Short-term Optimization of a Combined Cycle Power Plant Integrated with an Inlet Air Conditioning Unit = Optimización a corto plazo de una planta de potencia de ciclo combinado integrada con una unidad de acondicionamiento del aire de entrada
Under new scenarios with high Shares of variable renewable electricity, combined cycle gas turbines (CCGT) are required to improve their flexibility, in terms of ramping capabilities and part-load efficiency, to help balance the power system. Simultaneously, the liberalization of electricity markets and the complexity of its hourly price dynamics are affecting the CCGT profitability, which is leading the need of optimizing its operation. Among the different possibilities to enhance the power plant performance, an inlet air conditioning unit (ICU) offers the benefit of power augmentation and “minimum environmental load” reduction by controlling the gas turbine inlet temperature using cold thermal energy storage and a heat pump. Consequently, an evaluation of a CCGT integrated with this inlet conditioning unit including a day-ahead optimized operation strategy is developed in this study.
To establish the hourly dispatch of the power plant and the right operation mode of the inlet conditioning unit to either cool down or heat up the gas turbine inlet air, a mixed-integer linear optimization (MILP) was formulated using MATLAB, aiming to maximize the operational profit of the plant within a 24 hours horizon. To assess the impact of the proposed unit operating under this dispatch strategy, historical data of electricity and natural gas prices, as well as meteorological data and CO2 emission allowances price, have been used to perform annual simulations of a reference power plant located in Turin, Italy. Furthermore, different equipment capacities and parameters have been investigated to identify trends of the power plant performance. Lastly, a sensitivity analysis on market conditions to test the control strategy response was also considered.
Results indicate that the inlet conditioning unit, together with the dispatch optimization, increases the power plant’s operational profit by achieving a wider operational range, particularly important during peak and off-peak periods. For the specific case study, it is estimated that the net present value of the CCGT integrated with the conditioning unit is 0.5% higher than the power plant without the unit. In terms of technical performance, results show that the unit reduces the minimum environmental load by approximately 1.34% and can increase the net power output by 0.17% annually. This study presents the benefits of a novel solution to increase CCGT flexibility while implementing an optimized dispatch strategy.
Resumen: Bajo los nuevos escenarios con alta participación de electricidad proveniente de fuentes de energía renovables, las plantas de generación a gas en ciclo combinado requieren mejorar su flexibilidad de operación, respecto a la capacidad para variar su generación y a la eficiencia en carga parcial, para ayudar a balancear el sistema eléctrico. Simultáneamente, la liberación del mercado eléctrico y la complejidad en la dinámica de los precios cada hora, están afectando la rentabilidad de este tipo de plantas a gas, lo cual está liderando una necesidad de optimizar su operación. Dentro de las diferentes posibilidades para mejorar el rendimiento de la planta de potencia, una unidad para el acondicionamiento del aire de entrada ofrece los beneficios de aumento de potencia y reducción de la mínima carga de operación por regulaciones ambientales, controlando la temperatura del aire de entrada a la turbina de gas empleando un almacenamiento de energía térmica fría y una bomba de calor. Consecuentemente, una evaluación de un ciclo combinado integrado con esta unidad de acondicionamiento del aire de entrada y una estrategia de operación optimizada del día que viene, es desarrollada en este estudio.
Para establecer el despacho de la planta de potencia cada hora y el adecuado modo de operación de la unidad de acondicionamiento para enfriar o calentar el aire de entrada a la turbina de gas, una programación lineal en enteros mixtos fue formulada usando MATLAB, con el objetivo de maximizar la rentabilidad de la panta en un periodo de 24 horas. Para determinar el impacto de esta unidad de acondicionamiento propuesta, información histórica de precios de electricidad y precios del gas natural, al igual que información meteorológica y precios sobre las emisiones de CO2, han sido usadas para realizar simulaciones anuales de una planta de referencia en Turín, Italia. Adicionalmente, diferentes capacidades de equipos y parámetros han sido investigados para identificar tendencias en el desempeño de la planta de potencia. Finalmente, un análisis de sensibilidad con respecto a las condiciones del mercado para verificar el comportamiento de la estrategia de control fue también considerado.
Los resultados indican que la unidad de acondicionamiento, en conjunto con la estrategia optimizada de operación, incrementa la rentabilidad operacional de la planta al lograr un amplio rango de operación, particularmente importante durante los periodos pico y valle en los precios de la electricidad. Para el caso específico de estudio, es estimado que el valor presente de una planta de ciclo combinado integrada con la unidad de acondicionamiento es 0.5% más alto que una planta convencional sin la unidad. En términos del rendimiento técnico, los resultados muestran que la unidad reduce la mínima carga ambiental en aproximadamente 1.34% y que puede incrementar la generación de energía neta en un 0.17% anual. Este estudio presenta los beneficios de una solución innovadora para incrementar la flexibilidad del ciclo combinado implementando una estrategia optimizada de despacho.
Citación recomendada (normas APA)
Weimar Eduardo Mantilla Gutierrez, "Short-term Optimization of a Combined Cycle Power Plant Integrated with an Inlet Air Conditioning Unit = Optimización a corto plazo de una planta de potencia de ciclo combinado integrada con una unidad de acondicionamiento del aire de entrada", Colombia:-, 2019. Consultado en línea en la Biblioteca Digital de Bogotá (https://www.bibliotecadigitaldebogota.gov.co/resources/3711087/), el día 2025-05-06.
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