> SVILUPPO SOFTWARE PER IL CALCOLO IMPIANTI DI POTENZA

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1 Località Piacenza Doc. n. R 4.1/1 CONSORZIO LEAP Laboratorio Energia Ambiente Piacenza Progetto ECATE Rev. 0 Progetto E.C.A.T.E. Efficienza e Compatibilità Ambientale delle Tecnologie Energetiche > SVILUPPO SOFTWARE PER IL CALCOLO IMPIANTI DI POTENZA NOTA : IL PRESENTE DOCUMENTO E EMESSO IN REVISIONE 0, IN PRIMA EMISSIONE. ESSO PUO ESSERE SOGGETTO A FUTURE REVISIONI 1 0 Emissione Prof P. Chiesa Ing.P. Anelli Prof. S. Consonni REV DESCRIZIONE ELABOR VERIFICATO APPROVATO DATA

2 >SVILUPPO SOFTWARE PER IL CALCOLO IMPIANTI DI POTENZA 1. MOTIVAZIONI E OBIETTIVI 1.1 Premessa La base da cui prende avvio l attività svolta nell ambito dell OR 4.1, è il pacchetto di codici di calcolo denominati GS. Il programma GS è un codice di calcolo che permette, grazie alla sua struttura modulare, l analisi termodinamica di un ampia varietà di sistemi energetici destinati alla generazione elettrica e alla produzione di idrogeno. I singoli moduli che costituiscono il programma presiedono ognuno al calcolo di un differente componente impiantistico cosicché risulta relativamente semplice estendere le capacità del programma aggiungendo ulteriori moduli realizzati secondo necessità. Originariamente sviluppato per lo studio di cicli di potenza a gas e a vapore, il codice GS dispone ora di 22 moduli che permettono lo studio di tutti i processi presenti in impianti complessi quali cicli combinati integrati con processi di gassificazione di carbone e biomasse, cicli ibridi con celle a combustibile, reattori a membrana. Per effettuare la simulazione, il sistema in esame deve innanzi tutto essere schematizzato come un insieme interconnesso dei diversi componenti a disposizione (turbine, compressori, combustori, reattori chimici, scambiatori di calore, ecc.) senza alcuna limitazione alla complessità della configurazione. I componenti vengono quindi calcolati in sequenza secondo l ordine imposto dall utente: per ognuno di essi vengono impostate e risolte le equazioni di bilancio di massa ed energia imponendo nel contempo il rispetto delle relazioni che ne descrivono le condizioni operative. Alla fine del calcolo il codice fornisce il bilancio termico dell impianto completo dell analisi di primo e secondo principio, i flussi massici e molari in tutti punti dello schema e le caratteristiche salienti dei componenti. Il programma GS ha costituito lo strumento per lo studio di complessi sistemi analizzati in decine di pubblicazioni scientifiche realizzate dal Politecnico di Milano in collaborazione con altre istituzioni e industrie (Princeton University, Università di Brescia, Energy Research Center of Netherlands, CESI, Enitecnologie, Air Liquide, etc.). 1.2 Scopo della ricerca L OR 4.1 consiste nella messa a punto di un software destinato alla simulazione del bilancio termico di impianti energetici complessi. In particolare l attività punta ad affinare l affidabilità e l accuratezza di calcolo di alcuni pacchetti software sviluppati nel corso degli ultimi 15 anni presso il Dipartimento di Energetica del Politecnico di Milano, rendendo nel contempo più facile e intuitivo il loro utilizzo così da estenderne le possibilità di impiego anche a utenti non particolarmente esperti. 2. FASI DELLA RICERCA 2.1 Sviluppo del progetto 2

3 Per rendere il programma GS fruibile con maggiore facilità e a un numero maggiore di utenti, si è deciso di sviluppare un interfaccia grafica che consenta di comporre in modalità interattiva lo schema dell impianto da analizzare direttamente sullo schermo del computer e di procedere alla sua simulazione. Attraverso l utilizzo di librerie preimpostate, l utente è in grado di procedere rapidamente alla definizione dello schema d impianto disponendo liberamente sullo schermo i diversi componenti scelti fra i 22 moduli base disponibili nel pacchetto GS. I punti in ingresso e uscita da ogni componente vengono quindi collegati fra loro da linee di flusso e devono essere assegnate: la sequenza di calcolo dei componenti, le modalità di calcolo e i parametri caratteristici e di progetto di tutti i componenti dell impianto, composizione, portata massica, pressione e temperatura di alcuni punti caratteristici dello schema. Quando l utente ritiene di aver consolidato il proprio schema, può avviare il calcolo vero e proprio. Dopo una opportuna fase di validazione, mirata a verificare che il diagramma di impianto sia formalmente valido e tutte le informazioni obbligatorie siano presenti, viene richiamato in modo completamente automatico codice di calcolo GS che, attraverso la risoluzione matematica delle equazioni implementate nei modelli di calcolo, fornisce il bilancio termico completo dell impianto oggetto della simulazione. 2.2 Attività svolte nel semestre Le attività nell ambito di questo OR sono articolate su due distinti binari: revisione dei modelli di calcolo interni al codice GS, operata da personale del Dipartimento di Energetica del Politecnico di Milano sviluppo interfaccia utente, svolta in collaborazione fra personale LEAP e Politecnico (sede di Piacenza) Le due attività vengono coordinate in maniera continuativa a livello di responsabile del progetto, per garantire la necessaria integrazione Attività di revisione dei modelli di calcolo In questo primo semestre, l attività del gruppo di ricerca coinvolto nel progetto ha riguardato l esame delle caratteristiche strutturali e funzionali del codice GS per verificare che fossero compatibili con le esigenze, l individuazione delle parti di codice che necessitano di revisione, la suddivisione del lavoro fra i partecipanti a questa attività (tutti afferenti al Dipartimento di Energetica del Politecnico di Milano): prof. Stefano Campanari (professore associato) prof. Paolo Chiesa (professore associato, responsabile del progetto) ing. Giampaolo Manzolini (dottorando di ricerca) ing. Matteo Romano (dottorando di ricerca) ing. Federico Viganò (dottorando di ricerca) A valle di ciò è stato avviato il lavoro di debugging e revisione dei codici sorgente. In parallelo, è stata validata la struttura dei data base relazionali utilizzati per lo scambio dei dati con l interfaccia per la visualizzazione grafica dei dati di input ed è stata portata a termine la compilazione del data base per 8 dei 22 componenti che compongono il pacchetto GS (pompa, 3

4 compressore, combustore, separatore, albero/generatore, saturatore, compressore interrefrigerato, compressore/espansore di vapore). Si ritiene l attività svolta sostanzialmente il linea con la tempistica prefissata nella richiesta di finanziamento Attività di sviluppo dell interfaccia utente L avanzamento di questa attività risulta viceversa leggermente anticipato rispetto a quanto prospettato nella richiesta di finanziamento. Dopo avere individuato nella piattaforma Microsoft.NET per sistemi operativi Windows lo strumento più adatto allo sviluppo dell interfaccia grafica, è stato bandito un assegno di ricerca per la selezione di un soggetto che avesse comprovata esperienza di sviluppo software in tale ambiente unita a una particolare conoscenza degli aspetti connessi alla programmazione concorrente e distribuita, architetture e protocolli di rete. Questi ultimi aspetti sono stati espressamente richiesti nel bando dato che, nella versione finale del progetto, si vuole proteggere la proprietà del codice risolvente, distribuendo a utenti esterni la sola interfaccia grafica che scambia quindi i dati necessari alla simulazione attraverso la rete internet. La commissione giudicatrice formata da: prof. Paolo Chiesa (presidente) ing. Paco Melià (ricercatore al Politecnico di Milano, Dipartimento di Elettronica e Informazione, segretario) ing. Paolo Anelli (direttore LEAP, membro esperto) si è riunita il 18/1/06 e, dopo avere svolto la procedura concorsuale, ha selezionato l ing. Massimiliano Cravedi quale vincitore del relativo assegno di ricerca. Massimiliano Cravedi ha pertanto preso servizio presso il LEAP il 01/02/06, con un rapporto di collaborazione a tempo determinato per la durata di un anno. Il conferimento dell incarico a Massimiliano Cravedi ha dato impulso all attività di sviluppo software portato avanti con la collaborazione di: ing. Andrea Matti (tecnico laureato, Politecnico di Milano sede di Piacenza) Massimo Fontanive (collaboratore non strutturato, Politecnico di Milano sede di Piacenza) È stata infatti effettuata una prima fase di analisi e specifica dei requisiti del software al termine della quale è stata acquisita e implementata la libreria Nortwoods GoDiagram, necessaria per la rappresentazione grafica di diagrammi e grafi. Si è poi passati alla fase di concepimento e strutturazione della base dati necessaria allo scambio di informazioni con il codice GS. Notevoli sforzi sono stati profusi per il conseguimento della flessibilità richiesta a mettere l interfaccia in grado di adattarsi facilmente a future modifiche ed estensioni del codice GS (ad esempio l implementazione di nuovi moduli per il calcolo di componenti innovativi). È stato realizzato il prototipo della base dati che è stato poi sottoposto al team di sviluppo dei modelli per la validazione e la compilazione. Sono state scritte alcune classi basate sul modello database per leggere e caricare le informazioni necessarie alla costruzione dei componenti (es. numero di porte, vincoli del 4

5 componente, icona grafica, ecc.). Riguardo all interfaccia grafica interattiva utente è stato impostato uno schema preliminare, basato su logica MDI (Multiple Document Interface, standard ampiamente diffuso su tutti i software commerciali che consente la gestione contemporanea di finestre multiple, ovvero documenti). L'interfaccia utente si avvale inoltre di una toolbar grafica che include i componenti utilizzabili (Combustore, Compressore, ecc) e consente la loro disposizione sul foglio di lavoro dello schema. E' inoltre allo studio il sistema di gestione dinamica delle porte (flussi) di ogni componente, in quanto alcuni di essi possono avere un numero di ingressi/uscite variabile a piacimento. Sono state infine sviluppate le finestre di input per l assegnazione delle proprietà termodinamiche dei flussi e delle variabili generali di ambiente del programma. 3. CONCLUSIONI Le attività descritte confermano un timing di sviluppo in linea con ciò che viene richiesto dalle direttive del finanziamento. 5