Simulazione di impianti solari termodinamici

Simulazione di impianti
solari termodinamici
Esperienze presso i laboratori ENEA-UTRINN
Tommaso Crescenzi
Workshop Nazionale Simulazione
Sistema Energetico
Roma 25 marzo 2015
SOLARE TERMODINAMICO : LA TECNOLOGIA ENEA
ENEA inizia un’attività di R&S sul solare termodinamico nel
2000
1. Produzione di elettricità con impiego dell’energia solare
come sorgente di calore ad alta temperatura (550 °C)
2. Produzione di idrogeno con conversione termochimica
(550‐750 °C e superiori)
Alcune Tappe significative
• Circuito di prova collettori solari (PCS): 2003 • Ingegnerizzazione tubi ricevitori, ora ASE (Angelantoni): dal 2000 • Impianto Archimede con ENEL (5 MW): 2007 ‐ 2010
TECNOLOGIA ENEA: ROADMAP
Progetto Archimede
2010
Impianto
dimostrativo
2009
2008
Avviamento
Progettazione e
costruzione
2007
2006
Qualificazione dei
componenti
2005
2004
2003
Lab R&D
2002
2001
Realizzazione
Impianto prova: PCS
Sviluppo componenti in
collaborazione con
industrie italiane
Avvio del progetto
IMPIANTO SOLARE TERMODINAMICO : CARATTERISTICHE
IMPIANTI SOLARI TERMODINAMICI : LA TECNOLOGIA ENEA
Le innovazioni
Collettore solare
Tubo ricevitore
Accumulo termico
Fluido termovettore
APPLICAZIONE DELLA TECNOLOGIA ENEA : PROGETTO ARCHIMEDE
ENEL: Impianto Archimede Priolo Gargallo (SR) Sicilia
IMPIANTI SOLARI TERMODINAMICI : LA TECNOLOGIA ENEA
Applicazione della tecnologia ENEA all’impianto ENEL
IMPIANTI SOLARI TERMODINAMICI E LA SIMULAZIONE
Ruolo della simulazione
La simulazione (dinamica) può entrare in gioco a vari livelli:
• Simulazione di componente o sottosistema
• Simulazione ingegneristica di impianto (per controllo di processo)
• Simulazione semplificata di impianto
• Previsione delle prestazioni e della resa
IMPIANTI SOLARI TERMODINAMICI E LA SIMULAZIONE
Impianto Sperimentale PCS (Prova Collettori Solari)
Tubo Ricevitore Impianto Solare Archimede ENEL
SIMULAZIONE DI COMPONENTE O SOTTO SISTEMA
Dinamica del campo solare
• 2003‐2006
• Collaborazioni con Università della Calabria, Università di Roma, Università di Parma
• Modellistica dinamica in ambiente Matlab/Simulink
DINAMICA DEL CAMPO SOLARE
Modellistica del tubo ricevitore
DINAMICA DEL CAMPO SOLARE
Schema modelli di nuvole rettangolari
Nuvola longitudinale
Lunghezza
Larghezza e posizione
Lunghezza
Nuvola Trasversale
DINAMICA DEL CAMPO SOLARE
Esempio di passaggio di una nuvola
• Nuvola « longitudinale »
• Lunghezza: 150 m., velocità 5 m/s
• Irraggiamento: 900 W/m2  0 • La nuvola inizia a impattare a t = 100 sec. e permane per 90 sec.
300 m.
5 m/s
150 m.
DINAMICA DEL CAMPO SOLARE
Evoluzione Temperature
DINAMICA DEL CAMPO SOLARE
Tubo irraggiato
Sale
Tubo non
irraggiato
Dettaglio Temperature all’uscita (600 m.)
DINAMICA DEL CAMPO SOLARE
T [C] L[m] t [s] Effetto di una nuvola longitudinale – portata costante
DINAMICA DEL CAMPO SOLARE
PE 4
PE 4/1
4
PE 4/2
1
3
0
PE 1
PE 2
Un campo solare irregolare
2
PE 3
DINAMICA DEL CAMPO SOLARE
Loop 1 – 10: singoli loop di PE 4
Risposta portata a una rampa di velocità pompa (2000‐2405 r.p.m. – 40 r.p.m./s) DINAMICA DEL CAMPO SOLARE
Controllo basato su un algoritmo Adattativo MPC (Model Predictive Control)
CONTROLLORE basato su un modello lagrangiano del processo a passo
variabile
STIMATORE dello stato basato su filtro di Kalman (UKF) con
modello euleriano bilineare : stima on-line dei parametri“ottici” e di “perdita”
DINAMICA DEL CAMPO SOLARE
Controllore
implementazione SIMULINK
Stimatore
DINAMICA DEL CAMPO SOLARE
Esempio prestazioni algoritmo
DINAMICA DI IMPIANTO
Dinamica di Impianto – dal 2007
 Dinamica del campo solare
Dinamica dell’accumulo
 Dinamica del ciclo a vapore
Collaborazione con società Struttura Informatica
•Prodotto: Isaac‐Dynamics, orientato al controllo di processo di impianti termici e CSP
•Moduli pre‐costituiti
• Possibilità di operare in real‐time (1X) o in accelerato (tip. 10‐100X)
•Possibilità di agire singolarmente sugli attuatori (es. Valvole) e di realizzare simulatori accoppiati a interfaccia utente per addestramento
DINAMICA DI IMPIANTO IN ISAAC DYNAMICS
Campo solare e accumulo
DINAMICA DI IMPIANTO IN ISAAC DYNAMICS
HP
MH
SH
RH
Gruppo a Vapore (Power Block)
DINAMICA DI IMPIANTO IN ISAAC DYNAMICS
DNI
1000
DNI (W/m2)
DNI (W/m2)
800
600
400
200
0
6
8
10
12
14
16
18
20
Time hours
Solar Field Mass Flow
100
HTF mass flow (kg/s)
HTF mass flow (kg/s)
80
60
40
20
0
6
8
10
12
14
16
Time hours
Irraggiamento pertubato
18
20
DINAMICA DI IMPIANTO IN ISAAC DYNAMICS
Output Temperatures - 1st April
600
Solar Field
Equivalent Loop L
Loop A
Loop E
550
Output Temperature (°C)
500
450
400
350
300
250
6
8
10
12
14
16
Time (hours)
Uscite temperature – 1 Aprile
18
20
DINAMICA DI IMPIANTO IN ISAAC DYNAMICS
Draining of Loop A
700
collector A1
A8
A2
A7
A3
A6
A4
A5
600
A8
HTF mass (kg)
500
A1
A2
A7
400
A3
A6
300
8
7
6
5
1
2
3
4
A4
200
A5
100
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Time (hours)
Drenaggio Sali di stringa
0.8
0.9
1
DINAMICA DI IMPIANTO IN ISAAC DYNAMICS
Temperature evolution - Loop E
500
Collector E1- section 0
E2-0
E3-0
E4-0
E5-0
E6-0
E7-0
E8-0
E8-1
E8-1
Temperature (°C)
450
400
350
300
E1-0
Freeze limit
250
200
150
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Time (hours)
1.4
1.6
1.8
Temperature durante drenaggio sali di stringa
2
CAMPO SOLARE: SIMULAZIONE RELAP5 ‐ RIEMPIMENTO
Il codice Relap5 è stato utilizzato per analizzare il comportamento termo‐idraulico dell’impianto solare
Archimede, circuito comprendente i collettori solari parabolici lineari ed i due serbatoi per lo storage termico
(serbatoio caldo e serbatoio freddo).
Dettaglio A
Dettaglio B
Dettaglio C
Nodalizzazione del sistema e definizione delle caratteristiche geometriche ed idrauliche
mflowj on left
mflowj pump
mflowj on right
Fase di riempimento del circuito
140
18.000
16.000
120
14.000
12.000
System mass [ kg ]
Mass flow rate [ kg/s ]
100
80
10.000
60
40
Dettaglio B
8.000
6.000
4.000
20
Dettaglio C
0
0
100
200
300
400
500
600
Time [ s ]
Per bilanciare il circuito l’apertura delle valvole di
bypass poste ai due estremi dell’impianto è
differente
2.000
0
0
100
200
300
Time [ s ]
400
Tempo necessario t=320s
500
600
CAMPO SOLARE: SIMULAZIONE RELAP5 ‐ DRENAGGIO
Time
Dependent
Volume 256
Time
Dependent
Volume 290
Time
Dependent
Volume 236
Valve
301
Branch
235
Pump
220
Valve
304
Branch
255
Dettaglio A
Valve
305
Valve
307
Valve
308
Valve
309
Time
Dependent
Volume 500
Molten salts
45
Time
Dependent
Volume 200
Serbatoi:
• Time dependent Volume 290
• Time dependent volume 200
Valvole di drenaggio:
• Valve 306
• Valve 307
• Valve 308
• Valve 309
T=0s circuito pieno di Sali
T=10s power off pompa
T=60s apertura valvole di drenaggio
T=90s apertura vent valve
E’ stato simulato il drenaggio dell’impianto al fine
di definire una procedura standard da applicare.
Valve
306
Molten salts
Water
Water
18000
40
16000
35
14000
30
12000
System mass [ kg ]
Mass flow rate [ kg/s ]
Vent valve:
• Valve 301
• Valve 304
25
20
15
10000
8000
6000
10
4000
5
2000
0
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Time [ s ]
3000
3500
4000
4500
0
500
1000
1500
2000
2500
Time [ s ]
3000
3500
4000
4500
CAMPO SOLARE: SIMULAZIONE RELAP5 ‐ LOOP
T=0s
T=200s
circuito pieno di acqua
valvole ingresso ed uscita
loop aperte
mflowj 825010000
mflowj 825060000
mflowj 825020000
mflowj 825070000
mflowj 825030000
mflowj 825080000
mflowj 825040000
mflowj 825090000
Riempimento loop
T=0s
T=200s
T=300s
mflowj 810010000
mflowj 810060000
mflowj 825050000
circuito pieno di acqua
valvola ingresso loop aperta
valvola uscita loop aperta
mflowj 810020000
mflowj 810070000
mflowj 810030000
mflowj 810080000
mflowj 810040000
mflowj 810090000
mflowj 810050000
12
5
10
Mass flow rate [kg/s]
Mass flow rate [kg/s]
4
3
2
1
8
6
4
2
0
0
200
400
600
800
1000
1200
0
‐1
0
Time [s]
mflowj 830020000
mflowj 830070000
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Time [s]
Portata pipe 810
Portata pipe 825
mflowj 830010000
mflowj 830060000
200
mflowj 830030000
mflowj 830080000
mflowj 830040000
mflowj 830090000
mflowj 825010000
mflowj 825060000
mflowj 830050000
mflowj 825020000
mflowj 825070000
mflowj 825030000
mflowj 825080000
mflowj 825040000
mflowj 825090000
mflowj 825050000
6
12
5
10
6
4
2
0
0
200
400
600
‐2
800
1000
1200
Mass flow rate [kg/s]
Mass flow rate [kg/s]
8
4
3
2
1
‐4
0
0
‐6
‐8
200
400
600
‐1
Time [s]
Time [s]
Portata pipe 830
800
Portata pipe 825
1000
1200
1400
1600
DINAMICA DI IMPIANTO « SEMPLIFICATA »
Per studi di impatto sulla rete è opportuno impiegare
modelli semplificati di impianto
• Input solare (DNI su base 1‐5’)
• Rappresentazione semplificata della prestazione
campo solare
• Rappresentazione semplificata dell’ accumulo
• Scheduling del Power Block e « dispacciamento
produzione » DINAMICA DI IMPIANTO « SEMPLIFICATA »
Schema per modello presentato a “1st WorkShop on Integration of Solar Power into Power Systems – 2011” – implementato in MATLAB/Simulink
DINAMICA DI IMPIANTO « SEMPLIFICATA »
Irradiation, Load, Hot Tank level - 15-24 march
600
800
T (°C)
400
200
1850
1900
1950
2000
1800
30
560
20
550
10
0
1800
Hot Tank level (m)
400
300
Tc (°C)
Load (MW)
0
1800
Solar field output temperature - 15 to 24 march operation
500
600
1850
1900
1950
1850
1850
8
6
4
1950
2000
1900
1950
2000
Cold Tank temperature
400
10
1900
Hot Tank temperature
540
530
1800
2000
Tf (°C)
Irradiation (W/m2)
1000
350
300
2
0
1800
1850
1900
1950
Hours from Jan 1st
2000
250
1800
1850
1900
1950
hours from jan 1st
2000
Esempio di output – 15‐24 Marzo – scheduling “pomeridiano”
DINAMICA DI IMPIANTO « SEMPLIFICATA »
Complessità e tempi di calcolo (su PC std.)
• Modelli dinamici (campo solare e/o impianto): complessi e potenzialmente « instabili ». Velocità tip. Real‐time/100X • Modello semplificato: stabile; velocità tipica: 105 X (1 anno in 5 min.)
• Calcolo prestazioni: 104 X – 105 X