TURBINE A VAPORE PER APPLICAZIONI DI PICCOLA POTENZA

Transcript

1 TURBINE A VAPORE PER APPLICAZIONI DI PICCOLA POTENZA 1

2 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

3 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

4 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

5 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

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

7 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

8 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

9 Fig. 8 b Serie TWIN 9

10 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 come quelle che consideriamo (1Mw), si parla solo di turbine ad azione, monostadio (solo con bassi salti entalpici o contropressione) o bistadio. 10

11 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.

12 Condensatore ad acqua, ad aria (Serck COMO) Nelle piccole potenze si utilizza di solito condensatori ad acqua, in quanto la modesta potenza da dissipare comporta un consumo d acqua relativamente basso. Si utilizza il più delle volte un circuito chiuso con una torre di raffreddamento. La torre può essere a umido evaporativa a circolazione naturale o forzata oppure a secco a circuito forzato. Il bilancio termico del condensatore si può scrivere : m a * ( h u h i ) = m v ( h v h c) Con hu ed hi l entalpia di uscita ed entrata dell acqua hu hi per un liquido è pari a c * ( tu ti ), dove c è il calore specifico dell acqua, per cui : m a * c * ( tu ti ) = m v ( h v h c) 12

13 Da un punto di vista del rendimento è conveniente ridurre il T, perché con ciò si riduce la temperatura di condensazione, d altro canto l aumento della portata del refrigerante aumenta gli autoconsumi dovuta al maggior assorbimento degli ausiliari (pompa circolazione). Gli eiettori nel condensatore hanno la funzione di estrarre gli incondensabili presenti nella condensa. Fig 9 13

14 Fig

15 Accessori: impianti demineralizzazione e degasatore Impianto di demineralizzazione e caratteristiche del vapore in turbina Il vapore di entrata in turbina deve essere molto puro, all uscita degli ugelli, alla fine dell espansione si potrebbero depositare sali, soprattutto silice, sotto forma colloidale o di incrostazioni. Le caratteristiche del provino di condensato all uscita del surriscaldatore non deve superare i dati riportati in tabella. Fig

16 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. 16

17

18 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 18

19 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. 19

20 1. 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 % 20

21 Autoconsumi di centrale ** 47 kwe Rendimento di Caldaia 88 % Pompa circolazione OD - Rendimento forno OD - Rendimento netto % preriscaldo condense dal condensatore ** pompa alimento, ventilatore, pompe estrazione condensatore ad acqua, torre raffredd. (c.w.), ausiliari. N.B. il rendimento lordo va confrontato con il 24% del ciclo ORC da 1000 Kw, ottimizzato per la sola produzione di E.E. 21

22 Costi di realizzazione Un turbogruppo vapore da 1MW costa ca K Eur. I macro componenti di impianto sono: Forno biomassa con caldaia, degasatore e linea fumi Turboalternatore vapore Sistema di condensazione BOP termico BOP elettrico Sistema di controllo Opere civili L investimento senza opere civili è di ca M Euro. Il costo di manutenzione tipico di una turbina a vapore è di 1,5-2 Euro al Mwh, valore statistico indipendentemente dal costruttore di macchina. Valore che scende a 1-1,5 Euro al MWh all aumentare di potenza, da 3 Mw a 5 Mwe. 22

23 Una novità: 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 23

24 Caratteristiche costruttive: Design stadio singolo Turbina ad azione Costruzione robusta Design a sbalzo Caratteristiche: In grado di funzionare con vapore saturo Possibile funzionamento completamente in automatico Avvio veloce entro pochi secondi da freddo senza preriscaldo Nessun viradore necessario ATEX Installazione e commissioning entro breve periodo di tempo Bassi costi di manutenzione e riparazione 24

25 2. Esempi applicativi 2.1 Impianto a biomassa da 3.5 MWe a risurriscaldamento E in fase di realizzazione a Calizzano. Analogo all impianto in esercizio da circa 3 MWe per la produzione EE a Ventimiglia ( vapore vivo 27 bar/400 C, risurrisc. a 5 bar/380 C). In assenza totale di Olio Diatermico. Atto ad ottenere esonero totale ai sensi dell art 41 e 42 Raccolta E ISPESL. Fig. 12 La caldaia a tubi d acqua da nominali kg/h di vapore è caratterizzata da un banco di risurriscaldamento che surriscalda il vapore uscente dal corpo alta pressione turbina, a valle del prelievo per degasatore per reimmeterlo nel corpo di bassa pressione di turbina. monostadio radiale, esecuzione a sbalzo. 25

26 2.2 Impianti a biomassa da 1 MWe Sono in fase di realizzazione 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

27 2.3. Impianto a biomasse a contropressione- Distilleria Villapana La distilleria Villapana è leader italiano nella produzione di acido tartarico ed alcol etilico, con sede a Faenza, uno dei centri per la distillazione di frutta e vinacce. La vinaccia è un sottoprodotto dell industria vinicola. BIOMASS VILLAPANA SPA: LA SOCIETA Il processo industriale prevede: Antica distilleria di Faenza appartenente al Gruppo Randi, leader mondiale per produzione di prodotti tartarici. Impieghi: industria alimentare, chimica e farmaceutica. Materie prime: fecce e vinacce ( t/anno) Processo: distillazione e successivi trattamenti chimici Prodotti: - acido tartarico e suoi derivati (450 t/anno) - alcool etilico ( hl/anno) Residuo di lavorazione: vinacce esauste ( t/anno) Fig.13 27

28 SPA: I NUMERI DEL PROGETTO Risultato previsto dell investimento: Ricavi da produzione di energia elettrica Quota base: Certificati verdi: CO2 evitata: ton/anno BIOMASSVILLAPANA Ricavi da consumi di combustibili fossili evitati: Tempo di ritorno dell investimento previsto: 5 anni Fig.14 28

29 Tale combustibile, ricco di umidità, alimenta un forno dotato di griglia inclinata mobile a barrotti, studiata per questo combustibile di bassa pezzatura dal costruttore del forno e caldaia Bono Sistemi. Il movimento della griglia omogeneizza e facilita la combustione della biomassa e la fa avanzare verso una tramoggia di raccolta ceneri. La portata di vinacce esauste che alimenta il sistema di combustione è di 5 t/h. I fumi caldi di combustione cedono il calore all acqua di alimento caldaia, generando 13 t/h di vapore a 40 bar e 420 C. L impianto è dotato di un grande preriscaldatore d aria di combustione, che viene immessa nella parte inferiore della griglia ed attraversa il letto di combustibile. Solo in fase di avviamento di impianto, il bruciatore usa un biogas prodotto come prodotto di digestione anaerobica dall azienda stessa, per riscaldare la camera di combustione. L impianto è dotato di un grande sistema di filtrazione fumi che captano le particelle solide contenute nei fumi di scarico. 29

30 Villapana: Il progetto cogenerativo Fig

31 La turbina a vapore è una turbina monostadio radiale ad alta efficienza. Evolve le 13 t/h di vapore, scaricando a 5 bar, pressione necessaria dalla distilleria per i processi tecnologici, producendo 1.3 Mwe. La macchina è regolata in contropressione, quindi produce energia in funzione delle necessità di vapore dell azienda. Fig: 16 31

32 Turbina monostadio radiale a 30 cm di diametro con riduttore integrato, dotata di 3 valvole a gruppi di ugelli di parzializzazione. La girante è ricavata dal pieno. L alternatore è sincrono trifase, in esecuzione IP 23, 400/231 V. Fig 17 In esercizio normale la turbina è esercita in parallelo con la rete esterna, regolata in contropressione. In caso di apertura di interruttore di rete (comandata da protezioni di rete per microinterruzioni o black out di rete), la turbina si commuta in funzionamento ad isola su una rete preferenziale. L impianto beneficia dei certificati verdi. 32

33 2.4. Impianto di pirogassificazione NSE Industry con combustione integrata di scarti e rifiuti solidi con produzione di energia Tratta gli scarti di produzione in situ: evita i trasporti a discarica Facile installazione: 2 mesi per montarlo Piccole dimensioni: Impatto visivo minimo Installabile a piè di fabbrica: produce energia IMPIANTO DI PIROGASSIFICAZIONE CON COMBUSTIONE INTEGRATA DI SCARTI E RIFIUTI SOLIDI Impatto ambientale ridotto: tecnologia di gassificazione brevettata Opere civili necessarie :pavimento industriale Superficie in pianta occupata: 800 mq 33

34 Installato a piè di fabbrica produce energia con rendimenti fino al 85% Gassificazione e combustione integrata di scarti e rifiuti solidi Scarti: fino a t/anno Industriali Ospedalieri Car Fluff Pneumatici Fanghi essiccati da CDR Assimilabili a biomasse Produzione energia elettrica con turbina a vapore Produzione energia termica con vapore vivo e/o acqua surriscaldata Energia termica: 33,4 GWh/anno Energia elettrica: kwh/anno 34

35 L impianto è costituito da 7 sezioni principali trasportabili per moduli: 1. Unità di alimentazione, 2. Unità di pirogassificazione e combustione integrata - tecnologia NSE, 3. Caldaia a vapore 4. Turbogeneratore 5. Trattamento e monitoraggio fumi 6. Ausiliari di servizio 7. Sala quadri e sala supervisione e controllo VAPORE IN-PUT Pressione ingresso: 21 bar Temperatura ingresso: 245 C VAPORE OUT-PUT Pressione uscita: 1,2 bar Temperatura uscita: 105 C ENERGIA ELETTRICA Potenza: 630 Kw 35

36 2.5. 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). 36

37 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. 37

38 Pertanto in applicazioni industriali con consumo di vapore. Dove in caso di teleriscaldamento ad alta entalpia (acqua surriscaldata a C) risulta penalizzante l uso di fluidi bassobollenti. Perchè a condensazione pura, il rendimento del ciclo vapore risulta maggiore rispetto al ciclo ORC. Dove invece risulta più conveniente l uso di ORC nelle piccole potenze, è con l accoppiamento a reti di teleriscaldamento ad acqua calda ( C), dove la condensazione a tale temperatura penalizza il ciclo vapore. 38

39 Dove il ciclo ORC risulta inevitabile è il recupero delle basse entalpie. Per queste applicazioni i cicli ORC sono nati, con centinaia di applicazioni (cicli ORMAT) nel settore geotermico, recupero fumi sotto i C ( dove il vapore risulta penalizzato, producendo vapore a media pressione e non troppo surriscaldato), bottom cycle di cicli termici esistenti. 39

40 Nelle piccole potenze e nel campo delle biomasse è risultato più conveniente finora 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. 40

41 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. 41

42 Normative DIN 1943 ultima edizione ( procedure di collaudo turbine) PED ( recipienti a pressione) Direttiva 97/23/CEE (PED) Decreto legislativo 25/2/2000 nr 93 ( recepimento) decreto 81/08 RD 824/1927 Normative NEMA sui regolatori di velocità turbine 42

43 Ringraziamenti Si ringraziano i Sigg. Randi e Venturelli della Società Villapana, per le informazioni e le foto dell impianto. Si ringrazia l Ing. Grosso della società Bono per i dati sull impianto di Villapana. Si ringrazia l ing Sodini della NSE Industry per le informazioni e i dati sull impianto NSE Start 43

44 Grazie per l attenzione. Marco Sturla 44