Modellazione di un impianto solare per la generazione diretta di vapore e ottimizzazione della strategia di controllo

The purpose of this work is the study of a Direct Steam Generation (DSG) Concentrated Solar Plant with Linear Fresnel Reflectors for medium temperature process heat production for a Brazilian industry. Two approaches are used to identify the operation conditions in nominal and transient conditions. The steady-state modeling, with a spatial discretization of the ordinary equations, allows to characterize the physical phenomena as pressure drop, heat transfer and, therefore, to determine the pressure and temperature distribution along the solar absorber. Also, with this model it’s possible to determine the flow pattern in each collector where steam is generated. The absorber flow pattern study is crucial to avoid possible adverse conditions of the absorber and will help to extend the life of the plant. Since it is quiet complex to measure it, a model has been developed. This first approach is necessary in the phase of sizing and verification of the different operation conditions. Regarding transient analysis, a dynamic model has been developed where parameters as absorber flow; drum (steam-liquid reservoir) pressure and liquid volume trends are calculated for certain representative days. This dynamic model shows large variations of these parameters during the start-up and shutdown. This variation is due to changes of the steam distribution inside the system and has to be controlled. The dynamic model is based on mass and energy balances of the sub-systems (drum and absorber) and the total system. Finally, the optimization of the control strategy has the purpose of limiting the pressure variation inside the drum and, in a second time, controlling the liquid drum level to minimize the necessary drum volume.

L’obiettivo di questo lavoro consiste nello studio di un impianto solare a concentrazione per la generazione diretta di vapore con collettori lineari di tipo Fresnel per la produzione di calore di processo a media temperatura per un’industria brasiliana. Due approcci sono stati usati per identificare le condizioni di funzionamento in condizioni nominali e transitorie. La modellazione stazionaria, con una discretizzazione spaziale delle equazioni ordinarie, permette di caratterizzare i fenomeni fisici come le perdite di carico lineari e scambio termico e quindi determinare la distribuzione di temperatura e pressione lungo l’assorbitore solare. Inoltre, con questo modello si riesce a calcolare il tipo di flow pattern esistente all’interno dei collettori in cui si forma vapore. Lo studio del flow pattern è cruciale per evitare possibili condizioni sfavorevoli all’interno dell’assorbitore che permetterà di allungare la vita utile del sistema. Dato che questo parametro è difficilmente misurabile, servono modelli per individuarlo. Questo primo approccio è necessario nella fase di dimensionamento e di verifica delle diverse condizioni di funzionamento. Per quanto riguarda l’analisi dei transitori è stato sviluppato un modello dinamico dove viene calcolata la variazione del livello di liquido, la pressione del drum (serbatoio di acqua liquida-vapore) e la portata all’interno dell’assorbitore per determinate condizioni operative ritenute rappresentative. Questo modello ha permesso di identificare un’elevata variazione di tali grandezze durante le fasi di partenza e spegnimento dell’impianto. Questa variazione è dovuta ai cambiamenti della distribuzione di vapore all’interno del sistema e deve essere controllata. Il modello dinamico si basa sullo sviluppo dei bilanci massico ed energetico sia dei sottosistemi (drum e assorbitore), sia del sistema complessivo. Infine, l’ottimizzazione della strategia di controllo ha lo scopo di limitare la variazione di pressione all’interno del drum e in un secondo tempo controllare la variazione del livello nel drum per minimizzarne il volume.