato sull’Ellisse di Stodola, i modelli finali degli impianti hanno la possibilità di simulare diverse condizioni di carico, passando dal 100% al 50%, valutando la corrispondente riduzione di efficienza, così come la variazione dei parametri più importanti. L’impianto USC è regolato tramite una valvola posta prima della turbina di alta pressione, mentre l’NGCC è gestito con una riduzione del combustibile combinata al controllo dell’aria comburente tramite VGV del compressore per mantenere una temperatura costante allo scarico della turbina a gas (TOT), mentre il ciclo a vapore lavora in sliding pressure. L’effetto di un sistema di cattura post combustione è simulato mediante l’estrazione di vapore dal crossover tra la turbina di media e bassa pressione e una successiva sezione che include un attemperatore e il reboiler dello stripper. Durante l’operazione a carichi parziali, una valvola posta prima della turbina di bassa pressione ha il compito di mantenere una pressione accettabile allo spillamento per il reboiler, simulando un’estrazione controllata. I modelli finali sono quindi predisposti ad un futuro inserimento di un completo sistema di cattura post combustione, assicurando la simulazione di impianti di potenza completamente integrati ad una sezione di cattura, all’interno di un unico software: Aspen Plus.