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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 liL’energia, fonti, trasformazioni ed usi finaliL’energia, fonti, trasformazioni ed usi finaliImpianti a vaporeImpianti a vaporeI t i diI t i diI generatori di vaporeI generatori di vaporeImpianti turbogasImpianti turbogasCicli combinati e cogenerazioneCicli combinati e cogenerazioneIl mercato dell’energiaIl mercato dell’energia

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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 liL’energia, fonti, trasformazioni ed usi finaliL’energia, fonti, trasformazioni ed usi finaliImpianti a vaporeImpianti a vaporeI t i diI t i diI generatori di vaporeI generatori di vaporeImpianti turbogasImpianti turbogasCicli combinatiCicli combinati e cogenerazionee cogenerazioneIl mercato dell’energiaIl mercato dell’energia

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CC

C T U

Gruppo turbogasGruppo turbogas

3

CC

C T U

Gruppo turbogasGruppo turbogas

4

CC

C T U

Gruppo turbogas

Caldaia a recuperotopping

Gruppo turbogas

T U

Gruppo avaporebottoming

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CC

C T U

Gruppo turbogas

Caldaia a recuperotoppingIl ciclo combinato gas Il ciclo combinato gas -- vapore rappresenta oggi vapore rappresenta oggi indiscutibilmente la migliore tecnologia per la indiscutibilmente la migliore tecnologia per la produzione di energia elettrica da gas naturale,produzione di energia elettrica da gas naturale,Gruppo turbogasproduzione di energia elettrica da gas naturale, produzione di energia elettrica da gas naturale, in termini di efficienza, di emissioni e di costi in termini di efficienza, di emissioni e di costi sia di investimento che operativi.sia di investimento che operativi.

T UNell’ultimo decennio è stato protagonista di una Nell’ultimo decennio è stato protagonista di una vera e propria rivoluzione nel settore dell’industria vera e propria rivoluzione nel settore dell’industria termoelettrica spodestando le centrali a vapore daltermoelettrica spodestando le centrali a vapore dal

Gruppo avaporebottoming

termoelettrica, spodestando le centrali a vapore dal termoelettrica, spodestando le centrali a vapore dal ruolo praticamente monopolistico finora detenuto.ruolo praticamente monopolistico finora detenuto.

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Il problema da affrontare consiste in:

recuperare nel modo più efficiente possibile il calore disponibile in una sorgente gassosa la cui temperatura diminuisce quando si estrae calore;

cedere il calore non convertito in energia meccanica ad un pozzo di calorecedere il calore non convertito in energia meccanica ad un pozzo di calore a temperatura costante (l’ambiente)

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Il problema da affrontare consiste in:

recuperare nel modo più efficiente possibile il calore disponibile in una sorgente gassosa la cui temperatura diminuisce quando si estrae calore;

cedere il calore non convertito in energia meccanica ad un pozzo di calorecedere il calore non convertito in energia meccanica ad un pozzo di calore a temperatura costante (l’ambiente)

T Tma

xx

La forma triangolare permette :

di acquisire e cedere calore sotto differenze di t t ll Trasformazione didi temperatura nulle

di sottrarre ai gas tutto il calore disponibile raffreddandoli fino a T0

Trasformazione di raffreddamento

Ciclo

S

T0

operare co compressione ed espansione reversibili

Temperatura ambiente

reversibile

STemperatura ambiente

8

Per un ciclo reversibile

Tma

x

Th

x

Ciclo Con gas ideale

Rendimento

S

T0

reversibile Rendimentodi un ciclo di Carnot

ss0

h0

S

Temperatura media logaritmica tra T e T0

9

Per un ciclo reversibile

Nel caso reale si produrrà un lavoro W inferiore:

Con gas idealeRendimentoRendimentodi un ciclo di Carnot

Temperatura media logaritmica tra T e T0

Fattore di recupero

10

recupero

Per un ciclo reale

Purtroppo nella pratica non esisterà un gas che è capace di assorbire calore a temperatura costante e poi cederne una parte a temperatura costante condensando.

E’ interessante verificare come si comporta un ciclo di Carnot:

Tma

x

TΔSA: il fluido di lavoro si riscalda a temperatura costante

E interessante verificare come si comporta un ciclo di Carnot:

x

ΔSB : i gas non si possono raffreddare sino a T0

ΔSATe

Il rendimento di Recupero dipenderà ovviamente da Te

Si può dimostrare che il massimo rendimento si ha con:

S

T0

ΔSB

Esempio: T=500 °C e T0 =15 °CS0

η = 0,3895 κ = 0,6209 ηI = 0,2419

Contro ηR =0,4136

11

Contro ηR 0,4136

Per un ciclo reale

Si possono utilizzare più cicli di Carnot, partendo da due

Tma

x

T

x

Te

S

T0

S

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Per un ciclo reale

Si possono utilizzare più cicli di Carnot, partendo da due

sino ad arrivare a più livelli Nell’esempio precedente il rendimento passa a 0 3056 con due livelli

Tma

x

T

•0,3056 con due livelli•0,3349 con tre livelli di espansione.

x

Te

S

T0

S

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Per un ciclo reale

Si possono utilizzare più cicli di Carnot, partendo da due

sino ad arrivare a più livelli Nell’esempio precedente il rendimento passa a 0 3056 con due livelli•0,3056 con due livelli

•0,3349 con tre livelli di espansione.

Per potersi avvicinare al ciclo reversibile si può utilizzare: Per non ricorrere a pressioni eccessive si può utilizzarep

un ciclo a vapore, che condensi a temperatura costante, ma con una evaporazione

d i

Per non ricorrere a pressioni eccessive si può utilizzare l’ammoniaca che ha una temperatura critica di 132,4°C

ma presenta notevoli problemi di sicurezza

ad una pressione certamente ipercritica

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Per un ciclo reale

Si possono utilizzare più cicli di Carnot, partendo da due

sino ad arrivare a più livelli Nell’esempio precedente il rendimento passa a 0 3056 con due livelli•0,3056 con due livelli

•0,3349 con tre livelli di espansione.

Per potersi avvicinare al ciclo reversibile si può utilizzare: p

un ciclo a vapore, che condensi a temperatura costante, ma con una evaporazione

d iad una pressione certamente ipercritica

oppure un gas che si riscalda lungo una isobaraun gas che si riscalda lungo una isobara, si espande seguendo una adiabatica isoentropica e poi si segua una trasformazione di compressione paraisoterma composta da “numerose” compressioni ed interrefrigerazioni

Entrambe le soluzioni si presentano difficilmente praticabili

numerose compressioni ed interrefrigerazioni

15

difficilmente praticabili

Potenzialità dei cicli combinati

Se si suppone che il ciclo bottoming operi recuperando il solo calore disponibile nei gas di scarico del turbogas (UNFIRED):

Rendimento del ciclo di recupero

Rendimento Potenza termica dispersa in fonti

di d i dinetto della turbogas

Potenza termica disponibile nei gas

di scarico

diverse dai gas di scarico

Nel caso studiato didi scarico Nel caso studiato di Tsc = 599,7 °C e T0 =15 °C con ηGT =0,3555 e ξ = 0,0144 si ha ηCC = 0,6415 ipotizzando ηr reversibileηCC , p ηr

in pratica si vedrà tale valore scendere a 0,57

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LA CALDAIA A RECUPERO

CC

C T U

Gruppo turbogas

topping

Gruppo turbogas

T U

Gruppo avaporebottoming

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LA CALDAIA A RECUPERO

CC

C T U

Gruppo turbogas

topping

Gruppo turbogas

T U

Gruppo avaporebottoming

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LA CALDAIA A RECUPERO

CC

C T U

Gruppo turbogasGruppo turbogas

T

500

T[K]400 Raffreddamento

T U°C400

300

del gas

economizzatore

Gruppo avapore200

100

preriscaldamento

190

0 20 40 60 80 100%Potenza termica scambiata

LA CALDAIA A RECUPERO

CC corpo cilindrico

C T U

Gruppo turbogasGruppo turbogas

TRaffreddamento

500

T[K]400

T U°C

del gas

economizzatore

400

300

Gruppo avapore200

preriscaldamento100

200 20 40 60 80 100%Potenza termica scambiata

0

LA CALDAIA A RECUPERO

CC corpo cilindrico

C T U

Gruppo turbogas500 Gruppo turbogas

TRaffreddamento surriscaldatore

500

T[K]400

T U°C

del gas

economizzatore

evaporatore

300

Gruppo avapore

evaporazione

200

preriscaldamento

surriscaldamento100

210 20 40 60 80 100%Potenza termica scambiata

0

LA CALDAIA A RECUPERO

CC corpo cilindricoΔTap approach point chè il minimo valore del salto termico tra il gas entrante ed il vapore surriscaldato

C T U

Gruppo turbogas

p

Gruppo turbogas

TRaffreddamento surriscaldatore

500

T[K]400

T U°C

del gas

economizzatore

evaporatore400

300

Gruppo avapore

evaporazione200

preriscaldamento

surriscaldamento100

220 20 40 60 80 100%Potenza termica scambiata

0

LA CALDAIA A RECUPERO

CC corpo cilindricoΔTap approach point chè il minimo valore del salto termico tra il gas entrante ed il vapore surriscaldato

C T U

Gruppo turbogas

p

Gruppo turbogas

TRaffreddamento surriscaldatore

500

T[K]400

T U°C

del gas

economizzatore

evaporatore400

300

Gruppo avapore

evaporazione200

preriscaldamento

surriscaldamento100

230 20 40 60 80 100%Potenza termica scambiata

0

LA CALDAIA A RECUPERO

CC corpo cilindricoΔTap approach point chè il minimo valore del salto termico tra il gas entrante ed il vapore surriscaldato

C T U

Gruppo turbogas

p

Gruppo turbogas

TRaffreddamento surriscaldatore ΔTpp pinch-point è il minimo valore del

500

T[K]400

T U°C

del gas

economizzatore

evaporatorepp p psalto tra la temperatura del gas uscente

dal banco degli evaporatori e la temperatura di evaporazione

400

300

Gruppo avapore

evaporazione ΔTsc subcooling è il valore del salto tra la temperatura di

200

preriscaldamento

surriscaldamentosalto tra la temperatura di

evaporazione e quella dell’acqua uscente dall’economizzatore

100

240 20 40 60 80 100%Potenza termica scambiata

0

LA CALDAIA A RECUPERO

CC corpo cilindricoΔTap approach point chè il minimo valore del salto termico tra il gas entrante ed il vapore surriscaldato

ΔTap approach-point e ΔTpp pinch-point stabiliscono delle differenze di temperatura che stanno alla base del progetto termico della caldaia,

C T U

Gruppo turbogas

p p g

ΔTsc subcooling è necessario ad evitare rischi di inizio evaporazione nei tubi dell’economizzatore che comporterebbe un blocco temporaneo della portata a Gruppo turbogas

TRaffreddamento surriscaldatore ΔTpp pinch-point è il minimo valore del

p p pcausa dell’aumento di volume del vapore500

T[K]400

T U°C

del gas

economizzatore

evaporatorepp p psalto tra la temperatura del gas uscente

dal banco degli evaporatori e la temperatura di evaporazione

400

300

Gruppo avapore

evaporazione ΔTsc subcooling è il valore del salto tra la temperatura di

200

preriscaldamento

surriscaldamentosalto tra la temperatura di

evaporazione e quella dell’acqua uscente dall’economizzatore

100

0

250 20 40 60 80 100%Potenza termica scambiata

0

LA CALDAIA A RECUPERO

corpo cilindricoΔTap approach-point e ΔTpp pinch-point stabiliscono delle differenze di temperatura che stanno alla base del progetto termico della caldaiastanno alla base del progetto termico della caldaia,

ΔTsc subcooling è necessario ad evitare rischi di inizio evaporazione nei tubi dell’economizzatore che comporterebbe un blocco temporaneo della portatacomporterebbe un blocco temporaneo della portataa causa dell’aumento di volume del vapore

ΔT pinch-point ΔT approach-point ΔT subcoolingCaso base:ΔT pp 10°C

PrestazioniΔT pp=10°CΔT ap=25°CΔT sc=10°C

5°C 20°C 10°C 50°C 0°C 20°C

P el. (MWel) 65,20 66,52(+2%)

62,62( 4%)

65,66(+0 7%)

64,46( 1 1%)

66,46(+1 9%)

64,03( 1 8%)(+2%) (-4%) (+0,7%) (.1,1%) (+1,9%) (-1,8%)

Qv (kg/s) 67,19 68,49 64,58 66,32 68,70 68,44 66,00Tfu (°C) 147,0 140,5 160,1 148,0 145,3 140,7 153,0U .A (W/K) 3349 3971 2670 3496 3266 3742 3129( )

La riduzione del ΔTpp incrementa la Potenza ma richiede Ottimizzazione t i i

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anche un forte aumento della superficie di scambio (U.A) tecnico-economica

LA CALDAIA A RECUPERO ASPETTI PROGETTUALI

Otti i i d l ΔT P di il t di d li lli di i ll diOttimizzazione del ΔTppPrendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli di pressione a valle di un gruppo TG che scarica 300 MW a circa 473°C; in esso si ha che, al variare del ΔTpp, la potenza elettrica ed il prodotto di coefficiente globale di scambio e superficie di scambio, assumono i valori:

ΔTPP = 5°C Pel = 74.764 MW U . A = 6673 kW/KΔTPP = 10°C Pel = 73.461 MW U . A = 5434 kW/KΔTPP = 15°C Pel = 72.144 MW U . A = 4684 kW/K

ΔTPP crescente …………….Pel si riduce …………….. le dimensioni si riducono(aumenta la perdita di energia)(aumenta la perdita di energia)

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LA CALDAIA A RECUPERO ASPETTI PROGETTUALI

Otti i i d l ΔT P di il t di d li lli di iOttimizzazione del ΔTpp Prendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli di pressione a valle di un gruppo TG che scarica 300 MW a circa 473°C; in esso si ha:

ΔTPP = 5°C Pel = 74.764 MW UA = 6673 kW/KΔTPP = 10°C Pel = 73.461 MW UA = 5434 kW/KΔTPP = 15°C Pel = 72.144 MW UA = 4684 kW/K

ΔTPP crescente …………….Pel si riduce …………….. le dimensioni si riducono(aumenta la perdita di energia)(aumenta la perdita di energia)

800

700

Δ costo annuo

700

600

500

k€ 400

300

200

100

0

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0ΔTPP = 5 °C 7,5 10 12,5 15

LA CALDAIA A RECUPERO ASPETTI PROGETTUALI

Otti i i d l ΔT P di il t di d li lli di iOttimizzazione del ΔTpp Prendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli di pressione a valle di un gruppo TG che scarica 300 MW a circa 473°C; in esso si ha:

ΔTPP = 5°C Pel = 74.764 MW UA = 6673 kW/KΔTPP = 10°C Pel = 73.461 MW UA = 5434 kW/KΔTPP = 15°C Pel = 72.144 MW UA = 4684 kW/K

ΔTPP crescente …………….Pel si riduce …………….. le dimensioni si riducono(aumenta la perdita di energia)(aumenta la perdita di energia)

800

700

Δ costo annuo

700

600

500

k€ 400

300

Δ costo HRSG

200

100

0

29

0ΔTPP = 5 °C 7,5 10 12,5 15

LA CALDAIA A RECUPERO ASPETTI PROGETTUALI

Otti i i d l ΔT P di il t di d li lli di iOttimizzazione del ΔTpp Prendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli di pressione a valle di un gruppo TG che scarica 300 MW a circa 473°C; in esso si ha:

ΔTPP = 5°C Pel = 74.764 MW UA = 6673 kW/KΔTPP = 10°C Pel = 73.461 MW UA = 5434 kW/KΔTPP = 15°C Pel = 72.144 MW UA = 4684 kW/K

ΔTPP crescente …………….Pel si riduce …………….. le dimensioni si riducono(aumenta la perdita di energia)(aumenta la perdita di energia)

800

700

Con esse si riducono anche le dimensioni di tutto l’impianto

Δ costo annuo

700

600

500

k€ 400

300

Δ costo HRSG

200

100

0

Δ costo impianto

30

0ΔTPP = 5 °C 7,5 10 12,5 15

LA CALDAIA A RECUPERO ASPETTI PROGETTUALI

Otti i i d l ΔT P di il t di d li lli di iOttimizzazione del ΔTpp Prendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli di pressione a valle di un gruppo TG che scarica 300 MW a circa 473°C; in esso si ha:

ΔTPP = 5°C Pel = 74.764 MW UA = 6673 kW/KΔTPP = 10°C Pel = 73.461 MW UA = 5434 kW/KΔTPP = 15°C Pel = 72.144 MW UA = 4684 kW/K

ΔTPP crescente …………….Pel si riduce …………….. le dimensioni si riducono(aumenta la perdita di energia)(aumenta la perdita di energia)

800

700

Con esse si riducono anche le dimensioni di tutto l’impianto

Δ costo annuo

700

600

500

k€ 400

300

Δ costo HRSG Δ costo mancataproduzione el.

200

100

0

Δ costo impianto

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0ΔTPP = 5 °C 7,5 10 12,5 15

LA CALDAIA A RECUPERO ASPETTI PROGETTUALI

Otti i i d l ΔT P di il t di d li lli di iOttimizzazione del ΔTpp Prendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli di pressione a valle di un gruppo TG che scarica 300 MW a circa 473°C; in esso si ha:

ΔTPP = 5°C Pel = 74.764 MW UA = 6673 kW/KΔTPP = 10°C Pel = 73.461 MW UA = 5434 kW/KΔTPP = 15°C Pel = 72.144 MW UA = 4684 kW/K

ΔTPP crescente …………….Pel si riduce …………….. le dimensioni si riducono(aumenta la perdita di energia)(aumenta la perdita di energia)

800

700

Con esse si riducono anche le dimensioni di tutto l’impiantoΔ costo totale

Δ costo annuo

700

600

500ottimo

k€ 400

300

Δ costo mancataproduzione el.

Δ costo HRSG

200

100

0

Δ costo impianto

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0ΔTPP = 5 °C 7,5 10 12,5 15

Valore ottimale di ΔTPP circa 8 °C

LA CALDAIA A RECUPERO ASPETTI PROGETTUALI

Otti i i d l ΔT P di il t di d li lli di iOttimizzazione del ΔTpp Prendiamo il caso concreto di un gruppo a recupero a due livelli di pressione a valle di un gruppo TG che scarica 300 MW a circa 473°C; in esso si ha:

ΔTPP = 5°C Pel = 74.764 MW UA = 6673 kW/KΔTPP = 10°C Pel = 73.461 MW UA = 5434 kW/KΔTPP = 15°C Pel = 72.144 MW UA = 4684 kW/K

ΔTPP crescente …………….Pel si riduce …………….. le dimensioni si riducono(aumenta la perdita di energia)(aumenta la perdita di energia)

800

700

Con esse si riducono anche le dimensioni di tutto l’impiantoΔ costo totale

Δ costo annuo

700

600

500ottimo

Successivamente si dimensionano le sezioni trasversali di passaggio

del gas di scarico

k€ 400

300

Δ costo mancataproduzione el.

Δ costo HRSGIl tipo di circolazione nel banco

di evaporazione200

100

0

Δ costo impianto Il collocamento del degasatore

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0ΔTPP = 5 °C 7,5 10 12,5 15

Valore ottimale di ΔTPP circa 8 °C