System dynamic modelling and simulation is becoming a powerful and essential design tool. For this reason, this Ph.D. Thesis is devoted to analyse the transient operation conditions’ effects using power plant dynamic models. In the first part of this dissertation, the dynamic analysis is the core of a procedure developed to predict lifetime reduction on traditional power plant devices. In particular, the plant dynamic model, and its capability of evaluating the trends of the main thermodynamic parameters, which describe the plant operation during transient conditions, is the base point to identify the most stressed plant devices. Being fundamental the role played by combined cycle power plants in the liberalized electricity market scenario, a combined cycle power plant is selected as test case. The dynamic model of a single pressure combined cycle power unit is built and the proposed procedure is tested. The results show that the procedure can be considered as a valuable innovative tool to assist power plant designers and operators in order to improve the plant’s flexibility without excessively compromising the integrity of devices subjected to high thermo-mechanical stresses. The second part of this work underlines the essential role played by the dynamic analysis during the design phase of innovative small-medium size waste heat recovery units on isolated grid. In particular, after a design optimization process, the dynamic behaviour of gas turbines coupled with waste heat recovery units (ORC, SRC and ABC power units) is tested to verify the grid stability and, in the case of an ORC unit, the working fluid thermochemical stability. In conclusion, in this dissertation, two different software tools are proposed. In both cases the core is the plant dynamic model. The first tool is able to predict the plant thermodynamic variables and compute the components lifetime reduction caused by load changes while the second one performs a design and optimization of different waste heat recovery units for stand-alone offshore facilities. The entire plant is then dynamically analysed in order to verify the grid stability and, in the case of ORC unit, the working fluid thermochemical stability.

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.

Power plants behaviour during transient operating conditions / Benato, A.. - (2015 Jan).

Power plants behaviour during transient operating conditions

Benato, A.
2015-01

Abstract

System dynamic modelling and simulation is becoming a powerful and essential design tool. For this reason, this Ph.D. Thesis is devoted to analyse the transient operation conditions’ effects using power plant dynamic models. In the first part of this dissertation, the dynamic analysis is the core of a procedure developed to predict lifetime reduction on traditional power plant devices. In particular, the plant dynamic model, and its capability of evaluating the trends of the main thermodynamic parameters, which describe the plant operation during transient conditions, is the base point to identify the most stressed plant devices. Being fundamental the role played by combined cycle power plants in the liberalized electricity market scenario, a combined cycle power plant is selected as test case. The dynamic model of a single pressure combined cycle power unit is built and the proposed procedure is tested. The results show that the procedure can be considered as a valuable innovative tool to assist power plant designers and operators in order to improve the plant’s flexibility without excessively compromising the integrity of devices subjected to high thermo-mechanical stresses. The second part of this work underlines the essential role played by the dynamic analysis during the design phase of innovative small-medium size waste heat recovery units on isolated grid. In particular, after a design optimization process, the dynamic behaviour of gas turbines coupled with waste heat recovery units (ORC, SRC and ABC power units) is tested to verify the grid stability and, in the case of an ORC unit, the working fluid thermochemical stability. In conclusion, in this dissertation, two different software tools are proposed. In both cases the core is the plant dynamic model. The first tool is able to predict the plant thermodynamic variables and compute the components lifetime reduction caused by load changes while the second one performs a design and optimization of different waste heat recovery units for stand-alone offshore facilities. The entire plant is then dynamically analysed in order to verify the grid stability and, in the case of ORC unit, the working fluid thermochemical stability.
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.
Dynamic Analysis, Optimization, Lifetime Reduction, Waste heat recovery units, ORC, ABC, SRC
Power plants behaviour during transient operating conditions / Benato, A.. - (2015 Jan).
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