MOTORE DINAMICO A GAS - den.unipi.it · Ciclo Joule (Brayton) nel piano entropico e nel piano...

Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 33

Dipartimento di Energetica Università degli Studi di Pisa

MOTORE DINAMICO A GASSistemi a combustione esterna o interna

Ciclo termodinamico ideale Joule (Brayton)

Schema d’impianto in circuito aperto Schema d’impianto in circuito aperto

Ciclo termodinamico ideale Holzwarth

Schema d’impianto in circuito chiuso Schema d’impianto in circuito chiuso


D

Ciclo Joule (Brayton) nel piano entropico e nel piano entalpicorappresentazione grafica del calore (Q) e del lavoro all’albero (L) scambiato

ipartimento di Energetica

Rendimento ideale del ciclo Joule (Brayton) infunzione del rapporto di compressione

rCiclo Joule (Brayton) ideale o limite, per rapporti

di compressione crescenti, a T1 e T3 costanti

Rendimento limite del ciclo Joule (Brayton) perdiversi valori di k

Università degli Studi di Pisa

Ciclo Joule (Brayton) ideale o limite (1 2 3 4) eeale in assenza di cadute di pressione (1 2' 3 4')



Proprietà dell’aria


D
ipartimento di Energetica Università degli Studi di Pisa



Prestazioni energetiche

Rendimento ideale in funzione del rapporto di compressione

Lavoro massico utile in funzione del rapporto di compressione, per tre valori della temperaturamassima T3 [T1 = 288 K; k =1,4; cp = 1,0 kJ/(kg K)]



Rendimento e lavoro massico utile nel caso di ciclo reale per tre valori della temperatura massima[T1 = 288 K; k =1,4; cp = 1,0 kJ/(kg K)]

Rendimento e lavoro massico utile nel caso di ciclo realeper tre coppie di valori dei rendimenti di compressore e turbina

[T1 = 288 K; k =1,4; cp = 1,0 kJ/(kg K)]



Rigenerazione termica

Schema d’impianto in circuito chiuso

Schema d’impianto in circuito aperto


Dipartimento di Ener

Ciclo ideale e rigenerazione ideale

Ciclo ideale e rigenerazione reale

getica Università degli Studi di Pisa



Rendimento in funzione del rapporto di compressione, per due valori di T3 con rigenerazione ideale[T1 = 288 K; k =1,4; cp = 1,0 kJ/(kg K)]

Andamento di (T4-T2) all’aumentare del rapporto di compressione, per valori costanti di T1 e T3



Rigenerazione nel caso di ciclo reale (con cadute di pressione trascurabili)

Rendimento reale in presenza di rigenerazione (tre valori dell’efficienza di rigenerazione R)e senza rigenerazione (R = 0), per due valori della temperatura massima T3

[T1 = 288 K; k =1,4; cp = 1,0 kJ/(kg K)]



Ciclo reale e rigenerazione reale

Frazione del lavoro della turbina che viene richiesto dal compressore



Compressione con interrefrigerazione

Espansione con interriscaldamento

Compressione in due stadi con refrigerazione intermedia

Espansione in due stadi con ricombustione intermedia


Dipar

Turbogas

timento di Energetica Università degli Studi di Pisa


Dipartimento di Energe

Turbogas di deri

Compressore di bacombustione anu

pressione, turbina a

vazione aeronautica LM 6000 per applicazioni industriali (General Electric)

ssa pressione (5 stadi) seguito dal corpo di alta pressione (14 stadi), camera dilare, turbina a gas di alta pressione (2 stadi) che aziona il compressore di alta gas di bassa pressione (5 stadi) che aziona il compressore di bassa pressione e

l’utilizzatore (non rappresentato in figura)

tica Università degli Studi di Pisa


Dipart

Processo di compressione

Processo di compressione: a) regione di controllo; b) diagramma di Grassmann

Trasformazioni di compressione: a) per T1>T0 nel piano (T-s); b) per T1=T0 nel piano (εph-h)

Compressori adiabatici: relazione tra rendimentoexergetico e rendimento isoentropico

Compressioni in due stadi con refrigerazioneintermedia per T1=T0 nel piano (εph-h)

imento di Energetica Università degli Studi di Pisa



DISTRIBUZIONE DELLE IRREVERSIBILITÀ

Sistema motore con turbina a gas

Distribuzione delle irreversibilità in un turbomotore a gas a combustione esterna



Sistema motore con turbina a vapore

Distribuzione delle irreversibilità in un gruppo motore a vapore



SISTEMA MOTORE COMBINATO GAS/VAPORE

Diagramma entropico qualitativo per un sistema a ciclo combinato gas/vapore

Diagramma di Sankey per un sistema combinato gas/vapore tipico



Caldaia a recupero di calore (HRSG)

Sistema combinato gas/vapore: ciclo sovrapposto a gas e ciclo sottoposto a vapore; diagramma delletemperature dei gas di scarico e del sistema acqua-vapore in un generatore di vapore a recupero di

calore (HRSG)

Generatore di vapore a recupero di caloreHRSG (Heat Recovery Steam Generator)



Caldaia a recupero con bruciatori ausiliari1 ingresso gas combusti provenienti dalla turbina; 2 camera di collegamento; 3 bruciatori metano; 4alloggiamento per eventuali bruciatori gasolio; 5 schermo di tubi; 6 tubi ad U del surriscaldatore; 7

collettore acqua; 8 fascio di tubi evaporatori; 9 tubi ad U dell’economizzatore; 10 camino principale;11 collettore cilindrico acqua-vapore; 12 uscita dall’economizzatore; 13 uscita dal surriscaldatore; 14

muri d’acqua; 15 camino di by-pass; 16 serrande principali di deviazione gas combusti

Schema di caldaia a recupero di calore



Schemi d’impianto

Rappresentazioni schematiche di impianti combinati gas/vaporea) senza ricombustione (unfired);b) con ricombustione (fired) mediante una seconda camera di combustione (B2);c) con ricombustione (fired) mediante HRSG con bruciatori ausiliari



Prestazioni energetiche



Soluzioni impiantistiche

Rappresentazione schematica semplificata di un sistema combinato gas/vaporecon HRSG ad un livello di pressione e con spillamenti rigenerativi

1 compressore; 2 camera di combustione; 3 turbina a gas; 4 alternatore; 5 turbina a vapore; 6condensatore; 7 pompa di estrazione; 8 rigeneratore; 9 degasatore; 10 pompa di alimento; 11 caldaia arecupero; 12 economizzatore; 13 evaporatore; 14 collettore cilindrico; 15 pompa di circolazione; 16

surriscaldatore

Caldaia a recupero a solo scambio convettivo ad un livello di pressionea) rappresentazione schematica; b) andamento delle temperature


Dipartimento

1 comcondens

pompa di a15 pomp

Rappresentazione schematica semplificata di un sistema combinato gas/vaporecon HRSG ad un livello di pressione e senza spillamenti rigenerativi

pressore; 2 camera di combustione; 3 turbina a gas; 4 alternatore; 5 turbina a vapore; 6atore; 7 pompa di estrazione; 8 pompa economizzatore bassa pressione; 9 degasatore; 10limento; 11 caldaia a recupero; 12 economizzatore; 13 evaporatore; 14 collettore cilindrico;a di circolazione; 16 surriscaldatore; 17 economizzatore bassa pressione; 18 separatore di

vapore

Caldaia a recupero a solo scambio convettivo a due livelli di pressionea) rappresentazione schematica; b) andamento delle temperature

di Energetica Università degli Studi di Pisa



Rappresentazione schematica semplificata di un sistema combinato gas/vaporecon HRSG a due livelli di pressione e senza spillamenti rigenerativi

1 compressore; 2 camera di combustione; 3 turbina a gas; 4 alternatore; 5 turbina a vapore; 6condensatore; 7 pompa di estrazione; 8 pompa di alimento circuito di bassa pressione; 9 degasatore; 10

pompa evaporatore per il degasatore; 11 caldaia a recupero; 12 economizzatore alta pressione; 13evaporatore alta pressione; 14 collettore cilindrico di alta pressione; 15 pompa di circolazione circuito

di bassa pressione; 16 surriscaldatore alta pressione; 17 collettore cilindrico di bassa pressione; 18economizzatore di bassa pressione; 19 evaporatore di bassa pressione; 20 pompa di alimento circuitodi alta pressione; 21 evaporatore per il degasatore; 22 preriscaldatore acqua; 23 pompa di circolazione

circuito alta pressione



Ripotenziamento di centrali termoelettriche a vapore (Repowering)

Feedwater Repowering: ripotenziamento con preriscaldamento dell’acqua di alimento1 generatore di vapore; 2 corpo di alta pressione della turbina a vapore; 3 corpo di media pressione adoppio flusso; 4 corpo di bassa pressione a doppio flusso; 5 alternatore; 6 condensatore; 7 pompa diestrazione; 8 rigeneratori di bassa pressione; 9 degasatore; 10 pompa di alimento; 11 rigeneratori di

alta pressione; 12 alternatore; 13 gruppo turbogas; 14 caldaia a recupero

GRUPPO A VAPORE

Potenza netta (MW) 150 225 2 • 305 630

Rendimento netto 0,380 0,385 0,398 0,403

GRUPPO A GAS

Potenza netta (MW) 26 37,5 116 116


GRUPPO COMBINATO

Potenza netta (MW) 175 262 725 745

Incremento della potenza (%) 16,6 16,4 18,8 18,2


Incremento del rendimento (%) 1,58 2,01 2,01 1,98

Esempi di Feedwater Repowering (Turbogas Nuovo Pignone)



Heat Recovery Repowering: ripotenziamento con recupero dei gas di scarico del turbogas con HRSG1 generatore di vapore; 2 turbina a vapore; 3 alternatore; 4 condensatore; 5 pompa di estrazione; 6

rigeneratore di bassa pressione; 7 degasatore; 8 pompa di alimento; 9 rigeneratore di alta pressione; 10alternatore; 11 gruppo turbogas; 12 caldaia a recupero (HRSG)

Boiler Repowering: ripotenziamento con postcombustione nel generatore di vapore (boiler)1 ingresso combustibile; 2 generatore di vapore; 3 alla turbina a vapore; 4 economizzatore; 5 camino;

6 ventilatore; 7 preriscaldatore d’aria; 8 gruppo turbogas; 9 camino di by-pass



INDICE

Frontespizio ...................................................................................................................................................1IMPIANTO MOTORE A VAPORE.............................................................................................................2Diagramma di Sankey (bilancio di energia) ..................................................................................................5Diagramma di Grassmann (bilancio di exergia) ............................................................................................6Condensazione del vapore e determinazione della pressione bassa (PL).......................................................7Determinazione delle condizioni ottimali in caldaia .....................................................................................9Ciclo Hirn con risurriscaldamento del vapore .............................................................................................10Spillamenti di vapore...................................................................................................................................11Processo di combustione..............................................................................................................................16Irreversibilità di combustione ......................................................................................................................17Generatori di vapore ....................................................................................................................................19Motrici dinamiche (turbine).........................................................................................................................28MOTORE DINAMICO A GAS ..................................................................................................................33Sistemi a combustione esterna o interna......................................................................................................33Proprietà dell’aria ........................................................................................................................................35Prestazioni energetiche ................................................................................................................................37Rigenerazione termica .................................................................................................................................39Compressione con interrefrigerazione.........................................................................................................44Espansione con interriscaldamento..............................................................................................................44Turbogas ......................................................................................................................................................45Processo di compressione ............................................................................................................................48DISTRIBUZIONE DELLE IRREVERSIBILITÀ ......................................................................................49Sistema motore con turbina a gas ................................................................................................................49Sistema motore con turbina a vapore...........................................................................................................50SISTEMA MOTORE COMBINATO GAS/VAPORE...............................................................................51Caldaia a recupero di calore (HRSG) ..........................................................................................................52Schemi d’impianto.......................................................................................................................................54Prestazioni energetiche ................................................................................................................................55Soluzioni impiantistiche ..............................................................................................................................56Ripotenziamento di centrali termoelettriche a vapore (Repowering)..........................................................59Indice ...........................................................................................................................................................61

MOTORE DINAMICO A GAS - den.unipi.it · Ciclo Joule (Brayton) nel piano entropico e nel piano...

Documents

Transcript of MOTORE DINAMICO A GAS - den.unipi.it · Ciclo Joule (Brayton) nel piano entropico e nel piano...