1

Gestione ottimizzata di

centrali a ciclo combinato

Napoli, 11 giugno 2010

Sessione “Fusione, Energia, ECT”

M. Broccardo, P. Girdinio, E. Martino, M. Nervi Dipartimento di Ingegneria Navale ed Elettrica – Università di Genova, Via Opera Pia 11, Genova

XXVI Riunione Annuale dei

Ricercatori di Elettrotecnica

2

Perché una gestione ottimizzata di centrali a c.c. ?

Vincoli ambientali Emissioni gas ed effetto serra

Problematiche del ciclo termico Connessione di due diversi sistemi energetici

Liberalizzazione del mercato elettrico Necessità di tenere conto degli aspetti economici

nella valutazione del profilo di generazione

3

Schema di una centrale elettrica a ciclo combinato

4

Sezione a gas:

Principali problematiche di una centrale a ciclo combinato

influenza della temperatura e della pressione ambientale sulla produzione energetica

Sezione a vapore: influenza della temperatura ambientale sulla

produzione energetica

Mutua influenza delle due sezioni: complessa regolazione di impianto

Condensatore ad aria: Diminuzione della potenza erogabile in caso di

malfunzionamento di uno o più moduli

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Decision Support System

ottimizzatore che suggerisce il profilo di generazione orario migliore dal punto di vista economico

Attività di ricerca

Energy Scheduling Validator

Modello della centrale elettrica

Verifica la fattibilità tecnica di una programmazione energetica inserita dall’utente

Predittore prezzo en. el.

Dati storici Su base oraria

6

Forniti, per ogni ora dell’intervallo scelto:

Energy Scheduling Validator

L’ESV fornisce indicazione circa la fattibilità di tale programmazione

Obiettivo: minimizzare il consumo di combustibile

Condizioni ambientali: Temperatura Pressione

Condizioni tecniche: Numero di moduli del condensatore funzionanti

Una programmazione energetica: Quanta energia produrre

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L’algoritmo sviluppato è articolato in 2 step strettamente dipendenti

Step 1

Step 2

Struttura Energy Scheduling Validator

Step 1 (pre-processing)

input: condinzioni ambientali di sito

operabilità dei moduli del condensatotre output: limiti orari di operabilità (grafici)

Step 2 (gestione ottimizzata)

input: limiti orari di operabilità

programmazione energetica output: profilo di generazione ottimale

8

Step 1 – Ciclo termico ed influenza condizioni esterne, pt. 1

Bilanci energetici

Ciclo termico

Curve di correlazione

Fattori correttivi globali relativi a temperatura,

pressione ambientale e grado di carico del turbogas

Simulazione con numero di componenti del

condensatore ridotto

Fattori correttivi globali relativi a numero di

componenti del condensatore ridotto

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20 bilanci energetici

matrice non piena

matrice piena

Interpolazione lineare

-3 8 15 24 35607085100

Temperatura esterna [°C]

GT

Lo

ad [

%]

-3 8 15 24 35607085100

Temperatura esterna [°C]

GT

Lo

ad [

%]

10 bilanci energetici 0.02

kg/s

0.00

kg/s

- 149.8

99.627 631 - 150

14.70 632

30 15

14.67 46800

126 bar 34.5 bar 5.7 bar

103 °C

258.96 MW587 -159.4

661 120.9 550.9 0.02 kg/s 73.92 680 55.0 °C

31.95 560 73.90 3483.1 33.45 356.6 0 % 33.6 312.5 0 % 14.70

86.51 3590 86.49 3124.7 14.53 3015.4 kg/s

5.1 237.2 - 157.511.17 2934 14.53 667 - 40.82

99.64 172

4.6 236

11.17 2934

118 549 31.1 558 15 250

0.00 kg/s 73.90 3481 86.51 3587 0.00 kg/s 0.18 2924

Eiettore0.00 kg/s

132.4 MW

0.08 41.00.00

99.40 2397 0.00 kg/s

34.2 366 kg/s

72.14 3146

- 41

79 mbar 99.63 172

Legenda 0.00 0 kg/s

bar °C kg/s - kJ /kg 20

kg/ s kJ / kg 0.00

Project Case Ambient conditions Net Output ModelPressure bar Power MW CaseTemp. °C Heat Rate kJ /kWh DateRel. Hum. % Efficiency %

15 6422 26/10/2004 16.0860 56.05

Heat BalanceSPARAN

CALENIA ENERGIA SPARANISE

Heat Balance N. 1 CBL - 100% GT Load Tamb= 15°C

1.016 384.4 SPARAN

~

~

~

~

AIR CONDENSER

DSH

DSH

1

1

DSH

1

3

4

DSH3

4

DSH2

4

2

1

MAKE-UP

DSH

Step 1 – Ciclo termico ed influenza condizioni esterne, pt, 2

-3 8 15 24 35607085100

Temperatura esterna [°C]

GT

Lo

ad [

%]

Interpolazione mediante

funzioni multiquadriche

Andamento di tutte le variabili nell’intervallo di funzionamento

10

Alcuni andamenti delle principali variabili interpolate

WTV netta [MW]mAP [kg/s]

WTG netta [MW] WCC netta [MW]

h5 [kJ/kg]

Q1TV [MWt]

Step 1 – Ciclo termico ed influenza condizioni esterne, pt, 3

11

Hp: condizioni perturbate di valle (numero ridotto di moduli del condensatore) non perturbano le condizioni di monte

Simulazione modello matematico (non lineare) del ciclo termico dell’impianto

0.02

kg/s

0.00

kg/s

- 149.8

99.627 631 - 150

14.70 632

30 15

14.67 46800

126 bar 34.5 bar 5.7 bar

103 °C

258.96 MW587 -159.4

661 120.9 550.9 0.02 kg/s 73.92 680 55.0 °C

31.95 560 73.90 3483.1 33.45 356.6 0 % 33.6 312.5 0 % 14.70

86.51 3590 86.49 3124.7 14.53 3015.4 kg/s

5.1 237.2 - 157.511.17 2934 14.53 667 - 40.82

99.64 172

4.6 236

11.17 2934

118 549 31.1 558 15 250

0.00 kg/s 73.90 3481 86.51 3587 0.00 kg/s 0.18 2924

Eiettore0.00 kg/s

132.4 MW

0.08 41.00.00

99.40 2397 0.00 kg/s

34.2 366 kg/s

72.14 3146

- 41

79 mbar 99.63 172

Legenda 0.00 0 kg/s

bar °C kg/s - kJ /kg 20

kg/ s kJ / kg 0.00

Project Case Ambient conditions Net Output ModelPressure bar Power MW CaseTemp. °C Heat Rate kJ /kWh DateRel. Hum. % Efficiency %

15 6422 26/10/2004 16.0860 56.05

Heat BalanceSPARAN

CALENIA ENERGIA SPARANISE

Heat Balance N. 1 CBL - 100% GT Load Tamb= 15°C

1.016 384.4 SPARAN

~

~

~

~

AIR CONDENSER

DSH

DSH

1

1

DSH

1

3

4

DSH3

4

DSH2

4

2

1

MAKE-UP

DSH

Interpolazione mediante funzioni multiquadriche

-3 8 15 24 35607085100

Temperatura esterna [°C]

GT

Lo

ad [

%]

Step 1 – Ciclo termico ed influenza condizioni esterne, pt. 4

matrici dei fattori di correzione

fattori di correzioni relativi a tutto l’intervallo

-3 8 15 24 35607085100

Temperatura esterna [°C]

GT

Lo

ad [

%] N = 18

-3 8 15 24 35607085100

Temperatura esterna [°C]

GT

Lo

ad [

%]

N = 18-3 8 15 24 35

607085100

Temperatura esterna [°C]

GT

Lo

ad [

%]

12

In questa fase l’algoritmo di ottimizzazione verifica la fattibilità tecnica della programmazione energetica inserita imponendo vincoli su:

Step 2

Massima e minima potenza generabile Rampa di presa carico Continuità del profilo di generazione

L’ottimizzazione avviene sulla quantità di carburante consumato:

Step di ottimizzazione del profilo pari a mezz’ora

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Input

1Intervallo temporale

(numero di ore)

2Temperatura ambiente e

pressione in ogni ora dell'intervallo temporale

3

Numero di moduli del condensatore funzionanti in

ogni ora dell'intervallo temporale

24 h

Step 1 - input

14

Output

1Massima e minima potenza

generabile per ogni ora dell'intervallo temporale

2Massima e minima efficienza

generabile per ogni ora dell'intervallo temporale

3Massimo e minimo consumo di

combuistibile per ogni ora dell'intervallo temporale

Step 1 - output

15

Step 2 - input Programmazione energetica : Interfaccia utente

16

Step 2 - output Grado di carico del turbogas: Profilo di generazione Consumo di combustibile: Energia prodotta:

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Previsore Dati in ingresso:

Intervento dell’operatore:

Prezzi e carichi orari relativi alle 4 settimane precedenti alla settimana in analisi

Reperibili sul sito del mercato elettrico Previsione di carico per la settimana in analisi

Facoltativo – facilmente reperibili

Conferimento “peso” ad ogni settimana nella determinazione del prezzo

Previa visualizzazione dei relativi dati

Dati in uscita: Stima del Prezzo Unico Nazionale

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Step 1 – visualizzazione input Prezzi e carichi orari (per ogni settimana) Prezzi medi e carichi totali giornalieri (4 settimane)

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Step 2 – visualizzazione output

Errore percentuale (settimana) Confronto prezzo orario (settimana) Errore assoluto (settimana) Errore percentuale (un giorno) Confronto prezzo orario (un giorno) Errore assoluto (un giorno)

20

Attuale ricerca

Energy Scheduling Validator

Predittore prezzo energia elettrica

Integrazione dei due algoritmi

Accensione e spegnimento Consumi addizionali di rampa

Inserimento prezzi zonali Possibilità da parte dell’utente di inserire maggiori

indicazioni sul trattamento dei dati