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DINAMICA E REGOLAZIONE DELLE MACCHINE E DEI SISTEMI ENERGETICI

CODICE 60318
ANNO ACCADEMICO 2021/2022
CFU
  • 6 cfu al 2° anno di 9270 INGEGNERIA MECCANICA - ENERGIA E AERONAUTICA(LM-33) - GENOVA
  • SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE ING-IND/09
    LINGUA Italiano
    SEDE
  • GENOVA
  • PERIODO 2° Semestre
    MATERIALE DIDATTICO AULAWEB

    PRESENTAZIONE

    Il corso affronta la teoria e la pratica della dinamica e controllo dei sistemi energetici, sia a scala di laboratorio che a scala industriale.

    OBIETTIVI E CONTENUTI

    OBIETTIVI FORMATIVI

    L'insegnamento si propone di fornire agli studenti la capacità di comprendere e quantificare i principali fenomeni dinamici nelle macchine e sistemi energetici, attraverso la padronanza delle tecniche di simulazione dinamica e controllo. La simulazione viene implementata mediante l'ausilio di Matlab-Simulink, la cui conoscenza viene approfondita nello svolgimento del corso. Le esercitazioni svolte in classe riguardano principalmente la modellistica statica e dinamica di turbine a gas e relativi componenti.

    OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

    Al termine del corso lo studente è in grado di:

    - comprendere la dinamica dei principali componenti dei sistemi energetici

    - interpretare criticamente le performance in transitorio degli impianti per l'energia

    - realizzare modelli di simulazione dinamica delle macchine e dei sistemi energetici

    - valutare le scale temporali dei principali fenomeni dinamici

    - progettare sistemi di controllo per gli impianti energetici e le relative macchine

    - stabilizzare i sistemi di controllo per impianti di processo

    PREREQUISITI

    Propedeuticità: Impianti per l'Energia

    MODALITA' DIDATTICHE

    Lezioni,esercitazioni e laboratorio

    PROGRAMMA/CONTENUTO

    Introduzione allo studio dei servocomandi (Scheda A)

    (fornita nelle dispense ma non affrontata a lezione)

    Richiami di studio matematico dei sistemi dinamici (Scheda B)

    (fornita nelle dispense ma non affrontata a lezione)

    Richiami di modelli dinamici lineari (Scheda C)

    Sistemi a stati continui e stati discreti. Linearizzazione. Richiami di: trasformata secondo Laplace, funzioni di trasferta, poli e zeri, risposta in frequenza, diagramma di Bode, filtri di segnale.

    Esercizi: C1) Linearizzazione dello schema elettrico di Fig. 3.1, con disturbi esterni. C2) Modello dinamico a stati (esempio 3.6). C3) Linearizzazione di un serbatoio piezometrico. C4) Linearizzazione di un serbatoio di gas (plenum). C5) Modello dinamico a stati di fornace.

    Sistemi digitali (Scheda D)

    Campionamento dati. Trasformata z. Cenni all’integrazione numerica. Cenni alle macchine a stati tramite Stateflow.

    Esercizi: D1) Integratore e derivatore discreti, D2) Esempio di Stateflow applicato al controllo di una fornace.

    Controllo PID classico  (Scheda E)

    Struttura del PID. Tuning mediante Ziegler-Nichols oscillation method. Tuning mediante la curva di reazione. Tuning mediante assegnazione dei poli.

    Esercizi: F1) Esempi di tuning empirico di PID. F2) Tuning di controllore PID per fornace.

    Modelli dinamici di sistemi energetici (Scheda F)

    Equazioni di base. Il modello “dynamic” e “lumped volume”. Il componente “plenum”. Caratterizzazione temporale.

    Esercizi: F1) Modello di plenum. F2) Compilazione automatica di modelli.

    Componentistica principale e modelli dinamici (Scheda G)

    Flussi e componenti Active/Inactive. Mixer-splitter. Matcher. Le valvole di controllo. Albero rotante. Piping. Scambiatore di calore. Compressore dinamico. Espansore dinamico (a gas e a vapore). Combustore di turbina a gas. Generatore elettrico. Caldaia e rete di teleriscaldamento.

    Esercizi: G1) Modello di shaft. G2) Modello di pipe. G3) Esempio di network di teleriscaldamento.

    Controllo delle turbine a gas (Scheda H)

    Controllo di una turbina a gas. Controllo di una microturbina a gas. Controllo di una microturbina a gas a combustione esterna. Controllo del turbogetto e turbofan. Rappresentazione matematica semplificata di una turbina a gas. Cenni al controllo degli M.C.I..

    Esercizi: H1) Rappresentazione semplificata di TG. H2) Off-design di mGT. H3) Dinamica e controllo di mGT con e senza volume. H4) Instabilità di un sistema pompa/serbatoio.

    Sistemi di Compressione (Scheda I)

    I sistemi di compressione basati su compressori dinamici; l’interazione dinamica fra il compressore ed il sistema; condizioni di instabilità statica e dinamica; pompaggio e stallo rotante; il modello di Greitzer e l’influenza delle dimensioni del volume di valle sulle traiettorie del sistema; tecniche per limitare l’insorgere del pompaggio in turbine a gas o sistemi di compressione. Cenno ai sistemi di controllo attivo e passivo.

    Controllo degli impianti (Scheda L)

    Controllo degli impianti a vapore. Controllo delle turbine a vapore. Controllo dei cicli combinati.

    TESTI/BIBLIOGRAFIA

    G.C. Goodwin, S. F. Graebe, M. E. Salgado, “Control System Design”, Prentice Hall, 2001, disponibile all’indirizzo http://csd.newcastle.edu.au/index.html

    G. Bacchelli, F. Danielli, S. Sandolini, “Dinamica e Controllo delle Macchine a Fluido”, Facoltà di Ingegneria, Università di Bologna, Officine Grafiche Pitagora-Tecnoprint.

    Informazioni circa il reperimento del materiale bibliografico indicato vengono fornite direttamente dal Docente.

    Le dispense sono reperibili su aula web.

    DOCENTI E COMMISSIONI

    Commissione d'esame

    ALBERTO TRAVERSO (Presidente)

    MARIO LUIGI FERRARI

    ARISTIDE MASSARDO

    LOREDANA MAGISTRI (Presidente Supplente)

    LEZIONI

    ESAMI

    MODALITA' D'ESAME

    L’esame consta di una parte orale ed una parte dedicata alla discussione di un progetto autonomamente proposto dallo studente (e precedentemente approvato dal docente): tale progetto deve riguardare i contenuti del corso. Di seguito vengono riportati alcuni esempi.

    Esempio 1: modellizzazione dinamica in Matlab-Simulink di un compressore assiale per il pompaggio del gas naturale accoppiato al gasdotto, ed implementazione del relativo controllo PID.

    Esempio 2: modellizzazione dinamica in Matlab-Simulink di un network di trasporto di vapore di processo, con valvole di parzializzazione, ed implementazione del relativo controllo a stati mediante Stateflow.

    Esempio 3: modellizzazione dinamica in Matlab-Simulink di un Auxiliary Power Unit (microturbina a ciclo semplice) per aerei passeggeri, ed implementazione del relativo controllo di velocità.

    MODALITA' DI ACCERTAMENTO

    Esercitazioni svolte in aula e progetto finale soggetto a valutazione.

    Calendario appelli

    Data Ora Luogo Tipologia Note
    17/02/2022 09:30 GENOVA Esame su appuntamento
    16/09/2022 09:30 GENOVA Esame su appuntamento

    ALTRE INFORMAZIONI

    Propedeuticità :

    Turbomacchine e Impianti per l’Energia.