Impianti Per La Cogenerazione v6

Roberto Lensi 3. Impianti per la cogenerazione Pag. 1

Dipartimento di Energetica Università degli Studi di Pisa

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA

FACOLTÀ DI INGEGNERIA

3. Impianti per la cogenerazione

Roberto Lensi

DIPARTIMENTO DI ENERGETICA

Anno Accademico 2003-04



SISTEMI COGENERATIVI (CHP – COMBINED HEAT AND POWER)

Indice di utilizzazione globale del combustibile: /x u

m e tc i

W QU U U

m H

+= = +

Indice di utilizzazione meccanica o elettrica del combustibile: /x

m ec i

WU

m H=

Indice di utilizzazione termica del combustibile: ut

c i

QU

m H=

mc

ma

Wx

mf

Produzione di energia meccanicamediante un turbogas

Produzione di energia meccanica e di energia termica utilemediante un sistema cogenerativo con turbogas quale gruppo motore

Produzione di energia termica utilemediante un generatore di vapore



Indice meccanico o elettrico: / /m e x uI W Q=

Rapporto di cogenerazione: // 1/u x m eQ W Iλ = =

Bilanci d’energia per un sistema convenzionale (a) e per un sistema cogenerativo (b)per la produzione di energia meccanica e di energia termica utile



PRODUTTOREProduzione totale di energia elettrica

Produzione di energia elettricamediante sistemi di cogenerazione

TWh % TWh %

ENEL 170,2 84 - -

Aziende Municipali 7,4 4 0,5 4

Autoproduttoriindustriali

24,9 12 13,2 96

Altre imprese minori 1,0 - - -

TOTALE 203,5100 13,7 100

Produzione di energia elettrica in Italia in un anno di riferimento

INDUSTRIE GWh %

Chimiche 7812 59,2

Petrolifere 1448 11,0

Cartarie 1514 11,5

Siderurgiche 646 4,9

Tessili 567 4,3

Alimentari 561 4,3

Altre 643 4,8

TOTALE 13191 100

Produzione di energia elettrica in Italia da impianti di cogenerazione in un anno di riferimento



Motori alternativi (volumetrici)



Consumo specifico di combustibile di un motore aspirato a quattro tempi ad accensione comandatadi due litri di cilindrata

Consumo specifico di combustibile di un motore a quattro tempi ad accensione per compressionesovralimentato con turbocompressore a gas di scarico e intercooler, ad iniezione diretta di 1896 cm3 di

cilindrata



PRESTAZIONI ENERGETICHE DEI SISTEMI DI COGENERAZIONE

A parità di indice di utilizzazione globale del combustibile U, l’indice meccanico o elettrico è tantominore quanto più piccolo è Um/e.

Supponendo ad esempio U = 0,85 risulta:

Um/e Sistema di conversione dell’energia λ = 1/Im/e Im/e

0,42 motore alternativo a c.i. ad accensione per compressione 1 10,28 turbogas 2 1/2 = 0,500,21 impianto a vapore con elevata contropressione (1) 3 1/3 = 0,33

(1) Di questo tipo è il primo impianto italiano di cogenerazione per teleriscaldamento di aree urbane,realizzato nella città di Brescia. Altri impianti analoghi (o alimentati con spillamenti da centralitermoelettriche) sono stati progettati o si trovano in corso di costruzione.

CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI COGENERATIVI IN BASE AL GRUPPO DI POTENZA

Sistemi di cogenerazione con turbine a gas

Sistema cogenerativo con turbina a gas e caldaia a recupero1 compressore; 2 camera di combustione; 3 turbina; 4 caldaia a recupero



Sistemi di cogenerazione con turbine a vapore

Diagramma di Sankey relativo al bilancio dienergia per un gruppo termoelettrico di elevata

potenza

Sistema cogenerativo con turbina a vapore acontropressione

Sistema cogenerativo con turbina a vapore acontropressione: ciclo Hirn nel piano di Mollier

Sistema cogenerativo con turbina a vapore aderivazione e condensazione

Sistema cogenerativo con turbina a vapore aderivazione e contropressione



Sistema cogenerativo conturbina a vapore acontropressione

1 generatore di vapore; 2turbina a vapore; 3

degasatore; 4 rigeneratore

Sistema cogenerativo conturbina a vapore a

derivazione econtropressione

1 generatore di vapore; 2turbina a vapore altapressione; 3 turbina a

vapore media pressione; 4turbina a vapore bassa

pressione; 5 degasatore; 6rigeneratore

Sistema cogenerativo conturbina a vapore a

derivazione econdensazione

1 generatore di vapore; 2turbina a vapore altapressione; 3 turbina a

vapore bassa pressione; 4condensatore; 5

degasatore; 6 rigeneratore



Sistemi di cogenerazione con impianti combinati gas/vapore

Sistema combinato gas/vapore (fired) per cogenerazione con turbina a vapore a contropressione1 turbogas; 2 postbruciatore; 3 caldaia a recupero; 4 turbina a vapore a contropressione; 5 utilizzatore

del vapore

Cogenerazione con sistema combinato gas/vapore (unfired) con turbina a vapore a contropressione

Cogenerazione con sistema combinato gas/vapore con turbina a vapore a derivazione e condensazione



Sistemi di cogenerazione con motori alternativi a c. i. (MCI)

Diagramma di Sankey relativo albilancio di energia a pieno carico

per un motore a combustioneinterna ad accensione percompressione a 4 tempi

sovralimentato

Sistema cogenerativo con motore alternativo a combustione interna1 motore; 2 liquido refrigerazione motore; 3 scambiatore di calore; 4 ingresso acqua fredda; 5 uscitaacqua calda; 6 utilizzatore acqua calda; 7 gas combusti; 8 caldaia a recupero; 9 ingresso acqua; 10

uscita vapore; 11 utilizzatore vapore



Sistema cogenerativo con motore alternativo a combustione interna ad accensione per compressione

Ch

imic

a

Car

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vizi

TG • • • • • • • • • •

TG (1) • • •

TV contropressione • • •Sistemi CombinatiGas/Vapore

• • • •

MCI • • • • •

MCI (1) • •

(1) Utilizzazione diretta dei prodotti della combustione

Sistemi cogenerativi impiegati nelle diverse industrie manifatturiere e dei servizi



TG

Vasti campi di applicazioneElevata affidabilitàCalore a temperatura elevataPotenza da 0,5 MW a 200 MWGas di scarico con ossigeno

Limitazioni sul combustibileDurata non elevata

TV

Elevati valori di UElevata affidabilitàUtilizza ogni combustibileLunga durataVasti campi di potenza

Basso valore di Wx/Qu

Costo elevatoAvviamento lento

MCI

Elevato valore di Wx/Qu

Elevato rendimentoCosto non elevatoLunga durataFlessibilità

Elevati costi di manutenzioneCalore a temperatura non elevataCalore non concentrato in un’unica fonte

Caratteristiche dei sistemi cogenerativi basati sui diversi gruppi di potenza

SISTEMA COGENERATIVO SISTEMA CONVENZIONALE IR (%)Impianto Energia utile prodotta U Energia spesa Rendimento Energia spesa

Wx = 26,5 0,38 69,7(Indice elettrico = 0,486 )

TG Qu = 54,5 0,90 60,6 23,3

Totale = 81,0 0,81 100,00 130,3


TG (1) Qu = 70,0 0,90 77,8 18,4

Totale = 87,0 0,87 100,00 122,5


TV Qu = 75,0 0,90 83,3 18,6

Totale = 90,0 0,90 100,00 122,8


MCI Qu = 34,0 0,90 37,8 24,5

Totale = 70,0 0,70 100,00 132,5

(1) con postcombustione

Indici di risparmio di energia primaria relativi ai diversi sistemi cogenerativi



TELERISCALDAMENTO URBANO (IMPIANTO DI BRESCIA)

La centrale di teleriscaldamento è costituita da un impianto a vapore con turbina Ansaldo acontropressione con scarico a condensatore caldo (scambiatore di calore di alimentazione della rete diteleriscaldamento) e generatore di vapore Breda:

Potenza elettrica 30 MWPotenza termica utile 75 106 kcal/h

Generatore di vapore

Pressione assoluta vapore surriscaldato 100 barTemperatura vapore surriscaldato 515 °CPortata di vapore a carico termico massimo 175 t/hRendimento del generatore di vapore 94 %

Generatore elettrico (alternatore trifase)

Potenza 39500 kVATensione 15000 V

Schema di sistema cogenerativo per il teleriscaldamento urbano1 serbatoio combustibile; 2 generatore di vapore; 3 evaporatore; 4 surriscaldatore; 5 economizzatore; 6

collettore cilindrico; 7 preriscaldatore dell’aria comburente; 8 aspiratore fumi; 9 ventilatore ariacomburente; 10 depolveratore; 11 turbina a vapore; 12 alternatore; 13 condensatore caldo; 14

rigeneratore; 15 degasatore; 16 trasformatore; 17 sottostazione elettrica; 18 pompa; 19 pompa dialimento del generatore di vapore; 20 pompa mandata circuito teleriscaldamento; 21 pompa ritorno

circuito teleriscaldamento; 22 utenze dell’energia elettrica e dell’energia termica utile



TOTEM (TOTAL ENERGY MOTOR)

Esempio d’impiego cogenerativo di un motore alternativo a combustione interna ad accensionecomandata accoppiato ad un generatore elettrico.

Motore FIAT da autovettura mod. 127 A

• cilindrata: 903 cm3

• regime di rotazione: 3050 giri/min

• combustibile: GPL, metano o alcool

Prestazioni

• potenza elettrica: 16,5 kW

• potenza termica: 42,2 kW (36300 kcal/h)

• vettore dell’energia termica: acqua a temperatura massima di 85 °C e salto termico di 15 °C

• Indice elettrico: 0,4

Caratteristiche

• Il regime di rotazione costante consente di ottenere un rendimento relativamente buono.

• Il basso valore dell’indice elettrico (per un motore alternativo a combustione interna) è dovuto al nonelevato rendimento del motore ed alla possibilità di un energico recupero dell’energia termica,possibilità che deriva dalla bassa temperatura massima del calore utile prodotto (per un impiego diriscaldamento domestico in loco).

• La struttura modulare (da due ad otto unità) permette di mettere in funzione o disinserire le varie unitàper seguire l’andamento delle richieste di energia da parte delle utenze elettriche e termiche.



SFRUTTAMENTO ENERGETICO DI GAS COMBUSTIBILI DI PROCESSO SIDERURGICO

Schema d’impianto combinato gas/vapore alimentato da gas di processo siderurgicocon generatore di vapore a recupero di calore a due livelli di pressione



Unità AFO COKE OG AFO+COKE

Ossido di carbonio: CO % Vol 21,97 7,00 68,20 20,88

Anidride carbonica: CO2 % Vol 21,10 2,86 17,40 19,78

Idrogeno: H2 % Vol 2,18 55,52 1,00 6,05

Azoto: N2 % Vol 54,75 3,40 13,40 51,02

Metano: CH4 % Vol 27,82 2,02

Etilene: C2H4 % Vol 3,29 0,24

Ossigeno: O2 % Vol 0,11 0,01

Contenuto in Zolfo ppm 50 100 50 54

Potere calorifico inferiore kcal/m3n 730 4500 2080 1000

Potere calorifico inferiore kJ/m3n 3060 18840 8710 4190

Polveri mg/m3n ≤ 5

Gas combustibili di processo di impianto siderurgico

TG

TipoPotenza fornitaPotenza compressione gas combustibilePressione ingresso turbinaTemperatura ingresso turbinaTurbinaCompressoreCamera di combustioneCompressore del gas combustibileVelocità di rotazione turbinaVelocità di rotazione compressore del gas combustibile

monoalbero, circuito aperto124,4 MW37,0 MW1,297 MPa1154 °C (1427 K)n. 4 stadi assialin. 19 stadi assialitipo anularen. 17 stadi assiali3000 giri/min6310 giri/min

TV

TipoPotenza fornitaPressione ingresso turbina

sezione alta pressionesezione bassa pressione

Temperatura ingresso turbinasezione alta pressionesezione bassa pressione

Velocità di rotazione turbina

monocorpo assialecondensazione57,6 MW

6,279 MPa0,729 MPa

510 °C (738 K)276 °C (549 K)3000 giri/min

HRSG

TipoPortata vapore

sezione alta pressionesezione bassa pressione

Pressione vaporesezione alta pressionesezione bassa pressione

Temperatura vaporesezione alta pressionesezione bassa pressione

gas di scarico, a doppia pressione

45,83 kg/s8,611 kg/s

6,525 MPa0,827 MPa

513 °C (786 K)281 °C (554 K)

Specifica dei principali componenti dell’impianto combinato gas/vaporealimentato con gas di processo siderurgico



NORMA ITALIANA (UNI 8887)



Schema completo delle possibili interconnessioni energetiche



4. Condizioni nominali, campo di funzionamento, indici e parametri caratteristici

Nelle definizioni si fa riferimento ai "sistemi di teleriscaldamento a cogenerazione". Analoghi parametri possono essere definiti per i "sistemidi cogenerazione", depurando i bilanci energetici dei termini relativi alle reti di distribuzione del calore (consumi dei circolatori, perditetermiche, ecc.).Di seguito vengono definiti alcuni indici caratteristici e condizioni tipiche di funzionamento per i sopradetti sistemi atti ad evidenziarne ilcomportamento energetico.Tali definizioni sono riportate in due gruppi:

− definizioni atte ad individuare i campi di possibile funzionamento del sistema e i rapporti caratteristici tra i prodotti energetici (calore edenergia meccanica/elettrica);

− indici esprimenti il comportamento energetico in condizioni significative di esercizio.

4.1.Condizioni nominali

Si definiscono condizioni nominali di un sistema di cogenerazione quelle corrispondenti all'esercizio con il massimo valore della/e potenza/eintroducibile nel sistema, in funzionamento continuo (per un periodo specificato).Qualora il sistema abbia diverse modalità di esercizio, sia in relazione al tipo di combustibile e/o relativa combinazione sia in dipendenza allaintroduzione ausiliaria di potenza (per esempio: post-bruciatore), si definiscono più condizioni nominali, ognuna relativa ad una modalità difunzionamento continuativo, caratterizzata dal massimo flusso energetico entrante in ogni sezione. Per quanto attiene la centrale dicogenerazione, le condizioni nominali sono valutate nelle seguenti situazioni ambientali di riferimento:

− temperatura = 15 °C− pressione = 101325 Pa− umidità relativa = 50%.

Nel caso in cui le prestazioni dei vari componenti del sistema siano note in condizioni ambientali diverse da quelle di riferimento, esse potrannoessere ricondotte a tali condizioni, applicando le normative esistenti.Le dispersioni termiche delle reti di distribuzione del calore nelle condizioni nominali sono pure da valutarsi in accordo con le normative esistenti.Nelle definizioni delle condizioni nominali dovranno inoltre essere chiaramente precisate:

− le caratteristiche del/i combustibile/i impiegato/i (anche degli eventuali additivi) e del/i comburente/i (specificando l'eccesso d'aria);− la composizione chimica e le condizioni termodinamiche (temperatura, pressione e, se appropriato, il titolo) dei fluidi o solidi entranti e

uscenti dal sistema, siano essi utilizzatori termici o addetti alla dispersione del calore inutilizzato.

4.2.Campo di funzionamento

Agli effetti delle possibilità di funzionamento i sistemi di cogenerazione si ripartiscono come segue:

− con possibilità di funzionamento anche di sola energia meccanica/elettrica;− con possibilità di produzione anche di sola energia meccanica/elettrica;− con possibilità di produzione anche di solo calore.

Conseguentemente si definiscono gli indici seguenti.



9) Vedere nota 6 alla pagina precedente.

10) Vedere nota 7 alla pagina precedente.

4.3.Indici e parametri caratteristici

Gli indici e i parametri considerati sono riferiti ad un funzionamento a regime che può coincidere con le condizioni nominali o con altre condizionidi funzionamento significative.

4.3.1. Rendimento di I principio (indice di resa energetica assoluta globale)

Pesa in modo uguale tutte le forme di energie (termiche, meccaniche, elettriche).È definito come rapporto fra la somma delle potenze rese all'utenza e quella delle potenze fornite dalla/e fonte energetica:

Le uniche perdite sono dovute alla cessione di calore ai pozzi di calore (in pratica, all'ambiente) direttamente o tramite perdite elettriche emeccaniche.



Fig. 20 – Condizioni di funzionamento di un sistema di cogenerazione



INTERCONNESSIONI ENERGETICHE E RELATIVI SCHEMI D’IMPIANTO

Sistemi generatori di potenza ad energia primaria con recupero termico

Esempio di schema d’impianto



Sistemi generatori di potenza ad energia primaria con recupero termico ed introduzionesupplementare di energia (generatore di calore ausiliario a valle del generatore di potenza)




Sistemi generatori di potenza ad energia primaria con recupero termico ed introduzionesupplementare di energia (generatore di calore ausiliario in parallelo al generatore di potenza)




Sistemi di recupero di calore per produzione di energia meccanica/elettrica

Esempio di schema d’impianto(l’utilizzatore termico ad alta temperatura è una fornace che utilizza il calore QUA)



Sistemi di recupero di calore per produzione di energia meccanica/elettricacon introduzione supplementare di energia




Sistemi di recupero di calore per produzione di energia meccanica/elettricaed ulteriore recupero termico a valle del generatore di potenza


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