Plant-wide modelling simulation and control of a CaL power plant

In the last years, global warming is a topic increasingly debated. A possible medium-term measure, to reduce the amount of CO2 released into the atmosphere by coal-fired power plants, is calcium-looping. FlexiCaL is an European project with the aim of designing power plants that use calcium-looping technology. In this way a double effect is obtained, the first is the reducing of CO2 produced by the coal plant and at the same time the flexibility increasing of power generation, in order to manage the demand fluctuations in transmission and generation networks. In this thesis a Supercritical steam Rankine cycle is modelled, coupled with a calcium-looping process, of which only the carbonator is described, a particular interest was brought on the preheating train, modelled in detail. The objectives of this work are the evaluation of the plant controllability and flexibility in off-design. The model is developed using the Modelica language and is validated with a static model developed by the Department of Energy of the Politecnico di Milano. Through the dynamic analysis of the plant, the best combinations of inputs/outputs are found, in order to obtain a decentralized control. Thanks to the control system it has been possible to study the evolution of the system in realistic scenarios showing that it is possible to bring the plant off-design up to 60% of its nominal load, following a loading ramp of 1% per minute. The objectives of this work are the evaluation of the plant controllability and flexibility in off-design. The model is developed using the Modelica language and is validated with a static model developed by the Department of Energy of the Politecnico di Milano. Through the dynamic analysis of the plant, the best combinations of inputs/outputs are found, in order to obtain a decentralized control. Thanks to the control system it has been possible to study the evolution of the system in realistic scenarios showing that it is possible to bring the plant off-design up to 60% of its nominal load, following a loading ramp of 1% per minute.

In questi ultimi anni si sta parlando sempre più di riscaldamento globale, un tema al centro dell'attenzione. Una possibile misura nel medio termine, per ridurre la quantità di CO2 rilasciata nell'atmosfera dalle centrali elettriche a carbone, è il calcium-looping. FlexiCaL è un progetto europeo con lo scopo di progettare impianti di potenza che utilizzino il calcium-looping. In questo modo si ottiene il duplice effetto di ridurre la CO2 prodotta dall'impianto a carbone e contemporaneamente si aumenta la flessibilità della generazione della potenza, per riuscire a gestire le fluttuazioni della domanda nelle reti di trasmissione e generazione. In questa tesi si è modellato un intero ciclo Rankine a vapore supercritico, accoppiato con un processo di calcium-looping, del quale vi è modellato solo il carbonatore, particolare interesse è stato portato sul treno di preriscaldo, modellato in maniera dettagliata. Gli obiettivi di questo lavoro sono la valutazione della sua controllabilità e flessibilità in off-design. Il modello è stato sviluppato usando il linguaggio Modelica ed è stato validato con un modello statico sviluppato dal Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. Attraverso l'analisi dinamica dell'impianto sono state trovate le migliori combinazioni tra ingresso uscita per ottenere un controllo decentralizzato. Grazie al sistema di controllo si è potuto studiare l'evoluzione del sistema in scenari realistici che hanno dimostrato che è possibili portare l'impianto in off-design fino al 60% seguendo una rampa di carico dell'1% al minuto. Inoltre sono stati effettuati transitori relativi al controllo primario di potenza, come il condensate throttling, che porta ad un aumento della potenza medio del 13\% in 15 minuti.