Il corso di "Centrali termoelettriche e nucleari e regolazione" costituisce il completamento ed approfondimento delle conoscenze - per lo studente magistrale in Ingegneria Energetica e Nucleare - relative alle caratteristiche costruttive e funzionali delle centrali termiche e nucleari per la produzione di energia elettrica.
Esso considera gli aspetti multidisciplinari connessi alla combustione, al trasporto dell'energia termica dai fumi al fluido termovettore, all'abbattimento degli inquinanti, allo studio dei sistemi ausiliari e di sicurezza, ed infine alla regolazione e controllo dell'intero processo.
I principi di funzionamento dei componenti e sistemi, insieme alle logiche di regolazione e controllo, sono affrontate ai fini della progettazione degli impianti in termini di massimo rendimento, minimo costo di esercizio, massima sicurezza ed affidabilità e competitività tra le diverse soluzioni progettuali.
Il corso è articolato in tre parti: la prima parte affronta i temi propri del progetto ed esercizio di alcuni componenti delle centrali termoelettriche; la seconda parte concerne l'analisi impiantistica e di sicurezza di centrali nucleari, mentre la terza parte riguarda i temi propri della regolazione e controllo di processi termici delle centrali termoelettriche e nucleari.
The course gives a complete and in-depth knowledge about the construction and functional characteristics of thermal and nuclear plants for electricity production. It presents the multidisciplinary aspects of combustion, of heat transfer to the coolant fluid, of the removal of pollutants, and of the auxiliary and safety systems.
Finally it presents the topics about the dynamic and control of the entire process.
The principles of operation of components and systems together with the logic of regulation and control will be addressed in view of the design in terms of maximum efficiency, minimum operating cost, maximum safety and reliability and competitiveness.
The course will be divided into three parts: the first part addresses the issues of the project and operation of some components of thermal power stations, the second one concerns nuclear power plants components analysis and safety assessment . The third part deals with regulation and control of thermal processes of thermal and nuclear power plants.
L'obiettivo del corso è il completamento ed approfondimento delle conoscenze relative alle caratteristiche costruttive e funzionali delle centrali termiche e nucleari per la produzione di energia elettrica.
I contenuti del corso sono calibrati in modo da permettere allo studente l'analisi di impianti complessi quali le centrali termoelettriche e nucleari. Il corso è inteso per acquisire la capacità ad identificare i componenti di impianto, caratterizzare la loro funzione, definire le specifiche tecniche dei componenti e sottosistemi.
Un altro obiettivo è l'acquisizione delle abilità a progettare semplici sistemi termo-meccanici, quali scambiatori di calore tra prodotti di combustione e fluidi termo vettori, bruciatori, condensatori , sistemi di movimentazione di fluidi, sistemi di regolazione. Con la terza parte del corso oltre ad acquisire alcune conoscenze di base relative ai controlli automatici, gli allievi si cimenteranno a descrivere il comportamento dinamico degli impianti. Sulla base di approfondimenti individuali e monotematici potranno dimostrare le loro capacità a comunicare quanto acquisito in forma autonoma e critica.
The course content is tailored to train students in the analysis of complex thermal and nuclear energy plants. The course is intended to give the ability to identify the plant components and characterize their function, to define the technical specifications for the design of components and / or subsystems.
It includes the acquisition of the skill to design simple thermo-mechanical systems such as heat exchangers, burners, condensers, fluid handling and control systems. In the third part of the course the student is expected to acquire some basic knowledge about automatic controls. The student should become familiar, by homework on specific topics, with the dynamic behavior of plants and he should show a full capability to communicate the acquired technical ideas with autonomy and criticism.
Si richiedono conoscenze pregresse sulle leggi di conservazione della massa, energia e quantità di moto. La conoscenza dei contenuti dei corsi della laurea in Energetica e in particolare dei corsi di Energetica e fonti rinnovabili, Uso Ottimale e sicurezza degli impianti energetici, Termodinamica applicata e trasmissione del calore, Termo fluidodinamica, Fondamenti di Macchine, Elettrotecnica/Macchine elettriche costituiscono la base culturale su cui sono innestati i contenuti del corso
The student should be familiar with the laws of conservation of mass, energy and momentum. He should also know the fundamentals of Applied energy and renewable sources, Optimal use and safety of energy plants, Applied thermodynamics and heat transfer, Thermo-fluid dynamics, Fundamentals of machines, Introduction to electrical engineering/Electrical machines
1 Centrali termoelettriche
1.1 Termodinamica della combustione, combustibili fossili, combustione in presenza di dissociazioni termiche.
1.2 Movimentazione dei combustibili in centrale.
1.3 Componenti e sistemi dei generatori di vapore a combustibili fossili: camere di combustione, bruciatori.
1.4 Ceneri e loro influenza nel progetto del generatore di vapore e del suo esercizio.
1.5 Sistemi per la protezione ambientale e monitoraggio degli effluenti gassosi.
2 Centrali nucleari
2.1 Centrali nucleari ad acqua pressurizzata: componenti del circuito primario e sistemi ausiliari del reattore.
2.2 Centrali nucleari ad acqua bollente (BWR): Descrizione dell'impianto e sistemi ausiliari del reattore.
2.3 Reattori ad acqua pesante (CANDU) e Reattori a gas grafite. Cenno agli HTGR.
2.4 Sicurezza degli impianti nucleari: Principi generali di sicurezza nucleare. Difesa in profondità. Stabilità intrinseca. Ridondanza e diversificazione. Barriere di contenimento.
2.5 Classificazione dei possibili incidenti. Definizione, fenomeni aggravanti, tipologia degli incidenti negli impianti nucleari. Sistema di protezione del reattore (RPS). Refrigerazione del reattore spento. Incidenti di reattività. Incidenti di mancato raffreddamento. Incidenti di perdita del fluido termovettore (LOCA) nei PWR e BWR.
2.6 Termini di sorgente e modelli di diffusione atmosferica.
2.7 Criteri di sicurezza.
2.8 Metodi probabilistici. Valutazione deterministico-probabilistica del rischio di incidente. Livelli di PRA. Report Wash 1400.
3 Controllo degli impianti di Potenza
3.1. Problematiche di dinamica e controllo di impianti per la produzione di energia termica ed elettrica.
3.2. Controllo gerarchico e suoi livelli, funzioni di controllo automatico, supervisione e regolazione dei processi di produzione dell'energia.
3.3. Sistemi fisici, formulazione dei modelli dinamici e loro classificazione (variabili di stato).
3.4. Formulazione dei modelli dinamici in termini di funzioni di trasferimento con simulazione nel dominio del tempo.
3.5. Formulazione di sistemi dinamici: schemi a blocchi
3.6. Caratteristiche dei sistemi di controllo.
3.7.Luogo delle radici, risposta in frequenza.
3.8. Analisi di stabilità
3.9 Sistemi elettromeccanici.
3.10 Sistemi termoidraulici.
3.11. Controllo di impianti a combustibile fossile e nucleare.
3.12. regolazione del carico e della frequenza
1 Thermoelectric power plants
1.1 Thermodynamic of combustion, combustion process, chemical equilibrium and dissociation, fuel properties.
1.2 Solid fuel processing and handling.
1.3 Furnace,combustion burner and management.
1.4 Fuel ash effect on boiler design and operation.
1.5 Environmental protection systems and monitoring.
2 Nuclear power plants
2.1 Pressurized water reactor (PWR): primary components; auxiliary systems.
2.2 Boiling Water reactors (BWR): nuclear island components and auxiliary and emergency systems.
2.3 Heavy water reactors (CANDU) and gas graphite reactors; introduction to HTGRs.
2.4 Reactor safety fundamentals. Defense in depth. Redundancy and diversity in safety systems. Stability. Barriers.
2.5 Design basis accidents: reactivity accidents, loss of flow accidents, loss of coolant accidents. Engineered safety systems. Reactor protection systems: shutdown, emergency core cooling systems, residual heat removal systems, emergency feedwater systems. Containment system. Double ended large LOCA in a PWR and in a BWR.
2.6 Source term and atmospheric diffusion models.
2.7 Safety criteria.
2.8 Quantitative risk assessment: event tree and fault tree techniques. Probability risk assessment levels. The WASH-1400 reactor safety study.
3 Control of power plants
3.1 Introduction to process control of power plants.
3.2. Hierarchical control and its levels, automatic control functions, supervision and adjustment of production processes.
3.3. System representation by state space.
3.4. System representation by transfer functions.
3.5. Block diagrams.
3.6. Control System Characteristics.
3.7. Root Locus, frequency response.
3.8. Stability analysis.
3.9. Mechanical and electromechanical system dynamics.
3.10. Thermal-fluid-dynamic systems.
3.11. Controls of fossil fuel-fired and nuclear steam generating plants.
3.12. Load-frequency control.
Dimensionamento di una camera di combustione e dei suoi componenti caratteristici ai fini dello scambio termico e della rimozione della potenza.
Utilizzo del Python, Cantera, MATLAB e del Simulink insieme al 'Toolbox Control' per lo studio nel dominio del tempo e della frequenza di sistemi dinamici di tipo meccanico, elettromeccanico, termo fluidodinamico.
Esemplificazione del funzionamento dei regolatori.
Visite guidate presso impianti.
Design of a combustion chamber, sizing of some components of a power plant.
Using of Python, MATLAB and Simulink together with the 'Control Toolbox' for the study in time domain and frequency of mechanical, electromechanical, thermal-hydraulic dynamic systems.
Example of the operation of regulators.
Guided tours at some facilities
M. De Salve e B. Panella, Appunti del corso.
C. Lombardi, Impianti nucleari, Città Studi, 2004.
M. Cumo, Impianti nucleari. Casa Editrice Università La Sapienza, 2008.
Babcock & Wilcox, Steam, its generation and use, Eds. Stultz and Kitto, Babcock & Wilcox Company, 1992.
T. C. Elliot, K. Chen, R.C. Swanekamp, Standard Handbook of Power Plant Engineering, Mc Graw Hill, 1997.
John J. D'Azzo, Constantine H. Houpis , Linear Control System Analysis and Design Conventional and Modern, McGraw - Hill, 3rd Edition, 1988.
A. Tewari, Modern control design with Matlab and Simulink, J. Wiley eds., 2002.
Control System Toolbox For Use with MATLAB, getting started, The MathWorks inc., 2000.
Control System Toolbox, The MathWorks inc., 2000 SIMULINK, Dynamic System Simulation for MATLAB, The MathWorks inc., 2000.
M. De Salve e B. Panella, Course notes.
C. Lombardi, Impianti nucleari, Città Studi, 2004.
M. Cumo, Impianti nucleari. Casa Editrice Università La Sapienza, 2008.
Babcock & Wilcox, Steam, its generation and use, Eds. Stultz and Kitto, Babcock & Wilcox Company, 1992.
T. C. Elliot, K. Chen, R.C. Swanekamp, Standard Handbook of Power Plant Engineering, Mc Graw Hill, 1997.
John J. D'Azzo, Constantine H. Houpis , Linear Control System Analysis and Design Conventional and Modern, McGraw - Hill, 3rd Edition, 1988.
A. Tewari, Modern control design with Matlab and Simulink, J. Wiley eds., 2002.
Control System Toolbox For Use with MATLAB, getting started, The MathWorks inc., 2000.
Control System Toolbox, The MathWorks inc., 2000 SIMULINK, Dynamic System Simulation for MATLAB, The MathWorks inc., 2000.
Modalità di esame: Prova scritta (in aula);
Exam: Written test;
...
L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma ufficiale del corso e la capacità di applicare la teoria ed i relativi metodi di calcolo alla soluzione di esercizi.
Le valutazioni sono espresse in trentesimi e l’esame è superato se la votazione riportata è di almeno 18/30.
L'esame consiste in due prove scritte con domande ed esercizi a risposta aperta sugli argomenti contenuti nel programma del corso ed ha lo scopo di verificare il livello di conoscenza e di comprensione degli argomenti trattati. L’esame scritto si pone l’obiettivo di verificare le competenze specificate nella parte "Risultati dell’apprendimento attesi".
Il primo scritto (CTR), della durata di due ore, riguarda la parte di Centrali Termoelettriche e Regolazione. Prevede la risposta aperta ad alcune domande relative alle parti di teoria e la soluzione di alcuni esercizi.
Il secondo scritto (CN), della durata di un'ora e mezza, riguarda la parte di Centrali Nucleari. Prevede la risposta aperta a tre domande di teoria.
Il primo scritto (CTR) ha una valutazione complessiva in trentesimi, che contribuisce per due terzi al punteggio finale. Il secondo scritto (CN) ha una valutazione complessiva in trentesimi, che contribuisce per un terzo al punteggio finale. Esempio: Valutazione CTR pari a 28/30, valutazione CN pari a 25/30. Voto finale: 27/30
Ad ogni appello vengono proposti in sequenza i due scritti CTR e CN. E' facoltà dello studente sostenere uno dei due scritti, o entrambi. L'esame risulta superato quando lo studente ottiene valutazioni sufficienti in entrambi gli scritti, anche sostenuti in appelli diversi.
Durante lo svolgimento dell'esame non è consentito tenere e consultare quaderni e libri.
I risultati dell’esame vengono comunicati sul portale della didattica (tramite caricamento nella sezione Materiali di opportuni file con le votazioni), insieme ad una data in cui gli studenti possono partecipare ad una correzione collettiva dello scritto, cui segue la possibilità di esaminare i compiti di CTR e CN e ottenere chiarimenti individuali.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Written test;
The exam is aimed at checking the student's knowledge about the topics listed in the official program of the course and his ability to apply the theory and the relative methods to the solution of exercises.
The evaluations are expressed as usual: the exam is passed if the score is at least 18/30.
The exam consists of two written tests with open-ended questions and exercises on the topics contained in the course program. It aims to verify the level of knowledge and understanding of the covered topics. In particular, it aims to verify the skills specified in the "Expected learning outcomes" part.
The first written exam (CTR), lasting two hours, concerns the parts of Thermoelectric Power Plants and Regulation. Some open-answer questions concerning the parts of theory and the solution of some exercises are foreseen.
The second writen exam (CN), which lasts one and a half hours, concerns the Nuclear Power Plants part. It deals with three open-answer questions concerning .
The first written exam (CTR) has an overall evaluation that contributes by two thirds to the final score. The second written exam (CN) has an overall evaluation that contributes by one third to the final score. Example: CTR evaluation equal to 28/30, CN evaluation equal to 25/30. Final mark: 27/30
In each session, the two written exams CTR and CN are proposed in sequence. The student has the right to elaborate one of the two written parts, or both, without restrictions. The exam is passed when the student obtains sufficient assessments in both written exams, also obtained in different appeals.
During the exam, it is not allowed to keep and consult books and notebooks.
The results are communicated on the portal (through loading in the Materials section appropriate files with the grades), together with a date in which the students can participate in a collective review of the results, followed by the possibility of viewing his personal CTR or CN written elaborates, and ask questions.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.
