Power generation on board of a FPSO : a technical, environmental and economic comparison between open cycle gas turbines and combined cycle

The aim of the thesis, produced in collaboration with Eni, is to assess the feasibility of the application of a combined cycle on board of a Floating Production Storage and Offloading unit (FPSO) which operates in the Agogo oil field, in Angola. With respect to the widely diffused semi-open cycles with waste heat recovery unit, the combined cycle would allow an increase in the efficiency of power and thermal generation, thus, a reduction of the carbon footprint of the company. However, as of today, the combined cycles have not been adopted in this environment, mainly because of the strict constraints on weight and footprint on board of the vessel. The scope of this study is to evaluate the feasibility through the following steps: selection of the main components and the power cycle layout; modeling of the combined cycle and the semi-open cycle with Thermoflex and assessment of the performances, in order to check if the combined cycle fulfills the power duties; preliminary layout modeling (2D and 3D models) and weight assessment, to check the feasibility regarding footprint and weight constraints; transient stability analysis to check the capability of the electrical system to respond and adapt to sudden changes in load, generation or other faults (without the mitigating effect of the electrical grid, since it is a stand-alone power plant scenario). Lastly, the purpose is to assess the cost of the project and compute the carbon dioxide emissions and the other main sustainability KPIs, in order to make a comparison with the semi-open cycle and evaluate the convenience of the investment.

L’obiettivo della tesi, condotta in collaborazione con Eni, è quello di valutare la fattibilità dell’applicazione di un ciclo combinato a bordo di una unità galleggiante di produzione, stoccaggio e scarico (FPSO) che lavora nel giacimento Agogo, in Angola. Rispetto agli impianti attualmente più diffusi, basati su ciclo a gas semi-aperto con recupero termico dai gas di scarico della GT, il ciclo combinato permetterebbe un aumento dell’efficienza nella generazione di potenza e quindi una riduzione dell’impronta carbonica della compagnia. Fino ad oggi, però, i cicli combinati non sono adottati in questo ambito, soprattutto a causa degli stringenti limiti riguardo a peso e dimensioni dell’impianto a bordo della nave Lo scopo dello studio è di valutare la fattibilità attraverso i seguenti step: scelta dei principali componenti e del layout del ciclo; modellazione del ciclo combinato e del ciclo semi-aperto su Thermoflex e stima delle performances, in modo di verificare se il ciclo combinato è in grado di fornire i flussi di potenza richiesti; modellazione preliminare del layout dell’impianto di generazione di potenza (modelli 2D e 3D) e stima dei pesi, per verificare la fattibilità riguardo ai limiti di peso e dimensioni; studio della stabilità elettrica della rete per verificare la capacità di rispondere e adattarsi ad improvvisi cambiamenti di carico, generazione o altri guasti (senza l’effetto mitigante della rete elettrica, dato che questo scenario riguarda un impianto stand-alone). Infine, l’obiettivo è stimare i costi del progetto e calcolare le emissioni di anidride carbonica e gli altri principali KPI di sostenibilità, in modo di effettuare un paragone con il ciclo a gas semi-aperto e valutare la convenienza dell’investimento.