COMUNE DI GAVARDO (BS) Progetto Definitivo IMPIANTO DI COGENERAZIONE PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA E TERMICA DA BIOMASSE LEGNOSE doc. N 006_2014 H02 00 DESCRIZIONE FUNZIONALE SETTEMBRE 2014 IL PROGETTISTA Ing. Sergio Renato Caimi IL PROGETTISTA ARCHITETTONICO Arch. Luca Carminati Studio Raimondi-Carminati
DESCRIZIONE FUNZIONALE TURBODEN ORC Il modulo ORC genera energia elettrica e termica a bassa temperatura attraverso un ciclo termodinamico chiuso secondo il principio dell Organic Rankine Cycle ( ciclo Rankine con fluido di lavoro organico). Nel processo ORC il fluido di lavoro organico viene: 1) Preriscaldato in un rigeneratore 2) Preriscaldato ed evaporato nello scambiatore con i gas di scarico del motore 3) Espanso in una turbina che aziona un generatore 4) Raffreddato ( ancora in fase di vapore) in un rigeneratore che ha anche la funzione di preriscaldare il fluido organico ( incrementando l efficienza elettrica grazie ad un recupero di calore interno al ciclo) 5) Condensato in uno scambiatore in cui cede calore al circuito dell acqua di raffreddamento 6) Pompato alla pressione di esercizio richiesta dal ciclo dalla pompa del fluido di lavoro Il funzionamento del modulo ORC è completamente automatizzato e non necessita di supervisione da parte di personale, sia nelle normali condizioni di esercizio che in quelle di emergenza. In caso di malfunzionamento il modulo ORC viene scollegato dalla linea fumi di scarico del motore e dalla rete elettrica ( sistema di BY-PASS scambiatore a carico dell Acquirente). Qui di seguito vengono elencati e descritti i componenti principali del sistema ORC: 1) SCAMBIATORE FUMI/FLUIDO DI LAVORO Il sistema è suddiviso in due elementi: Pre-Riscaldatore: nel pre-riscaldatore dell ORC il fluido organico è preriscaldato tramite uno scambiatore di calore con i fumi esausti del motore. Evaporatore: nell evaporatore del ciclo ORC il fluido di lavoro organico viene vaporizzato ricevendo calore dai fumi esausti del motore, dopo essere stato preriscaldato nel rigeneratore e nel preriscaldatore. 2) RIGENERATORE Lasciando la turbina, il vapore del fluido organico preriscalda il fluido organico appena passato attraverso la pompa attraverso scambio di calore nel rigeneratore. Una grande parte dell energia termica contenuta nel vapore esausto dalla turbina sarà utilizzato per preriscaldare il fluido di lavoro allo stato liquido. 3) CONDENSATORE Nel condensatore il vapore del fluido organico viene condensato cedendo calore al circuito dell acqua.
4) TURBINA Nella turbina il vapore del fluido organico viene espanso. Grazie alle caratteristiche termodinamiche del fluido organico, il vapore che lascia la turbina è surriscaldato (vapore secco). Il controllo di sovra-velocità della turbina è ridondante. La turbina è dimensionata in modo da avere una velocità nominale corrispondente alla velocità nominale del generatore prescelto, e può essere connessa direttamente al generatore attraverso un giunto elastico. Attraverso questa logica, si possono evitare cali di rendimento e i lavori di manutenzione dovuti alla presenza di un riduttore di giri. La turbina è equipaggiata con le seguenti componenti: o Controllo elettronico di sovra-velocità o Controllo meccanico di sovra-velocità o Valvola di cut-off in caso di sovra-velocità o Controllo delle vibrazioni o Interruzione di flusso, temperatura dell olio nei serbatoi dell olio, temperatura dell olio nel circuito dell olio di lubrificazione all uscita dei cuscinetti, temperatura dell olio nel circuito di lubrificazione dell olio alle guarnizioni d uscita, livello dell olio nel serbatoio dell olio. 5) GENERATORE Il generatore elettrico è direttamente collegato alla turbina attraverso un giunto elastico. Il generatore è asincrono a due poli e tre fasi in accordo con gli standard IEC e VDE, 200 kw, 400V. Il generatore elettrico fornito è asincrono, quindi adatto per funzionare esclusivamente in parallelo con una rete esistente ed è progettato per una rete da 50Hz. Il generatore è equipaggiato con i seguenti componenti: o Controllo di temperatura delle bobine dello statore (fase 1, fase 2, fase 3) o Controllo di temperatura dei cuscinetti del rotore o Raffreddatore del generatore (raffreddato ad aria)
6) POMPA DI ALIMENTO DEL FLUIDO DI LAVORI La pompa di alimento del fluido di lavoro è azionata da un motore trifase e controllata da un regolatore di frequenza al fine di avere un controllo ottimale e di ridurre al minimo possibile gli autoconsumi. 7) ISOLAMENTO TERMICO ORC L impianto ORC deve essere isolato con lana minerale ( o con un materiale isolante equivalente) coperto da una copertura d alluminio. Lo spessore dell isolante dipende dalle temperature dei diversi componenti e deve essere compresa tra 80 mm e 120 mm come descritto in tabella: SPESSORE ISOLAMENTO TERMICO 100 mm per il rigeneratore/condensatore 80-100 mm per le tubature Materiale per l isolamento: lana di roccia Involucro di alluminio : 1 mm La superficie esterna dell involucro di alluminio deve essere pulita, senza deformazioni e con un aspetto uniforme. 8) SISTEMA DI VERIFICA DELLA TENUTA L impianto ORC comprende un sistema di controllo continuo di verifica della tenuta al fine di verificare le perdite del fluido di lavoro organico durante il funzionamento dell impianto. Il sistema controlla tutte le connessioni delle flange all interno del ciclo del fluido organico che potrebbe essere sotto pressione in funzione della loro tenuta. Nel caso di emissioni di fluido organico il sistema rivela immediatamente queste emissioni, ferma automaticamente l impianto e disconnette il modulo dalla rete. Il sistema di verifica è impostato al 30% al di sotto del limite inferiore di esplosività e il sistema di circolazione dell aria è costruito in modo di evitare la formazione di scintille causate da cariche statiche, componenti elettrici o ventilatori. Il sistema, inoltre, espelle le perdite di fluido diluite in aria ( se presenti ) fuori dalla stanza del modulo ORC. 9) QUADRI ELETTRICI I quadri elettrici ( potenza e controllo) devono essere installati, se possibile, nella sala in cui si trova l ORC, o in ogni caso ad una distanza massima di 20 metri dal modulo ORC, al fine di limitare la trasmissione di segnali d errore e perdite di energia nei cavi a basso voltaggio. I quadri elettrici includono: o Interruttore di parallelo alla rete o Protezione del generatore Turboden o Protezione dei motori o Controllo elettronico di sovra velocità turbina
10) CABLAGGIO o Controllo elettromeccanico di sovra velocità turbina o Controllo vibrazioni di turbina, generatore, pompa di alimento o Controllo di sovra pressione o Controllo ausiliari di fase o Analizzatore di rete Il cablaggio verrà eseguito in accordo con gli standard IEC e le direttive VDI 11) CONTROLLO E REGOLAZIONE Il funzionamento dell impianto ORC verrà automaticamente controllato da un PLC che adatta il funzionamento automatico al variare delle condizioni dell alimentazione ( variazioni in temperatura e portata lato olio diatermico e in quello acqua). Il PLC è basato su sistema SIEMENS SIMATIC. I dati operativi interni ed esterni verranno continuamente misurati e monitorati. L impianto sarà automaticamente ed immediatamente arrestato quando i dati esterni o interni si troveranno al di fuori del range consentito. La fermata automatica dell impianto nel caso di malfunzionamenti sarà assicurata da un monitoraggio indipendente dei parametri rilevanti attraverso catene elettromeccaniche, anche nel caso di un malfunzionamento del PLC. Il controllo del PLC è indipendente dall acquisizione dati e dal sistema di visualizzazione. L impianto ORC è equipaggiato con i misuratori di potenza ed energia elettrica al fine di misurare la potenza lorda prodotta dal generatore come pure gli autoconsumi dell intero impianto. 12) CONTROLLO REMOTO Il controllo remoto dell impianto dovrà essere realizzato tramite linea ADSL con un indirizzo IP fisso. Se non è disponibile la connessione ADSL si potrà installare una linea ISDN dedicata esclusivamente al controllo remoto dell impianto. 13) SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI E VISUALIZZAZIONE Si fornirà un sistema di acquisizione datai SCADA basato su un PC con schermo LCD, questo sistema è connesso al PLC attraverso interfaccia PROFIBUS. Il sistema include le seguenti funzioni: o Visualizzazione impianto sullo schermo in grafica a colori o Visualizzazione dei componenti di sistema in dettaglio o Visualizzazione delle condizioni dell impianto ( per esempio in funzione, malfunzionamento, allarmi, ecc ) o Visualizzazione di allarmi in una finestra separata o Visualizzazione di valori analogici in forma digitale e in forma di curva (trend)
o Salvataggio automatico dei più importanti valori analogici, con possibilità di visualizzazione di uno storico ( intervallo di visualizzazione regolabile) o Registrazione automatica nel computer di malfunzionamenti e allarmi ed inclusione in una lista di allarmi. Attraverso la rete ADSL descritta al punto precedente è possibile avere tali funzioni anche in controllo remoto. 14) GRUPPO DI CONTINUITA (UPS) Nel caso di problemi alla rete il gruppo di continuità fornirà elettricità ai seguenti sistemi: o Tutti i sistemi di lubrificazione e raffreddamento o Sistema di controllo o Sistema di acquisizione e visualizzazione dei dati