Modular architecture of steady-state simulation of Rankine based micro combined heat and power systems

Abstract

The ultimate goal of this thesis is to assist the thermodynamic project and development of a micro Combined Heat-and-Power (CHP) system based in the Organic Rankine Cycle (ORC). A micro CHP solution that produces hot water for both sanitary use and central heating system, able to replace the common wall-hung domestic boilers, is a major solution. The ability to produce a share of electricity together with the hot water allows the user a significantly reduction in the total (e.g., gas plus electricity) energy bill, so more as his annual thermal needs are higher. Among the available technologies for micro-CHP for the former application, the ORC is probably the most profitable. But the proper understanding and characterization of the ORC behaviour is critical to achieve this objective. The work reported in this thesis is part of a bigger R&D Project named HEBE that intends to make the proof-of-concept of such a system (here-to-fore named Hebe) and ultimately achieve a ready to market solution of this technology. This work begins with the early design project of Hebe. With that purpose, the market and engineering pre-specifications of Hebe are stated, a simplified thermodynamic steady-state model is developed, and an optimization problem is formulated and implemented in an algorithm/software, to find the best design options, in this case, that maximize the thermodynamic efficiency of the micro-CHP. This allowed to select the working fluid and the main components of Hebe, and to identify the ranges of the measure and control instruments of Hebe’s test rig for the proof-of-concept. Following the design stage, a powerful modular modelling architecture with an open library of sub models for potential Hebe’s components is conceived. The aim is to easily create a fully steady-state predictive model for the evolving prototypes of Hebe, detailed and realistic, requiring only truly accessible inputs describing Hebe’s boundary (nominal or off-design) and control conditions. Such model is a network of sub models duly interconnected. The software implementing the modelling architecture has a powerful numerical solver for the resulting system of non-linear equations of the model. A particular model is developed, calibrated and preliminary validated for Hebe’s proof-of-concept prototype. Finally, this model is applied to thoroughly understand the steady-state behaviour of Hebe, and conceive its optimal control strategy. The former quasi-stationary control strategy is further complemented with a dynamic component to guide the system through a quick and safe operation path during start-ups and user demands transition towards the best performance steady-state. This dynamic control is based on three independent PIDs, is purely empirical and still needs some refinements. During the three stages of this work, experiments were conducted to validate the early design procedure, calibrate and validate the fully-predictive model and develop the empirical dynamic control algorithm.

O principal objetivo desta Tese é auxiliar o projeto termodinâmico e o desenvolvimento de um sistema de micro cogeração (CHP). Um sistema de produção combinada de calor e eletricidade que produz água quente para uso sanitário e aquecimento central, é uma ótima solução para substituir as caldeiras domésticas comuns de parede. A capacidade de produzir uma parcela de eletricidade juntamente com a água quente que a casa necessita permite uma redução significativa na conta total de energia (tipicamente, gás mais eletricidade), tanto maior quanto maiores forem as necessidades térmicas anuais da casa. Entre as tecnologias disponíveis para micro cogeração, a baseada no ORC (ciclo de Rankine orgânico) é provavelmente a mais rentável. Para tal, o entendimento e a caracterização adequados do comportamento do ORC são críticos para alcançar este objetivo. O trabalho reportado nesta tese é parte de um projeto mais abrangente de I&D denominado HEBE, que pretende fazer a prova-de-conceito de um tal sistema (daqui em diante chamado Hebe), e alcançar, por fim, um produto pronto a ser lançado no mercado. Este trabalho começa com o anteprojeto da Hebe. Para atingir este objetivo, as pré-especificações de mercado e de engenharia da Hebe são enunciadas, e um modelo termodinâmico simplificado estacionário e um problema de otimização são desenvolvidos, formulados e implementados num algoritmo/software, para encontrar as melhores opções de projeto. Neste caso, trata-se de maximizar a eficiência termodinâmica do sistema de micro cogeração. Foi assim possível selecionar o fluido de trabalho e os principais componentes da Hebe, além de identificar as gamas operacionais dos instrumentos de medição e controle da bancada de testes da Hebe para a prova-de-conceito. Após a fase de projeto e construção, é criada uma potente arquitetura modular para a construção de modelos de micro-CHP baseados no ORC, com uma biblioteca aberta de submodelos dos seus componentes potenciais. O objetivo desta ferramenta é permitir criar facilmente um modelo realista detalhado de comportamento estacionário dos protótipos evolutivos da Hebe, que seja totalmente preditivo ou completo, i.e., que requeira apenas informação de entrada verdadeiramente acessível, relativa às condições de controle e fronteira da Hebe (nominais ou não-nominais). Um tal modelo é constituído por submodelos devidamente interconectados. O software que implementa a arquitetura de modelação possui um poderoso algoritmo de resolução numérica do sistema de equações não-lineares do modelo. Concretamente, um modelo específico foi desenvolvido, calibrado e validado preliminarmente para o protótipo laboratorial da Hebe. Finalmente, o modelo é aplicado para compreender em profundidade o comportamento estacionário da Hebe e conceber a sua estratégia de controle ótima. A estratégia quási-estacionária anterior é depois complementada com uma componente empírica de controle dinâmico para guiar o sistema de forma rápida e segura durante o arranque e transições no pedido do cliente, até ao correspondente ponto ótimo de funcionamento estacionário. Durante as três etapas do trabalho, foram realizados testes experimentais para validar o procedimento de anteprojeto, calibrar e validar o modelo completo e desenvolver o algoritmo de controlo estacionário e dinâmico.