Termotecnica Pompe di Industriale

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1 Termotecnica Pompe di Industriale Calore

2 TURBINE A VAPORE PER APPLICAZIONI DI PICCOLA POTENZA NME SRL 1

3 I cicli ideali Rankine ed Hirn Ciclo ideale Rankine e Hirn a vapore Si consideri la Figura 1 e la curva in un diagramma T S, Temperatura Entropia Fig. 1 calore di scarto Ciclo diretti a vapore su diagramma entropia-temperatura: la linea continua è riferita ai cicli Hirn, mentre la variante tratteggiata appartiene ad un ciclo Rankine. 2

4 Metodi per aumentare il rendimento del ciclo Rankine - Condensare a bassa pressione - Aumento della entalpia di entrata Si ottiene con l aumento della pressione e della temperatura di entrata turbina. Nel caso di impianti di piccola potenza le pressioni di entrata del vapore oscillano tra 25 e 45 bar e le temperature tra 300 C ed i 420 C. Figura 2: Variazione del ciclo Rankine al diminuire della pressione di condensazione 3

5 Un doppio beneficio si ottiene con un risurriscaldamento del vapore. Fig. 3 Risurriscaldamento nel ciclo Hirn Esso consiste in una fornitura di calore all uscita dal primo stadio di espansione. Il doppio beneficio consiste nella possibilità di diminuire la pressione di condensazione e di un aumento dell area di lavoro utile (risulta un aumento di rendimento del ciclo). 4

6 Fig 4 Turbine monostadio assiali con girante a sbalzo e riduttore incorporato (tipo KKK). Hanno un solo punto di tenuta d albero vapore (ad anelli carbone o labirinti) in luogo di due. Esecuzione compatta in quanto il riduttore è integrato. Si riducono spazi di ingombro e costi di installazione. Si possono avere avviamenti rapidi in quanto la cassa vapore può dilatare liberamente. Vista di una AFA-Turbina 5

7 Esiste una versione ad azione centripeta (Koehler bauart progetto originario degli anni 50), una sorta di Curtis centripeta. Fig. 5 Curtis centripeta 6

8 Macchina ad alto rendimento è una turbina nata a contropressione, avendo limiti di smaltimento di elevate portate volumetriche. Fig.6 CFR- anello ugelli Fig.7 CFR-rotore Viene utilizzata come stadio di testa in modelli bistadio (twin). 7

9 Nelle turbine bistadio twin si combinano diverse giranti AP il cui scarico viene immesso in una seconda girante a grande diametro nel caso si vada in condensazione (60 cm fino 1 mt). Si ha un riduttore comune con due pignoni, con tecnologia utilizzata da decenni nei compressori multivoluta di processo. Elevata efficienza in sistemi combinati di generazione di potenza e calore Basso prezzo unitario ( /kw). Vapore vivo Turbina alta pressione Fig 8 Facilità di manutenzione Spillamento regolato in pressione Spillamento Controllato Costruzione estremamente compatta (costi di fondazione molto ridotti) Turbina bassa pressione Ideale per recupero energetico da cascami di calore Al condensatore,o contro-pressione 8

10 Fig. 8 b Serie TWIN 9

11 Va sottolineato che la turbina a vapore non è standardizzata come un motore a combustione interna, con modelli a salti costruttivi discreti. La turbina a vapore, in funzione del campo di potenza e di entalpie dei singoli costruttori, coprono una fascia in funzione delle portate volumetriche smaltite, pressioni e temperature di entrata ed uscita, potenze. I costruttori, volta per volta giocano con un numero ed una sezione di ugelli disponibili, una serie di flangie di entrata e scarico disponibili, diametri di giranti ed altezze di palette disponibili, velocità disponibili in funzione dei fattori di riduzione dei riduttori di giri. Le combinazioni a questo punto sono davvero numerosissime e la turbina rappresenta, anche se con componenti standardizzati, un abito su misura. Nelle taglie di piccola potenza da 0,2 a 1 MWe, si parla solo di turbine ad azione, monostadio (solo con bassi salti entalpici o contropressione) o bistadio. 10

12 L ambito di fornitura di un turbogruppo a vapore è: Turbina a vapore con valvola di entrata servocomandata e valvola di chiusura rapida integrata. Circuito d olio completo Regolazione turbina con regolatore elettronico velocità e pressione. Monitor con dati di funzionamento ed indicazione blocchi ed allarmi. Si suggerisce un blocco per bassa temperatura surriscaldato. Le protezioni dell alternatore agiscono sul blocco turbina. Riduttore tra turbina ed alternatore, integrato. Alternatore sincrono trifase, a bassa tensione per queste potenze 400/231 V, 50 Hz (se non esistono altre indicazioni si usa BT fino a KVA). In caso di apertura dell interruttore di rete il turbogruppo, con alternatore sincrono e un carico elettrico sufficiente, è in grado di funzionare in isola, mantenendo in sicurezza la centrale e soprattutto il forno della biomassa, evitando situazioni di 11 pericolo.

13 Regolazione di un impianto turbina, contropressione, condensazione, spillamento condensazione. Turbina a contropressione. Regolazione a contropressione. Si usa in impianti prevalentemente industriali, dove si ha un importante utilizzo di vapore a media- bassa pressione a fini tecnologici. Si ha una bassa resa elettrica (che diminuisce all aumentare della pressione di scarico, minor salto entalpico), dell ordine del 10%, ma un elevato rendimento di ciclo ( 90-91% in funzione del rendimento di caldaia). All avviamento, la turbina col suo regolatore SC arriva alla velocità di sincronizzazione, tramite il sistema di sincronizzazione, si chiude il parallelo. 12

14 La velocità della turbina è tenuta ferma dalla rete esterna, si inserisce il regolatore di pressione (di contropressione) PC che si assume l onere di regolare la turbina in funzione del richiamo vapore, più vapore richiede l utenza più potenza produce, meno vapore richiede meno potenza produce. Se venisse richiesto più vapore della portata di progetto della turbina, interverrebbe il by-pass (schema 2). In caso di apertura di interruttore di rete, la turbina è in grado di funzionare ad isola alimentando l utenza industriale o una sua rete preferenziale. 13

15 Turbina a condensazione Analogamente al caso precedente la turbina, dopo il raggiungimento del parallelo con la rete, viene regolata in regolazione di pressione. Abbiamo una produzione di vapore proveniente da un inceneritore o un forno che brucia a biomasse. La produzione di energia elettrica è a seguire. Regolata in pressione vapore vivo. Schema 3 14

16 Turbina a spillamento e condensazione In questo caso la turbina è regolata in pressione di vapore vivo (turbina segue) e l ammissione nel secondo corpo a condensazione avviene tramite una valvola di entrata che agisce come una valvola di sfioro. Schema 4. La pressione di spillamento rimane costante e la portata di spillamento può essere regolata in continuo. Il massimo spillamento corrisponde alla portata minima di ventilazione nella parte a condensazione. Nel corpo a condensazione deve sempre passare una portata di vapore che serve da raffreddamento delle pale che si surriscalderebbero senza un mezzo di (relativo) raffreddamento. 15

17 Rendimento di ciclo I bilanci di un impianto a sola produzione di energia elettrica da 1000 KW di rendimento. Ciclo termico P/T Vapore vivo 46 bar/ 430 C Portata vapore vivo 5097 kg/h Spillamento per deg. 324 kg/h Input termico totale al 3983 Kwt vapore Potenza ai morsetti 1000 Kwe Rendimento lordo 25.1 % 16

18 Autoconsumi di centrale ** 47 kwe Rendimento di Caldaia 88 % Rendimento netto % ** pompa alimento, ventilatore, pompe estrazione condensatore ad acqua, torre raffredd. (c.w.), ausiliari. 17

19 La Mini turbina a vapore ( kw) Modello base: AFA 3 G1a SST 060 Pressione vapore vivo: fino a 40 bar a Temp. vapore vivo: da sat. fino a 400 C Pressione di scarico: da condensazione fino a 7 bar a Potenza ai morsetti: kW Utilizzo: - recupero di calore - cogenerazione - sistemi solari a recupero termico Bassa manutenzione, esercizio sicuro 18

20 SST-040 Costruzione / Caratteristiche Anello ugelli realizzato per il cliente Design a sbalzo per il rotore Riduttore integrato Monoblocco per girante turbina ad azione Tenuta albero del tipo ad anelli carbone Cuscinetti a strisciamento lubrificati a olio 19

21 La Mini turbina a vapore ( kw) Tipico ambito di fornitura (package): Turbina Riduttore Alternatore asincrono 400 V Raffreddatore dell olio ad aria Quadro comando e controllo Interruttore di macchina Tempo di installazione molto breve: lo skid viene appoggiato sulle fondazioni 20

22 SST-040 Costruzione / Caratteristiche Quadro di comando e esercizio Raffreddatore olio Valvola ingresso con funzione combinata di comando e fermata di emergenza Generatore Turbina Sistema alimentazione olio Riduttore Telaio di base 21

23 SST-040 Esempi

24 Turbina SST-040 Applicazioni Sistemi CHP per piccole centrali a biomasse Caldaia a biomasse Generatore Degasatore La turbina funziona a pressioni di scarico variabili 0,7 1,1 bara (temp. aria C eventualmente per essicamento) Economizzatore per aria di essicamento Acqua riscaldamento 60 C Applicazione: CHP per piccole centrali a biomasse p.e. nel processo di produzione per cippato di legno o simile 23

25 Turbina SST-040 Applicazioni Sistemi CHP per piccole centrali a biomasse Caldaia a vapore Saturated steam Valvola di riduzione Generatore Riscaldamento Sterilizzazione Preriscaldamento Applicazione: sistemi CHP per l industria Migliore rendimento p.e. in birrifici, cartiere o altre industrie con caldaia a vapore esistente 24

26 Turbina SST-040 Applicazioni Recupero calore dopo impianti di produzione energia e calore gas naturale olio vegetale Acqua di raff. BHPS gas da combustione Caldaia a vapore gas da combustione condensato preriscaldamento condensato Riscald. Generatore Raffreddatore di emergenza modalità esercizio variabile, secondo la richiesta Preriscaldamento altre utenze Sterilizzazione Applicazioni: Recupero calore dopo impianti di produzione di energia e calore (BHPS) Migliore rendimento p.e. in birrifici, cartiere o altre industrie con sistemi BHPS. 25

27 2. Esempi applicativi 2.1 Impianti a biomassa da 1 MWe Sono entrati in esercizio 2 impianti a vapore da 1 MWe, uno presso la Società ENAC di Pavia e l altro presso la Società Corsini Energia in Toscana. I dati tecnici principali dei 2 impianti sono i seguenti: Impianto 1 (*) Impianto 2 Pressione vapore vivo: 28 bar a 18 bar a Temperatura vapore vivo: 400 C 350 C Portata vapore: 5500 kg/h 6400 kg/h Condensazione: 0,2 bar a 0,1 bar a Potenza ai morsetti: 999 kwe 999 kwe (*) è previsto il ri-surriscaldamento del vapore fra 1 e 2 stadio della turbina 26

28 2.2 Impianto a biomassa da 200 kwe E in fase di realizzazione un impianto a biomassa da 200 kwe che prevede il riutilizzo del vapore allo scarico della turbina per l essicamento della biomassa. I dati tecnici principali dell impianto sono i seguenti: Impianto 3 Pressione vapore vivo: 13 bar a Temperatura vapore vivo: 250 C Portata vapore: 2500 kg/h Condensazione: 0,5 bar a Potenza ai morsetti: 200 kwe 27

29 3. Perchè il vapore d acqua Perchè un kg di vapore riesce a trasferire una grande quantità di calore, si riescono ad ottenere grandi salti entalpici specifici e grandi quantità di energia con piccola massa. Perchè è di facile reperibilità, non tossico, non esplosivo, non soggetto ad incendiarsi come alcune molecole organiche. O come l olio diatermico. Le aree in contatto con l acqua o col vapore d acqua non sono aree classificate. intorno alle turbine a vapore. Perchè nel campo di applicazione delle piccole potenze non si raggiungono gradi di vuoto come nei gruppi da 320 Mw, i materiali non vengono particolarmente sollecitati, il rischio di erosione è più teorico che reale (migliaia di turbine a vapore al mondo in esercizio continuo da oltre 30 anni ne sono la testimonianza). 28

30 Perchè la turbina a vapore è una macchina affidabile e matura con esperienze operative maturate negli ultimi 100 anni. Si raggiungono non solo affidabilità, ma anche disponibilità superiori al 98% con esempi di oltre 99% Perchè esistono campi di applicazione dove l uso del vapore è ancora inevitabile: dove esiste un consumo vapore industriale (da 1.5 bar in su), dove l uso di fluidi organici bassobollenti avrebbero un crollo di rendimento per l utilizzo a media ed alta entalpia. 29

31 Nelle piccole potenze e nel campo delle biomasse risultava più conveniente fino a qualche anno fa l utilizzo di piccoli forni ad olio diatermico accoppiati a cicli con fluidi organici. In base alla normativa nazionale (Regio Decreto 824/1927), si ammetteva l esonero di fuochista patentato, anche a scapito di utilizzo di un fluido tossico come OD, con notevole potenza assorbita per la pompa di circolazione olio, ed un basso rendimento del forno. L esonero del fuochista ( significa più fuochisti su più turni) penalizzava il calcolo economico del ciclo vapore al di là di ogni più accurato calcolo e sforzo tecnologico sui rendimenti. 30

32 Con l entrata sul mercato di caldaie a vapore ad esonero di fuochista, ma soprattutto col recepimento della direttiva 97/23/CEE ed l emanazione del decreto 81/08, le apparecchiature rientranti nella suddetta direttiva, (purché dotate di marchio CE e dotate di requisiti di sicurezza ), possono rientrare nel regime di sorveglianza non continuo, anche se di conduttore abilitato, secondo la periodicità indicata dal costruttore (12 opp 24 opp 72 ore), di fatto liberando la centrale termica da un vincolo creato e mai rivisto datato 1927 ( vd circolare 1/2009 min d lav. della salute e pol.sociali). Quando in paesi come la Germania esistevano già da decenni centrali a vapore con presenza periodica ( bob 24,36, 48 ), in Italia prolificavano centinaia di centrali con vapore prodotto attraverso olio diatermico. Tale recepimento rende di fatto la valutazione della convenienza economica solo basata su parametri termodinamici e di investimento. 31

33 4. Normativa vigente D.M 6 luglio 2012: incentivazione dell energia da fonti rinnovabili elettriche non fotovoltaiche In funzione della tipologia di impianto e della potenza l accesso agli incentivi si divide in diretto, iscrizione a registro del GSE e partecipazione a gare d asta Per impianti a biomasse, l accesso diretto si ha solo per potenza inferiori a 200 kw, mentre l iscrizione al registro si ha per potenza comprese fra 200 kw e 5 MW. Per potenze superiori di passa alle aste. Valore dell incentivo in funzione della potenza: gli impianti con potenza inferiore a 300 kw accedono all incentivo più elevato (Tab.1) Particolare interesse negli impianti con potenza massima fino a 200 kw per evitare l iscrizione a registro ed il valore dell incentivo 32

34 4. Normativa vigente.continua All incentivo base vengono riconosciuti dei premi in funzione di: Specifici requisiti di emissione (Tab. 2): + 30 Eur/MWh Operino in regime di CAR: da 10 a 40 Eur/MWh Solo per impianti fra 1 MW e 5 MW Riduzione gas effetto serra: + 10 Eur/ MWh Utilizzo biomasse da filiera corta (Tab 3) : + 20 Eur/ MWh La durata dell incentivo è stata prolungata a 20 anni (vita utile dell impianto) 33

35 Tabella 1 34

36 Tabella 2. 35

37 Tabella 3 36

38 Grazie per l attenzione. Marco Sturla 37