Power plants behaviour during transient operating conditions

La simulazione dinamica sta diventando uno strumento sempre più potente ed essenziale sia nella fase di design che durante il processo di ottimizzazione e gestione dei sistemi di produzione dell’energia. Da questa nuova necessità è nata l’idea di studiare gli effetti indotti dalle variazioni di carico sui componenti che costituiscono gli impianti energetici. A tal fine si devono sviluppare dei modelli di impianto in grado di simulare il comportamento dinamico del sistema in esame. Nella prima parte di questo elaborato, l’analisi dinamica è il cuore di una procedura integrata sviluppata allo scopo di prevedere la riduzione di vita utile dei componenti maggiormente sollecitati degli impianti termoelettrici. In particolare, il modello dinamico dell’impianto, capace di simulare l’andamento delle principali grandezze termodinamiche e quindi il comportamento del sistema durante le variazioni di carico, è l’elemento centrale della procedura poichè consente di identificare i componenti maggiormente soggetti a fenomeni di stress derivante da fatica termo-meccanica. Dato che gli impianti a ciclo combinato sono la tecnologia attualmente più efficiente e maggiormente diffusa tra i produttori di energia operanti nel mercato liberalizzato della produzione, il caso studio selezionato per testare la procedura sviluppata è proprio un impianto a ciclo combinato a singolo livello di pressione. I risultati ottenuti dimostrano che la procedura è un metodo innovativo in grado di assistere sia i progettisti che gli operatori degli impianti poiché in grado di simulare il comportamento dinamico del sistema e fornire indicazioni fondamentali sugli effetti indotti dall'esercizio flessibile. Tuttavia, l’analisi dinamica riveste un ruolo centrale anche nel caso di progettazione di impianti medio-piccoli di recupero del calore di scarto. Questi impianti vengono generalmente impiegati per incrementare le prestazioni del sistema e ridurre contestualmente i consumi di combustibile e le emissioni inquinanti rilasciate in atmosfera. La seconda parte di questo elaborato si focalizza quindi sull'utilizzo e l’integrazione dell’analisi dinamica nel processo di design e gestione degli impianti di piccola potenza inseriti in reti stand-alone di piattaforme oil and gas. In particolare, dopo l’individuazione del case study (impianto costituito da tre turbine a gas in ciclo semplice) ed una fase di studio delle possibili configurazioni (tre turbine a gas alternativamente affiancate da differenti sistemi di recupero: ABC, SRC, ORC), differenti tipologie di impianto sono state progettate utilizzando una ottimizzazione multi-obiettivo. A partire da questi dati di design, sono stati costruiti i modelli dinamici delle diverse configurazioni di impianto al fine di verificare la stabilità della rete elettrica e, nel caso di un sistema di recupero basato sulla tecnologia ORC, del fluido termovettore impiegato nel ciclo sottoposto. In conclusione, nella presente tesi di dottorato vengono sviluppati due differenti computer tools. In entrambi i casi il cuore è costituito dal modello dinamico dell’impianto di produzione dell’energia. Nel primo tool software è implementata una procedura innovativa sviluppata con lo scopo di simulare il comportamento dell’impianto durante le variazioni di carico, predire il trend delle principali grandezze termodinamiche, individuare i componenti maggiormente sollecitati e calcolare la riduzione di vita utile indotta sui componenti. Il secondo tool, invece, realizza prima una progettazione ottimizzata di differenti tipologie di unità di recupero del calore di scarto per stand-alone offshore facilities. Quindi, il comportamento dinamico dell’impianto viene simulato in maniera tale da verificare la stabilità della rete elettrica e, nel caso di una unità ORC, la stabilità termochimica del fluido operativo di ciclo.