Post on 16-Apr-2020
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 li•Origini e sviluppo delle turbogas
L’energia, fonti, trasformazioni ed usi finaliL’energia, fonti, trasformazioni ed usi finaliImpianti a vapore Impianti a vapore I t i diI t i di
•Cicli termodinamici e schemi circuitali
•Possibili varianti del ciclo
•Prestazioni delle turbogasI generatori di vaporeI generatori di vaporeImpianti turbogasImpianti turbogas
Prestazioni delle turbogas
•La regolazione della potenza e l’avviamento
•I componenti delle turbogasCicli combinati e cogenerazioneCicli combinati e cogenerazioneIl mercato dell’energiaIl mercato dell’energia
•Le emissioni delle turbogas
•Il mercato delle turbogas
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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 li•Origini e sviluppo delle turbogas
L’energia, fonti, trasformazioni ed usi finaliL’energia, fonti, trasformazioni ed usi finaliImpianti a vapore Impianti a vapore I t i diI t i di
•Cicli termodinamici e schemi circuitali
••Possibili varianti del cicloPossibili varianti del ciclo
•Prestazioni delle turbogasI generatori di vaporeI generatori di vaporeImpianti turbogasImpianti turbogas
Prestazioni delle turbogas
•La regolazione della potenza e l’avviamento
•I componenti delle turbogasCicli combinati e cogenerazioneCicli combinati e cogenerazioneIl mercato dell’energiaIl mercato dell’energia
•Le emissioni delle turbogas
•Il mercato delle turbogas
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Impianti a ciclo chiuso
In realtà solo negli impianti a circuito chiuso si svolgono g p gcompletamente i cicli termodinamici.
Il fluido motore non viene mai in contatto i d i d ll b icon i prodotti della combustione
Possibilità di utilizzo anche di combustibili d ti ( li t b )scadenti (olio pesante, carbone, …)
Possibilità di scegliere liberamente il fluido diPossibilità di scegliere liberamente il fluido di lavoro:•alto calore specifico (Lmax)•basso peso specifico: ad es. monoatomico (ηmax)p p (ηmax)•con il valore desiderato della pressione di inizio compressione
3
Impianti a ciclo chiuso
In realtà solo negli impianti a circuito chiuso si svolgono g p gcompletamente i cicli termodinamici.
cc Il fluido motore non viene mai in contatto i d i d ll b i
SCcon i prodotti della combustione
Possibilità di utilizzo anche di combustibili d ti ( li t b )
C T U
Impianto
scadenti (olio pesante, carbone, …)
Possibilità di scegliere liberamente il fluido dipWestinghouse Possibilità di scegliere liberamente il fluido di
lavoro:•alto calore specifico (Lmax)•basso peso specifico: ad es. monoatomico (ηmax)p p (ηmax)•con il valore desiderato della pressione di inizio compressione
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Impianti a ciclo chiuso
In realtà solo negli impianti a circuito chiuso si svolgono g p gcompletamente i cicli termodinamici.
cc Il fluido motore non viene mai in contatto i d i d ll b i
SCcon i prodotti della combustione
Possibilità di utilizzo anche di combustibili d ti ( li t b )
C T U
Impianto
scadenti (olio pesante, carbone, …)
Possibilità di scegliere liberamente il fluido dipWestinghouse
SCPossibilità di scegliere liberamente il fluido di lavoro:•alto calore specifico (Lmax)•basso peso specifico: ad es. monoatomico (ηmax)
C T U
p p (ηmax)•con il valore desiderato della pressione di inizio compressione
SFC’ M
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Impianti a ciclo chiuso
In realtà solo negli impianti a circuito chiuso si svolgono g p gcompletamente i cicli termodinamici.
cc Il fluido motore non viene mai in contatto i d i d ll b i
SCcon i prodotti della combustione
Possibilità di utilizzo anche di combustibili d ti ( li t b )
C T U
Impianto
scadenti (olio pesante, carbone, …)
Possibilità di scegliere liberamente il fluido dipWestinghouse
SCPossibilità di scegliere liberamente il fluido di lavoro:•alto calore specifico (Lmax)•basso peso specifico: ad es. monoatomico (ηmax)
C T U
p p (ηmax)•con il valore desiderato della pressione di inizio compressione
SFC’ M
6
T H
3* 3SC
1*
2* 4*
12
4C T U
1*
S
1
SFC’ M
7
SE’ possibile in tal modo incrementare la densità del fluido di lavoro
cc
C T U
Sempre in ambito di diversa collocazione della camera di combustione sono anche da notare soluzioni con camera a pressione ambiente e compressione dei gas combusti, cioè la
Impianto con cc a pa
turbina lavora in depressione
P d ll ti tt l di li iT H
SCPur essendo nella pratica progettuale di scarsa applicazione, sono state nel passato studiate varianti del ciclo che permettono di migliorare il rendimento e/o il lavoro specifico dell’impianto.
3* 3SCAlcune di esse sono talvolta ancora adottate in impianti di
applicazione industriale.
1*
2* 4*
12
4C T U
pp
1*
S
1
SFC’ M
8
SE’ possibile in tal modo incrementare la densità del fluido di lavoro
P d ll ti tt l di li iPur essendo nella pratica progettuale di scarsa applicazione, sono state nel passato studiate varianti del ciclo che permettono di migliorare il rendimento e/o il lavoro specifico dell’impianto.
Alcune di esse sono talvolta ancora adottate in impianti di applicazione industriale.pp
Per migliorare il rendimento si può:
•Ridurre il fabbisogno di calore da introdurre RIGENERAZIONERidurre il fabbisogno di calore da introdurre
•Ridurre il lavoro di compressione elevando il lavoro netto e quello specifico
COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA
9
COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA
RIGENERAZIONE Consiste nell’utilizzo del calore contenuto nei gas scaricati dalla turbina al fine di elevare la temperatura dell’aria entrante in camera di combustione.p
10
RIGENERAZIONE Consiste nell’utilizzo del calore contenuto nei gas scaricati dalla turbina al fine di elevare la temperatura dell’aria entrante in camera di combustione.p
Rigeneratorecc
C T U
Ciclo aperto rigenerativo
11
RIGENERAZIONE Consiste nell’utilizzo del calore contenuto nei gas scaricati dalla turbina al fine di elevare la temperatura dell’aria entrante in camera di combustione.p
Rigeneratorecc
Rigeneratore Qi
C T U C T U
Ciclo aperto rigenerativo Ciclo chiuso rigenerativoQu
12
RIGENERAZIONE Consiste nell’utilizzo del calore contenuto nei gas scaricati dalla turbina al fine di elevare la temperatura dell’aria entrante in camera di combustione.p
Rigeneratore Qi
C T U
Ciclo chiuso rigenerativoQu
13
RIGENERAZIONE Consiste nell’utilizzo del calore contenuto nei gas scaricati dalla turbina al fine di elevare la temperatura dell’aria entrante in camera di combustione.p
3T
Rigeneratore Qi
C T U
Ciclo chiuso rigenerativoQu
4
2
4
1
14S
RIGENERAZIONE Consiste nell’utilizzo del calore contenuto nei gas scaricati dalla turbina al fine di elevare la temperatura dell’aria entrante in camera di combustione.p
3T
Rigeneratore Qi
C T U
Ciclo chiuso rigenerativoQu
4T 5
2
44
T 6
1
2
15S
RIGENERAZIONE Consiste nell’utilizzo del calore contenuto nei gas scaricati dalla turbina al fine di elevare la temperatura dell’aria entrante in camera di combustione.p
3T
Rigeneratore Qi
C T U
Ciclo chiuso rigenerativoQu
4T 5
Ovviamente tutto ciò è puramente ipotetico essendo possibile solo con una capacità di scambio totale.2
44
T 6Si potrà scendere con i gas alla temperatura di aspirazione e salire con l’aria compressa sino alla temperatura di uscita dalla turbina, se e sole se il RIGENERATORE ha una superficie di scambio o un coefficiente globale di scambio di valore infinito
1
2
16
coefficiente globale di scambio di valore infinito.
S
RIGENERAZIONE Consiste nell’utilizzo del calore contenuto nei gas scaricati dalla turbina al fine di elevare la temperatura dell’aria entrante in camera di combustione.p
3T
Fattibilità: T4 > T2
Vantaggi: Lavoro netto inalteratoCalore introdotto ridottoCalore introdotto ridotto
Aumento considerevole del rendimento
Considerando il caso di rigeneratore ideale con efficienza unitaria:
4T 5 i
uQQ1−=η
( )( )53p
16p
TTcTTc
1−⋅
−⋅−=
2
44
T 6 43
12TTTT1
−−
−=η
oppure:
( )( )1T
1T14
1
−β⋅
−β⋅−=
ε
ε
1
2
43
εβ= 3
4TT
τβ
−=ηε
1
( )4 β
Che tenendo conto di:
17S
τ
RIGENERAZIONE Consiste nell’utilizzo del calore contenuto nei gas scaricati dalla turbina al fine di elevare la temperatura dell’aria entrante in camera di combustione.p
Fattibilità: T4 > T2
Vantaggi: Lavoro netto inalteratoCalore introdotto ridotto
1Calore introdotto ridotto
Aumento considerevole del rendimentoη
0,8ciclo rigenerativo T3 = 1300°C Svantaggi: massimo rendimento con β =1
bassi valori del lavoro specifico
0,6 Considerando il caso di rigeneratore ideale con efficienza unitaria:
pForte aumento delle dimensioni d’impianto
0,4
T3 = 900°C
24 TT =0,4
0 2
ciclo semplice per un ciclo con
k = 1,4………….ε = 0,28570,2
0
, ,
T1 = 15 °C
τβ
−=ηε
1
18
0
1 2 3 5 10 β 20 30
τ
RIGENERAZIONE REALE Nella realtà occorrerà tener conto che:
I coefficienti di scambio e le superfici non sono infinite, e conseguente ΔT residuo all’uscita dei gas,Le due correnti subiscono perdite di pressione nell’attraversamento del rigeneratore,
rigeneratore
Le due correnti subiscono perdite di pressione nell attraversamento del rigeneratore,Le perdite termiche verso l’esterno non sono nulle,Le capacità termiche dei flussi di aria e di gas combusti differiscono per massa e calore specifico diversi
efficienza di rigenerazione che non supera mai il 90% L’efficienza del compressore e della turbina possono
i id ll l diff d ll t t T Tciclo reale
incidere sulla reale differenza delle temperature T4’ e T2’
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RIGENERAZIONE REALE Nella realtà occorrerà tener conto che:
I coefficienti di scambio e le superfici non sono infinite, e conseguente ΔT residuo all’uscita dei gas,Le due correnti subiscono perdite di pressione nell’attraversamento del rigeneratore,
rigeneratore
Le due correnti subiscono perdite di pressione nell attraversamento del rigeneratore,Le perdite termiche verso l’esterno non sono nulle,Le capacità termiche dei flussi di aria e di gas combusti differiscono per massa e calore specifico diversi
efficienza di rigenerazione che non supera mai il 90% L’efficienza del compressore e della turbina possono
i id ll l diff d ll t t T Tciclo reale
incidere sulla reale differenza delle temperature T4’ e T2’
0,45
ηCicli rigenerativi 8 12
1510 Osservazioni:η
0,40
β=30
β=6 18 •Con la rigenerazione il rendimento dipende meno dal valore di β
•L’aumento di rendimento diminuisce con β ed è1824
0,35Cicli semplici
Cicli reali di
L aumento di rendimento diminuisce con β ed è comunque limitato a valori ridotti del rapporto di compressione
•Il vantaggio rispetto al ciclo semplice è modesto e i il 43% i t
15
12
0,30
Grandi unitàconTIT = 1280°C
non supera mai il 43% in questo caso
•A parità di β il lavoro specifico diminuisce per effetto delle perdite di carico nel rigeneratore
10
8
6
20250 300 350 kJ/kg 400
Lavoro specifico0,25
6
COMPRESSIONE La riduzione del lavoro compiuto per comprimere può essere operata tramite una trasformazione che termini ad una temperatura più bassa di
INTERREFRIGERATAtramite una trasformazione che termini ad una temperatura più bassa di quella corrispondente alla fine della trasformazione isoentropica.
Operando solo con la situazione ambientale, ciò può essere ottenuto con una massimo di efficienza corrispondente alla compressione isoterma, che non potrà scendere sotto la temperatura ambiente.
compressione isoterma …………. lavoro di compressione nullo
impossibilep
21
COMPRESSIONE La riduzione del lavoro compiuto per comprimere può essere operata tramite una trasformazione che termini ad una temperatura più bassa di
INTERREFRIGERATAtramite una trasformazione che termini ad una temperatura più bassa di quella corrispondente alla fine della trasformazione isoentropica.
Operando solo con la situazione ambientale, ciò può essere ottenuto con una massimo di efficienza corrispondente alla compressione isoterma, che non potrà scendere sotto la temperatura ambiente.
compressione isoterma …………. lavoro di compressione nullo
impossibile
3T
p
4
12
22S
COMPRESSIONE La riduzione del lavoro compiuto per comprimere può essere operata tramite una trasformazione che termini ad una temperatura più bassa di
INTERREFRIGERATAtramite una trasformazione che termini ad una temperatura più bassa di quella corrispondente alla fine della trasformazione isoentropica.
Operando solo con la situazione ambientale, ciò può essere ottenuto con una massimo di efficienza corrispondente alla compressione isoterma, che non potrà scendere sotto la temperatura ambiente.
compressione isoterma …………. lavoro di compressione nullo
impossibile
3T
p
possibile compressione paraisoterma
4
12
23S
COMPRESSIONE La riduzione del lavoro compiuto per comprimere può essere operata tramite una trasformazione che termini ad una temperatura più bassa di
INTERREFRIGERATAtramite una trasformazione che termini ad una temperatura più bassa di quella corrispondente alla fine della trasformazione isoentropica.
Operando solo con la situazione ambientale, ciò può essere ottenuto con una massimo di efficienza corrispondente alla compressione isoterma, che non potrà scendere sotto la temperatura ambiente.
compressione isoterma …………. lavoro di compressione nullo
impossibile
3T
p
possibile compressione paraisoterma
non conveniente
4
12
24S
COMPRESSIONE La riduzione del lavoro compiuto per comprimere può essere operata tramite una trasformazione che termini ad una temperatura più bassa di
INTERREFRIGERATAtramite una trasformazione che termini ad una temperatura più bassa di quella corrispondente alla fine della trasformazione isoentropica.
Operando solo con la situazione ambientale, ciò può essere ottenuto con una massimo di efficienza corrispondente alla compressione isoterma, che non potrà scendere sotto la temperatura ambiente.
compressione isoterma …………. lavoro di compressione nullo
impossibile
3T
p
possibile compressione paraisoterma
non conveniente
Si dimostra che la pressione intermedia pi, per la quale è minimo il lavoro complessivo, risulta dalla
21i ppp ⋅=
Che per n stadi ogni iesima compressione diventa
4
Che per n stadi ogni iesima compressione diventa
( )n i2
in1i ppp ⋅= −
Ed il rapporto di compressione di ogni stadio che fornisce il
12
minimo lavoro sarà dato da n
1
2nti p
p=β=β
PUO’ ESSERE CONVENIENTE FARE UNO O DUE STADI
25S
PUO ESSERE CONVENIENTE FARE UNO O DUE STADI
COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA
Dopo un primo salto di pressione (in teoria ) 121i pppp ⋅=
Si può operare un raffreddamento sino alla temperatura ambienteLa nuova compressione permetterà di raggiungere la pressione finale
3Tp
cc12’ 3pi
p2T UC C
2 3
24
p12’ 2*
Q
2*
1’ 4
11’
Qr
Qr
26S
COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA
Dopo un primo salto di pressione (in teoria ) 121i pppp ⋅= Il ciclo (1’2’22*) così aggiunto al ciclo principale d’origine ha un rendimento inferiore poiché è un
Si può operare un raffreddamento sino alla temperatura ambienteLa nuova compressione permetterà di raggiungere la pressione finale
d origine, ha un rendimento inferiore poiché è unciclo di Joule che si sviluppa con un salto
di pressione inferiore.
3Tp
La compressione interrefrigerata ideale migliora il lavoro specifico ma sembra
peggiorare il rendimento
come nella rigenerazione i guadagni di rendimento sipi
p2
come nella rigenerazione, i guadagni di rendimento si otterrebbero con impianti che comportano cospicui investimenti e dimensioni (2 compressori + scambiatori);
al vantaggio energetico può corrispondere quindi uno t i i2
4p1
2’ 2*
svantaggio economico.
Nel caso reale le cose possono però cambiare radicalmente
11’
27S
COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA caso reale
Si tratta ora di capire quanto vale il rendimento del ciclo aggiunto (1’, 2’, 2, 2*) che però non è un ciclo di Joule reale in quanto contempla unaciclo di Joule reale in quanto contempla una espansione ad entropia decrescente
Se però analizziamo il ciclo equivalente lo possiamo paragonare ad un ciclo di Joule ideale del quale possiamo calcolare il rendimento
2T
p2
possiamo calcolare il rendimento.
Cicli equivalenti ai fini del rendimento se scambiano le stesse quantità di calore
pi
2’
p1
2*
11’
28S
COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA caso reale
Si tratta ora di capire quanto vale il rendimento del ciclo aggiunto (1’, 2’, 2, 2*) che però non è un ciclo di Joule reale in quanto contempla unaciclo di Joule reale in quanto contempla una espansione ad entropia decrescente
Se però analizziamo il ciclo equivalente lo possiamo paragonare ad un ciclo di Joule ideale del quale possiamo calcolare il rendimento
2T
p2
possiamo calcolare il rendimento.
Cicli equivalenti ai fini del rendimento se scambiano le stesse quantità di calore
pi
2’
Calore entrante: A 2’ 2 B
Calore scaricato: C 1’ 2* D uguale a: A X Y B
p1
2*Y
Il ciclo (1’ 2’ 2 2*) reale anomalo equivale
al ciclo (X 2’ 2 Y) ideale di Joule
11’ X Analizziamo ora i rendimenti nei rispettivi diagrammi
29SBA DC
COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA caso reale
0,40,4
η
0,3
ηl
ηrηi
2T
p2
0,2
ηP
ηi
pi
2’ 0,1
β del ciclo equivalente
p1
2*Y
1 5 10 15 20 β 250
β del ciclo principale
β del ciclo aggiunto
11’ X Analizziamo ora i rendimenti nei rispettivi diagrammi
1 5 10 15 20 β 25
30SBA DC
COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA caso reale
0,40,4
η
0,3
ηl
ηrηi
2T
p2
0,2
ηP
ηi
ηi
pi
2’ 0,1
p1
2*Y
1 5 10 15 20 β 250
11’ X Analizziamo ora i rendimenti nei rispettivi diagrammi
1 5 10 15 20 β 25
31SBA DC
COMPRESSIONE L’effetto benefico della refrigerazione risulta maggiore quanto prima si effettua.
INTERREFRIGERATA caso reale
0,4
E’ maggiore infatti l’eliminazione degli effetti del controrecupero
A parità di area del ciclo è meglio che esso abbia un rapporto di compressione più elevato possibile
Le cose migliorano ancora se si tiene conto che l’aria più fredda alla fine della compressione aiuta al 0,4
0,3
ηl
ηrηi
ηi
p praffreddamento delle pale della turbine con vantaggio ulteriore sia sul rendimento che sulla affidabilità
2T
p2
0,2
ηP
ηi
ηi
pi
2’ 0,1
p1
2*Y
1 5 10 15 20 β 250
11’ X Analizziamo ora i rendimenti nei rispettivi diagrammi
1 5 10 15 20 β 25
32SBA DC
COMPRESSIONE L’effetto benefico della refrigerazione risulta maggiore quanto prima si effettua.
INTERREFRIGERATA caso reale E’ maggiore infatti l’eliminazione degli effetti del controrecupero
A parità di area del ciclo è meglio che esso abbia un rapporto di compressione più elevato possibile
Le cose migliorano ancora se si tiene conto che l’aria più fredda alla fine della compressione aiuta al p praffreddamento delle pale della turbine con vantaggio ulteriore sia sul rendimento che sulla affidabilità Osservazioni
Grandi gruppi
0,45
η65β=8040
Grandi gruppi
Il rendimento non varia sensibilmente a parità di β
Comprimere sopra un β di 30 è ancora molto difficile: con l’interrefrigerazione si può però raggiungere valori di β molto elevati ritoccando quindi di alcuniη
0,40
4030
24
18
β=30 24
18
valori di β molto elevati, ritoccando quindi di alcuni punti il valore del rendimento
Il lavoro specifico aumenta invece considerevolmente soprattutto al crescere di β
0,35Cicli semplici
β=30
18
15
1224
18
1512 Il rendimento ed il lavoro specifico variano
sensibilmente a parità di β con l’impiego della i t f i i
Piccole unità
0,30
β=18
1218
1512
1215 Cicli interrefrigerati
con β1= β2
Piccole unità
interrefrigerazione
L’INTERREFRIGERAZIONE E’ PARTICOLARMENTE ADATTA PER
33Lavoro specifico
0,25100 300 500 kJ/kg 600
912
GRUPPI DI PICCOLA POTENZA
RICOMBUSTIONE Un modo analogo alla interrefrigerazione per aumentare il lavoro utile
Dopo un primo salto di pressione nella turbina si può pensare di riportare il gas in camera di combustione.Vantaggi:• accresce il lavoro sviluppato dall’impianto• mantiene la temperatura massima a valori non eccessivi
Svantaggi:• rilascia il gas a temperature molto più elevate• si riesce a mantenere lo stesso valore del• mantiene la temperatura massima a valori non eccessivi
• impiega meglio l’aria aspirata legandola al combustibile con un eccesso globale minore
• si riesce a mantenere lo stesso valore delrendimento solo se si adottano pressioni intermedie molto elevate
• è richiesta molta più aria per il raffreddamento delle pale delle turbine
3T
pp2
cc cc
4’
4
pi
p1
C T UT4’
2
p1
1
34S
Combinazione di INTERREFRIGERAZIONE - RICOMBUSTIONE - RIGENERAZIONE
cc cc1
2’
T U
cc
T
cc
C
2
C
Qr
2*
1’
3T
p2
3’
4p1
2
2’ 2*6
351 S
1’Qr
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 li•Origini e sviluppo delle turbogas
L’energia, fonti, trasformazioni ed usi finaliL’energia, fonti, trasformazioni ed usi finaliImpianti a vapore Impianti a vapore I t i diI t i di
•Cicli termodinamici e schemi circuitali
•Possibili varianti del ciclo
••Prestazioni delle turbogasPrestazioni delle turbogasI generatori di vaporeI generatori di vaporeImpianti turbogasImpianti turbogas
Prestazioni delle turbogasPrestazioni delle turbogas
•La regolazione della potenza e l’avviamento
•I componenti delle turbogasCicli combinati e cogenerazioneCicli combinati e cogenerazioneIl mercato dell’energiaIl mercato dell’energia
•Le emissioni delle turbogas
•Il mercato delle turbogas
36
Prestazioni delle turbogasIl calcolo completo di un ciclo di turbina a gas consisteIl calcolo completo di un ciclo di turbina a gas consiste nel trovare le caratteristiche termodinamiche dei punti del ciclo tali da poter definire:
la potenza utile sviluppata, il rendimento, le specifiche di progetto dei singoli componentile specifiche di progetto dei singoli componenti
I risultati dipendono strettamente dalla precisione con cui si sono considerati
i singoli componenti: lievi differenze sui valori di alcune caratteristichelievi differenze sui valori di alcune caratteristiche (es. rendimenti di compressori e turbine) possono portare a notevoli differenze finali.
la massa di fluido operante nelle singole parti del ciclo: oltre alla variazione apportata dall’introduzione di combustibile si deve tener conto anche dell’impiego, oggi molto esteso, dell’aria per il raffreddamento delle pale
rasp hM ⎤⎡⎟⎞
⎜⎛ Δ⋅
Geo
rasporfumie
C
C
TT
hMhMP η⋅⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛η
Δ−η⋅Δ⋅=
ic
eHM
P⋅
=ηPortata RendimentoSalto Portata RendimentoSalto Rend del icPortata dei fumi evolventi in turbina
Rendimento organico di turbina
Salto entalpico reale di turbina
Portata d’aria aspirata dal compr.
Rendimento organico del compr.
Salto entalpico reale di compr.
Rend. del generatore elettrico Portata di
combustibile utilizzato
Potere calorifico inferiore
37
Prestazioni delle turbogas
Mc=14.17 kg/sT=15°Cp=30 bar
Comp. Mol.%CH4=92.92N2=7.8Hi= 44.14 MJ/kg Pt = 625 3 MWt
Mf=520.2 kg/sT=1336°Cp=14.6 bar
Comp. Mol.%Ar=0 88
Pe = 222.3 MWe
η = 0.3555
cc
i g Pt = 625.3 MWt Ar=0.88CO2=4.27H2O=9.47N2=74.08O2=11.3
Mac=506 kg/sT=398.4°Cp=15.05 bar
Traf. = 4,8 kg/s
Ptd = 2.5 MWtTIT = 1280°C
Pef = 394 MWt
C UPC = 230.4 MW
Aria raff. 1° ugello = 37.7 kg/s
TPT = 457.1 MWPmd = 2 MWt
Ped = 2.4 MWt
T=15°C Masp=600 kg/s
g g
Aria raff. pale turbina = 51.5 kg/sCF
d
Mf=609.6 kg/sT=599.7°Cp=1 02 barT=15°C
UR=60%p=1.013 bar
Comp. Mol.%Ar=0.92
p gT=15°Cp=1.003 bar
p=1.02 bar
Comp. Mol.%Ar=0.88CO2=3.66H2O=8.25
38
CO2=0.03H2O=1.04N2=77.28O2=20.73
N2=74.54O2=12.67
Prestazioni delle turbogasANALISI di SENSIBILITA’ alla variazione di parametri riferiti ad una particolare situazione progettuale
ηc
ηt
-1%
-1%
+1%
+1%
TIT
Tmxp
-50°C
-20°C
+50°C
+20°C mxp
TIT+Tmxp
-50°C -20°C
+50°C +20°C
Δpin
Δpcomb
3 kPa
3 kPa
0 kPa
0 kPa
Δpsc 6% 0%
39-1 -0.5 0 0.5 1
Variazione del RENDIMENTO %
Prestazioni delle turbogasANALISI di SENSIBILITA’ alla variazione di parametri riferiti ad una particolare situazione progettuale
ηc
ηt
-1%
-1%
+1%
+1%
-1%
-1%
+1%
+1%
TIT
Tmxp
-50°C
-20°C
+50°C
+20°C
-50°C
-20°C
+50°C
+20°C mxp
TIT+Tmxp
-50°C -20°C
+50°C +20°C
-50°C -20°C
+50°C +20°C
Δpin
Δpcomb
3 kPa
3 kPa
0 kPa
0 kPa
3 kPa
3 kPa
0 kPa
0 kPa
Δpsc 6% 0% 6% 0%
40-1 -0.5 0 0.5 1 - 8 - 4 0 4 8
Variazione del LAVORO SPECIFICO %Variazione del RENDIMENTO %
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 li•Origini e sviluppo delle turbogas
L’energia, fonti, trasformazioni ed usi finaliL’energia, fonti, trasformazioni ed usi finaliImpianti a vapore Impianti a vapore I t i diI t i di
•Cicli termodinamici e schemi circuitali
•Possibili varianti del ciclo
•Prestazioni delle turbogasI generatori di vaporeI generatori di vaporeImpianti turbogasImpianti turbogas
Prestazioni delle turbogas
••La regolazione della potenza e l’avviamentoLa regolazione della potenza e l’avviamento
•I componenti delle turbogasCicli combinati e cogenerazioneCicli combinati e cogenerazioneIl mercato dell’energiaIl mercato dell’energia
•Le emissioni delle turbogas
•Il mercato delle turbogas
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Regolazione della potenza
La prima e principale evoluzione delle turbogas si è verificata nel
La semplicità di impianto e la combustione interna dovrebberodelle turbogas si è verificata nel
campo delle centrali adibite a “servizio di punta”.
combustione interna dovrebbero garantire una versatilità nella regolazione della potenza.
La possibilità offerta di poter costruire impianti di piccola potenza p p p p pfavorisce la parzializzazione della potenza nominale, ma con costi elevati.
Al crescere della potenza di impianto diventava indispensabile assicurare un sistema efficace
di regolazione entro ampi intervalli.
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Regolazione della potenza
3H Il calettamento meccanico del compressore con la turbina obbliga la
3*ΔHt
velocità di rotazione delle macchine a quella legata alla frequenza di rete.
4’2’
4’*
ΔHt* E’ possibile variare la portata di gas, o il punto di fine compressione 2’, solo utilizzando compressori di molti stadi a calettamento variabile.
1
4’*ΔHc
Se non si vuole ricorrere a tale impiego, peraltro costoso, essendo in ariate ΔHc si cercherà di ariare
SDAinvariate ΔHc si cercherà di variare ΔHt abbassando il punto 3 con ovvie perdite di rendimento.
Il problema è in realtà limitato dalla scarsa variazione di potenza richiesta e dalla sua ottenibilità con ridotte variazioni di Temperatura T3
Tenuto conto che la potenza della turbina è circa il triplo della potenza netta erogata, per una riduzione anche cospicua del 50% (1/2), è sufficiente una riduzione della potenza della turbina per 1/6 del massimo cioè del 16%
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variazioni di Temperatura T3: potenza della turbina per 1/6 del massimo, cioè del 16%
Regolazione della potenzaRegolazione con modifica della portata massicaRegolazione con modifica della portata massicasi ottiene mediante l’uso di pale a calettamento variabile:
Nei compressori assiali è possibile variare, mediante semplici leveraggi, l’angolo di calettamento delle pale statoriche. IGV: inlet guide vanes
Così facendo si riduce notevolmente la variazione della velocità assoluta al variare della portata e conseguentemente il rendimento si mantiene ai valori elevati anche a portate ridotte sino al 50%
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Regolazione della potenzaRegolazione con modifica della portata massicaRegolazione con modifica della portata massicasi ottiene mediante l’uso di pale a calettamento variabile:
Nei compressori assiali è possibile variare, mediante semplici leveraggi, l’angolo di calettamento delle pale statoriche. IGV: inlet guide vanes
Così facendo si riduce notevolmente la variazione della velocità assoluta al variare della portata e conseguentemente il rendimento si mantiene ai valori elevati anche a portate ridotte sino al 50%
Regolazione con modifica del numero di girisi ottiene mediante l’impiego di impianti a più assi
Disaccoppiando la turbina di potenza dal gruppoDisaccoppiando la turbina di potenza dal gruppo compressore-turbina in equilibrio energetico con funzione di generatore di gas, si ha la possibilità di far ruotare il compressore alla velocità di rotazione migliore per l’adattamento dei triangoli di l itàdi velocità.Permette grande flessibilità di regolazione e, se accoppiato con il calettamento variabile, è la soluzione preferibile
Le soluzioni possibili sono due:Serie tipo General ElectricParallelo tipo Elliot
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Regolazione della potenzaRegolazione con modifica della portata massicaRegolazione con modifica della portata massicasi ottiene mediante l’uso di pale a calettamento variabile:
Nei compressori assiali è possibile variare, mediante semplici leveraggi, l’angolo di calettamento delle pale statoriche. IGV: inlet guide vanes
Così facendo si riduce notevolmente la variazione della velocità assoluta al variare della portata e conseguentemente il rendimento si mantiene ai valori elevati anche a portate ridotte sino al 50%
Regolazione con modifica del numero di girisi ottiene mediante l’impiego di impianti a più assi
Disaccoppiando la turbina di potenza dal gruppo C Tap U
cc
Tbp
turbina di potenza
Disaccoppiando la turbina di potenza dal gruppo compressore-turbina in equilibrio energetico con funzione di generatore di gas, si ha la possibilità di far ruotare il compressore alla velocità di rotazione migliore per l’adattamento dei triangoli di l ità
ap bp
gruppo generatore di gas
di velocità.Permette grande flessibilità di regolazione e, se accoppiato con il calettamento variabile, è la soluzione preferibile
Le soluzioni possibili sono due:Serie tipo General ElectricParallelo tipo Elliot
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Regolazione della potenzaRegolazione con modifica della portata massicaRegolazione con modifica della portata massicasi ottiene mediante l’uso di pale a calettamento variabile:
Nei compressori assiali è possibile variare, mediante semplici leveraggi, l’angolo di calettamento delle pale statoriche. IGV: inlet guide vanes
Così facendo si riduce notevolmente la variazione della velocità assoluta al variare della portata e conseguentemente il rendimento si mantiene ai valori elevati anche a portate ridotte sino al 50%
Regolazione con modifica del numero di girisi ottiene mediante l’impiego di impianti a più assi
Disaccoppiando la turbina di potenza dal gruppo C Tap U
cc
Tbp
turbina di potenza
Disaccoppiando la turbina di potenza dal gruppo compressore-turbina in equilibrio energetico con funzione di generatore di gas, si ha la possibilità di far ruotare il compressore alla velocità di rotazione migliore per l’adattamento dei triangoli di l ità
ap bp
gruppo generatore di gas
di velocità.Permette grande flessibilità di regolazione e, se accoppiato con il calettamento variabile, è la soluzione preferibile
cc turbina di potenza
C Tap UTbpLe soluzioni possibili sono due:Serie tipo General ElectricParallelo tipo Elliot
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gruppo generatore di gas