Performance improvement of a CCGT power plant

The objective of this thesis is to study both from a technical and economic point of view the performance improvement of a combined power cycle under full load and partial load conditions. Two different power cycles have been modeled using the Thermoflex29 software: a combined cycle with a two pressure level heat recovery steam generator and a combined cycle with a three pressure level heat recovery steam generator. For both cycles, the operation of the main system components was analyzed. To increase the peak power of the two pressure levels cycle after an analysis of the various methods available on the market, it was decided to add chiller in the cycle to cool the intake air of the gas turbine. The chiller and the auxiliary systems necessary for its operation have been sized thanks to the Thermoflex29 software. To increase the efficiency of the combined cycles with two and three pressure levels in partial load conditions, a heating system is added to the cycle to increase the temperature of the Turbogas intake air. During the work carried out, four different methods for intake air heating were taken into consideration and once each had been sized, the performance, advantages and disadvantages were evaluated. For both the increase of the peak power in full load conditions and the efficiency improvement in partial load conditions, different simulations were performed according to the environmental conditions to evaluate the effect of the systems introduced on the main components of the combined cycle. An investment cost was also estimated for each technology considered and the possible gains related to the introduction of the chiller or heating system were calculated. On the basis of the results obtained, thermodynamic and economic analyzes were carried out aimed at identifying the advantages and disadvantages of the systems introduced and their impact on the functioning of the cycle.

L’obiettivo del presente lavoro di tesi è quello di studiare sia da un punto di vista tecnico che economico il miglioramento delle prestazioni di un ciclo combinato di potenza in condizioni di carico totale e carico parziale. Attraverso il software Thermoflex29 sono stati modellati due diversi cicli di potenza: un ciclo combinato con una caldaia a recupero a due livelli di pressione e un ciclo cobinato con caldaia a recupero a tre livelli di pressione. Per entrambi i cicli è stato analizzato il funzionamento dei principali componenti dell’impianto. Per incrementare la potenza di picco dell’impianto a due livelli di pressione dopo un analisi dei vari metodi disponibili sul mercato si è scelto di inserire nel ciclo un chiller per raffreddare l’aria in ingresso alla turbina a gas. Il chiller e i sistemi ausiliari necessari per il suo funzionamento sono stati dimensionati grazie al software Thermoflex29. Per incrementare l’efficienza degli impianti a due e tre livelli di pressione in condizioni di carico parziale si è inserito nel ciclo un sistema di riscaldamento per incrementare la temperatura dell’aria in ingresso al Turbogas. Durante il lavoro svolto quattro metodi diversi per il riscaldamento sono stati presi in considerazione e una volta dimensionati per ognuno sono state valutate le performance, i vantaggi e gli svantaggi. Sia per l’incremento della potenza di picco in condizioni di carico totale che per il miglioramento dell’efficienza in condizioni di carico parziale sono state eseguite diverse simulazioni in funzione delle condizioni ambientali per valutare l’effetto dei sistemi introdotti sui principali componenti del ciclo combinato. Per ogni tecnologia considerata è stato inoltre stimato un costo di investimento ed i possibili guadagni legati all’introduzione del chiller o del sistema di riscaldamento sono stati calcolati. Sulla base dei risultati ottenuti sono state svolte delle analisi di natura termodinamica ed economica volte ad individuare vantaggi e svantaggi dei sistemi introdotti ed il loro impatto sul funzionamento del ciclo.