Ottimizzazione numerica di cicli a vapore integrati

In order to exploit the available resources, i.e., fossil fuels and process waste heat made available by chemical and industrial plants, with the maximum efficiency, the design of the power plants and of the utility systems has shown an increasing rank of integration and optimization. The steam generator and the process heat exchangers are often integrated to achieve the maximum thermodynamic benefit. The design of integrated steam generators and steam cycles cannot be performed following simple thermodynamic rules and, generally, the basic design criteria usually adopted for conventional steam cycles. The commercial simulation codes for the design of steam cycles are not capable of determining the optimal integration between the steam cycle, the steam generator, and the external sources and the users of heat and steam. This thesis develops and presents an algorithm, implemented in Matlab, that can find the best configuration for the plant, optimizing not only the steam cycle pressures and temperatures but also the integration between the boiler and the external heat/steam sources/users. The mathematical model is developed and validated with the application to two real power plants: a subcritical steam cycle and an integrated waste-to-energy plant. Then the model is coupled with an optimization algorithm capable of optimizing the steam mass flow rates, the steam pressures and temperatures, the feedwater preheating system, the preheated air temperature and the boiler design. A preliminary analysis of the optimized designs is carried out.

Per sfruttare le risorse disponibili, i.e. combustibili fossili e calore di scarto reso disponibili da impianti chimici ed industriali, con la massima efficienza, la progettazione di impianti ha mostrato un crescente grado di integrazione ed ottimizzazione. Il generatore di vapore e gli scambiatori di calore sono spesso integrati per realizzare il massimo beneficio termodinamico possibile. La progettazione di generatori di vapore integrati e cicli a vapore non può essere svolta con semplici ragionamenti termodinamici e, più in generale, con gli stessi criteri progettuali usualmente adottati per cicli a vapore convenzionali. I programmi di simulazione commerciali per la progettazione di cicli a vapore non sono in grado di determinare l’integrazione ottimale tra il ciclo a vapore, il generatore di vapore, le sorgenti esterne e gli utilizzatori di calore e vapore. Questo lavoro di tesi sviluppa e introduce un algoritmo di calcolo, implementato in Matlab, in grado di determinare la configurazione ottimale dell’impianto, ottimizzando non solo le pressioni e le temperature del ciclo a vapore, ma anche l’integrazione tra la caldaia e gli utilizzatori/sorgenti di calore/vapore esterni. Il modello matematico è sviluppato e validato con l’applicazione a due impianti reali: un ciclo a vapore subcritico ed un termovalorizzatore integrato. Inoltre il modello è collegato ad un algoritmo di ottimizzazione in grado di ottimizzare le portate massiche, le pressioni e le temperature del vapore, il sistema di preriscaldo dell’acqua, la temperatura dell’aria preriscaldata e il progetto della caldaia. E’ stata eseguita un’analisi preliminare dei progetti ottimizzati.