Post on 09-Feb-2017
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ANALISI DI DIFFERENTI CICLI A VAPORE A RECUPERO
Di: Alberto Mazzalovo Christian Moretti Lorenzo Rosbuco
Massimiliana Di Placido
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In questa esercitazione ci viene chiesto di confrontare 3 diversi cicli a vapore a recupero che utilizzano il calore dei gas caldi scaricati da una turbina a gas (la stessa nei tre casi) per produrre potenza elettrica, cercando di capire qual è l’alternativa migliore e perché. le caratteristiche dei cicli sono le seguenti:
• caso A: ciclo ad 1 livello di pressione di evaporazione ottimizzata e pari a 31,94 bar; • caso B: ciclo a 2 livelli a 6,3 e 76 bar rispettivamente; • caso C: ciclo a 3 livelli con risurriscaldamento (RH) con pressioni di 3-‐25-‐150 bar.
Punto 1: confronto dei dati richiesti relativi al ciclo a vapore a recupero Utilizzando il programma Turbogas e impostando opportunamente i valori nei 3 casi otteniamo i seguenti risultati:
1 livello 2 livelli 3 livelli+RH
η cv [%] 31,964 31,961 33,980 η rec [%] 24,480 27,270 29,370 η II cv [%] 55,610 61,940 66,720 η rec th [%] 0,766 0,853 0,864
P el netta cv [MW] 94,4 105,2 113,3 T gc camino [°C] 142,6 93,8 87,6 Δη II HRSG [%] 17,605 12,984 9,315 Δη II camino [%] 8,969 3,719 3,193
Si osserva nel caso monolivello una forte irreversibilità di introduzione del calore, che abbassa i rendimenti del ciclo: ciò è spiegabile ricordando le proprietà termodinamiche dell’acqua (molecola semplice, Δh di evaporazione grande) e osservando che il ΔT medio di scambio termico durante l’evaporazione è elevato. L’adozione di più livelli di pressione permette di ridurre tale ΔT medio diminuendo le irreversibilità sia di introduzione del calore che di scarico dei gas combusti (poiché come conseguenza del migliorato scambio termico i gas escono più freddi al camino) e dunque aumentando il rendimento di secondo principio, come si vede dai dati. Inoltre, poiché la potenza termica entrante nel ciclo è maggiore, aumenta il rendimento di recupero termico (a parità di potenza reversibile estraibile dai gas combusti), la potenza elettrica prodotta dal ciclo per la maggior espansione in turbina e dunque il rendimento di recupero termico ( a parità di potenza termica disponibile nei fumi). il rendimento del ciclo vede invece numeratore e denominatore aumentare al crescere del numero di livelli, perciò non mostra una marcata tendenza all’aumento, anzi: dai dati risulta un rendimento del ciclo a 2 livelli circa pari al ciclo monolivello.
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Punto 2: schema d'impianto, punti termodinamici, diagrammi e analisi entropica del ciclo a 3 livelli + RH riportiamo lo schema d’impianto e i dati relativi ai punti del ciclo in questa configurazione (per il calcolo di entalpie ed entropie specifiche abbiamo utilizzato come zero di riferimento il punto triplo dell’acqua, a T = 0,01 °C e p = 0,0061173 bar):
punto ṁ [kg/s] T [°C] p [bar] h [kJ/kg] s [kJ/kg*K] 1 94,12 32,9 0,05 137,256 0,476550 2 94,12 110,2 2 462,68 1,42155 3 1,81 120,2 2 2706,67 7,12755 4 0 232,4 2,16 2935,6 7,60455 5 94,12 120,2 2 505,08 1,53055 6 13,7 123,5 3 519,21 1,56555 7 13,7 133,5 3 561,81 1,67155 8 13,7 133,5 3 2725,06 6,99155 9 13,7 208,9 3 2884,31 7,35055
10 13,7 327,1 3 3125,41 7,79855 11 13,7 350 3 3172,27 7,87455 12 22,28 133,5 25 563,28 1,66955 13 22,28 213,9 25 916,3 2,46055 14 22,28 223,9 25 962,35 2,55455 15 22,28 223,9 25 2801,32 6,25355 16 22,28 327,1 25 3075,75 6,75755 17 79,69 525,3 25 3518,31 7,39555 18 58,14 133,5 150 571,71 1,65755 19 58,14 223,9 150 965,83 2,53155 20 58,14 332,1 150 1534,57 3,56055 21 58,14 342,1 150 1611,39 3,68655 22 58,14 342,1 150 2615,41 5,31855 23 58,14 525,3 150 3381,85 6,43955 24 57,42 299,8 25 3010,3 6,64655 25 94,12 32,9 0,05 2373,3 7,77955
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Riportiamo inoltre i diagrammi Temperatura-‐potenza termica scambiata dell’HRSG in due modalità: la prima (vista dal lato gas combusti) che consente di osservare in quali sezioni vi sono flussi di vapore in parallelo, la seconda (lato vapore) che permette invece di osservare i ΔT punto per punto tra i vari flussi:
legenda: rosso-‐livello AP; verde-‐livello MP; blu-‐livello BP; azzurro-‐degasatore; giallo-‐RH; nero-‐gas caldi;
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In base ai punti del ciclo sopra riportati è possibile tracciare un diagramma temperatura-‐entropia specifica del ciclo:
Infine riportiamo una breve analisi entropica al ciclo a vapore in cui si esplicitano solo i termini principali:
2nd law efficiency (η II) 0,6672 Δη HRSG/rfwh/fwpp 0,09315 Δη turbine expansion 0,07879 Δη condenser reject 0,07272 Δη gas stack reject 0,03193
Δη e/m/th/aux losses 0,04609 Δη mix/ΔP/etc 0,01013
0
100
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10
T [°C]
s [kJ/kg*K]
Diagramma T-‐s ciclo 3 livelli + RH
campana
1 livello
2 livello
3 livello + RH
2nd law efficiency (η II)
67%Δη HRSG/rfwh/fw
pp9%
Δη turbine expansion
8%
Δη condenser reject7%
Δη gas stack reject3%
Δη e/m/th/aux losses5%
Δη mix/ΔP/etc1%
Analisi II principio ciclo 3 livelli + RH
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Conclusioni abbiamo già fatto notare la somiglianza fra il rendimento di I principio del ciclo monolivello e a 2 livelli; Questa è stata la ragione principale dell’insuccesso commerciale dei cicli a 2 livelli: a fronte di un modesto incremento di potenza elettrica e un rendimento di I principio molto simile al monolivello presenta invece costi d’impianto molto superiori, rendendo svantaggiosa la scelta in un’ottimazione tecnico-‐economica. Perciò se si vuole incrementare i rendimenti l’unica scelta economicamente sostenibile è un ciclo a 3 livelli con RH, che presuppone grandissimi investimenti e grandi potenze prodotte, spesso utilizzando più turbine a gas in parallelo che alimentano lo stesso ciclo a vapore; dunque è una soluzione applicabile solo per impianti di grande o grandissima taglia, inadatta ad impianti di media potenza che invece utilizzano il monolivello (spesso frutto di un repowering di una più vecchia centrale a vapore).