Dynamic modeling and validation of a conditioning and recovery unit for a CO2 capture power plant

Climate change and its consequences can no longer be ignored. Most of the energy being generated today results in greenhouse gas emissions that, according to many scientific studies, cause an increase in the average earth surface temperature. Coal is one of the resources most commonly used for the production of energy. Therefore, there are numerous studies and projects aimed at developing clean coal technologies, which will in consequence result in a reduction of greenhouse gas emissions. One of the proposed solutions to mitigate the environmental footprint of the energy industry comes in the form of Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) power plants, which can be significantly more efficient than conventional power plants and would allow to easily incorporate carbon capture and sequestration. The Swedish energy company Vattenfall is investigating in cooperation with the Delft University of Technology the operation of IGCC power plants with CO2 capture units. It is under the framework of this project that this thesis was written with the specific goal of developing a dynamic modelling library for components with two-phase multi-component fluids. Three parts can be distinguished in the body of this work. First, basic components were designed, including valves, pumps, sensors, and models of pipe flows. Then, an air-cooler and a condenser that are present in the recovery section of the CO2 capture plant were developed and validated in an open and closed loop. The final part included a proposal for a different control schemes for the conditioning section. The Modelica language was used to model the components and the simulation tool employed was Dymola. Fluid properties were calculated using FluidProp, a library for thermophysical fluid properties developed at the Delft University of Technology. The results were satisfactory in terms of quality, but the high computational times experienced presented a noteworthy problem that poses constrains when performing simulations of large sections of the plant.

I cambiamenti climatici e le loro conseguenze non possono più essere ignorati. Al giorno d'oggi la maggior parte della produzione di energia avviene con emissione di gas serra, che secondo studi ormai accettati dalla maggior parte della comunità scientifica, causano un innalzamento della temperatura media sulla Terra. Il carbone è una delle fonti energetiche più usate per la produzione di energia. Pertanto, numerosi studi e progetti sono in corso con l'obiettivo di sviluppare una tecnologia più pulita, che andrà a ridurre le emissioni di gas serra. Una delle soluzioni proposte per diminuire l'impatto ambientale del carbone consiste nelle centrali di produzione IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle), che possono essere sensibilmente più efficienti delle centrali a carbone tradizionali, e si prestano alla possibilità di implementare impianti di cattura e sequestro di anidride carbonica. La compagnia energetica svedese Vattenfal ha avviato la costruzione una centrale IGCC di 120 MW, con impianti di cattura e sequestro di anidride carbonica. La progettazione di questo impianto si avvale degli studi effettuati in collaborazione con l'Università tecnologica di Delft. Questa tesi si pone nell'ambito di questo progetto, con l'obiettivo i sviluppare una libreria per la simulazione dinamica di componenti con fluidi bifase e multicomponenti. Il presente lavoro può essere suddiviso in tre parti. Nella prima parte sono stati sviluppati componenti base, come connettori, valvole, sensori, e un modello di fluido che scorre in un tubo. Successivamente sono stati sviluppati due componenti più complessi, un air cooler e un condenser, presenti nella sezione di recovery dell'impianto. Questi due componenti sono stati poi validati in anello aperto e in anello chiuso. Nella terza e ultima parte, si è visto il controllo della conditioning section, valutando lo schema di controllo esistente e proponendo due alternativa, una il retroazione e una in feed-forward. I modelli dei componenti sono stati creati utilizzando il linguaggio di programmazione object-oriented Modelica, e il tool di simulazione Dymola. Le proprietà termodinamiche dei fluidi sono state calcolate tramite FluidProp, una libreria di proprietà termofisiche dei fluidi sviluppato dall'Università di Delft. I risultati sono stati qualitativamente soddisfacenti, ma il tempo di computazione necessario per effettuare le simulazioni è risultato eccessivo, e pertanto rappresenta un problema che rende ardua la simulazione di ampie sezioni dell'impianto.