Modelling and optimization of triple combined cycle

Hybrid cycles and triple combined cycles, obtained by the integration of a fuel cell within a combined cycle, are innovative technologies within the stationary power generation sector as they can achieve net electric efficiencies higher than any other commercially available technology. Over the last few decades, hybrid gas turbine-fuel cell cycles have found increasing interest within both the academic and industrial field due to their high performance. The purpose of the present wok is to develop a model of triple combined cycle for large-power generation by coupling the solid-oxide fuel cell (SOFC) within the combined cycle. As there is no commercially available prototype, various configurations have been proposed to overcome the problem of the correct preheating of flows entering the fuel cell. The class-H natural gas combined cycle has been used as reference model, later modified with the integration of the SOFC component. The triple combined cycle model under investigation has been simulated with the GS software, developed within the Energy Department at Politecnico di Milano. Subsequently, a sensitivity analysis has been carried out to find the operating conditions that would maximize the efficiency of the plant. Characteristics parameter of the system such as the fuel utilization factor, the mass flow rate of natural gas introduced and the pressure ratio, have been varied in order to achieve the highest performance and to understand their influence on the plant’s behaviour. Finally, the obtained results have been discussed, before some considerations on the possible future developments in the triple combined cycle power generation technology.

I cicli gas ibridi e tripli cicli combinati, caratterizzati dall'integrazione di una cella a combustibile all'interno di un ciclo combinato, sono tecnologie innovative nel settore della generazione di potenza stazionaria in quanto permettono di raggiungere efficienze elettriche nette più elevate di qualsiasi altra tecnologia disponibile in commercio. Nel corso degli ultimi decenni, in virtù delle loro ottime performance, sono diventati oggetto di una forte ricerca accademica e di interesse industriale. Lo scopo del presente lavoro è quello di sviluppare un modello di triplo ciclo combinato, accoppiando la cella a combustibile ad ossido solido (SOFC) all'interno del ciclo combinato. Poiché non esiste un prototipo disponibile in commercio, nel corso della tesi sono state proposte varie configurazioni che cercano di risolvere il problema del corretto preriscaldamento dei flussi di aria e carburante entranti in cella. Come design di riferimento è stato utilizzato il ciclo combinato a gas naturale di classe H, successivamente modificato per integrarvi i vari componenti della SOFC. Il modello di triplo ciclo combinato in esame è stato simulato sul software GS, sviluppato dal Dipartimento di Ingegneria Energetica del Politecnico di Milano. Successivamente è stata effettuata un'analisi di ottimizzazione per trovare le condizioni di funzionamento che massimizzassero l'efficienza dell'impianto. Parametri caratteristici del sistema come il fattore di utilizzo del combustibile, la quantità di gas naturale introdotta e il rapporto di compressione, sono stati variati al fine di ottenere il massimo rendimento e capire come influenzassero il comportamento dell’impianto. Infine, la tesi si conclude con una considerazione sui risultati ottenuti e una discussione sui possibili sviluppi futuri della tecnologia di triplo ciclo combinato, cercando di superare i principali limiti attuali.