Caratteristiche peculiari IV

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1 Caratteristiche peculiari IV Vantaggi combustione esterna: separazione fra il circuito percorso dal combustibile e dai prodotti di combustione e quello percorso dal fluido di lavoro del ciclo: si possono adottare combustibili fossili di qualsivoglia tipologia (anche di basso pregio) senza pregiudicare l integrità e la pulizia delle superfici lambite dal fluido di lavoro (le palettature delle turbomacchine, le superfici di scambio termico) Vantaggi ciclo chiuso: si ha un fluido che cambia di fase e si ha quindi cessione di calore tramite condensazione: processo isotermo. Mantiene piccole differenze di temperatura durante l intero scambio di calore fra il fluido di lavoro e l ambiente, minimizzando le irreversibilità la compressione del fluido di lavoro avviene in fase liquida Svantaggi combustione esterna/ciclo chiuso: superfici di scambio a temperatura più elevata del fluido di lavoro. Dovendo, a causa dell elevata pressione del vapore, adottare necessariamente materiali metallici nello scambiatore primario, questo limita le temperature massime del ciclo di potenza, con un evidente penalizzazione termodinamica sul rendimento del ciclo

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3 Centrali a vapore: il trend dell evoluzione tecnologica Gli impianti alimentati a carbone, basati sulla tecnologia del ciclo chiuso a vapore, sono stati la tecnologia dominante nella generazione di energia elettrica per l intero secolo scorso le centrali termoelettriche a vapore costituiscono una realtà tecnologica che è stata caratterizzata fino a circa il 2000 da una sostanziale staticità dopo l'evoluzione che ha caratterizzato tali impianti nel corso di tutta la prima metà del secolo, dalla fine degli anni '50 al 2000 le loro prestazioni non hanno subito significativi miglioramenti l evoluzione di rendimento è funzione anche degli schemi impiantistici progressivamente realizzati: cicli a vapor saturo (A), cicli con rigenerazione (B) cicli con rigenerazione e surriscaldamento (C) cicli con risurriscaldamento (D) cicli ipercritici con doppio risurriscaldamento (E) la centrale USA di Eddystone e quella giapponese di Kawagoe sono impianti ipercritici con doppio risurriscaldamento. Tali soluzioni, erano poco diffuse per problemi di costo, affidabilità e resistenza dei materiali; negli ultimi anni stanno riscuotendo rinnovato interesse soprattutto nell ambito della scelta delle tecnologie più promettenti per un utilizzo pulito ed efficiente del carbone

4 Centrali a vapore: il trend dell evoluzione tecnologica

5 Centrali a vapore: il trend dell evoluzione tecnologica l andamento nel tempo dei parametri di maggiore interesse per le centrali termoelettriche a vapore: pressione massima e temperatura massima. I parametri operativi effettivi dei cicli a vapore sono sostanzialmente invariati tra il /2000 evoluzione nel tempo della taglia massima delle centrali termoelettriche. Tale parametro ha subito negli ultimi cinquanta anni una forte evoluzione arrivando oramai a superare i 1000 MW

6 Centrali a vapore: il trend dell evoluzione tecnologica

7 Centrali a vapore: il trend dell evoluzione tecnologica

8 Avanzamenti tecnologici in atto In campo internazionale il risveglio della tecnologia a vapore è stato incentrato su tre fronti: caratteristiche termodinamiche del ciclo a vapore (pressioni e temperature del vapore più spinte) miglioramento della prestazioni fluidodinamiche della turbina a vapore tecnologie di combustione a bassi NOx e linea trattamento fumi Cicli a vapore ultrasupercritici (USC) sono pertanto recentemente riemersi ingenti sforzi di ricerca nel settore dei cosiddetti cicli a vapore ultrasupercritici (USC) alimentati a carbone che si prefiggono un deciso innalzamento delle condizioni termodinamiche del vapore prodotto in caldaia: pressioni massime dell ordine di bar e temperature del vapore dell ordine di C con l obiettivo di raggiungere a breve-medio (!) termine rendimenti dell ordine del 50%

9 Cicli ultrasupercritici

10 Centrali a vapore: la linea trattamento fumi

11 Cicli USC a polverino di carbone esistenti

12 Cicli a vapore esistenti Inventario delle centrali a vapore installate nel mondo, per numero e potenzialità. Le ultime due colonne indicano come il mercato nell ultimo decennio si sia maggiormente spostato verso Giappone e Corea, principalmente a scapito degli USA

13 Cicli ultrasupercritici

14 Centrali a vapore di grande taglia ipercritici e USC: schema impiantistico

15 Cicli a vapore ipercritici e ultrasupercritici: prestazioni

16 Centrali a vapore di grande taglia ipercritici e USC: assunzioni ed ipotesi di calcolo il risurriscaldamento viene effettuato ad una pressione di 40 bar per gli USC ad un solo RH e ad una pressione rispettivamente di 130 e 75 bar per gli USC a 2 RH per il calcolo degli USC avanzati (linee contraddistinte con quadratino) le pressioni di RH sono derivate da un calcolo di ottimizzazione il degassatore si trova ad una pressione di 6.2 bar ed è il quarto rigeneratore (partendo dal condensatore) i rigeneratori a valle del condensatore sono alimentati rispettivamente da vapore a 0.30 bar, 1 bar, 2.9 bar all aumentare della pressione massima, viene incrementata la temperatura di fine rigenerazione: da un valore minimo di 320 C (tipico degli impianti ipercritici) ad un valore massimo di 350 C per la massima pressione adottata e cioè 375 bar. L incremento della temperatura di fine rigenerazione è stato assunto lineare al variare della pressione massima i rigeneratori di alta pressione sono alimentati da vapore spillato a pressioni tali da garantire le temperature di fine rigenerazione desiderate Le differenze di temperature lato caldo e freddo dei rigeneratori a superficie sono state assunte pari a 2 C/6 C nei rigeneratori di AP e 3 C/8 C nei rigeneratori di BP la pressione di condensazione è stata assunta pari a 0.05 bar I rendimenti isoentropici globali di espansione sono stati assunti pari a 0.82, 0.88, 0.88, Per gli USC avanzati sono stati assunti rendimenti molto ottimistici: 0.88, 0.92,0.92, 0.86 Infine sono stati assunti il rendimento del generatore di vapore (0.92) ed il rendimento elettromeccanico (0.98). Nel caso di USC avanzati, sempre in linea con le assunzioni molto ottimistiche effettuate per il calcolo delle prestazioni di tali impianti, è stato considerato un rendimento di caldaia pari a 0.93.

17 Cicli ultrasupercritici: alcune realizzazioni Schema di impianto a ciclo ELSAN ed entrato in esercizio nel 1997 ipercritico avanzato realizzato presso la compagnia elettrica danese ciclo a doppio risurriscaldamento con le seguenti condizioni del vapore: 290bar/580 C/580 C/580 C.

18 Cicli ultrasupercritici: alcune realizzazioni Il progetto Europeo, che vede coinvolti studiosi, costruttori ed utilizzatori, denominato AD700 (Advanced 700 C pulverized coal-fired power plant) prevede lo sviluppo di un avanzatissimo ciclo USC caratterizzato da una pressione massima di 375 bar e da temperature del vapore fino a 720 C, finalizzato a raggiungere il traguardo di rendimento del 50% (anche se per ottenere tali risultati occorrono comunque ipotesi e assunzioni di calcolo molto ottimistiche anche per quanto riguarda i rendimenti di espansione delle turbine ed il rendimento del generatore di vapore)

19 Torrevaldaliga Nord: un confronto a distanza di 30 anni

20 Variazioni di rendimento del ciclo termodinamico vecchia centrale - centrale in costruzione centrali future

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