Object oriented modelling and control of an organic Rankine cycle plant for combined heat & power generation

Organic Rankine Cycle (ORC) is a technology that can convert thermal energy at relative low temperatures, in the range of 80°C to 350°C , to electricity. Facing the challenges for a decentralised and renewable power supply, more than 150 ORC plants have been installed all over Central Europe. Dynamic modelling plays an important role in the development of such system, both during preliminary design and control design, as it is possible to study and test different configurations before they are implemented on the real system. The targets of this work are the dynamic modelling, validation and simulation of a 7MWth combined heat and power plant (CHP) based on an Organic Rankine Cycle, designed for a maximum annual production of 35000 MWh . This case study refers to the ORC power plant in the project site of “Scharnhauser Park”, a quarter of the city of Ostfildern, near Stuttgart, which has been scientifically observed since 2005. With the knowledge of most of all the dimensional parameters of the plant and the data collected, several models have been built. The analysis has required the use of increasingly sophisticated models, reproducing the whole plant behaviour in different conditions. The operating control law of the plant has been reproduced, and the results have been validated against steady state and dynamic experimental data, both in nominal and off-design conditions. Also a new control strategy has been proposed and tested, analysing the possible improvements that can be realized on the real plant. The “Scharnhauser Park” power plant model have been implemented with the non-proprietary modelling language Modelica, and simulated in Dymola environment.

Il ciclo Rankine a fluido organico (ORC) è una tecnologia che permette di produrre energia elettrica da fonti di calore a temperature medio-basse, nel range da 80 a 350 °C. Affrontando le sfide di una richiesta di potenza rinnovabile e decentralizzata, più di 150 impianti ORC sono stati installati in tutta l’Europa centrale. La modellazione dinamica assume un ruolo importante nello sviluppo di tali sistemi, sia in fase di progettazione preliminare, sia durante il progetto del controllo, poiché è possibile studiare e testare diverse configurazioni prima che queste siano applicate al sistema reale. Gli obiettivi di questo lavoro sono la modellazione statica e dinamica, la validazione e simulazione di un impianto di produzione combinata di calore ed elettricità (CHP), con potenza termica nominale di 7MWth, basato su un ciclio Rankine a fluido organico, progettato per una produzione annua massima di 35000MWh. Questo caso di studio è riferito alla centrale a cogenerazione ORC “Scharnhauser Park”,situata in un quartiere della città diOstfildern nei pressi di Stoccarda, in funzione a partire dal 2005. Grazie alla conoscenza di tutti i parametri dimensionali e funzionali dell’impianto e ai dati raccolti, è stato possibile costruire diversi modelli partendo da ogni singolo componente fino ad arrivare all’impianto completo. Al fine di riprodurre il comportamento complessivo dell’impianto in diverse condizioni, l’analisi ha richiesto l’utilizzo di modelli via via più raffinati. La legge di controllo operante sull’impianto è stata riprodotta, e i risultati sono stati validati rispetto a dati sperimentali stazionari e dinamici, sia in condizioni di pieno carico, sia in carico parziale. Inoltre è stata proposta e testata una nuova strategia di controllo, analizzando i possibili miglioramenti che possono essere apportati all’impianto reale. Il modello della centrale di cogenerazione “Scharnhauser Park” è stato implementato utilizzando il linguaggio di modellazione open-source Modelica, e simulato in ambiente Dymola.