POLITECNICO DI MILANO DIPARTIMENTO DI ENERGIA

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1 POLITECNICO DI MILANO DIPARTIMENTO DI ENERGIA LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA MECCANICA A.A CORSO DI SISTEMI ENERGETICI LM proff. Paolo CHIESA, Stefano CONSONNI e Emanuele MARTELLI Prova scritta del Allegare alle soluzioni il presente testo indicando (in STAMPATELLO): NOME E COGNOME... Tempo a disposizione: 2 h 1) Indicare chiaramente nome e cognome su tutti i fogli che si intendono consegnare. 2) Il punteggio si riferisce ad esercizi svolti in modo completo con risultati numerici esatti. Risultati numerici corretti ma non accompagnati dalle relative spiegazioni non saranno presi in considerazione. 3) Rispondere brevemente ma con chiarezza solamente ai quesiti posti. Calcoli e spiegazioni - pur corretti in sé - che non rispondono ai quesiti posti non saranno considerati ai fini della valutazione. 4) Parlare con i colleghi e/o copiare prevede l immediato annullamento del compito. 5) La votazione dell'esame è la somma dei voti riportati nei singoli esercizi e di un bonus (punti 3) assegnato in considerazione del grado di completamento di almeno uno degli esercizi, della comprensibilità della calligrafia, dell'ordine del testo della risoluzione, del livello delle spiegazioni a corredo. Il punteggio minimo per l'ammissione all'orale è 16/30. Problema 1 (15 punti) Si consideri il ciclo combinato cogenerativo rappresentato in Figura 1. Noti i seguenti parametri progettuali: turbina a gas: potenza elettrica = 130 MW rendimento elettrico = 35% portata di gas allo scarico = 420 kg/s temperatura dei gas allo scarico = 515 C le condizioni del vapore all'ingresso della turbina (punto A) sono: temperatura = 480 C pressione = 65 bar portata massica = 43 kg/s livello di evaporazione di bassa pressione: pressione di evaporazione = 7 bar ΔT di pinch point = 10 C ΔT di sottoraffreddamento = 5 C temperatura vapore surriscaldato (punto B) = 230 C ritorno del condensato: temperatura = 110 C pressione = 3 bar perdite termiche della caldaia a recupero = 0.5% Sistemi Energetici LM - Appello del 01 Marzo 2013 pag. 1 di 3

2 POLITECNICO DI MILANO DIPARTIMENTO DI ENERGIA rendimento isoentropico della turbina a vapore = 88% il rendimento meccanico-elettrico della turbina a vapore = 95% il rendimento idraulico delle pompe = 82% il rendimento meccanico-elettrico della pompa = 91%, Nell'ipotedi di trascurare tutte le perdite di carico sul circuito acqua di alimento / vapore si chiede di: 1) calcolare la potenza elettrica della turbina a vapore; 2) calcolare la potenza termica fornita all'utenza; 3) calcolare rendimento elettrico e termico del ciclo combinato e l'indice di Risparmio Energetico (IRE) rispetto ai seguenti rendimenti di produzione separata: η EL,S = 53%, η TH,S = 90%; 4) calcolare la temperatura dei fumi al camino; 5) calcolare il ΔT di pinch point del livello di alta pressione noto che il relativo ΔT di sottoraffreddamento è pari a 5 C. Dati per la risoluzione del quesito: calore specifico (c P ) dei fumi = 1.09 kj/kg liquido vapore T, C p, bar h, kj/kg s, kj/kg-k v, m 3 /kg h, kj/kg s, kj/kg-k v, m 3 /kg aria combustibile ~ A ~ B UTENZA TERMICA Figura 1 Sistemi Energetici LM - Appello del 01 Marzo 2013 pag. 2 di 3

3 POLITECNICO DI MILANO DIPARTIMENTO DI ENERGIA Problema 2 (15 punti) Una caldaia di un ciclo a vapore è alimentata con carbone avente le seguenti caratteristiche: Massa atomica, Composizione in massa: kg/kmol C 62.7% 12 H 5.5% 1 O 8.4% 16 N 1% 14 S 2.4% 32 Ceneri 8% Umidità 12% Potere calorifico inferiore, MJ/kg 25.2 Per semplicità si può assumere che tutto lo zolfo nel combustibile venga ossidato a SO 2. La centrale è dotata di un sistema di trattamento dei fumi che a valle della caldaia rimuove, tra gli altri, buona parte degli ossidi di zolfo presenti nei fumi. Noto che: La potenza elettrica del ciclo è pari a 680 MW Il rendimento netto è pari al 39% L'emissione autorizzata di SO 2 (al camino) è pari a 120 mg/nm 3, dove tale valore è riferito a fumi secchi al 6% di O 2. Si calcoli quanto segue. 1. La portata di SO 2 presente nei fumi grezzi (espressa in g/s) a monte del trattamento fumi 2. L emissione di CO 2 specifica al MWh di energia elettrica prodotta 3. La percentuale di SO 2 da abbattere nell'impianto di desolforazione (FGD) per raggiungere il livello di emissione autorizzata 4. L'emissione di SO 2 specifica al MWh di energia elettrica prodotta Inoltre: 5. Come cambierebbero presumibilmente le risposte ai punti 2 e 4 (emissioni specifiche) nel caso in cui l eccesso d aria per la combustione fosse aumentato dal valore di progetto del 30% fino al 120%? Trattasi di una variazione auspicabile? Spiegare Dati per la risoluzione del quesito: frazione molare di O 2 nell'aria secca = 21% Sistemi Energetici LM - Appello del 01 Marzo 2013 pag. 3 di 3

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