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PORTALE DELLA DIDATTICA

Uso ottimale e sicurezza degli impianti energetici

01MUVMK

A.A. 2018/19

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea in Ingegneria Energetica - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 84
Esercitazioni in aula 36
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Pedroni Nicola Professore Associato ING-IND/19 74 9 0 0 2
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/19
ING-IND/19
3
9
F - Altre attività (art. 10)
B - Caratterizzanti
Altre conoscenze utili per l'inserimento nel mondo del lavoro
Ingegneria nucleare
2018/19
Il corso prevede di fornire gli elementi conoscitivi e le caratteristiche funzionali degli impianti di produzione dell’energia termica ed elettrica per via termica e quindi di introdurre e sensibilizzare lo studente alle problematiche di sicurezza e protezione ambientale connesse alle differenti fasi di vita e alla gestione degli impianti energetici e delle fonti primarie di energia. Si utilizzerà un duplice approccio: da un lato, verranno analizzati gli aspetti formativi (problemi progettuali, leggi costitutive di funzionamento dei componenti, prestazioni); dall'altro, si offrirà una panoramica dello stato dell’arte e dello sviluppo tecnologico di sistemi, macchine ed impianti energetici. Verranno inoltre introdotte le teorie di base per l'economia delle fonti energetiche per poi passare ad offrire una panoramica di strumenti/criteri utili ai fini della progettazione e della valutazione, in particolare, delle prestazioni di sistemi energetici.
The objectives of the course are the following: (i) to provide a clear picture of the operation of a conventional thermal power plant and to present the main elements and functional characteristics of the facilities for the production of heat and electricity by heat; (ii) to introduce the themes of safety and environmental protection related to the different life phases and management of the energy systems; (iii) to introduce the basics of energy sources economics and to provide an overview of the main analysis tools for assessing the performances of energy systems. The approach will be twofold: on the one side, the main constitutive elements will be analyzed (design problems, laws describing the behavior and functioning of components, performances); on the other side, an overview of the state of the art and of the technological development of energy systems and plants will be provided.
Al termine del corso gli allievi devono: - conoscere le caratteristiche e le proprietà delle fonti primarie utilizzate nelle centrali termiche per la produzione di energia elettrica (carbone, petrolio, gas naturale, etc.) e le problematiche tecnologiche, ambientali e di sicurezza legate al loro approvvigionamento (estrazione, trasporto, etc.); - conoscere le caratteristiche costruttive e funzionali delle centrali termiche per la produzione di energia elettrica, il ciclo dei combustibili usati, i principali componenti e le basilari tecnologie per l’abbattimento degli inquinanti prodotti in sede di combustione (protezione ambientale); saper usare correttamente le tecniche di calcolo nella valutazione delle prestazioni degli impianti termoelettrici; - conoscere i concetti fondamentali alla base delle analisi di sicurezza/rischio degli impianti energetici; conoscere e saper utilizzare le principali tecniche qualitative e quantitative più adottate nelle analisi di sicurezza/rischio; - rinvenire ed utilizzare parametri statistici sulle prestazioni energetico ambientali di vari paesi e regioni del mondo; riconoscere prodotti di largo consumo a basso impatto ambientale e saper risolvere problemi di ottimizzazione.
At the end of the course the students should: - know the characteristics and properties of the primary energy sources used in thermal power plants (coal, oil, natural gas, etc.) and the technological, environmental and safety problems related to their supply (extraction, transportation, etc.); - know the structural and functional characteristics of a thermal power plant for the production of electricity, the fuel cycle adopted, its main components and the basic techniques for the abatement of pollutants (environmental protection); be able to use the proper computational techniques for the evaluation of the performance of thermal power plants; - know the fundamental concepts underlying safety and risk analyses of energy systems; know and be able to use the main qualitative and quantitative techniques for safety and risk analyses; - be able to find and use proper statistical indicators of the energy and environmental performances of different countries; recognize retail products with a low environmental impact and be able to solve simple optimization problems.
Conoscenze di base di: Chimica, Termodinamica applicata e trasmissione del calore, Termocinetica e Termofluidodinamica.
Fundamentals of chemistry, applied thermodynamics and heat transfer, thermo-hydraulics and thermo-fluid dynamics.
1. Introduzione e descrizione dei contenuti del corso (3h). 2. Fonti primarie di energia, supply (24h): 2.1. Carbone: Diffusione e classificazione delle risorse, coltivazione delle miniere, preparazione del carbone, sicurezza delle miniere, ripristini. Trasporto del carbone. 2.2. Petrolio: Diffusione e classificazione delle risorse, formazione degli idrocarburi, classificazione dei giacimenti e dei greggi, esplorazione, tecnologie di perforazione e produzione, onshore e offshore. Sicurezza offshore, incidenti rilevanti, manutenzione, impatto ambientale. Principali corridoi di approvvigionamento 2.3. Elementi di raffinazione, impianti di raffinazione. 2.4. Gas naturale: Diffusione delle risorse. Il gas naturale in Italia. Reti di gasdotti: condotte, impianti, centrali di compressione e di stoccaggio. Progettazione e costruzione di un gasdotto, manutenzione. Attraversamenti sub alveo e fluviali. Posa in alto fondale. Principali corridoi di approvvigionamento. Gas naturale liquefatto: approvvigionamenti e impianti di rigassificazione in Italia. 2.5. Fonti fossili non convenzionali. 2.6. Uranio: Estrazione dell’uranio, produzione, raffinazione, conversione, trasporto. 2.7. Idrogeno: Cenni sulla produzione. Gli idrogenodotti: normativa e casi studio. 3. Centrali per la produzione di energia elettrica (cicli termodinamici, macchine ed impianti) (circa 50h): 3.1. Introduzione generale: - il contesto della produzione di energia elettrica e delle risorse energetiche; - il sistema di produzione dell’energia elettrica in Italia. 3.2. Centrali elettriche convenzionali con ciclo a vapore: - riesame del ciclo termodinamico in relazione allo stato tecnologico (richiamo); - valutazione delle prestazioni: rendimenti, costi di produzione del kWh ed importanza della loro ottimizzazione, analisi mediante secondo principio; - generatori di vapore: tipologie, componenti (evaporatori, surriscaldatori, risurriscaldatori, economizzatori, degasatori, ...), circolazione, controllo della combustione, perdite e rendimento, combustibili impiegati; - condensatori e smaltimento del calore in ambiente: problematica generale, normative, ottimizzazione degli scambiatori di calore, sistemi ad acqua aperti, a secco, con torri evaporative; - altri componenti significativi del “Balance Of Plant (BOP)” (turbine a vapore, etc.). 3.3. Centrali elettriche con turbine a gas e ciclo combinato: - ciclo a gas ideale e reale (richiamo), analisi entropica; - tecnologia ed analisi delle prestazioni dei componenti principali del BOP di un impianto con ciclo a gas: compressori, turbine (con raffreddamento pale), combustori (e combustibili); - influenza delle condizioni ambientali sulle prestazioni di un impianto con ciclo a gas; - ciclo combinato gas-vapore: assetto e ottimizzazione del recupero termico, caldaie a recupero, prestazioni. 3.4. Sistemi per la protezione ambientale, ovvero tecnologie per la riduzione delle emissioni inquinanti (in particolare, SOx, NOx e polveri) da centrali termoelettriche convenzionali: - Tecniche di abbattimento primario (con particolare riferimento alle caldaie): combustione a stadi, ricircolazione gas di scarico, diluizione con inerti, combustione premiscelata; - Tecniche di abbattimento secondario: denitrificazione catalitica (Selective Catalytic Reduction-SCR), desolforazione (scrubbers) e abbattimento polveri dai fumi delle centrali, linea completa di trattamento fumi. 4. Sicurezza degli impianti energetici (circa 20h): 4.1. Concetti fondamentali dell’analisi di sicurezza: percezione e accettabilità del rischio, prevenzione e mitigazione. 4.2. Principali norme sulla sicurezza negli impianti energetici (cenni). 4.3. Fondamenti di teoria della probabilità, propedeutici alla trattazione degli argomenti al punto 4.4. 4.4. Basi sulle tecniche qualitative e quantitative più utilizzate nelle analisi di sicurezza di impianti industriali (ad esempio, alberi degli eventi, alberi dei guasti). 5. Uso finale dell’energia ed ottimizzazione (24h): 5.1. Usi finali dell’energia e analisi di bilancio - Gli usi finali all’interno della catena energetica: domande, settori e tecnologie. I bilanci energetici, il Bilancio Energetico Nazionale. Il fabbisogno energetico. 5.2. Il contesto internazionale: criticità ambientali, geopolitiche ed economiche. Gli effetti delle crisi geopolitiche sull’approvvigionamento energetico. Il prezzo del petrolio e la sua evoluzione in relazione agli accadimenti internazionali. 5.3. Dinamiche evolutive dei sistemi energetici. Gli indicatori energetici e le fonti di dati per l’analisi statistica. Introduzione della logistica. La competizione multipla, la trasformazione di Fischer-Pry, i cicli di Kondratiev. La penetrazione delle fonti energetiche (Marchetti e Nakicenovic). 5.4. La caratterizzazione tecnico/economica di una tecnologia. Il costo di produzione dell’energia elettrica e la sua formazione. Elementi di programmazione lineare. Il concetto di ottimizzazione di un sistema energetico e la sua applicazione alla produzione di energia elettrica.
1. Introduction and description of the contents of the course (3h). 2. Supply of primary sources of energy (24h): 2.1. Coal: reserves availability, diffusion and classification, coal mining, coal preparation, coalmine safety issues, site rehabilitation. Coal transportation patterns and techniques. 2.2. Oil: reserves availability, diffusion and classification, hydrocarbon formation, classification of fields and of crudes. Exploration, drilling and production technologies, onshore and offshore. Offshore safety issues, major accidents, maintenance and environmental impacts. Main oil corridors. 2.3. Refining technologies and plants. 2.4. Natural gas: reserves diffusion. Natural gas in Italy. Gas network structure: pipelines, compression and storage plants. Design and construction of a gas pipeline, maintenance. River and water basins crossings. Lay in deep and ultra-deep water. Main natural gas corridors. LNG: trade and regasification plants in Italy. 2.5. Unconventional fossil fuels. 2.6. Uranium: extraction, production, refining, conversion, transportation. 2.7. Hydrogen: notes on production. Hydrogen pipelines: regulations and case studies. 3. Thermoelectric plants (thermodynamic cycles, machines and plants) (about 50h): 3.1. General Introduction: - the context of energy resources, production and consumption; - the electrical energy production system in Italy. 3.2. Conventional thermoelectric plants based on steam cycles: - analysis of the thermodynamic cycle; - evaluation of the performance: efficiencies, energy production costs and importance of their optimization, second law analysis; - steam generators: types, components (boilers, re-heaters, super-heaters, economizers, degasers, …), circulation, control of the combustion process, losses of efficiency, fuels adopted; - condensers and release of heat to the environment: general issues, optimization of heat exchangers, water-cooled, air-cooled, evaporative systems; - other components of the Balance Of Plant (BOP) (e.g., steam turbines, etc.). 3.3. Thermoelectric plants based on gas and combined cycles: - ideal and real gas cycles, second law analysis; - technology and performance analysis of the main components of a plant based on a gas cycle: compressors, turbines (with blade cooling), combustors (and fuels); - effect of the environmental conditions on the performance of a plant based on a gas cycle; - combined cycle (gas-vapor): layout, optimization of thermal recovery, waste heat recovery boilers, performances. 3.4. Systems for the environmental protection, i.e., techniques for the reduction and abatement of polluting emissions (in particular, SOx, NOx and powders) from conventional thermal power plants: - primary techniques for abatement: staged combustion, exhaust gas recirculation, dilution by inert gases, premixed combustion; - secondary techniques for abatement: Selective Catalytic Reduction-SCR, desulfurization (scrubbers), abatement of powders from exhaust gases, complete line of exhaust gas management. 4. Safety of energy systems (about 20h): 4.1. Fundamentals of safety analysis: risk perception and acceptance, prevention and mitigation measures. 4.2. Legislation on safety of energy systems (basics). 4.3. Fundamentals of probability theory, serving as introduction to the topics of item 4.4. 4.4. Qualitative and quantitative techniques used in safety and risk analysis of industrial systems (e.g., fault trees, event trees). 5. Rational use of energy and optimization (24h): 5.1 Energy end-uses and energy balances – The final uses in the energy chain: demands, sectors and technologies. Energy balances, the Italian National Energy Balance. The energy requirements. 5.2 The international framework: environmental, geopolitical and economic issues. The effects of geopolitical crises on the energy supply. The oil price and its evolution with reference to the international events. 5.3 Evolutionary dynamics of the energy systems. Energy indicators and data sources for the statistical analysis. Introduction to the logistic substitution. Multiple competition, the Fisher-Pry transformation, the Kondratiev cycles. The penetration of energy sources (Marchetti and Nakicenovic). 5.4 The technical/economic characterization of a technology. The production cost of electricity and its components. Elements of linear programming. The optimization of an energy system and its application to the power generation.
Le esercitazioni in aula prevedono l’applicazione di metodi e modelli trattati a lezione.
During the exercise sessions, the students will apply the models and methods explained in class.
- Appunti e slides forniti dai docenti. - Babcock and Wilcox, “Steam, its generation and use”, Edited. S. C. Stultz and j. B. Kitto, Babcock & Wilcox Company, 1992. - K. Rayaprolu, “BOILERS for POWER and PROCESS”, CRC Press Taylor & Francis Group, 6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300, Boca Raton, FL 33487-2742, International Standard Book Number-13: 978-1-4200-7537-3 (Ebook), 2009. - V. Ganapathy, “Industrial Boilers and Heat Recovery Steam Generators. Design, Applications, and Calculations”, ABCO Industries, Abilene, Texas, U.S.A., Marcel Dekker, Inc. ISBN: 0-8247-0814-8 Assessment and grading criteria, 2003. - G. Cau, D. Cocco, “L’impatto ambientale dei sistemi energetici”, Padova: Servizi Grafici Editoriali, 2002. - G. Lozza, "Turbine a gas e cicli combinati", Esculapio, 2016. - E. Zio, “Introduction to the basics of reliability and risk analysis”, Editore: World scientific, Anno edizione: 2007.
- Lecture notes provided by the teachers. - Babcock and Wilcox, “Steam, its generation and use”, Edited. S. C. Stultz and j. B. Kitto, Babcock & Wilcox Company, 1992. - K. Rayaprolu, “BOILERS for POWER and PROCESS”, CRC Press Taylor & Francis Group, 6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300, Boca Raton, FL 33487-2742, International Standard Book Number-13: 978-1-4200-7537-3 (Ebook), 2009. - V. Ganapathy, “Industrial Boilers and Heat Recovery Steam Generators. Design, Applications, and Calculations”, ABCO Industries, Abilene, Texas, U.S.A., Marcel Dekker, Inc. ISBN: 0-8247-0814-8 Assessment and grading criteria, 2003. - G. Cau, D. Cocco, “L’impatto ambientale dei sistemi energetici”, Padova: Servizi Grafici Editoriali, 2002. - G. Lozza, "Turbine a gas e cicli combinati", Esculapio, 2016. - E. Zio, “Introduction to the basics of reliability and risk analysis”, Editor: World scientific, 2007.
Modalità di esame: Prova scritta (in aula);
L'esame consiste in una prova scritta costituita da esercizi di calcolo e domande teoriche su tutti i diversi macro-argomenti trattati (punti 2-5 del programma, ognuno dei quali corrisponde ad un elemento/obiettivo della sezione Risultati di apprendimento attesi). La durata massima della prova è di 3h. L’uso del materiale didattico (libri, appunti, etc.) non è consentito. La valutazione massima è 30/30 e lode.
Exam: Written test;
The exam consists of a written test including both numerical exercises and theoretical questions on all the macro-topics treated (items 2-5 of the Contents section, each of which corresponds to an element/objective of the Section Expected Learning). The duration of the exam is 3h (max). The use of any learning resource (books, handouts, etc.) is not allowed. Maximum score is 30/30 cum laude.
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