Università degli Studi di Bergamo

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1 Università degli Studi di Bergamo Dipartimento di Ingegneria e Scienze Applicate Energy Systems and Turbomachinery Research Group 1

2 Gruppo di ricerca Personale strutturato Prof. Antonio Perdichizzi Prof. Giovanna Barigozzi Prof. Giuseppe Franchini Prof. Silvia Ravelli Dottorandi / Assegnisti / Borsisti 2-5 PhD students 2-5 Research fellows 2

3 Ambiti di ricerca Turbomachinery Film cooling in Gas Turbine Vanes and Blades Aero-thermal experimental investigations: Aerodynamic probes Laser Doppler Velocimetry Hot Wire Anemometry Particle Image Velocimetry (PIV) Cold Wire Thermometry Thermochromic Liquid Crystals (TLC) Infrared Thermometry Pressure-Sensitive Paint (PSP) Oil visualizations CFD & 1-D optimization codes 3

4 Ambiti di ricerca Power Systems: Combined Cycle Power Plants Cogeneration Plants Energy Efficiency in industrial process Waste to Energy Plants Renewable Energy: Concentrated Solar Power Plants Solar Cooling & Desalination 4

5 Ambiti di ricerca Zero Energy Buildings in hot climates: Off-Grid & Passive Building Design Renewable Energy integration Trigeneration systems Prediction of PV & batteries operation 5

6 Università degli Studi di Bergamo Dipartimento di Ingegneria e Scienze Applicate PRODUZIONE DI POTENZA ELETTRICA DA RECUPERI TERMICI: DUE CASI STUDIO IN CEMENTIFICI ITALCEMENTI 6

7 Oggetto dello studio Recuperi a valle di forni produzione clinker Suspension Preheater boiler (PH or SP) Air Quenching Cooler boiler (AQC) Valutazione soluzioni impiantistiche proposte; Simulazione soluzioni impiantistiche e verifica prestazioni; Definizione ciclo termico; Analisi di soluzioni con recupero a vapore o ORC; Simulazione sistema circolazione fumi. 7

8 Caso 1: cementificio di Pukrang (Thailand) Verifica del progetto WHR&PG P el = 21 MW Q th = 187 MW 8

9 Caso 1: cementificio di Pukrang (Thailand) Verifica del progetto WHR&PG 3 diverse condizioni operative: Case 1 Normal load (design condition): Line #1 and Line #2 are ON; raw mill is ON. Case 2a Minimum load: Line #1 is idle and Line #2 is ON; raw mill is ON. Case 2b Most minimum load: Line #2 is idle and Line #1 is ON; raw mill is ON. Volume T in p in flow rate Nm 3 /h C dapa(g) Line #1 AQC SP1k SP1c Line #2 AQC SP2k SP2c (OFF) SP2c (ON) Site Altitude + 10 m Ambient pressure bar a Ambient average C 29.5 temperature Wet bulb temperature 28 C 9

10 Caso 1: cementificio di Pukrang (Thailand) SP boiler 1 SP boiler 2 AQC boiler 1 AQC boiler 2 10

11 THERMOFLEX Version 21.0 barigozzi Universita Degli Studi Di Bergamo 1461 File = C:\Italcementi\Phukrang\PUKRANG_V3.tfx :30:16 bar C t/h kj/kg Linea #1 Caso 1: cementificio di Pukrang (Thailand) THERMOFLEX SP1c 17 SP1k PH-1 Circulation Pump From Condenser To Steam Turbine AQC To FLUSHER p T m h bar C t/h kj/kg DESIGN MODE : dimensionamento dei componenti per rispettare le proprietà termodinamiche del PFD 11

12 Caso 1: cementificio di Pukrang (Thailand) WHRBs AQC1 SP1k SP1c AQC2 SP2k SP2c Units Pinch point C Mutiple HX T-Q1 Mutiple HX T-Q3 Approach Temperature 6 C 400 S[39] Waste Gas Exit Temperature C 1883 AQC boiler SP boiler 350 S[37] B[10] Input Heat transfer rate MW 1371 th. Temperature [C] Recovered Heat transfer rate MW th. E[7] Feed water mass flow rate t/h Temperature [C] B[9] Feed water temperature at inlet C Superheated steam pressure 7.89 Heat Transfer [kw] bar a Heat Transfer [kw] Diagrams of gas-steam/water temperature profiles vs. heat transfer rate THERMOFLEX Version 21.0 Microsoft Universita Degli Studi Bergamo File = 1461 File = C:\Italcementi\Phukrang\Pukrang_v1.tfx :53:14 THERMOFLEX Version 21.0 Microsoft Universita Degli Studi Di Bergamo File = 1461 File = C:\Italcementi\Phukrang\Pukrang_v2.tfx :12:54 Superheated steam C temperature Superheated steam mass t/h flow rate Thermal Efficiency % WHRBs thermal sizing 12

13 Caso 1: cementificio di Pukrang (Thailand) SH steam mass flow t/h SH steam pressure 6.89 bar a SH steam temperature C HP turbine efficiency 82.6 % Flusher steam mass flow 0.9 t/h Flusher steam pressure 1.3 bar a Flusher steam temperature C LP turbine efficiency 80 % Exit steam mass flow t/h Exit pressure bar a Exit temperature C Exit steam fraction Mechanical efficiency 97.8 % Generator efficiency 97.4 % Power factor Turbine sizing Enthalpy [kj/kg] Wilson 0.97 ST Mollier Chart Entropy [kj/kg-c] Heat Transfer Rate MW th. Cooling water inlet 32 C temperature Cooling water mass t/h flow rate Cooling water 6.5 C temperature rise UA 8149 kw/ C THERMOFLEX Version 21.0 barigozzi Universita Degli Studi Di Bergamo File = 1461 File = C:\ITALCEMENTI\PHUKRANG\PUKRANG_V2.TFX :02:03 Steam Surface Condenser sizing C 6.89 bar 300 C 200 C bar bar 13

14 Caso 1: cementificio di Pukrang (Thailand) Case 1 Normal load WHR&PG Plant PFD DESIGN simulation Units Net Power Output MW e Total Heat Transfer Rate Input MW th Heat Transfer Rate Recovered MW th WHRBs Average Thermal Efficiency % Plant Overall Net Thermal Efficiency % Case 2a Minimum load WHR&PG Plant Net Power Output MW e PFD OFF-DESIGN simulation Units Total Heat Transfer Nr. of Rate Energy Input generated MW th Heat Transfer h/yr Rate Recovered (GWh/yr) MW th Case WHRBs 1 Average 4287Thermal Efficiency % Case Plant 2aOverall 1741 Net Thermal Efficiency % Case 2b Overall

15 Caso 2: cementificio di Ait-Baha (Marocco) Simulazione impianto ORC-WHR&PG 15

16 Caso 2: cementificio di Ait-Baha (Marocco) Simulazione impianto ORC-WHR&PG Progetto Simulazione Design Unità Q olio diatermico in ingresso ORC kw t T olio diatermico in-out 278/ /140 C T acqua torre a secco al condensatore 26/47 26/47 C P el netta kw e h el netto % Dimensionamento HXs Simulazione Design Unità UA scambiatore fumi/olio diatermico 160 kw/k UA economizzatore kw/k UA evaporatore kw/k UA split kw/k UA rigeneratore kw/k UA condensatore kw/k 16

17 Caso 2: cementificio di Ait-Baha (Marocco) Simulazione come strumento diagnostico Attuale funzionamento dell'impianto non ricostruibile mettendo in offdesign il modello costruito sulle condizioni di progetto Scambiatore fumi /olio diatermico dimensionato per un valore di UA pari a kw/k (53.6% del valore ottenuto in condizioni di design) Il calcolo di verifica eseguito da Italcementi ha indicato un valore di UA pari a 85.9 kw/k in accordo col modello 17

18 Università degli Studi di Bergamo Dip. di Ingegneria e Scienze Applicate Energy Systems & Turbomachinery Research Group antonio.perdichizzi@unibg.it giovanna.barigozzi@unibg.it giuseppe.franchini@unibg.it silvia.ravelli@unibg.it Dipartimento di Ingegneria e Scienze Applicate Prof. Antonio Perdichizzi 18