Dynamic analysis and control of a once through steam generator for a concentrated solar power plant

The flexibility and continuity of energy production can make the concentrating solar power plants, coupled with thermal storage, more competitive in the energy market, allowing the partecipation to the dispatchability services in the same way as traditional fossil fuel and hydro power plants. The PreFlexMS European project aims to introduce a Molten Salt Once Through Steam generator within the power unit, a technology which has greater flexibility potential if compared to steam drum boilers, currently used in those plants. The main objective of the control system developed in this dissertation is to guarantee the aforementioned flexibility requirements, together with the security plant operation. Through the system dynamic analysis the best couplings among the possible variables have been found, which represents the starting point of the base control strategy development. A decentralized control strategy based on PI controllers is proposed, although the presence of a non-minimum phase dynamic response has required a more sophisticated control law. The actual performance of the control system are tested into the simulation environment, with a critical analysis of the results. Finally a more advanced, centralized, control strategy is proposed (linear MPC), in order to evaluate how much the robustness and performance can be improved, when a more rapid signal tracking is requested.

Flessibilità e continuità nella produzione di energia possono rendere gli impianti solari a concentrazione con accumulo termico competitivi nel mercato dell’energia elettrica, anche attraverso la partecipazione ai servizi di dispacciamento, finora forniti sono dagli impianti tradizionali a combustibile fossile e idroelettrici. Il progetto PreFlexMS prevede l’introduzione nel ciclo di potenza di una caldaia a sali fusi ad attraversamento diretto, tecnologia che offre maggiori potenzialità in termini di flessibilità di esercizio rispetto ad una caldaia a corpo cilindrico, attualmente utilizzata in questo tipo di impianti. Gli obiettivi principali del sistema di controllo sviluppato in questo lavoro sono di garantire tali requisiti e al contempo l’esercizio in condizioni di sicurezza dell’impianto. L’analisi dinamica del ciclo di potenza ha permesso di individuare gli accoppiamenti migliori tra le variabili disponibili, punto di partenza per la definizione di una strategia di controllo di base. In primo luogo, viene proposta una logica di controllo decentralizzata basata su regolatori PI, anche se la presenza di un sistema a fase non minima ha richiesto l’utilizzo di una legge di controllo più sofisticata. L’effettiva efficacia del sistema di controllo è stata poi verificata in un ambiente di simulazione, con un’analisi critica dei risultati. Infine, viene proposta una strategia di controllo avanzata di tipo centralizzato (MPC lineare), per esaminare quanto si può guadagnare in termini di robustezza e prestazioni quando viene richiesto di seguire riferimenti sui setpoint più rapidi.