Motori cogenerativi a più gradi di libertà : caratterizzazione e casi applicativi

Cogeneration means the simultaneous production of electric and thermal energy; if in addition cooling energy is produced it is called trigeneration. Combined Heat and Power (CHP) and Combined Cooling Heat and Power (CCHP) generation are effective ways to reduce primary energy consumption and make the most out of the fuel chemical energy. This work belongs to a wider project of the Energy Department, aiming to create a simulation code with the objective to optimize a generic CHP/CCHP system. The simulation code has the purpose to improve and add some new options in a software, previously developed by the Energy Department, called DCogen. In my work, in particolar, I have done the characterization of the prime movers implemented in the model. My work is divided in 3 part: In the first part of the work I characterized the performance of the most commonly prime movers used in cogeneration by varying some operating condition (e.g. ambient temperature) and some indipendent variables (e.g. fuel supply for prime movers). For reaching this purpose I have used a commercial simulation software called Thermoflex. In particolar, the investigated prime movers have been: gas turbine (with and without postfiring), internal combustion engines and extraction-condensing steam turbine. In the second part I have analyzed the obtained results. I created some Matlab scripts, whose target is, primarily, to find an equation, with different degrees of accuracy, that describes the performance of the prime movers, as a function of the operating conditions and the indipendent variables. The so created scripts have to be automatizated and connected with the global optimization code. In the last part of the thesis I have verified the correct behaviour of the script, and of the optimization code, for a representative case of study. The case of study chosen has been a 3 MWel CCHP plant, used in an hospital.

Per cogenerazione si intende la produzione simultanea, in un unico processo, di energia termica ed elettrica; se a questi due effetti utili si aggiunge l’energia frigorifera si parla di trigenerazione. Gli impianti di cogenerazione e trigenerazioni sono, attualmente, una delle le modalità di produzione dei vettori energetici finalill’energia elettrica, termica e frigorifera più efficienti, che riesconoriuscendo a sfruttare nel modo ottimale l’energia primaria contenuta nel combustibile. Per cogenerazione si intende la produzione simultanea, in un unico processo, di energia termica ed elettrica; se a questi due effetti utili si aggiunge l’energia frigorifera si parla di trigenerazione. Il presente lavoro di tesi si inserisce in un progetto più ampio, che coinvolge diversi docenti del Dipartimento di Energia, che ha come obiettivo ultimo la creazione di un codice di simulazione, per l’ottimizzazione del funzionamento di un generico impianto co/trigenerativo. Lo scopo del nuovo codice è aggiungere delle migliorie e delle opzioni aggiuntive ad un software già presente, sviluppato in passato all’interno del dipartimento, chiamato DCogen. Nel mio lavoro, in particolare, mi sono occupato della caratterizzazione dei motori primi implementati nel modello. La mia attività è sinteticamentepuò essere suddivisibile in tre fasi: La prima parte del lavoro ha riguardato il reperimento delle prestazioni dei principali motori primi utilizzati nella cogenerazione, al variare delle condizioni operative (come, ad esempio, la temperatura ambiente) e di alcune variabili indipendenti scelte (come, ad esempio, la quantità di combustibile alimentato al motore primo). Questo è stato possibile, principalmente, grazie all’utilizzo di un software commerciale di simulazione, chiamato Thermoflex. Le tecnologie di motore primo studiate sono state, in sintesi, turbine a gas con e senza postfiring, motori a combustione interna e turbina a vapore a condensazione e spillamentoderivazione. Nella seconda parte si sono analizzati i risultati ottenuti dalle simulazioni per renderli intellegibili al software di simulazione dell’impianto cogenerativo. In particolare si sono creati degli script MatLab il cui scopo è, principalmente, quello di trovare un’equazionedescrivere tramite una funzione, più o meno complessa, che descriva l’andamento delle prestazioni in funzione delle condizioni operative e delle variabili indipendenti. In questa fase, inoltre, grande impegno ha richiestoci si è dedicatgi all’automatizzazione degli script ed il collegamento degli stessi con il codice globale di ottimizzazione. Nell’ultima fase del lavoro si è verificato il funzionamento degli script, e del codice di ottimizzazione stesso, per un caso di studioapplicandolo a un sistema trigenerativo presso un’utenza ospedaliera, scelto come rappresentativo. Il caso di studio scelto è stato un impianto trigenerativo utilizzato da un ospedale.