Appunti Esame Impianti - prima parte di Impianti con turbina a gas

Impianti con turbine a gas

Impianti

Partiamo con un richiamo sulle turbine a gas:

La principale diversità che la turbina a gas rispetto a quello che abbiamo visto a sistemi energetici è che le turbine a gas attuali sono raffreddate in modo importante, e non un raffreddamento come quello dei MCI, che per via del loro funzionamento non stazionario e le caratteristiche di un motore alternativo permette l’utilizzo di un liquido o di materiali che hanno ridotte T di fusione, come ad esempio l’alluminio che fonde a 500°. Nella TAG, invece una macchina stazionaria, più semplice a livello meccanico degli MCI, assenza di valvola, e non cerca di far avvenire nello stesso luogo 2 trasformazioni termodinamiche completamente diverse in tempi diversi. Modellare un MCI in un sistema termodinamico in un'unica simulazione dettagliata vicina ad una simulazione diretta del flusso sarebbe un incubo. La TAG che è molto più semplice a livello di schema, un compressore, un area di combustione e una di espansione all’inizio non si riusciva a farla funzionare, questo perché a differenza di un MCI, richiede una grande conoscenza della fluidodinamica della macchina, non puoi fare bene un compressore se non sai lo spessore dello strato limite su una pala, perché non riuscirai ad indovinare la portata e la sua efficienza, questo non ci voleva per fare gli MCI ecco perché si è sviluppato prima.

Sviluppo negli anni delle TAG

Vediamo lo sviluppo negli anni delle TAG:

La primissima turbina nasce nel 36 dai tedeschi. Nasce da subito un problema, mi chiedo come cazzo fare a far funzionare il componente di espansione, si va oltre 1000° e dopo pochi minuti i primi elementi della turbina vanno a quella temperatura lì, le leghe ferrose fondono tutte intorno ai 1500°, e io so che la curva di Larson-Miller che descrive il comportamento a creep delle leghe ferrose più o meno presenta un inaccettabile soglia di sigma ammissibile al di sopra dei 560/600°, la macchina a vapore non va sopra queste T, perché è MOOOOLTO grande, e io per farla ad un costo ragionevole la devo fare di acciai legati, la macchina a vapore al di sopra di queste T sarebbe molto a rischio, ma non c’è motivo di arrivarci.

Ma se io provo a fare il rendimento di una TAG con 600° come Tmax viene un rendimento del cazzo, 15-20%. Già 800-900° gradi sono troppi però per i materiali che si utilizzano. Nel grafico sopra a destra vediamo in grigio la curva di crescita dei materiali nelle TAG, siamo nella seconda generazione di single crystal, io prendo una super lega di Nichel e di cobalto dove non c’è neanche un atomo di ferro che ha una T di fusione poco superiore a quella delle leghe ferrose, di 100 o 200 gradi, io la metto a continua esposizione ad un flusso di gas caldi a 1700° e la tengo lì per ore e giorni e mesi, T molto oltre la T di fusione, e ci lavora di continuo anche per 2 anni senza fermarsi mai nel campo di industriale. Ovviamente col cazzo che posso tenere quei componenti a 1700° quando la T di fusione dei materiali usati oggi la vediamo sul grafico è intorno ai 1000°, soprattutto considerato l’enorme costo delle palette di questo materiale.

Sempre sullo stesso grafico vediamo lo sviluppo colorato delle turbine a gas in termini di max T raggiunta, perché ancora a 1000° il rendimento delle turbine a gas è ridicolo, oggi le macchine vanno infatti a 1700°, molto oltre la T di fusione, quindi non è che oggi se si rompe il sistema di raffreddamento si danneggia la pala si rompe, SI SCIOGLIE. VEDI BENE che applicare un sistema di raffreddamento e protezione delle palette non è un vantaggio è UNA NECESSITÀ PER FUNZIONAMENTO. Perché se io avessi macchine adiabatiche e materiali ceramici, che fondono ad altissime T. SOLO che una paletta che gira a 12000 giri in materiali ceramici si spaccherebbero subito a causa della loro alta fragilità. Quindi il primo problema del ciclo reale di oggi è introdurre il raffreddamento.

È questo ci spiega un po’ di cose, a sistemi energetici con le nostre tavole vedevamo che le TAG avevano un rendimento del 50%, ma nella realtà al massimo arrivano a 39, perché? Perché il raffreddamento modifica il ciclo. Ma più che il rendimento il problema è il lavoro e la potenza prodotta, se io devo usare l’aria del compressore per raffreddare la mia pala, io riduco la portata in ingresso, io comprimo fino a 200 e poi il 20% della portata del compressore invece che in CC io la mando in turbina a raffreddare le palette, ecco che l’espansione in parte è calda, ma in buona parte è fredda, ovvero il tratto rosso. La rappresentazione termodinamica qui non è banale eh, i T-s hanno proprietà interessanti di lettura finché la portata nei rami del circuito rimane costante, ma dal punto 2 qui la portata si sdoppia, perché in parte va in CC, parte in turbina, uno va in 3 e uno va in H.

Rendimento ideale e reale

Definiamo quindi, il rendimento ideale e reale di una turbina a gas:

Vedi bene che il reale dipende dal rendimento di compressione, che non riuscivamo a farlo oltre 0,6/0,8 e dal rendimento di turbina, che era 0,8 e quindi c’è il termine moltiplicativo in rosso che diventa piccolo e quindi il termine a sottrarre nel coefficiente moltiplicativo in parentesi quadra sale e si arriva alla consapevolezza che se non riesci ad avere una T max abbastanza alta tale da annullare le conseguenze delle irreversibilità su compressore e turbina, la macchina non la fai.

L’obbiettivo di fare la macchina si raggiunge quando i 2 rendimenti di compressore e turbina sono interessanti. Una volta fatto ciò la macchina allora o è poco efficiente o è troppo grande rispetto al lavoro che fa, la soluzione allora è far crescere la Tmax. Quindi per prima cosa devi riuscire a costruire il compressore, e successivamente far crescere la temperatura:

Tipologie di configurazioni delle TAG

Tipologie di configurazioni delle TAG:

Gli effetti del ciclo reale lo sappiamo, quelli di cui dobbiamo tenere conto, sono gli effetti all’ingresso e all’uscita della macchina, soprattutto per gli impianti, meno per i motori aeronautici che non possono avere filtri in aspirazione, inoltre i motori stanno sempre ad alta quota dove a meno di eruzioni vulcaniche non ci sono elementi pericolosi per la macchina. Per l’impianto terrestre invece va risolto, perché se la turbina l’hai vicino ad un deserto o un centro urbano si tirano dentro di tutto, quindi vanno filtrate, partendo quindi non dal punto 1 ma dal punto 1’ al quale arriveremo con una perdita di pressione legata alla filtrazione.

Questa operazione però comporta una perdita di carico in aspirazione, quindi uno punto di partenza a P più bassa, mentre la P di uscita sarà ancora a P ambiente, ma anche là ci vorrà un camino di scarico, è vero che a oggi le emissioni di una TAG sono contenute, ma si disperdono fumi a 150°, e bisogna avere un po’ di camini, e questo farà che avrò una pressione un po’ più bassa, quindi dovrò scaricare ad una pressione più alta 4 che è più alta della 4’ che è la P ambiente. Riassumendo ho una P più bassa in aspirazione e una più alta allo scarico, che si traduce in minor lavoro e peggior rendimento.

Allo scarico delle TAG

Allo scarico delle TAG

Dove passa il fluido, alla fine dello scarico se devo andare in camino devo rallentare il flusso senza che separi, cosicché la P statica in 3 (sezione di uscita) potrebbe essere teoricamente più bassa dell’atmosferica, ma con la quota dinamica la P totale è sopra l’atmosfera, ma non troppo, di poco, si fa questa operazione per guadagnare e limare un pochino di P allo scarico e non essere troppo sopra l’atmosferica. Se non ci fosse il diffusore è peggio perché la v di uscita dalla turbina è più alta di quella in uscita dal camino se non ci fosse il diffusore, io sarei più in alto con la P totale.

Combustore

Parliamo del combustore:

Ci ricordiamo che abbiamo un’anomalia legata al fatto che nella macchina reale di una TAG io la portata di combustibile la aggiungo in CC, quindi solo nella turbina. Quindi io le perdite di potere calorifico in CC dell’1/2% e le perdite di carico lì, le equiparo col fatto che ho con più portata di turbina, che sarà utile sul lavoro di turbine. Ma ricordiamoci che le perdite di carico di un combustore si costituisce di 2 componenti:

• Una legata all’attrito, K1, definita cold loss alla rugosità delle pareti e alla viscosità del fluido, costante coefficiente e dipende dalla portata del fluido da T e da P e da p.
• Una che dipende dallo scambio di calore K2, in assenza di attrito se riscaldo o diminuisco la T del flusso ne varierò la densità di conseguenza la P totale varierà e quindi avrò delle perdite di carico legato allo scambio termico, questa perdita si aggiunge via via che il combustore va a regime e aumenta sempre di più con la temperatura.

Questo mi dice che se io voglio misurare la perdita di carico di un condotto, devo fare test isotermi, perché altrimenti non si riconducono ai coefficienti di perdita di cold loss. Il rendimento di combustione si può definire come scritto: ci sono 2 metodi a seconda di quale parametro si vuole fissare.

Oggi dove siamo

OGGI DOVE SIAMO:

Le macchine autoderivative sono più compatte e leggere con caratteristiche multialbero differiscono dalle industriali prevalentemente per il rapporto di compressione come vedi che è molto più basso per queste ultime, nel mondo aeronautico è una macchina fondamentale poiché questi volano tutti a combustibile fossile e non si pensa come sia possibile farli a rinnovabile mentre forse è possibile spostarsi sull’idrogeno.

Mentre per le turbine industriale il discorso cambia, il discorso della risorsa dello storage delle rinnovabili, rappresenterà un elemento fondamentale che fa si che ci sia partita forte tra l’uso di macchine a combustibile fossile come questa TAG che funzionano tutte a gas naturale, al più idrogeno e lo sviluppo di sistemi di accumulo sempre più efficienti. Questa macchina l’idrogeno lo brucia bene ma l’H green viene prodotto molto poco oggi nel mondo.

Le macchine quindi nascono apposta per l’industriale, l’heavy duty nate per l’uso di lunga data quelle 20000 ore di lavoro che non puoi far volare a causa dei pesi e dimensioni. Sono macchine nate per la terra, hanno caratteristiche di rapporti di compressione più bassi, poiché si usano spesso in cicli combinati. Sulle Tmax la progressione è stata mostruosa dal 90’.

In campo aeronautico non avendo mai ciclo combinato, conviene quindi massimizzare il rendimento, anche solo per volare in modo più economico, allora il beta sale tremendamente, qualcuno sfiora i 50. Siccome questi hanno grande capacità di sviluppo poiché l’industria aeronautica succhia gran parte di tutto il fatturato del mercato delle turbine a gas, quando il motore è già a posto vai a fare la turbina aeroderivata, gli togli il fan, gli aggiungi i pezzi di turbina che gli manca lo modifichi e ottieni la macchina industriale aeroderivata, allora diventa una questione di prezzo, io posso fare un prodotto di costo competitivo a quello industriale, portandosi dietro le caratteristiche di rendimenti migliori e compressioni migliori. Vedremo che le aeroderivate non sono adatte ad applicazioni in ciclo combinato. I motivi puoi vederlo nei seguenti grafici:

Vediamo che il consumo specifico del ciclo combinato rappresentato con una certa TAG con un certo valore della potenza specifica, aumenta sempre di più all’aumentare della T di scarico della turbina, con 600 gradi io ho il minimo del consumo specifico e il massimo del lavoro specifico. Mi trovo con una macchina che messa insieme ad una TAV fa più rendimento e più lavoro, ma ciò accade in corrispondenza di rapporto di compressione non troppo alti, come faccio ad avere T allo scarico altissima? È vero che devo salire con la temperatura max, però devo limitare il beta, nel motore aeronautico io spingo col beta perché non mi interessa se io scarico aria a 500/400° ma il ciclo combinato con questo temperatura di scarico non lo faccio bene, perché il massimo del ciclo a vapore la ottengo con una t ottimale devo andare intorno ai 550-600° e con un motore aeronautico non ci arrivo. Non conviene, per cui la linea guida di sviluppo delle macchine aeronautiche e industriale ha seguito indirizzi molto semplici:

Con emissioni inquinanti intendiamo NOx non la CO2, la CO2 non è inquinante, è climaalterant, la CO2 se brucio carbonio è inevitabile, la roba che inquina sono gli NOx la CO il particolato solido il polluntant Ma la CO2 non è mortale e pericolosa come i precedenti, ma è clima alterante, ovviamente però finche brucio combustibile fossile con carbonio io emetto CO2.

Scenario di impiego della TAG

È interessante lo scenario di impiego della TAG negli anni e come varia negli anni, fino a inizio 90 era dominata dal petrolio per il basso costo, ma usare gasolio o petrolio per TAG o TAV aveva troppe emissioni, inizi 90 si iniziava già a vendere gas naturale che stava crescendo. LA turbina a gas cavalca molto l’andamento del gas naturale. Dal 2008 c’è una crescita di energia elettrica soprattutto rinnovabile, oggi siamo intorno al 40% di energia da rinnovabili, ma tutto il parco turbina a gas ha cambiato molto, siamo passati da tenerlo acceso 20000 ore ad accenderlo 2 ore al giorno per tappare i buchi delle disponibilità discontinua delle rinnovabili.

La rivoluzione green del mercato porta come vediamo a dei momenti del giorno in cui il carico elettrico non può essere inseguito dalle rinnovabili, questo GAP può essere predetto ma magari no, quindi il costo per farci fronte con turbine a gas sale. L’uso del gas naturale è stimato che si terrà rilevante ancora per molto. La possibilità di usare natural gas è di gran lunga quella più importante per gli impianti industriali. In un futuro non molto lontano si inizierà ad usare idrogeno, anche l’Europa dovrà scegliere se e come immagazzinare l’energia proveniente da rinnovabili o tramite l’utilizzo di elettrolizzatori ad usare l’idrogeno come elemento di immagazzinamento energetico, allora la partita sarà tra TAG e fuel cell.

Le fuel cell però funzionano bene solo con idrogeno puro, il costo dell’idrogeno brown prodotto dai combustibili fossili è troppo alto per sostenere un industria di questo tipo, mentre una buona produzione di idrogeno green potrebbe aprire una competizione forte per riadoperare l’idrogeno fra TAG cicli combinati che arrivano al 64% di rendimento e le fuel cell che potrebbero arrivare fino all’80%. Il vantaggio è che adattare la TAG all’uso dell’idrogeno non è difficile, ci saranno complicazioni termiche, ma comunque bruciare idrogeno non è troppo difficile. In particolare è molto facile adattare le macchine aeronautiche e aeroderivative all’uso dell’idrogeno perché questo si presta molto bene ad una combustione non premiscelata. Bisogna rivedere tutti i sistemi a premiscelazione per i quali si presta molto meglio il metano.

Quindi non è vero che le TAG non si useranno più come vedi ci saranno scenari che la vedranno ancora protagoniste.

Macroargomenti delle TAG

Nelle TAG ci sono 4 macroargomenti con sotto sviluppi:

• Aumento efficienza ciclo combinato
• Aumento di potenza
• Riduzione costi di manutenzione
• Riduzione di emissioni

Ricorda che un aumento dell’efficienza del sistema di raffreddamento o sistemi alternativi con il vapore, permettono di aumentare la portata d’aria del compressore che io introduco in camera di combustione aumenta, aumentandone la potenza.

Per quanto riguarda le emissioni bisogna concentrarci sulle turbine e guardare la temperatura di fiamma, nei motori aeronautici non è raro andare verso miscele anche grasse, per evitare che in qualunque caso si spenga, nei motori terrestri si usano motori DLN dry low NOx, ULP ultradiluiti, che rendono una fiamma molto più instabile ma tanto siamo a terra non abbiamo le situazioni precarie come ad alta quota, tutte queste cose non abbassano la T di ingresso in turbina ma abbassano la T di fuoco dentro il combustore che riducono le emissioni. Vediamo che tutte quei provvedimenti hanno portato ai combustori di oggi, che oggi non emettono quasi nulla, né di CO né di NOx. Guarda gli esempi di varie turbine a gas nelle slide.

Esempio di macchina aeroderivativa

Esempio di macchina aeroderivativa:

Abbiamo visto che succede raffreddando la pala di una turbina, ora vediamo che succede al ciclo a valle di questo raffreddamento.

Come abbiamo visto l’operazione del raffreddamento delle pale è fondamentale e ci costringe ad avere una diff di T tra la pala e il gas caldo di oltre 500°. Questo dal pdv del carico termico è un dramma e come vedi porta a realizzare la palettatura come una specie di scambiatore miniaturizzato con diverse soluzioni anche complesse di raffreddamento che va ad avere caratteristiche ibride fra quelle dell’oggetto aerodinamico per il quale è stato concepito, un organo che deve generare gradienti di P e v utili a favorire la mia conversione di energia termo-meccanica, e quelle di un organo che sopravvive se investite da flussi sopra la sua T di fusione. Le soluzioni più classiche sono forare la pala in direzione radiale con quei canali. Ricordiamoci che la pala è piccola e i canali hanno diametro contenuto, a meno che non voglia perdere perdite di carico enormi per avere i fluidi in velocità elevate io avrò una potenzialità di scambio di calore molto modesta, al massimo abbasso di 50° con una soluzione così, la pala è piccola, i coefficienti di scambio interno in un canale drittos