SISTEMI ENERGETICI VALUTAZIONE TECNICO ECONOMICA DI UN INTERVENTO PER IL RAFFRESCAMENTO DELL ARIA ASPIRATA DA UN TURBOGAS A CICLO SEMPLICE

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1 SISTEMI ENERGETICI VALUTAZIONE TECNICO ECONOMICA DI UN INTERVENTO PER IL RAFFRESCAMENTO DELL ARIA ASPIRATA DA UN TURBOGAS A CICLO SEMPLICE GRUPPO 4 : Andrea Molaro Andrea levati Amedeo Grimaldi Alessio Maffeo Carlo Macchi Marco Giuliani RISOLUZIONE 1. CONDIZIONI ISO Si vuole valutare l installazione di un ciclo frigorifero per il raffrescamento dell aria aspirata da un turbogas in ciclo semplice in modo da aumentare la produzione di energia elettrica. Si riportano di seguito le prestazioni in condizioni ISO (Ta=15 C, UR=60%): Pel = 41,7 MW Ƞel = 40,7% Gg = 126,7 kg/s TOT = 448 C PCI = 45 MJ/kg Qin=(Pel/ Ƞel)= 102,5 MWt Gf = (Qin/PCI) = 2,28 kg/s Gair=Gg Gf= 124,4 kg/s Dal diagramma psicometrico: UA=6,35 gh2o/gair v= 0,825 m 3 /kgas Gair=GAS+GH2O (Gair/GAS)=1 + UA Da qui si ricava la portata massica dell aria secca in condizioni ISO GAS=123,6 kgas/s La portata d aria volumetrica che viene aspirate al compressore è VAS=GAS*v=102 m 3 /s

2 2. PRESTAZIONI IN CONDIZIONI AMBIENTE REALI Si valutano ora le prestazioni in condizioni di Ta=35 C e UR=40%. A seguito dell innalzamaneto della temperatura ambiente si avranno delle modifiche su alcuni parametri, quali: ΔPel=-12% ΔCS= +4% ΔGg= -6% dove CS=1/ƞel Quindi: Pel,35=Pel,ISO*(1+ ΔPel)=36,7 MW ƞel,35= ƞel,iso/(1 + ΔCS)= 39,13% Gf=( Pel,35/PCI* ƞel,35)=2,08 kg/s 3. POTENZA FRIGORIFERA Si valuta ora la potenza termica necessaria per operare un raffreddemanto dell aria ambiente fino alla temperatura di 12 C. Si noti che nel processo di raffreddamento dell aria si giunge alle condizioni di saturazione (UR= 100%). Hair,amb=(T = 35 C, UR = 40%)=71,44 kj/kg Hair,raff=( T = 12 C, UR = 100%)=34 kj/kg Si noti, però, che si introducono delle perdite in aspirazione quantificabili in: ΔPASP=200 Pa = 2 mbar Questo comporterà una variazione della portata aspirata dal compressore (si ricorda che V=cost): fm,asp=1 0,001 ΔPASP=0,998 v12(12 C, UR = 100 %) = 0,82 m 3 /kg GAS,12,ΔP=(VISO/v)* fm,asp=124,1 kgas/s QFRIGO= GAS,12,ΔP*( Hair,amb - Hair,raff) = 4648 kw 4. ANALISI PERFOMANCE IN CONDIZIONI RAFFREDDATE Le considerazioni sono analoghe a quanto precedentemente detto nel capitolo 2, con, in questo caso, Ta=12 C e UR= 100% GAS,12,AD= 124,1 kgas/s ΔP12= +2% ΔCS12= -0,5% fw,asp=1 0,00153* ΔP12=0,99694

3 fƞ,asp=1 0,00057* ΔP12=0,9986 Pel,RAFF = PISO *(1 + ΔP12)* fw,asp=42,4 MW ƞraff = ƞiso *(1/(1 + ΔCS))* fƞ,asp=40,86% QIN=( Pel,RAFF / ƞraff)= 103,78 MW Gf = QIN/(LHVf*ƞG)=2,31 kg/s 5. FRIGORIFERO A COMPRESSIONE Si procede considerando una prima tecnologia di refrigerazione, quale l utilizzo di un ciclo frigorifero a compressione: TBU(35 C, 40%) = 24 C TCOND= TBU +15 C= 39 C COP = COP(TCOND)=5,31 Tale valore è stato calcolato tramite un interpolazione lineare di due valori dati. Pel,COMP = (QFRIGO/COP) = 875,1 kw ΔTH20 refrig =5 C ΔPH20 refrig=100 kpa ƞel,mecc = 94% Circuito di Raffreddamento: GH2O raff = (Qfrigo/ (Cp* ΔTH20 raff))= 222,1 kg/s Ppompa raff=( GH2O raff*vh20* ΔPH20 raff)/( ƞel,mecc*ƞid)=33,7 kw Torre: Tramite un bilancio di primo principio sul ciclo frigorifero: QCOND=QFRIGO+Pcomp PALE QCOND=QTORRE= QFRIGO+Pel,c* ƞel,mecc=5470 kw GH2O TORRE= QTORRE/(CpH2O* ΔTH20 TORRE)= 186,7 kg/s dove ΔTH20 TORRE = 7 C ΔPH20 TORRE= 200 kpa Pel pompa TORRE = (GH2O TORRE* VH2O* ΔPH20 TORRE) =56,7 kw Pel vent TORRE =0,01* QTORRE=54,7 kw Potenza Totale ciclo Frigorifero a Compressione: PTOT,FC =Pel vent TORRE + Pel pompa TORRE + Ppompa raff + Pel,COMP = 1020,3 kw Quindi la potenza elettrice e il rendimento dell impianto turbina a gas sono pari a: Pel NETTA,FC= Pel RAFF- PTOT,FC=41,38 MW Ƞel IMPIANTO,FC =( Pel NETTA,FC/QIN)=39,87%

4 6. FRIGORIFERO AD ASSORBIMENTO La seconda tecnologia valutata è un ciclo frigorifero ad assorbimento che sfrutta come sorgente termica per il generatore il calore dai fumi del turbogas, recuperato per mezzo di uno scambiatore ad acqua: TBU=24 C ΔTH2O GEN=15 C ΔPH2O GEN= 100 kpa COP(TBU)=0,66 Generatore: Sapendo che COPFA=(QFRIGO/QGEN) QGEN= (QFRIGO/COPFA)= 7042 kw GH2O GEN =( QGEN / Cp * ΔTH2O GEN)= 112,2 kg/s Pel, H20 GEN =( GH2O GEN*vH2O* ΔPH2O GEN)/( ƞel,mecc*ƞid) =17,05 kw Circuito di Raffreddamento: GH2O raff = (QGEN/ (Cp* ΔTH20 raff))= 112,2 kg/s Ppompa raff=( GH2O raff*vh20* ΔPH20 raff)/( ƞel,mecc*ƞid)=33,7 kw Torre: QTORRE= QFRIGO+ QGEN =11690 kw GH2O TORRE= QTORRE/(CpH2O* ΔTH20 TORRE)= 398,9 kg/s ΔPH20 TORRE= 200 kpa Pel pompa TORRE = (GH2O TORRE* VH2O* ΔPH20 TORRE) = 121,3 kw Pel vent TORRE =0,01* QTORRE=116,9 kw Potenza Totale ciclo Frigorifero a Compressione PTOT,FC =Pel vent TORRE + Pel pompa TORRE + Ppompa raff + Pel, H20 GEN = 288,9 kw Pel NETTA,FA= Pel RAFF- PTOT,FA=42,11 MW Ƞel IMPIANTO,FA =( Pel NETTA,FA/QIN)=40,57% Da questo si può notare come nel caso del frigorifero ad assorbimento i consumi siano minori rispetto ad un frigorifero a compressione con, inoltre, un miglioramento del rendimento dell impianto. 7. ANALISI ECONOMICA Si vuole ora valutare i ricavi aggiuntivi su base oraria con gli interventi proposti precedentemente assegnati come parametri: Valore energia elettrica (CEE) = 125 /kwh Costo gas naturale = 0,30 /mc (34,5 MJ/mc)

5 C GN = 0,3 mc 34,5 MJ mc Caso senza raffreddamento: 3600 s h = 31,3 /MWh EE= Pel NETTA,FC* CEE = 4587 /h GN= CGN * Qin = 2935 /h CF (Cash flow) = EE-GN = 1652 /h Frigorifero a Compressione: EE= Pel NETTA,FC* CEE = 5172,9 /h GN= CGN * Qin = 3248,43 /h CF (Cash flow) = EE-GN = 1924,47 /h Frigorifero ad assorbimento: EE= Pel NETTA,FC* CEE = 5264,36 /h GN= CGN * Qin = 3248,43 /h CF (Cash flow) = EE-GN = 2015 /h Si riportano ora le valutazioni annue basate su le diverse condizioni ambiente di funzionamento andando a definire la fattibilità dell investimento sulla base del pay-back time: (costo frigorifero a compressione= 180 /kwfrigo, costo frigorifero ad assorbimento =250 / kwfrigo Tamb 35 C UR h/y CF senza raff 1652, /h ,9557 /anno 1924, /h ,7125 /anno 2015, /h ,5807 /anno Tamb 30 C UR h/y CF senza raff 1756, /h ,9563 /anno 1952, /h ,407 /anno 2022, /h ,927 /anno

6 Tamb 25 C UR h/y CF senza raff 1844, /h ,296 /anno 1984, /h ,201 /anno 2031, /h ,799 /anno Tamb 20 C UR h/y CF senza raff 1908, /h ,092 /anno 2017, /h ,681 /anno 2040, /h ,95 /anno delta Ricavi [M /anno] ricavi Senza raffreddamento 6, Frigorifero a compressione 7, , M /anno Frigorifero ad assorbimento 7, , M /anno costo investimenti C_in_FC 0, M C_in_FA 1, M pay-back time PB_FC 1, PB_FA 1, Si noti come la soluzione frigorifero ad assorbimento sia termodinamicamente più vantaggiosa ma abbia un costo d investimento leggermente superiore.