Corso di IMPIANTI di CONVERSIONE dell ENERGIA Origini e sviluppo delle turbogas L energia, fonti, trasformazioni i ed usi finali Impianti a vapore I generatori di vapore Impianti turbogas Cicli termodinamici e schemi circuitali Possibili varianti del ciclo Prestazioni delle turbogas La regolazione della potenza e l avviamento I componenti delle turbogas Cicli combinati e cogenerazione Il mercato dell energia Le emissioni delle turbogas Il mercato delle turbogas 1
Corso di IMPIANTI di CONVERSIONE dell ENERGIA Origini e sviluppo delle turbogas L energia, fonti, trasformazioni i ed usi finali Impianti a vapore I generatori di vapore Impianti turbogas Cicli termodinamici e schemi circuitali Possibili varianti del ciclo Prestazioni delle turbogas La regolazione della potenza e l avviamento I I componenti delle turbogas Cicli combinati e cogenerazione Il mercato dell energia Le emissioni delle turbogas Il mercato delle turbogas 2
GENERAL ELECTRIC MS9001H 3
GENERAL ELECTRIC MS9001H 4
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IL COMPRESSORE I componenti delle turbogas 6
IL COMPRESSORE β di stadio: 1.1 1.3 Numero di stadi: 14 18 Temperatura media di uscita: 400 C 7
18 stadi (r C =23:1) Di aeroderivazione i dal GE CF6-80C2 Regolazione: Variable Inlet Guiding Vanes Variable Stator Vanes Criteri di progettazione: Resistenza a fatica; COMPRESSORE Resistenza alla corrosione (composti idel cloro, sodio, vanadio, piombo o acidi nell aria, condensa dell umidità); Resistenza all erosione i (azione abrasiva di particelle didimensioni i i superiori ai 20 μm). 8
COMPRESSORE Pale ottenute per solidificazione direzionale Acciaio GDT-450: 15.5% Cr, 0.8% Mo, 0.2% Cb (acciaio i inox martensitico i indurito i per precipitazione) i i 9
I COMBUSTORI TIT max 1200 1450 C T ing 400 C T out 2450 C (Δ stech ) zona secondaria zona di diluizione zona primaria 10
Per aumentare il rendimento interno η i = θ η c cioè rendere che si ottiene con 1 η c η t 1 ε β 1 τ 1 c t η η << 1 η c η t >> occorre cercare di ridurre al massimo β ε τ β ε τ 1 η c η t ε β 1 τ Non potendo agire sulla riduzione del rapporto di compressione, che provocherebbe una diminuzione del rendimento limite, il miglioramento delle prestazioni si ottiene con: Incremento dei rendimenti delle macchine Aumento della temperatura massima 11
EVOLUZIONE DELLA TIT bina (TIT) [ C] Tem mperatura in ngresso tur 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 Aeroderivative ROLLS ROYCE Heavy-Duty GENERAL ELECTRIC Aeroderivative PRATT & WHITNEY Heavy-Duty ABB-ALSTOM Heavy-Duty MHI Heavy-Duty SIEMENS 500 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Trend: 12.5 C/anno +50 C TIT +8 13% potenza +2 4% rendimento 12
EVOLUZIONE DELLA TIT 13
CARATTERISTICHE DEI MATERIALI 14
LA TURBINA 15
TURBINA A GAS 4 stadi 1 e 2 stadio: ugelli e pale raffreddate con vapore (circuito chiuso); 3 stadio: ugelli e pale raffreddate con aria (dal compressore); 4 stadio: non raffreddato. 16
TURBINA A GAS 17
TURBINA A GAS Vantaggi del raffreddamento con vapore in circuito chiuso: il campo di moto palare non viene alterato; rendimento di stadio e perdite di pressione invariate (il vapore non fuoriesce dalla pala) Nessuna perdita di pressione aggiuntiva (dovuta al miscelamento gas/aria a pressioni i differenti); Caduta termica molto contenuta; Tutta l aria in uscita dal compressore espande in turbina; In ciclo combinato, viene prodotto vapore risurriscaldato a media pressione. 18
TURBINA A GAS 19
TURBINA A GAS Criteri di progettazione delle pale del 1 stadio Resistenza meccanica (sforzi centrifughi) Resistenza a fatica (sforzi vibrazionali); Resistenza allo scorrimento viscoso ad alta temperatura; Resistenza a fatica termica (low-cycle fatigue, il raffreddamento con vapore in circuito chiuso elimina il film d aria daria a contatto con la superficie della pala causando gradienti termici più severi); Resistenza all ossidazione i ed alla corrosione; Adozione di materiali facilmente saldabili 20
TURBINA A GAS Lega Ni-base monocristallina GTD-111: 14% Cr, 38%W 3.8% W, 4.9% 49%Ti, 3%Al, 9.5% 95%Co +25% carico di rottura; +100% allungamento; +900% ampiezza di sollecitazione a 2 10 6 cicli; +33% resistenza all urto (KV) +22% Resistenza a creep. + Rivestimenti e contro o corrosione os o ed ossidazione o + Thermal Barrier Coatings 21
PALE IN LEGA MONOCRISTALLINA 22
LO SCARICO 23
LO SCARICO 24
CARATTERISTICHE TURBOGAS COMMERCIALI COSTRUTTORE Modello Tipologia Anno P [MW] Rapporto di compressione TIT [ C] η General Electric LM 1600-PA AeroDerivative 1989 13,75 21,5 737 35,5% LM 2500-PE AeroDerivative 1973 22,8 18,8 818 36,8% LM 2500+(PK) AeroDerivative 1998 31,32 22,7 1232 39,5% LM 6000-PC AeroDerivative 1997 43,425 29,4 838 41,3% MS9001E Heavy Duty 1987 123,4 12,3 1104 33,8% MS9001EC Heavy Duty 1994 169,2 14,2 1200 34,9% MS9001FA Heavy Duty 1996 255,6 15,4 1310 36,9% MS9001G Heavy Duty 2002 282 23 1427 39,5% MS9001H Heavy Duty 2002 292 23 1427 39,5% Rolls Royce Avon AeroDerivative 1964 14,58 8,8 28,2% RB211-6562 AeroDerivative 1974 28,775 20,8 37,0% RB211-6761DLE AeroDerivative 1999 30,949 21 1238 39,1% Trent AeroDerivative 1996 51,1919 35 1227 41,6% Sie m e ns W e stinghouse V64.3A Heavy Duty 1996 68 16,2 1316 34,7% W501D5A Heavy Duty 1993 120,5 14,2 1177 34,7% V94.2 Heavy Duty 1981 157 11,1 1177 34,4% W501F Heavy Duty 1989 186,5 15 1316 37,4% V94.2A Heavy Duty 1997 189 14 1177 35,3% W501G Heavy Duty 1994 253 19,2 1416 36,9% V94.3A Heavy Duty 1995 240 16,6 1316 38,4% 501G Heavy Duty 2002 320 29 1510 39,0% 25