SAFAP 2012, Napoli giugno ISBN

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1 Centrale termoelettrica a biomasse di tipo legnoso realizzata con l assemblaggio di diverse attrezzature a pressione costruite secondo PED. Analisi delle misure di sicurezza, protezione e controllo adottate. Simulazione e analisi termodinamica. R. Iovene* - G. Salzano** * INAIL ex Ispesl Dipartimento di Napoli ** CO.MA.SA. S.a.s. 1. Sommario Nel territorio della provincia di Napoli è stata realizzata una piccola centrale termoelettrica a biomasse per iniziativa di un imprenditore privato. L Inail ex Ispesl ha eseguito le verifiche di messa in servizio dei vari componenti della centrale, dato che questa non era stata certificata come Insieme ai sensi della Direttiva PED. La fase di verifica è stata preceduta dall approvazione dell impianto di produzione vapore. Il coinvolgimento dell Inail ex Ispesl ha avuto come effetto finale, oltre all introduzione di alcuni accorgimenti impiantistici volti a migliorare la sicurezza dell impianto, anche la simulazione e l analisi termodinamica della centrale termoelettrica. 2. Generalità Si definisce biomassa qualsiasi sostanza di matrice organica, vegetale o animale, che non abbia subito una fossilizzazione e sia destinata a fini energetici. Le biomasse rientrano nelle fonti rinnovabili in quanto la CO 2 emessa per la produzione di energia è la medesima che le piante hanno assorbito per svilupparsi e che alla morte di esse tornerebbe nell atmosfera. I processi utilizzati per produrre energia dalla biomassa attualmente sono riconducibili a due categorie: processi termochimici e processi biochimici. Il tipo di biomassa utilizzato dalla centrale termoelettrica in oggetto è di tipo legnoso. Viene utilizzato il processo termochimico di combustione diretta del legno per la produzione di energia elettrica. Il costo di tali biomasse è piuttosto basso ed è proprio per questa ragione che la produzione di energia elettrica dal legno risulta molto conveniente dal punto di vista economico. 3. Descrizione dell impianto La centrale termica, realizzata per la produzione di energia elettrica, è costituita da (v. fig. 1): un forno; un generatore per la produzione di vapore surriscaldato; un degasatore; un collettore di alta pressione; un collettore di bassa pressione; 1

2 un separatore di condensa; un gruppo turbo generatore. 3.1 Forno Il forno, del tipo a griglia mobile, separato fisicamente dal generatore di vapore, costituisce la camera di combustione ove avviene il processo di combustione della biomassa legnosa costituita da scarti di legno. Il combustibile viene immesso sulla griglia tramite uno spintore idraulico. Lungo il percorso longitudinale della griglia, le biomasse subiscono dapprima un processo di essiccamento, nella zona prossima all alimentazione, che provoca essenzialmente l evaporazione dell umidità; successivamente, nella parte centrale della griglia, il materiale essiccato partecipa attivamente al processo di combustione. L aria necessaria alla combustione, preventivamente riscaldata alla temperatura di circa 110 C nel preriscaldatore d aria posto all uscita dei fumi del generatore di vapore, viene iniettata sia sotto la griglia ( aria primaria ) sia nella parte alta della camera di combustione ( aria secondaria ). La regolazione della temperatura avviene a mezzo di un sistema E.G.R. (Exaust Gas Recirculation): una aliquota dei prodotti della combustione, destinati ad essere immessi in atmosfera ad una temperatura di circa 110 C, viene inviata alla camera di combustione del forno. In tal modo il valore della temperatura dei prodotti di combustione viene mantenuto intorno a 1000 C. Un ventilatore posto alla base del camino del generatore di vapore aspira i prodotti della combustione dalla camera di combustione del forno e li invia alla camera radiante del generatore Dispositivi di sicurezza a corredo del forno Il forno è dotato di due deprimometri che interagiscono con gli accessori di sicurezza posti a corredo del corpo principale del generatore. La funzione dei deprimometri è quella di garantire la certezza che i prodotti della combustione, che lambiscono le superfici scambianti calore delle attrezzature destinate alla produzione di vapore o di riscaldamento (camera radiante del generatore, elementi di scambio dei surriscaldatori, degli economizzatori e del preriscaldatore dell aria), siano sempre in depressione (valore preimpostato -10 pascal). Qualora il valore di depressione preimpostato dovesse, per qualsiasi motivo, diminuire, un relais arresta: il ventilatore di aspirazione prodotti della combustione posto alla base del camino; l ingresso dell aria comburente al forno; l alimentazione del combustibile alla griglia del forno; apre la valvola by-pass dei fumi di emergenza consentendo ai prodotti della combustione presenti nel forno di essere espulsi direttamente in atmosfera. In tal caso il generatore è in sicurezza in quanto privo di sorgente di calore Generatore di vapore Il generatore di vapore a recupero, a tubi d acqua, presenta le seguenti caratteristiche: Pressione massima di esercizio 60 bar Superficie riscaldata totale 1649 m2 2

3 Producibilità 12 t/h Volume totale L Volume a livello L. Il generatore di vapore è costituito da: un corpo principale destinato all accumulo del vapore saturo; due surriscaldatori collegati direttamente con il corpo principale e tra di loro senza interposizioni di organi di intercettazione; tre economizzatori collegati direttamente con il corpo principale e tra di loro senza interposizioni di organi di intercettazione; un preriscaldatore d aria. I prodotti della combustione provenienti dal forno con un temperatura di circa 1000 C attraversano la camera radiante e cedono parte del loro calore per la produzione di vapore saturo. Il vapore saturo, i cui parametri di esercizio sono p= 50 bar e t= 265,2 C, viene immagazzinato nel corpo cilindrico e di qui inviato ai due surriscaldatori SH1 e SH2 dove subisce un incremento della temperatura ed un decremento della pressione in uscita dal surriscaldatore SH2 sino al valore di 48 bar per effetto delle perdite di carico nell attraversamento dei fasci tubieri. In particolare, nel primo surriscaldatore SH1 la temperatura viene elevata ad un valore di circa 340 C. Il vapore in uscita dal surriscaldatore SH1 prima di essere immesso nel secondo surriscaldatore SH2 viene attemperato mediante iniezione di acqua con temperatura a 110 C al fine di controllare la temperatura finale del vapore surriscaldato in uscita dal surriscaldatore( 430 C ). Il vapore surriscaldato con pressione di 48 bar e temperatura di 430 C viene inviato al collettore di alta pressione, i cui parametri progettuali sono PS=55 bar e TS=450 C. I parametri progettuali dei surriscaldatori sono i seguenti: Surriscaldatore SH1 PS= 60 bar TS = +20/378 C Surriscaldatore SH2 PS= 60 bar TS = +20/450 C Alfine di ottimizzare il rendimento del sistema, i prodotti della combustione attraversano n. 3 economizzatori, ove la temperatura dell acqua di alimento prima di essere inviata al corpo cilindrico viene elevata a circa 250 C, ed un preriscaldatore ove l aria destinata al processo di combustione nel forno viene riscaldata ad una temperatura di circa 110 C. I parametri progettuali degli economizzatori sono PS= 65 bar e TS = +20/282 C Dispositivi di controllo, regolazione e sicurezza a corredo del generatore di vapore Sul corpo cilindrico del generatore di vapore sono posizionati: un manometro, tipo Bourdon, fondo scala 100 bar; due indicatori di livello tipo Klinger con indicazione del livello minimo; due pressostati di esercizio; un pressostato di sicurezza del tipo a riamo manuale; due livellostati di sicurezza a riarmo manuale di cui uno svolge la funzione di controllo di basso e alto livello e l altro di bassissimo ed altissimo livello; due valvole di sicurezza, di cui una tarata a 59 bar, con capacità di scarico 9754,98 kg/h > 7800 kg/h - pari al 65% della potenzialità max del generatore - installata sul corpo cilindrico 1, l altra tarata a 55 bar e con capacità di scarico 4723,70 kg/h 3

4 maggiore di 4200 kg/h - pari al 35% della potenzialità max del generatore - installata sull uscita del surriscaldatore HS2 2. L intervento di uno dei dispositivi di protezione sopracitati, salvo le valvole di sicurezza, avviene con le stesse modalità viste in precedenza per i deprimometri. 4. Impianto di alimentazione acqua L acqua destinata all alimentazione del generatore di vapore deriva al 90% dal condensatore della turbina e per la parte restante da acqua prelevata da pozzo previo trattamento a mezzo di un impianto composto da: un filtro defferizzatore; un filtro a carboni attivi (decloratore); un addolcitore duplex; un impianto ad osmosi inversa; un impianto a letto misto; due contenitori di accumulo acqua trattata, in comunicazione con l atmosfera, aventi cadauno una capacità di 9800 L. La produzione oraria di acqua trattata è di 4000 l/h. Inoltre, l acqua trattata e le condense vengono preriscaldate a circa 90 C in una batteria di economizzatori posti a valle delle griglie del forno e del filtro prima di essere immesse nel degasatore ove subiscono un ulteriore incremento di temperatura a circa 110 C. L alimentazione del generatore avviene a mezzo n. 2 elettropompe, una di riserva all altra, portata 14 m 3 /h prevalenza 681 m.c.a. Dette pompe sono alimentate da energia elettrica con tre circuiti separati, in particolare: circuito ENEL, gruppo turbo generatore e gruppo elettrogeno. La commutazione tra i tre circuiti è automatica. Le pompe aspirano l acqua a 110 C dal degasatore e la inviano a n. 3 economizzatori dove raggiunge una temperatura di 250 C prima di essere inviata al corpo cilindrico. Gli economizzatori sono direttamente collegati al corpo cilindrico senza interposizione di organi di intercettazione e pertanto non necessitano dell applicazione della valvola di sicurezza 3. Prima di essere immessa nel corpo cilindrico l acqua attraversa un regolatore automatico di portata. Il dislivello tra pompe e punto di ingresso dell acqua di alimento è di 12 mt. 5. Analisi termodinamica e simulazione 5.1 Rilevamento dati sperimentali La difficoltà della rilevazione dei dati sperimentali in un impianto di questo tipo sta nel fatto che il legno bruciato non è sempre dello stesso tipo. Tra le vari rilevazioni, sono stati considerati i dati sperimentali che presentano la maggiore potenza elettrica generata; è stata considerata una biomassa composta da: 45% di acqua 35% di carbonio 16.5% di ossigeno 3% di idrogeno 0.5% di azoto e con p.c.i. = 14,5 MJ/kg. 4

5 5.2 Rendimento di combustione ƞ b = Q / Qc = 9162,4 kw / 10068,6 kw = 0,91 (1) con Q = Q generatore di vapore ( kw) + Q scambiatore (676.6 kw) + Q griglia (206.3 kw) e Qc = p.c.i. (4,03 kwh / kg) x consumo orario biomasse (2500 kg / h) 5.3 Rendimento reale ƞ r = Qr / Q = 3130,4 kw / 9162,4 kw = 0,34 (2) 5.4 Rendimento meccanico ƞ m = Qua / Qr = 2519,15 kw / 3130,4 kw = 0,805 (3) 5.5 Rendimento globale ƞ g = 0,91 x 0,34 x 0,805 = 0,25 (4) Tale valore è alto per un impianto di questa taglia; infatti se lo paragonassimo ad un impianto che utilizza lo stesso tipo di combustibile ma con potenza nominale 10 MW 4, noteremmo una differenza di rendimento di soli due punti percentuali. 5.6 Rendimento elettrico La potenza meccanica verrà dapprima trasformata dall alternatore in potenza elettrica in BT e poi verrà convertita in MT dal trasformatore: ƞ p,e = 0,94 x 0,98 = 0,921 (5) ƞ el = 0,25 x 0,921 = 0,23 (6) 5.7 Simulazione Termodinamica Utilizzando i dati sperimentali mostrati in precedenza è stato possibile effettuare una simulazione termodinamica grazie alla quale si è potuto verificare che la composizione assunta per la biomassa ed il suo potere calorifico inferiore realizzano le stesse condizioni operative dei dati sperimentali. 6. Confronto risultati Dati sperimentali Dati simulazione Rendimento di combustione (η b ) 0,903 0,905 Rendimento termodinamico (η ter ) 0,340 0,342 Rendimento meccanico (η m )

6 Rendimento globale (η g ) Rendimento elettrico (η el ) Temperatura fumi uscita C.C Temperatura Camino 933 C 933 C 110 C C Tabella 1 Confronto dei dati sperimentali con quelli della simulazione La quasi perfetta coincidenza delle temperature dei gas combusti ottenute dalla simulazione con quelle dei dati sperimentali, dimostra che la composizione della biomassa e il suo potere calorifico inferiore considerati sono più che accettabili. 7. Considerazioni sul recupero termico Impianto CO.MA.SA Impianto senza preriscaldatore e senza raffreddamento della griglia c.c. Rendimento di combustione 91 % 82,2 % (η b ) Rendimento elettrico (η el ) 23% 21.2% Temperatura Camino 110 C 176,4 C Potenza alternatore (P al ) 2688 kw 2475,4 kw Tabella 2 Confronto con un impianto tecnologicamente meno evoluto 8. Conclusioni E stato possibile ottenere un rendimento elettrico del 23% grazie ad un forte recupero termico ottenuto con la presenza del preriscaldatore d acqua, raffreddando la griglia della camera di combustione con l acqua di alimento ed utilizzando acqua di falda per la condensazione. 6

7 Fig.1 Schema della centrale termoelettrica a a biomasse 9. Bibliografia 1 Raccolta E Specificazioni tecniche applicative del D.M. 21 maggio punto del Capo E.2.E. 2 Raccolta E Specificazioni tecniche applicative del D.M. 21 maggio 1974 punto del Capo E.2.E. 3 Raccolta E Specificazioni tecniche applicative del D.M. 21 maggio 1974 punto 5.3. del Capo E.2.E. 4 Consulenza tecnica Prof. Ing. Fabio Bozza, Prof. Ing. Renato della Volpe, Prof. Ing. Mariano Migliaccio I Università di Napoli. 7