Esercitazione 4 Cicli a vapore avanzati Questa esercitazione prevede il confronto di 5 diverse configurazioni relative ad un ciclo a vapore USC. Per effettuare i calcoli è stato utilizzato il programma CicVap. Il ciclo base, cioè la configurazione A, è contraddistinto dalle seguenti caratteristiche: CONFIGURAZIONE A: - Portata massica di vapore uscita surriscaldatore: 1850000 kg/h - Pressione del vapore uscita surriscaldatore: 270 bar - Numero risurriscaldamenti: 1 - Numero rigeneratori presenti (incluso il degasatore): 8 (4 BP, 4 AP) - Numero flussi in media pressione: 2 - Numero flussi in bassa pressione: 4 - Palettatura ultimo stadio: 33.5 pollici - diametro medio 99.5 pollici - Temperature del vapore: 580 C / 580 C - Pressione di condensazione: 0.05 bar - Combustibile: carbone - Temperatura dei fumi al camino: 150 C - Percentuale di O2 nei fumi al camino: 5% - Temperatura dell'acqua all'ingresso dell'economizzatore: ~ 315 C Mentre le altre configurazioni presentano le seguenti modifiche rispetto al ciclo base: CONFIGURAZIONE B: -combustibile: gas naturale -temperatura dei fumi al camino: 120 C -% di O2 nei fumi al camino: 2,5% CONFIGURAZIONE C: -pressione di condensazione: 0.1 bar CONFIGURAZIONE D: -temperatura del vapore: 640 C/640 C CONFIGURAZIONE E: -n rigeneratori presenti: 4 (2 BP incluso degasatore, 2 AP) -temperatura dell acqua all ingresso dell economizzatore: ~280 C CONFIGURAZIONE F: -n risurriscaldamenti: 2 -temperature del vapore: 580 C/580 C/580 C Innanzi tutto confrontiamo i risultati dell analisi entropica che sono riassunti in tabella: 1
Tipo di perdita conf A conf B conf C conf D conf E conf F Combustione [%] 27,3449 26,2739 27,3449 27,2787 30,6796 27,3692 Intro calore fumi-tmax [%] 10,4429 11,583 10,4429 8,4573 7,1082 10,4186 Intro calore Tmax-vapore [%] 7,3412 7,4029 7,3412 8,2562 10,4915 6,8668 Rigenerazione [%] 1,8969 1,9127 1,8067 1,9754 0,8566 1,4421 Condensatore [%] 2,943 2,9678 4,83 2,8578 3,0624 2,848 Compressione [%] 0,4116 0,415 0,4075 0,3851 0,3069 0,4124 Espansione [%] 4,8316 4,8721 4,3506 4,6243 5,3117 4,302 Camino [%] 1,3324 0,752 1,3324 1,3324 1,3324 1,3324 Varie [%] 1,6083 1,6218 1,5901 1,6277 1,5728 1,6289 Somma perdite [%] 58,1528 57,8012 59,4463 56,7949 60,7221 56,6204 Rendimento di secondo principio [%] 41,8472 42,1988 40,5537 43,2051 39,2779 43,3796 CONFIGURAZIONE B: l utilizzo del gas naturale come combustibile fa sì che diminuiscano le perdite connesse alla combustione, poiché il gas naturale ha un potere calorifico maggiore del carbone, quindi serve un minor preriscaldamento dell aria, che inoltre viene utilizzata in quantità quasi stechiometrica. Inoltre si ha una diminuzione delle perdite al camino, poiché i fumi vengono scaricati a temperatura minore. Le altre perdite rimangono pressoché invariate, per questo motivo il ciclo con configurazione B ha rendimento leggermente superiore. CONFIGURAZIONE C: L aumento della pressione di condensazione e quindi anche della temperatura di condensazione fa aumentare notevolmente le irreversibilità del condensatore, che sono proporzionali ad essa. Le perdite per compressione ed espansione diminuiscono leggermente, poiché diminuisce il rapporto di compressione, ma tale diminuzione è irrilevante in confronto all aumento descritto. Per questo motivo si ha un rendimento peggiore rispetto al caso base. CONFIGURAZIONE D: Aumentando la temperatura del vapore si hanno due principali effetti: diminuisce il T di scambio termico fittizio tra fumi e temperatura massima, con conseguente diminuzione dell irreversibilità dovuta a tale processo; aumenta invece il T di scambio termico tra la temperatura massima e la temperatura media del vapore, e ciò crea un aumento dell irreversibilità del processo. Complessivamente però la perdita dovuta all introduzione di calore nel ciclo diminuisce, e permette alla configurazione C di guadagnare quasi un punto e mezzo rispetto alla A. CONFIGURAZIONE E: Diminuendo il numero di rigeneratori è facilmente intuibile come il rendimento di secondo principio peggiori; l acqua di alimento infatti arriva all economizzatore con una temperatura inferiore, e necessita quindi di più calore per raggiungere la temperatura massima del vapore. Così facendo aumentano le perdite dovute all introduzione di calore nel ciclo. Il rendimento di questa configurazione è inferiore al caso A di più di due punti percentuali. CONFIGURAZIONE F: Aumentando il numero di risurriscaldamenti si ha un aumento della temperatura media con cui il vapore scambia con l ipotetica sorgente a temperatura massima, con conseguente diminuzione delle irreversibilità dovute a tale processo. Inoltre l espansione in turbina migliora perché aumenta il titolo di vapore allo scarico, facendo diminuire le perdite di rendimento. Tale configurazione ha un rendimento di secondo principio di quasi due in più rispetto al ciclo A. Possiamo quindi affermare che per avere un rendimento maggiore le soluzioni da seguire sono due, ovvero un aumento della temperatura massima del vapore, che però è limitata dai limiti tecnologici sui materiali che devono resistere ad alte temperature e alte pressioni; inoltre la scelta di materiali più resistenti implica un costo di realizzazione maggiore. La seconda soluzione è la presenza di due risurriscaldatori anziché uno, in modo tale da aumentare la temperatura media del vapore che assorbe calore; anche tale scelta implica un aumento dei costi di realizzazione a causa della maggiore complessità dell impianto. Per quanto riguarda i rigeneratori, un maggior numero porta ad un maggiore rendimento; anche in questo caso però la scelta si deve basare, oltre che sull aspetto prestazionale, anche sull aspetto economico. 2
Analizziamo ora nel dettaglio le caratteristiche della configurazione A, di cui riportiamo prima di tutto lo schema d impianto: Riportiamo poi i diagrammi di Sankey in ordine rispettivamente di primo e di secondo principio: 3
Grazie ai diagrammi di Sankey è possibile avere una visione immediata e rappresentativa dei risultati delle analisi di primo e di secondo principio. Una cosa che salta subito all occhio osservando i due diagrammi è che nell analisi di primo principio le perdite al condensatore sono molto consistenti, mentre nell analisi di secondo principio risultano poco influenti. Il motivo è che la potenza scambiata nel condensatore è piuttosto alta, ma la temperatura di condensazione è prossima alla temperatura ambiente, ovvero del pozzo di calore (o stato morto). Ora vogliamo rappresentare il diagramma T-Q per i rigeneratori di alta pressione: 525,00 500,00 475,00 450,00 425,00 400,00 375,00 350,00 325,00 300,00 275,00 Acqua alimento surr.5 surr. 6 surr. 7 surr 8 250,00 225,00 200,00 175,00 150,00 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 4
Sottolineiamo che la portata di vapore nel rigeneratore 8 è maggiore rispetto a quella degli altri, poiché il vapore che condensa in questo rigeneratore poi va in cascata negli altri. Come conseguenza il vapore nel rigeneratore 8 ha capacità maggiore, quindi la retta di desurriscaldamento ha inclinazione minore. Infine riportiamo nel piano h-s la linea di espansione: Gli ultimi stadi hanno rendimenti maggiori poiché si effettua il cross-over, ovvero di divide il flusso in più flussi paralleli, in modo tale da suddividere la portata volumetrica e mantenere dei rapporti tra portata volumetrica in uscita e in ingresso non troppo elevati, altrimenti si dovrebbero avere variazioni di diametro eccessive con conseguente riduzione del rendimento. 5