TGPS PEFORMANCE INSIGTHS: Which settings affects the efficiency of Combined Cycle plants?

 

In a combined cycle power plant (CCPP), the overall performance is usually parametrized in terms of the efficiency (heat rate), and power output. These values are usually easily calculated when there is access to the necessary data. Still, the calculated efficiency and output of a CCPP will hardly ever be the same two times. This is because there are many ever-changing conditions that affect the efficiency and output of the plant.

In the short term case, the performance is dominantly affected by changes in atmospheric conditions. In general, performance tends to be better during night and morning periods when ambient air temperature tends to be lower, and worse on midday and afternoon when ambient air temperatures are higher. In the long term case, performance tends to decrease due to the effects of component degradation. This could be caused by gas turbine compressor fouling, gas turbine backpressure increase due to HRSG flue gas path fouling, dirty air filters, mechanical degradation of equipment such as pumps and generators, increased tolerances due to friction and erosion, etcetera.

One can see that there are very many factors that affect the performance of a plant, and a question that comes out of this is: Which are the main factors that affect performance, and by how much do they affect the performance? Not surprisingly, this is a very difficult question to answer since the effects of all these factors aggregate and their individual contributions to the efficiency and output of the plant cannot be singled out.

TGPS makes use of power plant modelling software for detailed and precise analysis of CCPP performance. Within the capacities of this approach is the prediction of performance change due to variations in any of thousands of parameters. For example, the performance of a plant can be accurately predicted under different ambient conditions, or on operation with fouled components.

A case study for a modern combined cycle power plant with a 2×1 configuration, triple pressure reheat, is presented here for demonstration. The plant has been modeled with the main design criteria shown in Table 1 below.

Using these design conditions as a starting point, the effect that a change of several individual parameters has on the efficiency and output of the plant can be predicted. The results for some of the most important parameters are shown below in Table 2.

 

These numbers are reasonable values in general situations, and can be used to roughly estimate the effect that a change in one variable may have on the overall performance. Still, one should keep in mind that no two power plants are the same, and therefore may not respond in the same way for all cases.

Another consideration is that the variations are not necessarily linear throughout the entire operating envelope. For example, the change in efficiency or output due to a 5°C ambient air temperature increase may not necessarily be the same if the initial ambient temperature is 15°C or 20°C.

To help our customers understand and predict the performance of their plant, TGPS uses state of the art modelling tools to create performance correction curves that encompass the entire operational envelope. Our team also runs “what if” analyses to predict the performance after a major unit uprate. This allows our customers to confidently take financial decisions based on quality prediction data.

TGPS PEFORMANCE INSIGTHS: ¿Que parámetros afectan la eficiencia de centrales de Ciclo Combinado?

En una planta de ciclo combinado, el desempeño térmico es generalmente descrito en términos de eficiencia y potencia eléctrica. Estos valores son fácilmente calculados cuando se tiene acceso a la información necesaria. Aun así, los cálculos de eficiencia y potencia difícilmente se podrán comparar dado el cambio en los parámetros que impactan la eficiencia del ciclo y la potencia.

En corto, el desempeño térmico es predominantemente afectado por los cambios en las condiciones atmosféricas. Es fácil observar que durante la noche se incrementa la eficiencia y durante la mañana se empeora cuando la temperatura ambiente incremente. En el largo plazo, las tendencias de desempeño se verán también afectadas por la degradación de los distintos componentes. Esto puede ser por degradación recuperable o la no recuperable. Por ejemplo el ensuciamiento del compresor o los intercambiadores de calor en el recuperador de calor (HRSG)
También puede ser el desgaste mecánico de las partes como son las bombas, sellos de turbina, generadores, corrosión, etc.

Se puede observar que son varios los factores que afectan la eficiencia térmica de la planta y la pregunta es:

¿Cuáles son los principales factores que afectan el desempeño térmico de la planta y cuánto es el impacto de estos factores?

No es de sorprenderse que esta pregunta sea difícil de responder ya que todos estos factores se agregan y la contribución individual de cada uno es difícil de aislarse.

TGPS usa software de modelación térmica para analizar a detalle el desempeño de ciclos combinados. Dentro de las capacidades de este modelo está la predicción de los cambios de performance debido a la variación de múltiples parámetros en conjunto. Por ejemplo, la eficiencia de una planta puede ser determinada con precisión bajo diferentes condiciones ambientales o con la degradación de cada uno de los equipos.

A continuación presentamos una breve descripción de un caso de estudio de un ciclo combinado moderno con una configuración de 2×1 con un ciclo de vapor de 3 presiones y recalentamiento. La planta se modeló con los siguientes parámetros de diseño.

Usando estas condiciones de diseño como punto de inicio, el efecto que un cambio en diferentes variables tienen en la eficiencia del ciclo combinado y en la potencia puede ser determinado. Los resultados de los principales parámetros se muestran en la tabla de abajo.

Estos valores se deben tomar como de referencia, peroo puede ser usados para tener un estimado del impacto que tienen estos parámetros en ciclos de configuraciones similares. Aun así se debe de tomar en cuenta que no existen dos plantas iguales y que por lo tanto cada planta responde de diferente manera.

Otra consideración es que la variación no es necesariamente linear en todo el rango de operación. Por ejemplo, el impacto que tiene la temperatura ambiente a 5°C no necesariamente es la misma a 15°C o 20°C.

Para ayudar a nuestros clientes a entender y predecir el desempeño de la planta, TGPS hace análisis de diferentes supuestos para determinar el desempeño de la planta después de mantenimientos mayores, modificaciones de la planta o antes de la ejecución de las mismas. Esto ayuda a nuestros clientes a tomar decisiones más fundamentadas en cuanto a inversiones de mejora en sus plantas.