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Dynamic Modeling and Simulation of a Hybrid Solar Thermal Power Plant
Industrial & Engineering Chemistry Research ( IF 3.8 ) Pub Date : 2019-04-04 , DOI: 10.1021/acs.iecr.8b04730 Surender Kannaiyan 1, 2 , Sharad Bhartiya 1 , Mani Bhushan 1
Industrial & Engineering Chemistry Research ( IF 3.8 ) Pub Date : 2019-04-04 , DOI: 10.1021/acs.iecr.8b04730 Surender Kannaiyan 1, 2 , Sharad Bhartiya 1 , Mani Bhushan 1
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A solar thermal power plant presents an environmentally friendly process for producing power. However, due to diurnal and seasonal variations in the availability of solar radiation, as well as uncertainty caused by factors such as cloud cover, efficient operation of a solar thermal power plant is a challenging task. Availability of a dynamic model which represents the process behavior in face of these inevitable variations is a prerequisite for efficiently operating the plant. In this work, we develop a dynamic model for a hybrid solar thermal power plant operating in India. The plant uses two different technologies for solar power collection, namely, a Parabolic Trough Collector (PTC) for heating oil and a Linear Fresnel Reflector (LFR) for generating direct steam. Superheated steam, generated using heat exchangers, drives the turbine-generator block to generate electricity. The dynamic model is based on first-principles models of various components in the plant, such as PTC, LFR, heat exchangers, and storage tanks, and captures the integrated nature of plant. The model also incorporates heat losses to quantify night time cooling. A preliminary validation of the developed plant model is also presented using routine field data. The model is then used to simulate the dynamic operation of the plant for two case studies: (i) a two day simulation with field solar insolation profiles corresponding to summer days and (ii) a single day case study with cloud cover. The performances of the PTC and LFR fields as well as the overall plant were quantified and compared using various metrics. The case studies involved cold and warm startup scenarios and highlighted the impact of these initial conditions on the plant performance. The proposed dynamic model can be used for designing optimal operation and advanced control strategies.
中文翻译：
混合太阳能热电厂的动力学建模与仿真
太阳能热电厂提供了一种环保的发电过程。但是，由于太阳辐射可用性的每日和季节性变化，以及由诸如云层覆盖等因素引起的不确定性，太阳能热电厂的有效运行是一项艰巨的任务。面对这些不可避免的变化，代表过程行为的动态模型的可用性是有效运行工厂的前提。在这项工作中，我们为在印度运营的混合型太阳能热电厂开发了动态模型。该工厂使用两种不同的太阳能收集技术，即用于加热油的抛物槽收集器（PTC）和用于产生直接蒸汽的线性菲涅尔反射器（LFR）。使用热交换器产生的过热蒸汽，驱动涡轮发电机组发电。动态模型基于工厂中各个组件（例如PTC，LFR，热交换器和储罐）的第一性原理模型，并捕获了工厂的集成特性。该模型还结合了热量损失，以量化夜间降温效果。还使用常规现场数据对开发的工厂模型进行了初步验证。然后，该模型可用于模拟工厂的动态运行，以进行两个案例研究：（i）具有对应于夏季的野外日照剖面的两天模拟，以及（ii）具有云层的单日案例研究。使用各种指标对PTC和LFR字段以及整个工厂的性能进行了量化和比较。案例研究涉及冷启动和暖启动场景，并强调了这些初始条件对工厂性能的影响。所提出的动态模型可用于设计最佳运行和先进的控制策略。
更新日期：2019-04-05
中文翻译：
混合太阳能热电厂的动力学建模与仿真
太阳能热电厂提供了一种环保的发电过程。但是，由于太阳辐射可用性的每日和季节性变化，以及由诸如云层覆盖等因素引起的不确定性，太阳能热电厂的有效运行是一项艰巨的任务。面对这些不可避免的变化，代表过程行为的动态模型的可用性是有效运行工厂的前提。在这项工作中，我们为在印度运营的混合型太阳能热电厂开发了动态模型。该工厂使用两种不同的太阳能收集技术，即用于加热油的抛物槽收集器（PTC）和用于产生直接蒸汽的线性菲涅尔反射器（LFR）。使用热交换器产生的过热蒸汽，驱动涡轮发电机组发电。动态模型基于工厂中各个组件（例如PTC，LFR，热交换器和储罐）的第一性原理模型，并捕获了工厂的集成特性。该模型还结合了热量损失，以量化夜间降温效果。还使用常规现场数据对开发的工厂模型进行了初步验证。然后，该模型可用于模拟工厂的动态运行，以进行两个案例研究：（i）具有对应于夏季的野外日照剖面的两天模拟，以及（ii）具有云层的单日案例研究。使用各种指标对PTC和LFR字段以及整个工厂的性能进行了量化和比较。案例研究涉及冷启动和暖启动场景，并强调了这些初始条件对工厂性能的影响。所提出的动态模型可用于设计最佳运行和先进的控制策略。
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