Evaluation of pressure gain combustion on combined cycle performance

Pressure Gain Combustion (PGC) is an innovative and promising technology for boosting the performance of gas turbines, both in simple cycle configurations and more advanced combined cycles. While combined cycle technology is well-established and widely adopted, there is still significant potential for improvement, especially in regions like Italy. As a country heavily reliant on imported fossil fuels, particularly natural gas, and bound by the European Green Deal’s stringent greenhouse gas reduction targets, Italy stands to benefit from such advancements. PGC technology offers a "free" pressure increase during the combustion process, which reduces the compressor’s pressure ratio and, as a direct result, reducing the power consumed by the compressor itself. Considering that in gas turbines the work required by the compressor and the turbine’s output are of the same order of magnitude, a reduction in compression work while maintaining the same turbine operating conditions results in a significant increase in the overall efficiency of the cycle. To evaluate the impact of PGC technology on a power cycle, the GS software, developed by the Department of Energy at the Politecnico di Milano, was used. This tool made it possible to simulate the operation of a combined cycle belonging to different technological classes, from a modern H-class plant to older F-class and E-class plants and to analyze in detail the plant’s performance after the introduction of PGC technology. The various steps necessary to closely approximate the representation of a real plant integrating this technology were illustrated, and several simulations were then conducted. The results obtained were compared with those of traditional combined cycles, highlighting the tangible benefits of adopting PGC, as well as the uncertainties and potential challenges that could arise. Starting from the H-class’s nominal efficiency of 63.10%, it was observed that, in the best-case scenario, the efficiency could reach up to 65.13%. However, this is a preliminary result that does not account for the potential negative effects of PGC on the cycle, considering only the pressure increase it provides. In more realistic simulations, high efficiencies, such as 63.61%, were still achievable, but there was also a risk of performance deterioration, with efficiency dropping to as low as 60.83% in the worst-case scenario.

La combustione a guadagno di pressione (in inglese Pressure gain combustion o PGC) è una tecnologia innovativa e promettente per migliorare le prestazioni delle turbine a gas, sia in configurazioni di ciclo semplice che in cicli combinati più avanzati. Sebbene la tecnologia del ciclo combinato sia ben consolidata e ampiamente adottata, c'è ancora un significativo margine di miglioramento, soprattutto in regioni come l'Italia. Essendo un paese fortemente dipendente dall'importazione di combustibili fossili, in particolare gas naturale, e vincolato dagli stringenti obiettivi di riduzione dei gas serra del Green Deal europeo, l'Italia può trarre grandi benefici dall'implementazione di questa tecnologia. La tecnologia PGC offre un aumento di pressione "gratuito" durante il processo di combustione, riducendo il rapporto di pressione del compressore e, come diretta conseguenza, riducendo la potenza consumata dal compressore stesso. Considerando che nelle turbine a gas il lavoro richiesto dal compressore e quello prodotto dalla turbina sono dello stesso ordine di grandezza, una riduzione del lavoro di compressione mantenendo le stesse condizioni operative della turbina porta a un significativo incremento dell'efficienza complessiva del ciclo. Per valutare l'impatto della tecnologia PGC su un ciclo di potenza, è stato utilizzato il software GS, sviluppato dal Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. Questo strumento ha permesso di simulare il funzionamento di un ciclo combinato appartenente a diverse classi tecnologiche, da un impianto moderno di classe H a impianti più vecchi di classe F ed E, e di analizzare in dettaglio le prestazioni dell'impianto dopo l'introduzione della tecnologia PGC. Sono stati illustrati i vari passaggi necessari per rappresentare con precisione un impianto reale che integra questa tecnologia, e sono state condotte diverse simulazioni. I risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli dei cicli combinati tradizionali, evidenziando i benefici tangibili dell'adozione della PGC, così come le incertezze e le possibili sfide che potrebbero emergere. Partendo dall'efficienza nominale del 63,10% per un impianto di classe H, è stato osservato che, nel migliore dei casi, l'efficienza potrebbe arrivare fino al 65,13%. Tuttavia, questo è un risultato preliminare che non tiene conto dei potenziali effetti negativi della PGC sul ciclo, considerando solo l'aumento di pressione che essa fornisce. In simulazioni più realistiche, sono state comunque raggiunte alte efficienze, come il 63,61%, ma c'era anche il rischio di un deterioramento delle prestazioni, con un calo dell'efficienza fino al 60,83% nello scenario peggiore.