CORSO DI SISTEMI ENERGETICI II - A.A Prof. Ing. Giorgio Cau

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1 CORSO DI SISTEMI ENERGETICI II A.A Prof. Ing. Giorgio Cau VALUTAZIONE DELLE PRESTAZIONI DI UN IMPIANTO DI COGENERAZIONE E VERIFICA DEGLI INDICI ENERGETICI AI SENSI DELLA DELIBERA AEEG 42/02 Caratteristiche generali dell impianto È dato un impianto di cogenerazione di nuova realizzazione, operante nell ambito del quadro normativo definito dalla Delibera AEEG 42/02, il cui schema funzionale semplificato è riportato nella figura che segue. Schema funzionale semplificato dell impianto di cogenerazione L impianto è costituito da una turbina a gas, da un generatore di vapore a recupero dotato di sistemi di postcombustione e freshair, e da una turbina a vapore a contropressione. 1

2 La turbina a gas, del tipo GE LM2500PRDLE presenta le seguenti caratteristiche: Il generatore di vapore a recupero (GVR), a un livello di pressione, produce vapore a 50 bar e a 450 C. La turbina a vapore presenta le seguenti caratteristiche: Potenza nominale: Rendimento isoentropico nominale: Condizioni all ammissione:, Condizioni allo scarico: Il vapore prodotto dal GVR viene inviato quasi interamente alla turbina a vapore e dopo l espansione in turbina viene immesso nella rete a bassa pressione a 3 bar dello stabilimento. Una parte del vapore ad alta pressione prodotto dal GVR viene inviata direttamente, previa laminazione, nella rete di media pressione a 15 bar. La rete di media pressione alimenta solo utenze di tipo industriale mentre la rete a bassa pressione alimenta utenze industriali e civili. Tutte le utenze restituiscono le condense in condizioni di liquido saturo alla pressione di 2 bar (l eventuale vapore di flash è ricircolato nel processo). Si suppone, per semplicità, che non vi siano perdite di fluido nelle utenze e, quindi, non siano necessari reintegri (in realtà le perdite, e quindi i reintegri, possono essere anche dell ordine del 1530% a seconda del processo). L energia elettrica prodotta dal turbogeneratore a gas, a 10,5 kv, è in parte destinata agli autoconsumi, in parte ceduta alla rete esterna (RTN). L energia elettrica destinata agli autoconsumi viene immessa nella sbarra MT a 6 kv dello stabilimento previa trasformazione MT/MT. L energia elettrica destinata alla rete esterna viene immessa nella sbarra AT a 150 kv previa trasformazione MT/AT. Lo stabilimento può essere alimentato dalla rete esterna a 150 kv ed è per questo presente un trasformatore AT/MT collegato alle sbarre AT a 150 kv e MT a 6 kv. L energia elettrica prodotta dal turbogeneratore a vapore, a 6 kv, è destinata interamente ai consumi interni ed è immessa direttamente nelle sbarre MT a 6 kv dello stabilimento. Le utenze a bassa tensione sono collegate alla rete BT a 400 V alimentata dalle sbarre MT mediante trasformatori MT/BT. Gli ausiliari sono alimentati sia in media tensione a 6 kv (sono quindi collegati a valle del trasformatore MT/MT), sia a bassa tensione a 400 V. La potenza complessivamente assorbita dagli ausiliari risulta pari al 3% della potenza complessiva lorda dell impianto. Il trasformatori presentano le seguenti perdite: Trasformatore MT/AT (interessato all energia immessa in rete): 1% Trasformatore MT/MT (interessato all energia autoconsumata): 0,6% Nello stabilimento vengono eseguite le seguenti misure fiscali (UTF): Energia elettrica prodotta dal turbogeneratore a gas; 2

3 Energia elettrica prodotta dal turbogeneratore a vapore; Energia elettrica immessa nella rete esterna (RTN) e importata da essa (misurate entrambe mediante un unico contatore bidirezionale); Gas combustibile complessivamente utilizzato nello stabilimento. I consumi di gas combustibile della turbina a gas e della postcombustione nel generatore di vapore a recupero sono misurati mediante contatori non fiscali. Condizioni per il riconoscimento della cogenerazione ai sensi della Delibera AEEG 42/02 Ai sensi della Delibera AEEG 42/02 il riconoscimento degli incentivi per la cogenerazione di nuova realizzazione è subordinato al soddisfacimento dei seguenti requisiti (impianto di nuova realizzazione ): essendo: Energia elettrica Ee L energia elettrica netta prodotta dalla sezione è data da: dove è l energia lorda prodotta dalla sezione (turbogas e turbina a vapore), è l energia consumata dagli ausiliari e rappresenta la somma delle perdite che si registrano nei trasformatori di tensione principali. Si ha inoltre: da cui Quest ultima relazione consente di determinare l energia autoconsumata previa valutazione dell energia elettrica assorbita dagli ausiliari e quella perduta nei trasformatori principali, essendo note dalle misure fiscali l energia elettrica prodotta lorda e quella immessa in rete. 3

4 L energia netta viene quindi determinata come segue: Energia totale lorda, : misure fiscali dell energia elettrica prodotta dai turbogeneratori a gas e a vapore; Energia immessa in rete, : misure fiscali del contatore bidirezionale; Energia assorbita dagli ausiliari, : percentuale dell energia elettrica lorda (3%); Perdite nei trasformatori AT/MT, : percentuale dell energia elettrica immessa in rete (1%); Perdite nei trasformatori MT/MT, : percentuale dell energia elettrica prodotta dalla turbina a gas destinata agli autoconsumi (0,6%). Si determinano di conseguenza l energia elettrica netta e l energia elettrica autoconsumata. Energia del combustibile Ec L energia del combustibile viene determinata a partire da misure dirette di consumo (misure di portata volumetrica del combustibile), integrate rispetto al tempo dal sistema DCS, e da misure periodiche di potere calorifico effettuate dal fornitore. Energia termica utile Et L energia termica utile viene determinata a partire da misure dirette del consumo di vapore (misure di portata volumetrica), integrate rispetto al tempo dal sistema DCS, note le entalpie a monte e a valle del processo. L entalpia del vapore di media pressione a 15 bar è uguale a quella del vapore ad alta pressione a 50 bar e a 450 C essendo la trasformazione di laminazione isoentalpica. L entalpia del vapore di bassa pressione a 3 bar è determinata dalle condizioni di fine espansione della turbina a contropressione, la quale, a sua volta, dipende dal rendimento della turbina. Più specificamente risulta: da cui, noti dalle misure e, noto dagli stati termodinamici il salto entalpico isoentropico del vapore, e fissati i valori di e, si determina il rendimento isoentropico e, quindi, l entalpia del vapore allo scarico della turbina. Si può ovviamente calcolare in maniera diretta il salto entalpico reale. È però in ogni caso opportuno valutare per verifica il valore del rendimento isoentropico. Combustibile a carattere cogenerativo e non In realtà, non tutto il vapore prodotto, e quindi il combustibile utilizzato, può essere considerato a carattere cogenerativo. Non è a carattere cogenerativo, infatti, la quota di vapore prodotto in aggiunta per effetto della postcombustione inviata direttamente al processo termico e, quindi, non interessata alla produzione di energia elettrica. Il consumo di combustibile a carattere cogenerativo viene pertanto calcolato sottraendo al combustibile complessivamente utilizzato nella CTE (turbina a gas + generatore di vapore a recupero) una parte del combustibile a carattere non cogenerativo utilizzato per la postcombustione nel generatore di vapore a 4

5 recupero calcolata proquota rispetto al vapore di media pressione inviato direttamente al processo (vapore a 15 bar). Tale quantità può essere determinata considerando che la quota non cogenerativa del vapore di media pressione può essere espressa mediante la relazione di proporzionalità: dove il vapore non cogenerativo ( ), frazione del vapore complessivamente prodotto attraverso la postcombustione nel GVR ( ), è proporzionale a quest ultimo attraverso il rapporto tra il vapore di media pressione inviato direttamente al processo termico ( ) e il vapore di alta pressione complessivamente prodotto ( ). D altra parte, la quota non cogenerativa del combustibile di postcombustione è proporzionale alla quota non cogenerativa del vapore prodotto attraverso la postcombustione, vale a dire: e pertanto da cui, noti, e è immediato il calcolo di. Vapore a carattere cogenerativo e non Analogamente al combustibile l energia termica utile dovrà essere valutata considerando il solo vapore utile ai fini cogenerativi, escludendo la quota prodotta attraverso la postcombustione nel generatore di vapore inviata direttamente al processo termico della cartiera. L energia termica a carattere non cogenerativo può essere espressa, analogamente al combustibile a carattere non cogenerativo, mediante la relazione di proporzionalità: Per quanto precedentemente esposto si ha anche: 5

6 In questa relazione sono noti i termini e ma non è noto il termine. Esso può essere però determinato a partire dal rendimento marginale della postcombustione: In quest ultima relazione è noto il termine marginale del generatore di vapore a recupero. Si può dimostrare che: ma deve essere opportunamente valutato il rendimento Ove durante la postcombustione si consideri costante la differenza minima di temperatura tra gas e acqua all interno del generatore di vapore a recupero (al pinchpoint) il rendimento marginale è costante ed è dato dalla relazione: Ove durante la postcombustione si consideri costante la temperatura dei gas all uscita del generatore di vapore (condizione estremamente conservativa che presuppone un sensibile aumento della differenza di temperatura al pinchpoint) il rendimento marginale è unitario. Si valuti l effetto del rendimento marginale della postcombustione nei due casi limite. 6

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