UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA. 2. Sistemi motori gas/vapore. Roberto Lensi

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1 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA FACOLTÀ DI INGEGNERIA 2. Sistemi motori gas/vapore Roberto Lensi DIPARTIMENTO DI ENERGETICA Anno Accademico

2 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 2 MOTORI DINAMICI A GAS Sistemi motori a combustione esterna o interna Ciclo termodinamico ideale Joule (Brayton) Ciclo termodinamico ideale Holzwarth Schema d impianto in circuito chiuso Schema d impianto in circuito chiuso Schema d impianto in circuito aperto Schema d impianto in circuito aperto

3 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 3 Ciclo Joule (Brayton) nel piano entropico e nel piano entalpico rappresentazione grafica del calore (Q) e del lavoro all albero (L) scambiato Rendimento ideale del ciclo Joule (Brayton) in funzione del rapporto di compressione Rendimento limite del ciclo Joule (Brayton) per diversi valori di k Ciclo Joule (Brayton) ideale o limite, per rapporti di compressione crescenti, a T 1 e T 3 costanti Ciclo Joule (Brayton) ideale o limite ( ) e reale in assenza di cadute di pressione (1 2' 3 4')

4 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 4 Proprietà dell aria

5 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 5

6 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 6 Prestazioni energetiche Rendimento ideale in funzione del rapporto di compressione Lavoro massico utile in funzione del rapporto di compressione, per tre valori della temperatura massima T 3 [T 1 = 288 K; k =1,4; c p = 1,0 kj/(kg K)]

7 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 7 Rendimento e lavoro massico utile nel caso di ciclo reale per tre valori della temperatura massima [T 1 = 288 K; k =1,4; c p = 1,0 kj/(kg K)] Rendimento e lavoro massico utile nel caso di ciclo reale per tre coppie di valori dei rendimenti di compressore e turbina [T 1 = 288 K; k =1,4; c p = 1,0 kj/(kg K)]

8 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 8 Rendimento in funzione del rapporto di compressione, per due valori di T 3 con rigenerazione ideale [T 1 = 288 K; k =1,4; c p = 1,0 kj/(kg K)] Andamento di (T 4 -T 2 ) all aumentare del rapporto di compressione, per valori costanti di T 1 e T 3

9 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 9 Rigenerazione nel caso di ciclo reale (con cadute di pressione trascurabili) Rendimento reale in presenza di rigenerazione (tre valori dell efficienza di rigenerazione R) e senza rigenerazione (R = 0), per due valori della temperatura massima T 3 [T 1 = 288 K; k =1,4; c p = 1,0 kj/(kg K)]

10 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 10 Turbogas

11 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 11

12 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 12 Turbogas di derivazione aeronautica LM 6000 per applicazioni industriali (General Electric) Compressore di bassa pressione (5 stadi) seguito dal corpo di alta pressione (14 stadi), camera di combustione anulare, turbina a gas di alta pressione (2 stadi) che aziona il compressore di alta pressione, turbina a gas di bassa pressione (5 stadi) che aziona il compressore di bassa pressione e l utilizzatore (non rappresentato in figura)

13 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 13 Processi di compressione Processo di compressione: a) regione di controllo; b) diagramma di Grassmann Trasformazioni di compressione: a) per T 1 >T 0 nel piano (T-s); b) per T 1 =T 0 nel piano (ε ph -h) Compressioni in due stadi con refrigerazione intermedia per T 1 =T 0 nel piano (ε ph -h) Compressori adiabatici: relazione tra rendimento exergetico e rendimento isoentropico

14 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 14 IMPIANTI CON TURBINE A VAPORE Diagramma di Sankey (bilancio di energia)

15 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 15 Diagramma di Grassmann (bilancio di exergia)

16 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 16 Ciclo Hirn con risurriscaldamento del vapore Schema di impianto motore a vapore con un risurriscaldamento A 1 C S S' A 2 T AP T BP U A 3 K Pe Z Pa Legenda Regione: generatore di vapore Caldaia (Generatore di vapore) Surriscaldatore del vapore (SH) Risurriscaldatore del vapore (RH) Regione: sala macchine Turbina a vapore di Alta Pressione Turbina a vapore di Bassa Pressione Utilizzatore energia meccanica (alternatore) Regione: condensatore e pompe Condensatore del vapore Pompa di estrazione del condensato Serbatoio acqua (fittiziamente aperto) Pompa alimentazione acqua in caldaia Ciclo Hirn con un risurriscaldamento (RH) Ciclo Hirn con un risurriscaldamento Ciclo Hirn scomposto in cicli parziali

17 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 17 Spillamenti di vapore Rigenerazione mediante spillamenti di vapore Scambio di calore rigenerativo Prelievo isobaro di vapore Schema d impianto e ciclo Hirn nel piano di Mollier, per un unico gradino di rigenerazione

18 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 18 Incremento di rendimento per rigenerazione continua e per un unico gradino di rigenerazione, in funzione del grado di rigenerazione Ciclo Hirn nel piano entropico, per un unico gradino di rigenerazione Ciclo Hirn nel piano di Mollier, per due gradini di rigenerazione Schema d impianto con due gradini di rigenerazione Grado di rigenerazione: R= ( h h )/( h h ) x Incremento di rendimento per rigenerazione continua e per uno, due, tre e quattro gradini di rigenerazione, in funzione del grado di rigenerazione

19 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 19 Incremento percentuale di rendimento in funzione del calore fornito all acqua di alimento mediante rigenerazione Schema d impianto motore a vapore con risurriscaldamento del vapore e 6 spillamenti rigenerativi Schema d impianto motore a vapore con 4 scambiatori rigenerativi a superficie, due di alta pressione (R 1 e R 2 ) e due di bassa pressione (R 4 e R 5 ) ed uno a miscelazione (R 3 ) a pressione intermedia con funzione di degasatore e di serbatoio di accumulo

20 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 20 Gruppi a vapore unificati Enel (sottocritici e sovracritici) Determinazione della pressione massima ottimale per un ciclo Rankine Determinazione della pressione massima ottimale per un ciclo Hirn

21 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 21 Irreversibilità di combustione Combustione adiabatica Irreversibilità di combustione adiabatica Riduzione delle irreversibilità mediante preriscaldamento dei reagenti Irreversibilità di combustione non adiabatica

22 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 22 Generatori di vapore Analisi energetica ed exergetica di un generatore di vapore: schema (a) e diagramma entropico (b) Generatore di vapore a combustibile solido: le varie sottoregioni (a) e il diagramma di Grassmann (b)

23 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 23 Motrici dinamiche (turbine) Processo di espansione (a) control region; (b) diagramma di Grassmann; (c) caso adiabatico, ideale e reale Espansione adiabatica 1-2' caso ideale; 1-2 caso reale Processi di espansione adiabatica rendimento exergetico e rendimento isoentropico

24 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 24 Turbina a vapore da 700 MW (in primo piano si ha il corpo di alta pressione seguito da quello di media pressione a doppio flusso che precede i due corpi di bassa pressione tra loro in parallelo ed entrambi a doppio flusso)

25 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 25 DISTRIBUZIONE DELLE IRREVERSIBILITÀ Sistemi motori con turbine a gas Distribuzione delle irreversibilità in un turbomotore a gas a combustione esterna

26 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 26 Sistemi motori con turbine a vapore Distribuzione delle irreversibilità in un gruppo motore a vapore

27 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 27 SISTEMI COMBINATI GAS/VAPORE Diagramma entropico qualitativo per un sistema combinato gas/vapore Diagramma di Sankey per un sistema combinato gas/vapore tipico

28 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 28 Caldaie a recupero di calore (HRSG) Sistema combinato gas/vapore: ciclo sovrapposto a gas e ciclo sottoposto a vapore; diagramma delle temperature dei gas di scarico e del sistema acqua-vapore in un generatore di vapore a recupero di calore (HRSG) Generatore di vapore a recupero di calore HRSG (Heat Recovery Steam Generator)

29 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 29 Schema di caldaia a recupero di calore Caldaia a recupero con bruciatori ausiliari 1 ingresso gas combusti provenienti dalla turbina; 2 camera di collegamento; 3 bruciatori metano; 4 alloggiamento per eventuali bruciatori gasolio; 5 schermo di tubi; 6 tubi ad U del surriscaldatore; 7 collettore acqua; 8 fascio di tubi evaporatori; 9 tubi ad U dell economizzatore; 10 camino principale; 11 collettore cilindrico acqua-vapore; 12 uscita dall economizzatore; 13 uscita dal surriscaldatore; 14 muri d acqua; 15 camino di by-pass; 16 serrande principali di deviazione gas combusti

30 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 30 Schemi d impianto Rappresentazioni schematiche di impianti combinati gas/vapore a) senza ricombustione (unfired); b) con ricombustione (fired) mediante una seconda camera di combustione (B 2 ); c) con ricombustione (fired) mediante HRSG con bruciatori ausiliari

31 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 31 Prestazioni

32 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 32 Soluzioni impiantistiche Rappresentazione schematica semplificata di un sistema combinato gas/vapore con HRSG ad un livello di pressione e con spillamenti rigenerativi 1 compressore; 2 camera di combustione; 3 turbina a gas; 4 alternatore; 5 turbina a vapore; 6 condensatore; 7 pompa di estrazione; 8 rigeneratore; 9 degasatore; 10 pompa di alimento; 11 caldaia a recupero; 12 economizzatore; 13 evaporatore; 14 collettore cilindrico; 15 pompa di circolazione; 16 surriscaldatore Caldaia a recupero a solo scambio convettivo ad un livello di pressione a) rappresentazione schematica; b) andamento delle temperature

33 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 33 Rappresentazione schematica semplificata di un sistema combinato gas/vapore con HRSG ad un livello di pressione e senza spillamenti rigenerativi 1 compressore; 2 camera di combustione; 3 turbina a gas; 4 alternatore; 5 turbina a vapore; 6 condensatore; 7 pompa di estrazione; 8 pompa economizzatore bassa pressione; 9 degasatore; 10 pompa di alimento; 11 caldaia a recupero; 12 economizzatore; 13 evaporatore; 14 collettore cilindrico; 15 pompa di circolazione; 16 surriscaldatore; 17 economizzatore bassa pressione; 18 separatore di vapore Caldaia a recupero a solo scambio convettivo a due livelli di pressione a) rappresentazione schematica; b) andamento delle temperature

34 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 34 Rappresentazione schematica semplificata di un sistema combinato gas/vapore con HRSG a due livelli di pressione e senza spillamenti rigenerativi 1 compressore; 2 camera di combustione; 3 turbina a gas; 4 alternatore; 5 turbina a vapore; 6 condensatore; 7 pompa di estrazione; 8 pompa di alimento circuito di bassa pressione; 9 degasatore; 10 pompa evaporatore per il degasatore; 11 caldaia a recupero; 12 economizzatore alta pressione; 13 evaporatore alta pressione; 14 collettore cilindrico di alta pressione; 15 pompa di circolazione circuito di bassa pressione; 16 surriscaldatore alta pressione; 17 collettore cilindrico di bassa pressione; 18 economizzatore di bassa pressione; 19 evaporatore di bassa pressione; 20 pompa di alimento circuito di alta pressione; 21 evaporatore per il degasatore; 22 preriscaldatore acqua; 23 pompa di circolazione circuito alta pressione

35 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 35 Ripotenziamento di centrali termoelettriche a vapore (Repowering) Feedwater Repowering: ripotenziamento con preriscaldamento dell acqua di alimento 1 generatore di vapore; 2 corpo di alta pressione della turbina a vapore; 3 corpo di media pressione a doppio flusso; 4 corpo di bassa pressione a doppio flusso; 5 alternatore; 6 condensatore; 7 pompa di estrazione; 8 rigeneratori di bassa pressione; 9 degasatore; 10 pompa di alimento; 11 rigeneratori di alta pressione; 12 alternatore; 13 gruppo turbogas; 14 caldaia a recupero GRUPPO A VAPORE Potenza netta (MW) Rendimento netto 0,380 0,385 0,398 0,403 GRUPPO A GAS Potenza netta (MW) 26 37, Rendimento netto 0,285 0,314 0,327 0,327 GRUPPO COMBINATO Potenza netta (MW) Incremento della potenza (%) 16,6 16,4 18,8 18,2 Rendimento netto 0,386 0,393 0,406 0,411 Incremento del rendimento (%) 1,58 2,01 2,01 1,98 Esempi di Feedwater Repowering (Turbogas Nuovo Pignone)

36 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 36 Heat Recovery Repowering: ripotenziamento con recupero dei gas di scarico del turbogas con HRSG 1 generatore di vapore; 2 turbina a vapore; 3 alternatore; 4 condensatore; 5 pompa di estrazione; 6 rigeneratore di bassa pressione; 7 degasatore; 8 pompa di alimento; 9 rigeneratore di alta pressione; 10 alternatore; 11 gruppo turbogas; 12 caldaia a recupero (HRSG) Boiler Repowering: ripotenziamento con postcombustione nel generatore di vapore (boiler) 1 ingresso combustibile; 2 generatore di vapore; 3 alla turbina a vapore; 4 economizzatore; 5 camino; 6 ventilatore; 7 preriscaldatore d aria; 8 gruppo turbogas; 9 camino di by-pass

37 Roberto Lensi 2. Sistemi motori gas/vapore Pag. 37 INDICE Frontespizio...1 Motori dinamici a gas...2 Sistemi motori a combustione esterna o interna...2 Proprietà dell aria...4 Prestazioni energetiche...6 Turbogas...10 Processi di compressione...13 impianti con turbine a vapore...14 Diagramma di Sankey (bilancio di energia)...14 Diagramma di Grassmann (bilancio di exergia)...15 Ciclo Hirn con risurriscaldamento del vapore...16 Spillamenti di vapore...17 Irreversibilità di combustione...21 Generatori di vapore...22 Motrici dinamiche (turbine)...23 Distribuzione delle irreversibilità...25 Sistemi motori con turbine a gas...25 Sistemi motori con turbine a vapore...26 Sistemi combinati gas/vapore...27 Caldaie a recupero di calore (HRSG)...28 Schemi d impianto...30 Prestazioni...31 Soluzioni impiantistiche...32 Ripotenziamento di centrali termoelettriche a vapore (Repowering)...35 Indice...37