Steam turbine start-up optimisation for direct steam generation tower power plant

One of the most important issues facing humanity at the current time is the supply of sustainable energy, due to the strong reliance of social and economic success on the availability of affordable energy and the increasing environmental concerns about its production. The vast majority of contemporary solar thermal power plants are based on conventional Rankine cycle (steam turbine) technology, presenting a low technological risk involved in the initial investment. However, the equipment is subject to a greater range of operating conditions than what would be the case in conventional systems due to the variable solar energy source. The necessity of maintaining the operational life of the steam turbine limits the speed at which the turbine can start once the solar supply becomes available. Nevertheless, the turbine should be started quickly in order to exploit as much as possible the sun’s energy. In this thesis, a study of the application of an evolutionary computational method to optimize the steam turbine start-up is presented, in order to accomplish faster starts while ensuring that life requirements are preserved. The method is implemented on a steam turbine thermal model previously developed and validated against experimental data. The conflicting objectives are the minimization of the start-up time and the minimization of the thermal stress in the critical component. The algorithm is able to provide a set of solutions, defined as Pareto Front, that represent the best trade-off among the objectives that the decision maker can choose.

Negli ultimi anni, uno dei più importanti problemi che l’umanità si trova ad affrontare riguarda la produzione di energia sostenibile, a causa della forte dipendenza del successo sociale ed economico dalla disponibilità di energia economica e delle crescenti preoccupazioni ambientali. La maggior parte delle centrali termoelettriche attuali si basa sulla tecnologia tradizionale del ciclo Rankine (turbina a vapore), presentando così nell’investimento iniziale un basso rischio tecnologico. Tuttavia, quando queste vengono impiegate in abbinamento all’energia solare, l'attrezzatura viene sottoposta a un range più esteso di condizioni operative rispetto a quello dei sistemi convenzionali. La necessità di garantire una lunga vita utile della turbina a vapore limita la possibile velocità di avviamento una volta che l'energia solare è disponibile. Ciò nonostante, la turbina dovrebbe essere avviata rapidamente per sfruttare l'energia del sole quanto più possibile. In questa tesi è stato presentato uno studio riguardo all’applicazione di un metodo di calcolo evolutivo per ottimizzare l'avviamento della turbina a vapore al fine di realizzare avvii più veloci, garantendo nel contempo la conservazione della vita utile. Il metodo viene implementato su un modello termico della turbina a vapore precedentemente sviluppato e convalidato rispetto a dati sperimentali. Gli obiettivi conflittuali sono la minimizzazione del tempo di avvio e la minimizzazione dello stress termico nel componente più critico. L'algoritmo è in grado di fornire una serie di soluzioni definite come fronte di Pareto, che rappresentano il miglior compromesso nel soddisfare i due obiettivi.