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Corso diCorso diCorso di Corso di IMPIANTI di CONVERSIONE IMPIANTI di CONVERSIONE
d ll’ENERGIAd ll’ENERGIAdell’ENERGIAdell’ENERGIA
L’ i f ti t f i i d i fi liL’ i f ti t f i i d i fi liL’energia, fonti, trasformazioni ed usi finaliL’energia, fonti, trasformazioni ed usi finaliImpianti a vaporeImpianti a vaporeI t i diI t i diI generatori di vaporeI generatori di vaporeImpianti turbogasImpianti turbogasCicli combinati e cogenerazioneCicli combinati e cogenerazioneIl mercato dell’energiaIl mercato dell’energia
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Corso diCorso diCorso di Corso di IMPIANTI di CONVERSIONE IMPIANTI di CONVERSIONE
d ll’ENERGIAd ll’ENERGIAdell’ENERGIAdell’ENERGIA
L’ i f ti t f i i d i fi liL’ i f ti t f i i d i fi liL’energia, fonti, trasformazioni ed usi finaliL’energia, fonti, trasformazioni ed usi finaliImpianti a vaporeImpianti a vaporeI t i diI t i diI generatori di vaporeI generatori di vaporeImpianti turbogasImpianti turbogasCicli combinatiCicli combinati e cogenerazionee cogenerazioneIl mercato dell’energiaIl mercato dell’energia
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CC
C T U
Gruppo turbogas
Caldaia a recuperotoppingIl ciclo combinato gas Il ciclo combinato gas -- vapore rappresenta oggi vapore rappresenta oggi indiscutibilmente la migliore tecnologia per la indiscutibilmente la migliore tecnologia per la produzione di energia elettrica da gas naturale,produzione di energia elettrica da gas naturale,Gruppo turbogasproduzione di energia elettrica da gas naturale, produzione di energia elettrica da gas naturale, in termini di efficienza, di emissioni e di costi in termini di efficienza, di emissioni e di costi sia di investimento che operativi.sia di investimento che operativi.
T UNell’ultimo decennio è stato protagonista di una Nell’ultimo decennio è stato protagonista di una vera e propria rivoluzione nel settore dell’industria vera e propria rivoluzione nel settore dell’industria termoelettrica spodestando le centrali a vapore daltermoelettrica spodestando le centrali a vapore dal
Gruppo avaporebottoming
termoelettrica, spodestando le centrali a vapore dal termoelettrica, spodestando le centrali a vapore dal ruolo praticamente monopolistico finora detenuto.ruolo praticamente monopolistico finora detenuto.
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Il problema da affrontare consiste in:
recuperare nel modo più efficiente possibile il calore disponibile in una sorgente gassosa la cui temperatura diminuisce quando si estrae calore;
cedere il calore non convertito in energia meccanica ad un pozzo di calorecedere il calore non convertito in energia meccanica ad un pozzo di calore a temperatura costante (l’ambiente)
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Il problema da affrontare consiste in:
recuperare nel modo più efficiente possibile il calore disponibile in una sorgente gassosa la cui temperatura diminuisce quando si estrae calore;
cedere il calore non convertito in energia meccanica ad un pozzo di calorecedere il calore non convertito in energia meccanica ad un pozzo di calore a temperatura costante (l’ambiente)
T Tma
xx
La forma triangolare permette :
di acquisire e cedere calore sotto differenze di t t ll Trasformazione didi temperatura nulle
di sottrarre ai gas tutto il calore disponibile raffreddandoli fino a T0
Trasformazione di raffreddamento
Ciclo
S
T0
operare co compressione ed espansione reversibili
Temperatura ambiente
reversibile
STemperatura ambiente
8
Per un ciclo reversibile
Tma
x
Th
x
Ciclo Con gas ideale
Rendimento
S
T0
reversibile Rendimentodi un ciclo di Carnot
ss0
h0
S
Temperatura media logaritmica tra T e T0
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Per un ciclo reversibile
Nel caso reale si produrrà un lavoro W inferiore:
Con gas idealeRendimentoRendimentodi un ciclo di Carnot
Temperatura media logaritmica tra T e T0
Fattore di recupero
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recupero
Per un ciclo reale
Purtroppo nella pratica non esisterà un gas che è capace di assorbire calore a temperatura costante e poi cederne una parte a temperatura costante condensando.
E’ interessante verificare come si comporta un ciclo di Carnot:
Tma
x
TΔSA: il fluido di lavoro si riscalda a temperatura costante
E interessante verificare come si comporta un ciclo di Carnot:
x
ΔSB : i gas non si possono raffreddare sino a T0
ΔSATe
Il rendimento di Recupero dipenderà ovviamente da Te
Si può dimostrare che il massimo rendimento si ha con:
S
T0
ΔSB
Esempio: T=500 °C e T0 =15 °CS0
η = 0,3895 κ = 0,6209 ηI = 0,2419
Contro ηR =0,4136
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Contro ηR 0,4136
Per un ciclo reale
Si possono utilizzare più cicli di Carnot, partendo da due
Tma
x
T
x
Te
S
T0
S
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Per un ciclo reale
Si possono utilizzare più cicli di Carnot, partendo da due
sino ad arrivare a più livelli Nell’esempio precedente il rendimento passa a 0 3056 con due livelli
Tma
x
T
•0,3056 con due livelli•0,3349 con tre livelli di espansione.
x
Te
S
T0
S
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Per un ciclo reale
Si possono utilizzare più cicli di Carnot, partendo da due
sino ad arrivare a più livelli Nell’esempio precedente il rendimento passa a 0 3056 con due livelli•0,3056 con due livelli
•0,3349 con tre livelli di espansione.
Per potersi avvicinare al ciclo reversibile si può utilizzare: Per non ricorrere a pressioni eccessive si può utilizzarep
un ciclo a vapore, che condensi a temperatura costante, ma con una evaporazione
d i
Per non ricorrere a pressioni eccessive si può utilizzare l’ammoniaca che ha una temperatura critica di 132,4°C
ma presenta notevoli problemi di sicurezza
ad una pressione certamente ipercritica
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Per un ciclo reale
Si possono utilizzare più cicli di Carnot, partendo da due
sino ad arrivare a più livelli Nell’esempio precedente il rendimento passa a 0 3056 con due livelli•0,3056 con due livelli
•0,3349 con tre livelli di espansione.
Per potersi avvicinare al ciclo reversibile si può utilizzare: p
un ciclo a vapore, che condensi a temperatura costante, ma con una evaporazione
d iad una pressione certamente ipercritica
oppure un gas che si riscalda lungo una isobaraun gas che si riscalda lungo una isobara, si espande seguendo una adiabatica isoentropica e poi si segua una trasformazione di compressione paraisoterma composta da “numerose” compressioni ed interrefrigerazioni
Entrambe le soluzioni si presentano difficilmente praticabili
numerose compressioni ed interrefrigerazioni
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difficilmente praticabili
Potenzialità dei cicli combinati
Se si suppone che il ciclo bottoming operi recuperando il solo calore disponibile nei gas di scarico del turbogas (UNFIRED):
Rendimento del ciclo di recupero
Rendimento Potenza termica dispersa in fonti
di d i dinetto della turbogas
Potenza termica disponibile nei gas
di scarico
diverse dai gas di scarico
Nel caso studiato didi scarico Nel caso studiato di Tsc = 599,7 °C e T0 =15 °C con ηGT =0,3555 e ξ = 0,0144 si ha ηCC = 0,6415 ipotizzando ηr reversibileηCC , p ηr
in pratica si vedrà tale valore scendere a 0,57
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LA CALDAIA A RECUPERO
CC
C T U
Gruppo turbogas
topping
Gruppo turbogas
T U
Gruppo avaporebottoming
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LA CALDAIA A RECUPERO
CC
C T U
Gruppo turbogas
topping
Gruppo turbogas
T U
Gruppo avaporebottoming
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LA CALDAIA A RECUPERO
CC
C T U
Gruppo turbogasGruppo turbogas
T
500
T[K]400 Raffreddamento
T U°C400
300
del gas
economizzatore
Gruppo avapore200
100
preriscaldamento
190
0 20 40 60 80 100%Potenza termica scambiata
LA CALDAIA A RECUPERO
CC corpo cilindrico
C T U
Gruppo turbogasGruppo turbogas
TRaffreddamento
500
T[K]400
T U°C
del gas
economizzatore
400
300
Gruppo avapore200
preriscaldamento100
200 20 40 60 80 100%Potenza termica scambiata
0
LA CALDAIA A RECUPERO
CC corpo cilindrico
C T U
Gruppo turbogas500 Gruppo turbogas
TRaffreddamento surriscaldatore
500
T[K]400
T U°C
del gas
economizzatore
evaporatore
300
Gruppo avapore
evaporazione
200
preriscaldamento
surriscaldamento100
210 20 40 60 80 100%Potenza termica scambiata
0
LA CALDAIA A RECUPERO
CC corpo cilindricoΔTap approach point chè il minimo valore del salto termico tra il gas entrante ed il vapore surriscaldato
C T U
Gruppo turbogas
p
Gruppo turbogas
TRaffreddamento surriscaldatore
500
T[K]400
T U°C
del gas
economizzatore
evaporatore400
300
Gruppo avapore
evaporazione200
preriscaldamento
surriscaldamento100
220 20 40 60 80 100%Potenza termica scambiata
0
LA CALDAIA A RECUPERO
CC corpo cilindricoΔTap approach point chè il minimo valore del salto termico tra il gas entrante ed il vapore surriscaldato
C T U
Gruppo turbogas
p
Gruppo turbogas
TRaffreddamento surriscaldatore
500
T[K]400
T U°C
del gas
economizzatore
evaporatore400
300
Gruppo avapore
evaporazione200
preriscaldamento
surriscaldamento100
230 20 40 60 80 100%Potenza termica scambiata
0
LA CALDAIA A RECUPERO
CC corpo cilindricoΔTap approach point chè il minimo valore del salto termico tra il gas entrante ed il vapore surriscaldato
C T U
Gruppo turbogas
p
Gruppo turbogas
TRaffreddamento surriscaldatore ΔTpp pinch-point è il minimo valore del
500
T[K]400
T U°C
del gas
economizzatore
evaporatorepp p psalto tra la temperatura del gas uscente
dal banco degli evaporatori e la temperatura di evaporazione
400
300
Gruppo avapore
evaporazione ΔTsc subcooling è il valore del salto tra la temperatura di
200
preriscaldamento
surriscaldamentosalto tra la temperatura di
evaporazione e quella dell’acqua uscente dall’economizzatore
100
240 20 40 60 80 100%Potenza termica scambiata
0
LA CALDAIA A RECUPERO
CC corpo cilindricoΔTap approach point chè il minimo valore del salto termico tra il gas entrante ed il vapore surriscaldato
ΔTap approach-point e ΔTpp pinch-point stabiliscono delle differenze di temperatura che stanno alla base del progetto termico della caldaia,
C T U
Gruppo turbogas
p p g
ΔTsc subcooling è necessario ad evitare rischi di inizio evaporazione nei tubi dell’economizzatore che comporterebbe un blocco temporaneo della portata a Gruppo turbogas
TRaffreddamento surriscaldatore ΔTpp pinch-point è il minimo valore del
p p pcausa dell’aumento di volume del vapore500
T[K]400
T U°C
del gas
economizzatore
evaporatorepp p psalto tra la temperatura del gas uscente
dal banco degli evaporatori e la temperatura di evaporazione
400
300
Gruppo avapore
evaporazione ΔTsc subcooling è il valore del salto tra la temperatura di
200
preriscaldamento
surriscaldamentosalto tra la temperatura di
evaporazione e quella dell’acqua uscente dall’economizzatore
100
0
250 20 40 60 80 100%Potenza termica scambiata
0
LA CALDAIA A RECUPERO
corpo cilindricoΔTap approach-point e ΔTpp pinch-point stabiliscono delle differenze di temperatura che stanno alla base del progetto termico della caldaiastanno alla base del progetto termico della caldaia,
ΔTsc subcooling è necessario ad evitare rischi di inizio evaporazione nei tubi dell’economizzatore che comporterebbe un blocco temporaneo della portatacomporterebbe un blocco temporaneo della portataa causa dell’aumento di volume del vapore
ΔT pinch-point ΔT approach-point ΔT subcoolingCaso base:ΔT pp 10°C
PrestazioniΔT pp=10°CΔT ap=25°CΔT sc=10°C
5°C 20°C 10°C 50°C 0°C 20°C
P el. (MWel) 65,20 66,52(+2%)
62,62( 4%)
65,66(+0 7%)
64,46( 1 1%)
66,46(+1 9%)
64,03( 1 8%)(+2%) (-4%) (+0,7%) (.1,1%) (+1,9%) (-1,8%)
Qv (kg/s) 67,19 68,49 64,58 66,32 68,70 68,44 66,00Tfu (°C) 147,0 140,5 160,1 148,0 145,3 140,7 153,0U .A (W/K) 3349 3971 2670 3496 3266 3742 3129( )
La riduzione del ΔTpp incrementa la Potenza ma richiede Ottimizzazione t i i
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anche un forte aumento della superficie di scambio (U.A) tecnico-economica
LA CALDAIA A RECUPERO ASPETTI PROGETTUALI
Otti i i d l ΔT P di il t di d li lli di i ll diOttimizzazione del ΔTppPrendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli di pressione a valle di un gruppo TG che scarica 300 MW a circa 473°C; in esso si ha che, al variare del ΔTpp, la potenza elettrica ed il prodotto di coefficiente globale di scambio e superficie di scambio, assumono i valori:
ΔTPP = 5°C Pel = 74.764 MW U . A = 6673 kW/KΔTPP = 10°C Pel = 73.461 MW U . A = 5434 kW/KΔTPP = 15°C Pel = 72.144 MW U . A = 4684 kW/K
ΔTPP crescente …………….Pel si riduce …………….. le dimensioni si riducono(aumenta la perdita di energia)(aumenta la perdita di energia)
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LA CALDAIA A RECUPERO ASPETTI PROGETTUALI
Otti i i d l ΔT P di il t di d li lli di iOttimizzazione del ΔTpp Prendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli di pressione a valle di un gruppo TG che scarica 300 MW a circa 473°C; in esso si ha:
ΔTPP = 5°C Pel = 74.764 MW UA = 6673 kW/KΔTPP = 10°C Pel = 73.461 MW UA = 5434 kW/KΔTPP = 15°C Pel = 72.144 MW UA = 4684 kW/K
ΔTPP crescente …………….Pel si riduce …………….. le dimensioni si riducono(aumenta la perdita di energia)(aumenta la perdita di energia)
800
700
Δ costo annuo
700
600
500
k€ 400
300
200
100
0
28
0ΔTPP = 5 °C 7,5 10 12,5 15
LA CALDAIA A RECUPERO ASPETTI PROGETTUALI
Otti i i d l ΔT P di il t di d li lli di iOttimizzazione del ΔTpp Prendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli di pressione a valle di un gruppo TG che scarica 300 MW a circa 473°C; in esso si ha:
ΔTPP = 5°C Pel = 74.764 MW UA = 6673 kW/KΔTPP = 10°C Pel = 73.461 MW UA = 5434 kW/KΔTPP = 15°C Pel = 72.144 MW UA = 4684 kW/K
ΔTPP crescente …………….Pel si riduce …………….. le dimensioni si riducono(aumenta la perdita di energia)(aumenta la perdita di energia)
800
700
Δ costo annuo
700
600
500
k€ 400
300
Δ costo HRSG
200
100
0
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0ΔTPP = 5 °C 7,5 10 12,5 15
LA CALDAIA A RECUPERO ASPETTI PROGETTUALI
Otti i i d l ΔT P di il t di d li lli di iOttimizzazione del ΔTpp Prendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli di pressione a valle di un gruppo TG che scarica 300 MW a circa 473°C; in esso si ha:
ΔTPP = 5°C Pel = 74.764 MW UA = 6673 kW/KΔTPP = 10°C Pel = 73.461 MW UA = 5434 kW/KΔTPP = 15°C Pel = 72.144 MW UA = 4684 kW/K
ΔTPP crescente …………….Pel si riduce …………….. le dimensioni si riducono(aumenta la perdita di energia)(aumenta la perdita di energia)
800
700
Con esse si riducono anche le dimensioni di tutto l’impianto
Δ costo annuo
700
600
500
k€ 400
300
Δ costo HRSG
200
100
0
Δ costo impianto
30
0ΔTPP = 5 °C 7,5 10 12,5 15
LA CALDAIA A RECUPERO ASPETTI PROGETTUALI
Otti i i d l ΔT P di il t di d li lli di iOttimizzazione del ΔTpp Prendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli di pressione a valle di un gruppo TG che scarica 300 MW a circa 473°C; in esso si ha:
ΔTPP = 5°C Pel = 74.764 MW UA = 6673 kW/KΔTPP = 10°C Pel = 73.461 MW UA = 5434 kW/KΔTPP = 15°C Pel = 72.144 MW UA = 4684 kW/K
ΔTPP crescente …………….Pel si riduce …………….. le dimensioni si riducono(aumenta la perdita di energia)(aumenta la perdita di energia)
800
700
Con esse si riducono anche le dimensioni di tutto l’impianto
Δ costo annuo
700
600
500
k€ 400
300
Δ costo HRSG Δ costo mancataproduzione el.
200
100
0
Δ costo impianto
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0ΔTPP = 5 °C 7,5 10 12,5 15
LA CALDAIA A RECUPERO ASPETTI PROGETTUALI
Otti i i d l ΔT P di il t di d li lli di iOttimizzazione del ΔTpp Prendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli di pressione a valle di un gruppo TG che scarica 300 MW a circa 473°C; in esso si ha:
ΔTPP = 5°C Pel = 74.764 MW UA = 6673 kW/KΔTPP = 10°C Pel = 73.461 MW UA = 5434 kW/KΔTPP = 15°C Pel = 72.144 MW UA = 4684 kW/K
ΔTPP crescente …………….Pel si riduce …………….. le dimensioni si riducono(aumenta la perdita di energia)(aumenta la perdita di energia)
800
700
Con esse si riducono anche le dimensioni di tutto l’impiantoΔ costo totale
Δ costo annuo
700
600
500ottimo
k€ 400
300
Δ costo mancataproduzione el.
Δ costo HRSG
200
100
0
Δ costo impianto
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0ΔTPP = 5 °C 7,5 10 12,5 15
Valore ottimale di ΔTPP circa 8 °C
LA CALDAIA A RECUPERO ASPETTI PROGETTUALI
Otti i i d l ΔT P di il t di d li lli di iOttimizzazione del ΔTpp Prendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli di pressione a valle di un gruppo TG che scarica 300 MW a circa 473°C; in esso si ha:
ΔTPP = 5°C Pel = 74.764 MW UA = 6673 kW/KΔTPP = 10°C Pel = 73.461 MW UA = 5434 kW/KΔTPP = 15°C Pel = 72.144 MW UA = 4684 kW/K
ΔTPP crescente …………….Pel si riduce …………….. le dimensioni si riducono(aumenta la perdita di energia)(aumenta la perdita di energia)
800
700
Con esse si riducono anche le dimensioni di tutto l’impiantoΔ costo totale
Δ costo annuo
700
600
500ottimo
Successivamente si dimensionano le sezioni trasversali di passaggio
del gas di scarico
k€ 400
300
Δ costo mancataproduzione el.
Δ costo HRSGIl tipo di circolazione nel banco
di evaporazione200
100
0
Δ costo impianto Il collocamento del degasatore
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0ΔTPP = 5 °C 7,5 10 12,5 15
Valore ottimale di ΔTPP circa 8 °C