This thesis aims to design and evaluate the performances of different SOFC–gas-steam turbine combined cycles for large-scale applications. At first two triple combined cycle configurations are analyzed, configurations A1 and A2 respectively, integrating an intermediate-temperature solid oxide fuel cell (SOFC), with a bottoming natural gas combined cycle (NGCC). Subsequently, a regenerative hybrid gas cycle (RHGC), described as configuration B, is investigated. The power plants differ in the cathode and anode flows preheating systems; configuration A1 exploits a large cathodic recirculation to preheat the air flow, while the anodic stream is preheated by steam bled from the heat recovery steam generator (HRSG) and subsequently by anodic recirculation, configuration A2 implements two heat exchangers placed before the anodic and cathodic channels respectively, which exploits the high temperature streams at the SOFC outlet to preheat the inlet air and fuel flows. The RHGC exploits both a regenerative heat exchanger and recirculations to satisfy the SOFC operating temperatures. The systems are modeled through the “GS” software, developed by Politecnico di Milano. The SOFC, H-class gas turbine and steam cycle parameters are in accordance with the state-of-the-art. To find the optimal design parameters, a sensitivity analysis is carried out by varying: the primary fuel/air ratio, the secondary fuel/air ratio, the SOFC single-pass fuel utilization factor, the SOFC voltage and the pressure ratio of the gas cycle. The results demonstrate that the outstanding 84.44% of net electric efficiency is achievable by adopting large anodic and cathodic recirculations. Lower efficiency designs, with higher gas turbine power output, can be obtained by increasing the secondary fuel/air ratio, reducing the SOFC fuel utilization factor and/or the cell voltage.
Questa tesi propone la progettazione e la valutazione delle prestazioni di diversi cicli combinati comprendenti SOFC, turbina a gas e turbina a vapore, per applicazioni di grossa taglia. Inizialmente, sono state analizzate due configurazioni di ciclo combinato triplo, configurazioni A1 e A2 rispettivamente, le quali integrano una cella a combustibile a ossido solido a temperatura intermedia (SOFC), con un ciclo combinato a gas naturale (NGCC). Successivamente, è stata svolta l’analisi di un ciclo a gas ibrido rigenerativo (RHGC), identificato come configurazione B. I cicli differiscono per i sistemi di preriscaldamento dei flussi catodici e anodici; la configurazione A1 sfrutta un ampio ricircolo catodico per preriscaldare il flusso d'aria, mentre il flusso anodico viene preriscaldato dal vapore prelevato dal generatore di vapore a recupero di calore (HRSG) e successivamente dal ricircolo anodico, la configurazione A2 prevede due scambiatori di calore posti prima dei condotti anodico e catodico rispettivamente, i quali sfruttano i flussi ad alta temperatura all'uscita del SOFC per preriscaldare i flussi di aria e di combustibile in ingresso. L'RHGC sfrutta sia uno scambiatore di calore rigenerativo che i ricircoli per soddisfare le temperature richieste dalla SOFC. I cicli sono modellati attraverso il software “GS”, sviluppato dal Politecnico di Milano. I parametri della SOFC, della turbina a gas classe-H e del ciclo a vapore sono conformi allo stato dell'arte. Per trovare i parametri di progettazione ottimali, è stata eseguita un'analisi di sensitività variando: il rapporto combustibile primario/aria, il rapporto combustibile secondario/aria, il fattore di utilizzo single-pass del combustibile, la tensione della SOFC e il rapporto di compressione del ciclo. I risultati dimostrano che l'eccezionale 84,44% di efficienza elettrica netta è ottenibile adottando ampi ricircoli anodici e catodici. Progetti a efficienza inferiore sono ottenuti generando una maggiore potenza con il ciclo combinato a gas naturale, ovvero aumentando il rapporto combustibile secondario/aria secondario, riducendo il fattore di utilizzo del combustibile della SOFC e/o la tensione della cella.
Efficiency optimization of SOFC-gas-steam turbine combined cycles
ALPEGIANI, FRANCESCO
2021/2022
Abstract
This thesis aims to design and evaluate the performances of different SOFC–gas-steam turbine combined cycles for large-scale applications. At first two triple combined cycle configurations are analyzed, configurations A1 and A2 respectively, integrating an intermediate-temperature solid oxide fuel cell (SOFC), with a bottoming natural gas combined cycle (NGCC). Subsequently, a regenerative hybrid gas cycle (RHGC), described as configuration B, is investigated. The power plants differ in the cathode and anode flows preheating systems; configuration A1 exploits a large cathodic recirculation to preheat the air flow, while the anodic stream is preheated by steam bled from the heat recovery steam generator (HRSG) and subsequently by anodic recirculation, configuration A2 implements two heat exchangers placed before the anodic and cathodic channels respectively, which exploits the high temperature streams at the SOFC outlet to preheat the inlet air and fuel flows. The RHGC exploits both a regenerative heat exchanger and recirculations to satisfy the SOFC operating temperatures. The systems are modeled through the “GS” software, developed by Politecnico di Milano. The SOFC, H-class gas turbine and steam cycle parameters are in accordance with the state-of-the-art. To find the optimal design parameters, a sensitivity analysis is carried out by varying: the primary fuel/air ratio, the secondary fuel/air ratio, the SOFC single-pass fuel utilization factor, the SOFC voltage and the pressure ratio of the gas cycle. The results demonstrate that the outstanding 84.44% of net electric efficiency is achievable by adopting large anodic and cathodic recirculations. Lower efficiency designs, with higher gas turbine power output, can be obtained by increasing the secondary fuel/air ratio, reducing the SOFC fuel utilization factor and/or the cell voltage.| File | Dimensione | Formato | |
|---|---|---|---|
|
2023_05_Alpegiani.pdf
non accessibile
Dimensione
1.83 MB
Formato
Adobe PDF
|
1.83 MB | Adobe PDF | Visualizza/Apri |
I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
https://hdl.handle.net/10589/210880