Effetti del ricircolo di gas combusti sulle prestazioni di un ciclo combinato

The strong growth in the production of electricity from renewable sources and the stringent limitations on emissions require modernization of traditional thermoelectric power plants. The aim of this thesis is the thermodynamic analysis of the effects of Exhaust Gas Recirculation (EGR) on the performance of a combined cycle. EGR is a technique that allows the reduction of NOx emissions due to the greater dilution of the oxidant in the combustion air. The rise in temperature at the compressor inlet with EGR also leads to a reduction in the mass flow rate processed by the combined cycle, making recirculation a candidate as a technique for regulating the load and increasing the flexibility of the system. Performance analysis is conducted with the GS software, developed at Politecnico di Milano. After defining a reference system, exhaust gas recirculation simulations are conducted for simplified cases, with the aim of outlining its effects on the thermodynamics of the cycle. Design cases for the real combined cycle with EGR are then studied. The simulations return a significant reduction in the electrical power that can be produced by the plant with the same size and technology, against a minimal performance penalty. In addition, a model is created for predicting the off-design performance of the combined cycle in the case of traditional regulation with IGV. Based on the model developed, the performance of the system is studied if EGR is applied starting from different IGV opening conditions. Starting from the full-load conditions, recirculation is a more efficient regulation technique compared to the closure of IGV, although the achievable load reduction is modest. Starting from partial load conditions, EGR allows a further reduction in power with a minimal reduction in efficiency, making the technique promising from the point of view of the flexibility of the system and emission’s reduction.

La forte crescita della produzione di potenza elettrica da fonti rinnovabili e le sempre più stringenti limitazioni sulle emissioni impongono ammodernamenti agli impianti termoelettrici tradizionali. Obiettivo del lavoro di tesi è l’analisi termodinamica degli effetti del ricircolo dei gas combusti sulle prestazioni di un ciclo combinato. L’EGR (Exhaust Gas Recirculation) è una tecnica che permette la riduzione delle emissioni di NOx per via della maggior diluzione dell’ossidante nell’aria di combustione. L’innalzamento di temperatura all’ingresso del compressore con EGR comporta inoltre una riduzione della portata massica elaborata dal ciclo combinato, candidando il ricircolo come tecnica per regolare il carico ed aumentare la flessibilità dell’impianto. L’analisi delle prestazioni è condotta tramite il software GS, sviluppato presso il Politecnico di Milano. Dopo aver definito un impianto di riferimento, vengono condotte simulazioni di ricircolo dei gas combusti per casi semplificati, con il fine di delinearne gli effetti sulla termodinamica del ciclo. Vengono poi studiati casi di progetto per il ciclo combinato reale con EGR. Le simulazioni restituiscono una riduzione significativa della potenza elettrica producibile dall’impianto a parità di taglia e tecnologia, a fronte di una minima penalizzazione del rendimento. Inoltre, viene realizzato un modello per la previsione delle prestazioni di fuori progetto del ciclo combinato nel caso di regolazione tradizionale con IGV. Sulla base del modello sviluppato, vengono studiate le prestazioni dell’impianto qualora venisse applicato EGR a partire da diverse condizioni di apertura delle IGV. Partendo dalle condizioni di full-load, il ricircolo risulta una tecnica di regolazione più efficiente rispetto alla chiusura delle IGV, sebbene la riduzione di carico ottenibile sia modesta. Partendo dalle condizioni a carico ridotto, il ricircolo permette un’ulteriore riduzione della potenza con una penalizzazione del rendimento contenuta, rendendo la tecnica promettente dal punto di vista della flessibilità dell’impianto e della riduzione delle emissioni.