Study of an innovative solution for heat recovery steam generators in cyclic service

Nowadays the Combined Cycle Gas Turbine (CCGT) Plant represents the most efficient way to produce energy. For years these power plants run at “base-load” conditions, that means they were shut down only occasionally for normal maintenance. Today, due to the increase of natural gas prices, they are required to start-up, shut-down and to follow the load swing in response to market conditions. Hence Heat Recovery Steam Generators (HRSGs) are exposed to more severe duty than in the past, since cycling service involves a mechanical and thermal process on their components and represents the source of several concerns. Being cycling on HRSGs something relatively new and representing a very challenging aim, manufacturers have been studying methods to improve units life expectancy, limiting the negative drawbacks of fatigue, condensation and other secondary effects. It often happens the existing units, in the past designed for base-load operation, to be cycled. That is the case of some HRSGs installed in Italian CCGT Plants for which Nooter/Eriksen S.r.l. (N/E S.r.l.) has offered some possible modifications in order to convert them to cycling operation and to make them capable to cope with daily shut-downs (8-10 hours) or weekly shut-downs (60-70 hours). This thesis is going to expose the study that has been carried out about an innovative solution patented by N/E S.r.l, namely a screen downstream of the high pressure evaporator, consisting in a multilouvre damper composed of insulated steel panels, that automatically closes during shut-down , whose aim would be to contain the thermal energy from the hottest parts of the HRSG in a limited casing volume, slowing down the depressurization gradient, permitting a faster start-up and reducing the fatigue life consumption. Being never used on any unit, a mathematical model of the heat transfer phenomena was studied in order to verify the real effectiveness of this device over both nightly and weekend shut-downs, with reference to a case study HRSG. An initial 80 min fluxing phase was considered before the screen closedown, during which the HRSG is fluxed with cold air. Set an inlet temperature of the air for fluxing at 250°C, the results show that the screen downstream of the high pressure evaporator is a very effective solution for hot start-ups (that means nightly shut-downs), since it permits to maintain a significant residual pressure inside the high pressure drum. Hence each daily restart would take less time, with evident advantages. Results also show that the screen can be useful in avoiding sparging steam usage over weekend stops. An evident decrease of the effectiveness would happen for a lower inlet air temperature.

Gli impianti a ciclo combinato rappresentano oggi la tecnologia a più elevato rendimento per la produzione di energia elettrica. Fino a pochi anni fa tali impianti venivano avviati e fatti funzionare continuativamente a regime, senza mai essere spenti, se non per normali operazioni di manutenzione. Negli ultimi anni, a causa dell’aumento del prezzo del gas naturale e della flessibilità della domanda energetica, è diventato pratica comune il loro funzionamento ciclico: gli impianti vengono cioè spenti, riaccesi o utilizzati a carichi parziali, anche durante la giornata, a seconda della domanda di mercato di energia. Questo comporta che anche la caldaia a recupero (HRSG, oppure Generatore di Vapore a Recupero in italiano, GVR) venga sottoposta a più frequenti ed elevati stress termici e meccanici, dovuti rispettivamente a gradienti di temperatura e di pressione durante i transitori di avvio e fermata. Poiché solo recentemente si è iniziato ad esercire in maniera ciclica le caldaie a recupero, questo tema è di primaria importanza; i costruttori di GVR stanno studiando ogni metodo per migliorane il comportamento a fatica, per aumentarne la vita utile e per limitare gli effetti negativi conseguenti alla ciclizzazione. Il problema è ancora più evidente per quelle caldaie che, non di recente progettazione, devono adesso essere esercite ciclicamente dai proprietari dell’impianto: è questo il caso di alcune unità installate in Italia, per le quali Nooter/Eriksen S.r.l. (N/E S.r.l.) vuole fornire una proposta di modifiche da effettuarsi per la loro conversione a funzionamento ciclico, in modo da migliorarne il comportamento a fronte di fermate notturne giornaliere (di 8-10 ore) o fermate del fine settimana (60-70 ore). Questa tesi espone lo studio che è stato condotto circa una soluzione innovativa brevettata da N/E S.r.l., ovvero la collocazione di uno schermo a valle del banco evaporatore. Si tratta di una serranda costituita da una serie di pannelli isolanti, in grado di chiudersi dopo lo spegnimento su comando di un operatore e il cui scopo è quello di trattenere il calore in un volume ristretto della caldaia, contenente le masse metalliche che lavorano a più alta temperatura e pressione, le quali per tale motivo sono elementi limitanti per i gradienti di avviamento e critici per la fatica termo-meccanica. Trattandosi di una soluzione innovativa, mai sperimentata, si è resa necessaria la realizzazione, sulla base di un GVR scelto come riferimento, di un modello matematico che simulasse lo scambio di calore durante il transitorio in presenza di uno schermo geometricamente definito da N/E S.r.l., in modo da valutarne l’efficienza. Si è tenuto conto nella simulazione di una fase di flussaggio con aria fredda di 80 min che avviene subito dopo lo spegnimento, prima della chiusura dello schermo, con una temperatura dell’aria in ingresso di 250°C. I risultati hanno mostrato una rilevante efficacia della serranda per le brevi fermate notturne, con un rallentamento del gradiente di depressurizzazione e una pressione residua adeguatamente elevata. Per fermate più lunghe l’utilizzo dello schermo può evitare l’uso di vapore ausiliario per lo sparging steam. Una riduzione della temperatura dell’aria di flussaggio in ingresso porta ad efficienze ridotte.