Simplified Fluid Models for the Dynamic Simulation of the Allam Cycle

One of the big problems of our era is the growing CO2 concentration in the atmosphere. Many possible solutions have been proposed and in this study we focus on the Allam cycle, a thermodynamic cycle able to produce electrical power by an oxi-combustion process with high efficiency with zero stack CO2 emissions. This cycle has already been studied by the Politecnico di Milano, that, in order to create the most accurate model possible from both a static and dynamic point of view, obtained a very complex model with a huge number of equations. In this thesis here presented, reduced fluid models for the Allam cycle are developed in order to decrease the overall complexity and make the model more manageable. After the development of these reduced fluids, each component and the overall closed cycle were tested both at static and dynamic conditions, comparing the obtained results with the ones obtained with the real fluid. This task was necessary in order to verify that no fundamental information had been lost during the simplification process. After this model validation step, the reduced plant was tested under realistic conditions, with fast load ramps (decreasing from the 100% of the thermal load to 30% in 12.5 minutes). This last analysis had the objective to confirm the flexibility and the performances of the model based control applied to the reduced model. In conclusion, this study led to good results from both a static and dynamic point of view, simplifying the model without losing too much accuracy.

Uno dei grandi problemi della nostra epoca è il continuo incremento di CO2 nell’atmosfera. Negli anni sono state proposte molte possibili soluzioni e in questo lavoro ci siamo con centrati sul ciclo Allam, un ciclo termodinamico in grado di produrre energia elettrica mediante un processo di ossicombustione ad alta efficienza con emissioni inquinanti du rante il processo praticamente nulle. Questo ciclo è già stato studiato dal Politecnico di Milano, che, per creare un modello il più accurato possibile sia dal punto di vista statico che dinamico, non ha potuto tralas ciare nessun dettaglio, ottenendo un modello molto complesso, con un numero enorme di equazioni. In questa tesi, vengono sviluppati modelli di fluido ridotti per il ciclo Allam al fine di diminuire la complessità generale e rendere il modello completo più gestibile. Dopo lo sviluppo di questi fluidi ridotti, ogni componente e il ciclo chiuso complessivo sono stati testati sia in condizioni statiche che dinamiche, confrontando i risultati con quelli ottenuti con il fluido reale. Questo passaggio è stato necessario per verificare che nessuna informazione fondamentale fosse andata perduta durante il processo di semplificazione. Dopo la fase di validazione del modello, l’impianto ridotto è stato testato in condizioni realistiche, con rapide rampe di carico (decrescita dal 100% del carico termico al 30% in 12,5 minuti). Quest’ultima analisi ha avuto l’obiettivo di confermare la flessibilità e le prestazioni dello schema di controllo applicato al modello ridotto. In conclusione, questo studio ha portato a buoni risultati sia dal punto di vista statico che dinamico, semplificando il modello senza perdere troppa accuratezza.