Il recupero di energia

dall’espansione del metano

MTG 450

Turboespansore

su cuscinetti magnetici

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Energia: valore da gestire

La turboespansione è un progetto volto alrecupero energetico - di energia altrimentipersa – nel settore del trasporto edistribuzione del gas naturale, e siconfigura come ausilio di grandipotenzialità nella razionalizzazione deiconsumi energetici, sia per enti pubbliciche per aziende private, grazie alla suaflessibilità di impiego.

La turboespansione si

pone oggi come

tecnologia

all’avanguardia per la

produzione di energia

elettrica, consentendo

recupero energetico e

rispetto

dell’ambiente.

Con la

turboespansione si ha

la riduzione

dell'emissione di

ossidi di carbonio e di

azoto nell'atmosfera.

Le crescenti difficoltà di approvvigionamentodelle tradizionali fonti derivate dai prodottipetroliferi, unite all’aumento delfabbisogno, conferiscono alleproblematiche energetiche un ruolo diprimaria importanza. La gestione e l’usorazionale dell’energia sono basilarinell’economia moderna, ed é interessecomune trovare ed adottare modalità checonsentano di realizzare i medesimiprodotti o servizi, utilizzando minoriquantità di energia primaria, o ideandosoluzioni tecnologiche volte arisparmiare energia.

Risparmio energetico non significanecessariamente minor consumo dienergia, ma anche minor spreco, cioètrasformazioni e recuperi tra le diverseforme di energia.

La prima misura da adottare puòconsistere nel limitare il consumodell’energia primaria, ma non èsufficiente: bisogna conseguire un utilizzopiù efficiente delle fonti energetichedisponibili nonché il recupero e lariconversione dell’energia originaria inaltre forme utilizzabili.

La turboespansione, tecnologia innovativache RACI per prima ha introdotto in Italiacon l’impianto di Ravenna negli anniottanta, recupera quell’energia chenormalmente viene dissipata nei sistemitradizionali: questa soluzione consente direcuperare, dal 100% di energia termica,l’85% di energia elettrica.Le tecniche convenzionali di produzione di elettricità convertono solo il 35%dell’energia primaria.

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Il turboespansore è una macchina cherecupera l’energia tradizionalmentedissipata nel settore del trasporto e delladistribuzione di gas naturale, a seguitodella laminazione necessaria per lafornitura alle utenze.

Nei metanodotti il gas viene trasportato apressioni elevate (40-70 bar), ma neiluoghi di distribuzione deve esseredecompresso (2-20 bar). Riduttori-regolatori di pressione compiono unalaminazione delgas fino allapressionedesiderata,mantenendolacostante al variaredella portata. Incaso di elevatisalti di pressione,per evitarel’effetto Joule-Thompson di uneccessivoabbassamento della temperatura a valle,è inoltre necessario preriscaldare il gas.L’energia meccanica di pressioneposseduta dal gas viene tutta dissipata incalore. Tale energia può invece essereampiamente recuperata facendoespandere il gas in una turbina capacedi generare potenza meccanica,nonostante sia necessario spenderemaggiore energia termica per ilpreriscaldamento.Mediante l’espansione si è in grado direcuperare, per ogni chilo di gas fluente,

un’energia meccanica pari a un’identicaquantità di energia termica, al netto delrendimento degli scambiatori.Il rendimento della trasformazione èalmeno raddoppiato rispetto alletradizionali macchine termiche o centralitermoelettriche, grazie al recuperodell’energia spesa a monte, e altrimentiperduta.

Il bilancio energetico è positivo el’impatto ambientale minimizzato, dato

che non sonorichiesti consumidi combustibilepregiato per laproduzione dielevatetemperature,come nellecentralitermoelettriche,necessitando solodi un riscaldamentoa 80-90°,

facilmente ottenibile da residui energeticidi basso pregio, o tramite caldaie,teleriscaldamento o cogenerazione.

Il turboespansore, posto in parallelo alletradizionali cabine di riduzione del gas, di1° e di 2° salto, non rende necessarioalcun controllo aggiuntivo sulle lineetradizionali, essendo l’apertura echiusura dei riduttori regolata dallecondizioni di pressione della rete stessa.

La turboespansione: razionale recupero di energia nel rispetto dell’ambiente

Nell’industria del gas,

valvole di riduzione

dissipative

decomprimono il gas

naturale per fornirlo

alle reti di

distribuzione:

l’energia del gas in

pressione può essere

utilmente recuperata

mediante espansione

in turbine accoppiate

ad alternatori,

ottenendo, in questo

modo, elettricità.

Il turboespansore è la

macchina motrice che

consente il recupero

dell’energia

potenziale e cinetica

posseduta dal gas

naturale prima

dell’espansione.

INDICE ENERGETICODELL’IMPIANTO:

di gran lunga superiorealla soglia per impianti

assimilabili a fonterinnovabile (> 0,8)

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Turboespansore RACI: massima sicurezza, elevate prestazioni

Gli impianti di turboespansione per ilrecupero energetico sono generalmentecostituiti da due moduli: quello difiltrazione e preriscaldamento, e quello digenerazione dell’energia elettrica,costituente il turboespansore in sensostretto. Tale macchina è compostaessenzialmente da una o più turbine chepossono essere accoppiate ad unalternatore o tramite un riduttore di girilubrificato ad olio, con cuscinetti di tipomeccanico, oppure direttamentesull’albero sostenuto per lievitazione dacuscinetti di tipo magnetico.

I turboespansori di nuova generazioneappartengono a questa seconda tipologia.La peculiarità di avere cuscinettimagnetici anziché meccanici, consentel’eliminazione del sistema di lubrificazionead olio e del riduttore di giri.Si presentano in unità molto semplici, inquanto i sistemi ausiliari e, di conseguenza,gli spazi occupati, sono ridotti.Sono, inoltre, molto silenziosi (75 dbA).Tale soluzione innovativa elimina le perditemeccaniche e consente una grandeflessibilità nell’offerta di macchine anchedi potenza fino a pochi kW, taglie nonproponibili con il sistema tradizionaleprovvisto di riduttore di giri.

Turbina

Viene dimensionata per la portata e ilsalto di pressione desiderati. L’espansoreè a singolo stadio con girante a flussoradiale. Il distributore ad ugelli variabiliottimizza la distribuzione del gas allagirante e la trasformazione energetica,regolando la sezione d’ingresso.

Cuscinetti magnetici attivi

Ad ogni estremità dell’albero sonomontati i cuscinetti magnetici, atti acontrollare la posizione in senso radiale eassiale. I cuscinetti radiali hanno, nellaparte statorica, un pacco lamellareprovvisto di alloggiamenti per le bobine, lequali, percorse da correnti, creano ilcampo magnetico che provoca lasospensione dell’albero in aria

(lievitazione), mentre il pacco lamellareformante la parte rotorica è imbutitodirettamente sull’albero. La parte rotoricadei cuscinetti assiali è composta da dischiferromagnetici, la parte statorica è untoroide in acciaio integrato nei cuscinettiradiali. Il sistema è provvisto di sofisticatisensori di controllo elettronico atti agarantire l’equilibrio dell’albero.

Il turboespansore a cuscinetti magneticiattivi è un unico corpo, costituito da unagirante a sbalzo ed un generatore ad altafrequenza posto tra le strutture dei duecuscinetti magnetici, ciascuno compostoda un sistema assiale/radiale. L’alberorotore é tenuto sospeso in lievitazione daicuscinetti senza avere superfici di contatto.

Calcolo di un segmento dell’alberoeffettuato col metodo degli elementi finiti.

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Convertitore di frequenza

Il generatore elettrico produce unacorrente di tensione e frequenzaproporzionali alla velocità di rotazione.Tale corrente deve essere convertita avalori di tensione e frequenza fissati,tramite un raddrizzatore e un invertitore.La tensione prodotta dal generatoreviene raddrizzata in un appositoalloggiamento situato sul generatorestesso. L’invertitore, posizionato in unquadro in sala controllo, è costruitosecondo la moderna tecnologia IGBT.

Generatore

È costruito in esecuzione a prova diesplosione, con assoluta tenuta,totalmente esente da perdite di gas.Il rotore è un magnete elettricamentepassivo eccitato da magneti permanentiad alta energia che, a causa delle elevateforze centrifughe raggiunte (velocitàperiferiche fino a 260 m/s), sonoimpaccati sull’albero all’interno di unacartuccia in fibra di carbonio, vulcanizzataall’estremità.Lo statore è costruito con lamierinimagnetici a basse perdite. Le perditetermiche vengono recuperate con unoscambiatore di calore e utilizzate per ilpreriscaldamento, aumentando, così, ilrendimento totale dell’impianto.

Quadri di controllo

I quadri contenenti la strumentazione diautomazione a processore elettronico eil personal computer di supervisionesono situati in sala controllo. Unapposito sistema di continuità elettricagarantisce che ai supporti magnetici e al processore non manchi mail’alimentazione. Il sistema integratogarantisce il funzionamento in condizionidi massima sicurezza.

Turboespansore MTG 450

I vantaggi in sintesiRendimento elevato

Ampio campo di funzionamento

Assenza di olio

Preriscaldamento a bassatemperatura

Assenza di pulsazioni

Nessuna perdita di gas

Vibrazioni ridotte

Silenziosità

Totale automazione

Possibilità di telecomando

Assenza di usura

Bassa manutenzione

Costruzione compatta

Facile installazione

L’energia meccanica

viene trasformata

direttamente in energia

elettrica a frequenza

variabile e

successivamente

riconvertita da un

gruppo elettronico alla

tensione e frequenza

richieste dalla rete.

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La gamma di impianti di turboespansioneresa disponibile sul mercato da RACIcopre un ampio intervallo di portate, e direlative potenze producibili, sì da garantirel’adozione della macchina più indicata aseconda delle differenti dimensioni dellarealtà in cui va collocata.

MTG 450 rappresenta un modulostandard, della potenza nominale di450 kW, generalmente adatto a reti didistribuzione del metano di mediadimensione. Il turboespansore MTG 450 èun sistema compatto di produzione dienergia, che può venire inserito senzaalcun problema come bypass in unastazione di decompressione del metano.

I parametri da valutare per la scelta delsistema di turboespansione più indicatosono il rapporto di espansione (cioè ilrapporto tra la pressione del gas inentrata e in uscita) e la portata.Per grandi portate vengono impiegatiturboespansori in parallelo; per elevatisalti di pressione vengono utilizzatiturboespansori in serie.

Oltre i 1000 kW è consigliabile adottareturboespansori bistadio con riduttore digiri lubrificato ad olio; il rapporto diespansione è tra 3 e 8, la portata èmaggiore di 20.000 stm3/h.

Parallelamente agli avanzamenti sugliimpianti a cuscinetti meccanici, ed aquelli magnetici di taglia media, nuovemacchine si stanno affacciando sulmercato, al fine di offrire impianti chiaviin mano, già pronti al funzionamento.E’ il caso della versione modulare dipiccola potenza della macchina cheviene fornita in unità, incorporate incontenitori a prova di intemperie edeventualmente isolate acusticamente, giàpredisposte all’uso. È soltanto richiestol’allacciamento alle reti elettrica e delmetano. Ulteriori container possonoaccogliere stazioni di cogenerazione.

Turboespansori : flessibilità di impiego

Le nuove frontiere della turboespansione:MTG 50 MTG 160

Figura 3.Turboespansori in serieRapporto di espansione tra 5 e 10,portata ≤ 25.000 stm 3/h

Figura 4Turboespansori in paralleloRapporto di espansione ≤ 5 ,portata ≤ 50.000 stm 3/h

Figura 2 Turboespansore monostadioRapporto di espansione ≤ 5 ,portata ≤ 25.000 stm 3/h

Figura 1Impianto didecompressioneconvenzionale

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MTG 450 SCHEDA TECNICA

1. ingresso metano

2. valvola

3. valvole di chiusura di sicurezza

4. scambiatore

5. valvola a chiusura rapida

6. scambiatore di calore

7. MTG 450, 1° salto di pressione

8. scambiatore di calore

9. MTG 450, 2° salto pressione

10. valvola

11. uscita metano

12. caldaia di riscaldamento

13. rete elettrica 400 V, 50 Hz

14. apparecchiature di misura econtrollo

15. elettronica di potenza e controllo

Esempio di installazione di due macchine MTG 450 in serie.

TURBINAPressione di ingresso max 70 barPortata massima 25.000 stm3/hPortata minima 3.000 stm3/hRapporto di pressione in/out:singolo stadio tra 2 e 5doppio stadio tra 4 e 10

GENERATORERotore a quattro poli magneticamente supportatoGeneratore sincrono permanentemente eccitato con raddrizzatore a pontePotenza nominale 450 kWVelocità nominale 32.000 rpmTensione nominale tra 360 e 650 V CCEfficienza > 96%Raffreddamento acqua, gas di processoMassima pressione di esercizio PN 70Dimensioni 1800X800X1.500Peso 2.700 Kg

CONVERTITOREInvertitore in tecnica IGBTTensione nominale 3 x 400 V CAPotenza nominale 550 kVAFrequenza 50 HzCosϕ 1Efficienza circa 96%Grado di protezione IP20Dimensioni 2.600 x 800 x 2.100Peso 2.500 Kg

LEADER IN ITALIA NELLA TURBOESPANSIONESistemi di recupero energetico mediante espansione di gas naturale

con produzione di energia elettrica e potenza installata da 50 kW a 5.000 kW:turboespansori sia a cuscinetti magnetici sia a riduttore di giri meccanico lubrificato ad olio

RAVENNAPortata da 6.000 a 29.000 stm3/h

Pressione da 42 a 6 bar(a)

Potenza max 900 kW

TRIESTEPortata da 6.500 a 38.000 stm3/h

Pressione da 50 a 6 bar(a)

Potenza max 1.600 kW

FERRARAPortata da 6.000 a 32.000 stm3/h

Pressione da 40 a 6 bar(a)

Potenza max 1.000 kW

BOLOGNAPortata da 7.500 a 45.000 stm3/h

Pressione da 25 a 6 bar(a)

Potenza max 1.700 kW

FORLI'Portata da 5.500 a 32.000 stm3/h

Pressione da 55 a 6 bar(a)

Potenza max 1.500 kW

PRATOPortata da 6.500 a 35.000 stm3/h

Pressione da 25 a 5 bar(a)

Potenza max 1.300 kW

s.r.l. via adriano 10120128 milano - italiatel. +39 02-26235.1fax +39 02-26235215http://www.raci. i t/e -ma i l i n fo@rac i . i t

STUDI DI FATTIBILITA’CONSULENZA ALLA PROGETTAZIONE ESECUTIVA

FORNITURAINSTALLAZIONE

MANUTENZIONE IN SERVICE

2001

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