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1 Corso di IMPIANI di CONVERSIONE dell ENERGIA L energia, fonti, trasformazioni i ed usi finali Impianti a vapore I generatori di vapore Impianti turbogas Cicli combinati e cogenerazione Il mercato dell energia 1

2 Corso di IMPIANI di CONVERSIONE dell ENERGIA L energia, fonti, trasformazioni i ed usi finali Impianti a vapore I generatori di vapore Impianti turbogas Cicli combinati e cogenerazione Il mercato dell energia 2

3 CC C U Gruppo turbogas 3

4 CC C U Gruppo turbogas 4

5 CC topping C U Gruppo turbogas Caldaia a recupero U bottoming Gruppo a vapore 5

6 CC Il ciclo combinato C gas - vapore rappresenta U oggi topping Caldaia a recupero indiscutibilmente la migliore tecnologia per la produzione di Gruppo energia turbogas elettrica da gas naturale, in termini di efficienza, di emissioni e di costi sia di investimento che operativi. Nell ultimo decennio è stato protagonista di una vera e propria rivoluzione nel settore dell industria U termoelettrica, spodestando le centrali a vapore dal ruolo praticamente monopolistico finora detenuto. bottoming Gruppo a vapore 6

7 Il problema da affrontare consiste in: recuperare nel modo più efficiente possibile il calore disponibile in una sorgente gassosa la cui temperatura diminuisce quando si estrae calore; cedere il calore non convertito in energia meccanica ad un pozzo di calore a temperatura costante (l ambiente) 7

8 Il problema da affrontare consiste in: recuperare nel modo più efficiente possibile il calore disponibile in una sorgente gassosa la cui temperatura diminuisce quando si estrae calore; cedere il calore non convertito in energia meccanica ad un pozzo di calore a temperatura costante (l ambiente) La forma triangolare permette : di acquisire e cedere calore sotto differenze di temperatura t nulle rasformazione di raffreddamento di sottrarre ai gas tutto il calore disponibile raffreddandoli fino a 0 Ciclo reversibile operare co compressione ed espansione reversibili emperatura ambiente ma x 0 S 8

9 Per un ciclo reversibile h ma x Con gas ideale Rendimento di un ciclo di Carnot h0 Ciclo reversibile 0 s0 s S emperatura media logaritmica tra e 0 9

10 Per un ciclo reversibile Nel caso reale si produrrà un lavoro W inferiore: Con gas ideale Rendimento di un ciclo di Carnot emperatura media logaritmica tra e 0 Fattore di recupero 10

11 Per un ciclo reale Purtroppo nella pratica non esisterà un gas che è capace di assorbire calore a temperatura costante e poi cederne una parte a temperatura costante condensando. E interessante verificare come si comporta un ciclo di Carnot: ΔS A : il fluido di lavoro si riscalda a temperatura costante ma x ΔS B : i gas non si possono raffreddare sino a 0 Il rendimento di Recupero dipenderà ovviamente da e Si può dimostrare che il massimo rendimento si ha con: ΔS A e ΔS B 0 Esempio: =500 C e 0 =15 C 0 S η = 0,3895 κ = 0,6209 η I = 0,2419 Contro η R =0,

12 Per un ciclo reale Si possono utilizzare più cicli di Carnot, partendo da due ma x e 0 S 12

13 Per un ciclo reale Si possono utilizzare più cicli di Carnot, partendo da due sino ad arrivare a più livelli Nell esempio precedente il rendimento passa a 0,3056 con due livelli 0,3349 con tre livelli di espansione. ma x e 0 S 13

14 Per un ciclo reale Si possono utilizzare più cicli di Carnot, partendo da due sino ad arrivare a più livelli Nell esempio precedente il rendimento passa a 0,3056 con due livelli 0,3349 con tre livelli di espansione. Per potersi avvicinare al ciclo reversibile si può utilizzare: un ciclo a vapore, che condensi a temperatura costante, ma con una evaporazione ad una pressione certamente ipercritica Per non ricorrere a pressioni eccessive si può utilizzare l ammoniaca che ha una temperatura critica di 132,4 C ma presenta notevoli problemi di sicurezza 14

15 Per un ciclo reale Si possono utilizzare più cicli di Carnot, partendo da due sino ad arrivare a più livelli Per potersi avvicinare al ciclo reversibile si può utilizzare: un ciclo a vapore, che condensi a temperatura costante, ma con una evaporazione ad una pressione certamente ipercritica oppure un gas che si riscalda lungo una isobara, si espande seguendo una adiabatica isoentropica e poi si segua una trasformazione di compressione paraisoterma composta da numerose compressioni ed interrefrigerazioni Nell esempio precedente il rendimento passa a 0,3056 con due livelli 0,3349 con tre livelli di espansione. Entrambe le soluzioni si presentano difficilmente praticabili 15

16 Potenzialità dei cicli combinati Se si suppone che il ciclo bottoming operi recuperando il solo calore disponibile nei gas di scarico del turbogas (UNFIRED): Rendimento del ciclo di recupero Rendimento netto della turbogas Potenza termica dispersa in fonti diverse dai gas di scarico Potenza termica disponibile nei gas di scarico Nel caso studiato di sc = 599,7 C e 0 =15 C con η G =0,3555 e ξ = 0,0144 si ha η CC = 0,6415 ipotizzando η r reversibile in pratica si vedrà tale valore scendere a 0,57 16

17 CC topping C U Gruppo turbogas U bottoming Gruppo a vapore 17

18 CC topping C U Gruppo turbogas U bottoming Gruppo a vapore 18

19 CC C U 500 Gruppo turbogas [K] 400 Raffreddamento del gas C 300 U economizzatore 200 Gruppo a vapore 100 preriscaldamento % Potenza termica scambiata 19

20 CC corpo cilindrico C U 500 Gruppo turbogas [K] 400 C Raffreddamento del gas 300 U economizzatore 200 Gruppo a vapore % Potenza termica scambiata preriscaldamento 20

21 CC corpo cilindrico C U 500 Gruppo turbogas [K] 400 C Raffreddamento del gas surriscaldatore evaporatore 300 U economizzatore surriscaldamento evaporazione Gruppo a vapore % Potenza termica scambiata preriscaldamento 21

22 Δ ap approach point chè CC il minimo valore del salto termico tra il gas entrante ed il vapore surriscaldato C U corpo cilindrico 500 Gruppo turbogas [K] 400 C Raffreddamento del gas surriscaldatore evaporatore 300 U economizzatore 200 evaporazione Gruppo a vapore 100 surriscaldamento preriscaldamento % Potenza termica scambiata 22

23 Δ ap approach point chè CC il minimo valore del salto termico tra il gas entrante ed il vapore surriscaldato C U corpo cilindrico 500 Gruppo turbogas [K] 400 C Raffreddamento del gas surriscaldatore evaporatore 300 U economizzatore 200 evaporazione Gruppo a vapore 100 surriscaldamento preriscaldamento % Potenza termica scambiata 23

24 Δ ap approach point chè CC il minimo valore del salto termico tra il gas entrante ed il vapore surriscaldato C U corpo cilindrico 500 [K] 400 C 300 Gruppo turbogas Raffreddamento surriscaldatore Δ pp pinch-point è il minimo valore del del gas evaporatore p salto tra la temperatura del gas uscente dal banco degli evaporatori e la temperatura U di economizzatore evaporazione surriscaldamento evaporazione preriscaldamento Gruppo a vapore Δ sc subcooling è il valore del salto tra la temperatura di evaporazione e quella dell acqua uscente dall economizzatore % Potenza termica scambiata 24

25 500 [K] 400 C 300 Δ ap approach point chè CC il minimo Δ ap approach-point e Δ corpo cilindrico pp pinch-point valore del salto termico tra il gas stabiliscono delle differenze di temperatura che stanno entrante ed il vapore surriscaldato alla base del progetto termico della caldaia, C U Δ sc subcooling è necessario ad evitare rischi di inizio evaporazione nei tubi dell economizzatore che Gruppo turbogas comporterebbe un blocco temporaneo della portata a causa dell aumento di volume del vapore Raffreddamento surriscaldatore Δ pp pinch-point è il minimo valore del del gas evaporatore salto tra la temperatura del gas uscente dal banco degli evaporatori e la temperatura U di economizzatore evaporazione surriscaldamento evaporazione preriscaldamento Gruppo a vapore Δ sc subcooling è il valore del salto tra la temperatura di evaporazione e quella dell acqua uscente dall economizzatore % Potenza termica scambiata 25

26 Prestazioni Caso base: Δ pp=10 C Δ ap=25 C Δ sc=10 C Δ ap approach-point corpo cilindrico e Δ pp pinch-point stabiliscono delle differenze di temperatura che stanno alla base del progetto termico della caldaia, Δ sc subcooling è necessario ad evitare rischi di inizio evaporazione nei tubi dell economizzatore che comporterebbe un blocco temporaneo della portata a causa dell aumento di volume del vapore Δ pinch-point Δ approach-point Δ subcooling 5 C 20 C 10 C 50 C 0 C 20 C P el. (MWel) 65,20 66,52 (+2%) 62,62 (4%) (-4%) 65,66 (+0,7%) 64,46 (11%) (.1,1%) 66,46 (+1,9%) 64,03 (18%) (-1,8%) Q v (kg/s) 67,19 68,49 64,58 66,32 68,70 68,44 66,00 fu ( C) 147,0 140,5 160,1 148,0 145,3 140,7 153,0 U. A (W/K) La riduzione del Δ pp incrementa la Potenza ma richiede anche un forte aumento della superficie di scambio (U. A) Ottimizzazione tecnico-economica i 26

27 ASPEI PROGEUALI Ottimizzazione i i del Δ P di il t di d li lli di i ll di pp Prendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli di pressione a valle di un gruppo G che scarica 300 MW a circa 473 C; in esso si ha che, al variare del Δ pp, la potenza elettrica ed il prodotto di coefficiente globale di scambio e superficie di scambio, assumono i valori: Δ PP = 5 C P el = MW U. A = 6673 kw/k Δ PP = 10 C P el = MW U. A = 5434 kw/k Δ PP = 15 C P el = MW U. A = 4684 kw/k Δ PP crescente.p el si riduce.. le dimensioni si riducono (aumenta la perdita di energia) 27

28 ASPEI PROGEUALI Ottimizzazione i i del Δ pp Prendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli lli di pressione a valle di un gruppo G che scarica 300 MW a circa 473 C; in esso si ha: Δ PP = 5 C P el = MW UA = 6673 kw/k Δ PP = 10 C P el = MW UA = 5434 kw/k Δ PP = 15 C P el = MW UA = 4684 kw/k Δ PP crescente.p el si riduce.. le dimensioni si riducono (aumenta la perdita di energia) Δ costo annuo k Δ PP = 5 C 7, ,

29 ASPEI PROGEUALI Ottimizzazione i i del Δ pp Prendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli lli di pressione a valle di un gruppo G che scarica 300 MW a circa 473 C; in esso si ha: Δ PP = 5 C P el = MW UA = 6673 kw/k Δ PP = 10 C P el = MW UA = 5434 kw/k Δ PP = 15 C P el = MW UA = 4684 kw/k Δ PP crescente.p el si riduce.. le dimensioni si riducono (aumenta la perdita di energia) Δ costo annuo k 400 Δ costo HRSG Δ PP = 5 C 7, ,

30 ASPEI PROGEUALI Ottimizzazione i i del Δ pp Prendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli lli di pressione a valle di un gruppo G che scarica 300 MW a circa 473 C; in esso si ha: Δ PP = 5 C P el = MW UA = 6673 kw/k Δ PP = 10 C P el = MW UA = 5434 kw/k Δ PP = 15 C P el = MW UA = 4684 kw/k Δ PP crescente.p el si riduce.. le dimensioni si riducono (aumenta la perdita di energia) Con esse si riducono anche le dimensioni di tutto l impianto Δ costo annuo k 400 Δ costo HRSG Δ costo impianto 0 Δ PP = 5 C 7, ,

31 ASPEI PROGEUALI Ottimizzazione i i del Δ pp Prendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli lli di pressione a valle di un gruppo G che scarica 300 MW a circa 473 C; in esso si ha: Δ PP = 5 C P el = MW UA = 6673 kw/k Δ PP = 10 C P el = MW UA = 5434 kw/k Δ PP = 15 C P el = MW UA = 4684 kw/k Δ PP crescente.p el si riduce.. le dimensioni si riducono (aumenta la perdita di energia) Con esse si riducono anche le dimensioni di tutto l impianto Δ costo annuo k Δ costo HRSG Δ costo impianto Δ costo mancata produzione el. 0 Δ PP = 5 C 7, ,

32 ASPEI PROGEUALI Ottimizzazione i i del Δ pp Prendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli lli di pressione a valle di un gruppo G che scarica 300 MW a circa 473 C; in esso si ha: Δ PP = 5 C P el = MW UA = 6673 kw/k Δ PP = 10 C P el = MW UA = 5434 kw/k Δ PP = 15 C P el = MW UA = 4684 kw/k Δ PP crescente.p el si riduce.. le dimensioni si riducono (aumenta la perdita di energia) Δ costo totale Con esse si riducono anche le dimensioni di tutto l impianto Δ costo annuo k ottimo Δ costo HRSG Δ costo impianto Δ costo mancata produzione el. 0 Δ PP = 5 C 7, ,5 15 Valore ottimale di Δ PP circa 8 C 32

33 ASPEI PROGEUALI Ottimizzazione i i del Δ pp Prendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli lli di pressione a valle di un gruppo G che scarica 300 MW a circa 473 C; in esso si ha: Δ PP = 5 C P el = MW UA = 6673 kw/k Δ PP = 10 C P el = MW UA = 5434 kw/k Δ PP = 15 C P el = MW UA = 4684 kw/k Δ PP crescente.p el si riduce.. le dimensioni si riducono (aumenta la perdita di energia) Δ costo totale Con esse si riducono anche le dimensioni di tutto l impianto Δ costo annuo ottimo Successivamente si dimensionano le sezioni trasversali di passaggio del gas di scarico k Δ costo HRSG Δ costo mancata produzione el. Il tipo di circolazione nel banco di evaporazione Δ costo impianto Il collocamento del degasatore 0 Δ PP = 5 C 7, ,5 15 Valore ottimale di Δ PP circa 8 C 33

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