Cicli combinati - Introduzione

Cicli combinati - Introduzione Pag.

Cicli combinati - Introduzione L'attuale diffusione degli impianti con turbina a gas è dovuta anche ai cicli combinati gas-vapore, nei quali si recupera il calore sensibile dei gas di scarico del turbogas, portandoli al camino a temperature prossime a quella atmosferica. La constatazione della vicinanza dei livelli di temperatura dei gas di scarico della turbina a gas con quelli massimi tipici degli impianti a vapore ( 500 600 C) porta a considerare la possibilità di combinare in serie i due impianti. Ciò non comporta modifiche sostanziali nei cicli di riferimento; da un punto di vista tecnologico non si richiedono consistenti modifiche o innovazioni. Il problema del perfezionamento delle prestazioni é legato al trasferimento di calore fra due fluidi con comportamenti diversi rispetto alla variazione di temperatura determinata dallo scambio di calore (gas perfetto e fluido con transizione di fase). Pag. 2

A fianco é rappresentato lo schema e il diagramma -s di un ciclo combinato gas-vapore a recupero ( Unfired ), ovvero basato sul solo recupero del calore sensibile dei gas di scarico della turbina a gas. Il ciclo urbogas viene denominato opper o ciclo sovrapposto Il ciclo a vapore viene denominato Bottomer o ciclo sottoposto Cicli combinati Unfired C m A 2 CC m F 3 G 4 S m G e HRSG c d b P S a S COND m S f S Le entropie sono opportunamente scalate, nei due cicli, in modo che risultino corrispondenti i calori scambiati, (aree sottese alle trasformazioni) Pag. 3

Cicli combinati Unfired/Fired - Rendimento Fired Q Unfired Q η W = ; Q 2 = Q ( Q η ) W W FIRED UNFIRED Q E 2 Q 2 W 2 2 Q 2 W 2 η 2 ε = = Q 2 Q E Q W2 + ε Q η 2 = W Q 2 2 Q 3 Q 3 η CC η η η2 = + η2 + ε + ε η CC = η + η2 η η2 Formule elementari per il calcolo del rendimento di un ciclo combinato Pag. 4

Cicli combinati Rendimento caldaia a recupero H R S G 2 Q Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 W W 2 E necessario considerare nell impianto la caldaia a recupero (HRSG), che non consente il trasferimento di tutto il calore Q 2 all impianto a vapore, rilasciandone una certa frazione all ambiente con la portata al camino. Il rendimento della caldaia a recupero risulta e per il caso unfired: η com η = η + η HRSG Il rendimento dell'impianto combinato dipende dal prodotto dei rendimenti di caldaia a recupero e ciclo sottoposto η HRSG *η 2. Le temperature di scarico delle turbine a gas variano entro i 400-600 C e la temperatura st al camino tende a 50-90 C, quindi il valore di η cr si situa attorno a 0.7-0.8. = Q Q emperatura al camino = / 4 3 2 4 η η η η HRSG 2 2 HRSG st Pag. 5

Cicli combinati Monopressione - Ottimizzazione 4 appr SH p B > p A sb pinch pinch stb Per migliorare η HRSG bisogna abbassare la temperatura al camino st, ovvero: eliminare la rigenerazione interna al ciclo a vapore (spillamenti), che condurrebbe acqua preriscaldata al generatore di vapore; l acqua deve arrivare direttamente dal condensatore, con a_in più bassa possibile 0% sa Surface or Heat 00% sta a_in adottare valori molto contenuti di pinch (differenza di temperatura al Pinch Point). scegliere bassi valori della pressurizzazione del ciclo sottoposto, in modo da avere una temperatura di saturazione più bassa. Pag. 6 Basse pressioni del vapore determinano però rendimenti η 2 contenuti per il ciclo a vapore; il recupero di calore è esteso, ma il suo utilizzo è inefficiente. Per massimizzare il prodotto η HRSG η 2, si ricorre al frazionamento in più livelli di pressione della transizione di fase, contenendo le irreversibilità nello scambio termico.

Cicli combinati Repowering Gli interventi di ripotenziamento di impianti esistenti mediante turbine a gas, ( Repowering ) risultano particolarmente interessanti perché consentono di incrementare sia il rendimento che la potenza. Esistono varie possibilità di repowering: Interventi che prevedono la modifica della caldaia dell impianto a vapore, con un sostanziale apporto di combustibile nella stessa (ciclo combinato fired) Repowering sull acqua di alimento: eliminazione degli spillamenti delle sezioni di preriscaldo dell acqua di alimento, alimentate dall uso dei gas di scarico della turbina. Repowering sull aria comburente: alimentazione diretta della caldaia, tramite i gas di scarico caldi della turbina, che contengono ancora una notevole quantità di ossigeno (circa 5%) (rendimento + 5-7%). Il Repowering sull acqua di alimento consente di collocare il gruppo turbogas a distanze ragionevoli dall impianto a vapore (00-300m); nel caso di repowering sull aria comburente, la notevole portata dei gas di scarico del turbogas deve essere immessa direttamente in caldaia (il turbogas deve essere adiacente alla caldaia) Interventi di sostituzione della caldaia con caldaia a recupero unfired, con incrementi di potenza e rendimento elevati Diventa necessario modificare la turbina a vapore. La situazione più comune è il Repowering sull acqua di alimento. Pag. 7

Cicli combinati - Esempi di Repowering (Acqua alimento) Intervento di preriscaldo acqua alimento su semplice ciclo a vapore Intervento di sostituzione della linea rigenerativa acqua alimento di alta pressione su impianto a vapore rigenerativo. Pag. 8

Cicli combinati - Gassificatori Un altro sviluppo del ciclo combinato riguarda la possibilità di utilizzare combustibili solidi, o, comunque non pregiati, in un impianto basato sulla turbina a gas. Si adotta un processo di gassificazione in condizioni pressurizzate, realizzando un impianto IGCC (Integrated Gassifier Combined Cycle). I combustibili utilizzabili vanno dai residui della distillazione del petrolio al carbone, fino alle biomasse ed al combustibile derivato da rifiuti (CDR). La gassificazione del combustibile consente una consistente riduzione delle emissioni inquinanti rispetto alla combustione diretta. La gassificazione é un importante risorsa strategica, nella prospettiva di dover ricorrere all uso di combustibili alternativi al petrolio. Le caratteristiche del gas di sintesi prodotto della gassificazione dipendono dalle proprietà del combustibile (potere calorifico, composizione) e dal processo adottato (impiego di aria o ossigeno, con o senza uso di vapore) Pag. 9

Cicli combinati - IGCC Ciclo combinato con gassificazione integrata IGCC Nel Nord America esistono IGCC da carbone già attivi da diversi anni In Europa ed in Italia si sono recentemente diffusi impianti con gassificazione di residui di raffineria (SARLUX, AGIP Ragusa, ) Nella maggior parte dei casi, l integrazione tra Gassificatore e Ciclo combinato è molto più estesa rispetto a questo esempio. Ciò risulta necessario per ottenere un rendimento complessivo elevato (45 50%). Pag. 0

Cicli combinati - Caratteristiche delle Caldaie a Recupero Nella caldaia a recupero (nel caso di ciclo combinato completamente a recupero) lo scambio termico avviene per convezione, a differenza della caldaia tradizionale, dove la trasmissione del calore è per irraggiamento e convezione. Parametro HRSG Caldaia tradizionale Portata dei gas [t/h/mw] 7-28 7-0 Superfici scambio [m 2 /MW] 800-60 - 80* 300 Volume caldaia [m 3 /MW] 70-00 50-65* Nota: MW relativi alla potenza erogata dalla turbina a vapore. * = preriscaldatori d aria esclusi. La post-combustione nell HRSG non altera tali condizioni, perché la temperatura massima è limitata (750-800 C) in quanto conviene che il ciclo combinato operi principalmente a recupero. Acqua di alimento 60 C Vapore 500 C Gas esausti 530 C ECO EVA SH 60 C Vapore 500 C Aria e combustibile SH 00 C EVA 500 C Acqua 50 C ECO 400 C Gas di scarico HRSG a circolazione assistita senza postcombustione ad un livello di pressione Caldaia tradizionale a circolazione naturale Pag.

Cicli combinati Caratteristiche dei turbogas Le prestazioni di caldaia a recupero e ciclo bottomer dipendono molto dalla temperatura di scarico ( 4 ) della turbina a gas; 4 aumenta con la temperatura massima max = 3 del turbogas; diminuisce al crescere di β. E opportuno pertanto limitare il rapporto di compressione della turbina a gas. In generale si adotta β = 0-20; in alternativa si può ricorrere a turbogas con postcombustione (ABB G24/26) o alla postcombustione diretta nella caldaia a recupero. Il rendimento del ciclo combinato presenta un massimo per un preciso valore del rapporto di compressione ß; il valore del massimo risulta superiore per bassi valori di ß ed elevate pressurizzazioni del bottomer p B. Rendimenti dell'ordine del 46-48 % sono raggiungibili con le odierne tecnologie, su impianti di taglia unitaria contenuta (20-200 MWe). Pag. 2

Cicli combinati - HRSG La transizione di fase acqua-vapore comporta un tratto di trasformazione isoterma che introduce, in alcune zone della caldaia, forti differenze di temperatura fra i due fluidi (gas ed acqua/vapore) Riferendosi alla figura (caldaia ad un solo livello di pressione), al raggiungimento delle condizioni di saturazione dell acqua, si ottiene la minima differenza di temperatura fra i gas e l acqua stessa. PP (Pinch Point); un altro punto caratteristico è rappresentato dalla differenza di temperatura fra gas e vapore denominata Approach AP. La presenza di un modesto sottoraffreddamento (D cd =5-5 C) all ingresso del corpo evaporatore è necessaria per eliminare i rischi di evaporazione prematura nei fasci tubieri dell economizzatore. st η HRSG approach point sottoraffreddamento = Q Q = / 4 3 2 4 st 4 Pag. 3

Cicli combinati - HRSG - emperature Il valore minimo della differenza di temperatura al pinch point si situa in genere tra i 0 e i 5 C La temperatura 4 dei gas di scarico delle turbine a gas é in genere nella fascia 500-550 C; Lo sviluppo delle turbine a gas per uso terrestre, specificamente destinate ad applicazioni in cicli combinati, ha portato in alcuni casi a superare i 600 C allo scarico, con riflessi positivi sul rendimento della caldaia a recupero e sul rendimento complessivo del ciclo combinato sottoraffreddamento approach point Pag. 4

4 appr SH 0% Ciclo combinato monopressione - Bilancio HRSG Approach appr e pinch sono i dati di ingresso per il bilancio energetico, che deve essere condotto per la sola zona precedente il PP in modo da determinare m v : m g c pg ( 4 - pinch ) = m v [ h SH (p v, 4 - appr ) - h L (p v, s )] SH VAP ECO X s pinch Surface or Heat L = Liq. saturo pinch 00% st a_in Incognita La temperatura dei gas al camino st - una volta determinata m v - risulta dal bilancio dell ECO: m g c pg ( pinch - st ) = m v [h L (p v, st )-h a (p v, a_in )] L = Liq. saturo Il bilancio globale della caldaia non é direttamente utilizzabile, in quanto in un unica equazione sarebbero presenti 2 incognite m v e st. La pressione del circuito acqua-vapore è generalmente compresa tra i 30 e i 70 bar. La caldaia monopressione non garantisce un efficiente recupero del calore; la temperatura al camino di solito non scende sotto i 70 C. Il rendimento del ciclo combinato risulta < 50%. Pag. 5

Ciclo combinato ad un livello di pressione Considerati i valori moderati della pressurizzazione, le caldaie sono del tipo con evaporatore a corpo cilindrico, e circolazione naturale od assistita. Pag. 6

Pag. 7 Cicli combinati - HRSG a due livelli di pressione L efficienza del ciclo può essere migliorata utilizzando una caldaia a due livelli di pressione. L acqua entra in caldaia a recupero a due livelli di pressione distinti: un circuito di bassa pressione (5-0 bar) ed un circuito ad alta pressione (70-00 bar). Il vapore prodotto nell HRSG viene inviato a due sezioni distinte della turbina. Alla turbina di bassa pressione arriva anche la portata di scarico della turbina di alta pressione L impianto in questo caso è più costoso, perché la caldaia a recupero è più complessa, ma si ottengono rendimenti maggiori perché il recupero del calore è migliore. La ripartizione delle due portate m AP e m BP é determinata dal bilancio della caldaia e dalla scelta dei livelli di pressione

Andamento delle temperatura di gas e acqua/vapore nelle diverse tipologie di HRSG Caldaia I livello L area compresa fra le curve si riduce nel due livelli Caldaia II livelli La portata di vapore di bassa pressione è sensibilmente ridotta La temperatura al camino è più bassa nel due livelli Q Il surriscaldamento di bassa pressione può essere eliminato per facilitare il controllo del ciclo a vapore Q Pag. 8

Ciclo combinato a tre livelli di pressione Negli HRSG a tre livelli di pressione la pressione massima si attesta su valori dell ordine di 80-200 bar. Il rendimento dell impianto aumenta perché si recupera maggiormente il calore dai gas di scarico; la temperatura dei gas al camino risulta molto bassa, con valori prossimi ai 00 C Si usa necessariamente gas naturale come combustibile per evitare condense acide; inoltre, materiali anticorrosione per il tratto terminale della caldaia. Ciclo combinato tre livelli di pressione con risurriscaldamento (Reheat) E la configurazione che conduce al massimo rendimento, adatta per grandi impianti Pag. 9

Ciclo combinato a tre livelli di pressione + reheat Il vapore in uscita dalla turbina di alta pressione viene riunito alla portata in uscita dall evaporatore di media pressione, risurriscaldato (SH2) e poi inviato alla turbina di media pressione. Pag. 20

Esempio di ciclo a tre livelli di pressione+ Reheat (Nuovo Pignone GE) Pag. 2