Sistemi energetici T

Elementi fondamentali di un turbogas

Compressore, camera di combustione, turbina. Largo impiego nel settore aeronautico ma anche per la produzione stazionaria. Ha un'inerzia termica minore rispetto ai gruppi a vapore che impiegano molto più tempo per accendersi, ad esempio.

Il lavoro è prodotto solo se la turbina compie più lavoro del compressore. Quindi il lavoro del compressore è uguale a: calore scaricato, alte temperature che si riescono a raggiungere, lavoro di compressione che si fa sentire e calore ceduto all'esterno. Nel caso limite, ho che il calore introdotto è 0 e sono date dall'esterno, l'unico grado di libertà che rimane è dato dal rapporto di compressione.

Effetti di abbassamento tecnologico

Questo è l'effetto che si ottiene se abbassiamo la che rappresenta il limite tecnologico di una turbina a gas. Se abbasso il lavoro utile, il punto reale di fine compressione è spostato a destra. A noi interessa la variazione di entalpia tra il punto di inizio e fine compressione. Il lavoro reale del compressore è maggiore del lavoro ideale. La bontà di un compressore dipende da quanto il punto è vicino a . e ciò me lo dice l' del compressore. Il rendimento isoentropico dipende dal rapporto di compressione, questa cosa si può notare dal grafico in basso. Perciò si introduce il rendimento politropico di compressione. La trasformazione non deve essere reversibile.

Lavoro reale della turbina

Il lavoro reale della turbina è minore del lavoro ideale. Il costruttore della macchina calcola il rendimento isoentropico della macchina poiché è un valore più alto.

Ciclo turbogas reale

Vediamo come si presenta un ciclo turbogas reale. Avendo rappresentato le due trasformazioni reali 1-2, 3-4, non possiamo fare alcun ragionamento sulle aree racchiuse dal ciclo. L'area 1-2-3-4 non rappresenta più il lavoro del ciclo poiché 1, 2, 3, 4 sono trasformazioni irreversibili. Il lavoro resta comunque legato al salto di temperatura, nella misura in cui vale l'ipotesi di gas ideale. Il lavoro utile del ciclo si è ridotto poiché abbiamo avuto un doppio effetto di riduzione di l e di aumento di l. Il calore introdotto nel ciclo, invece, si riduce. Il rendimento termodinamico cala poiché pesa di più l'effetto negativo sul lavoro utile che quello positivo sul calore introdotto.

Prestazioni del sistema

Andiamo a vedere come cambiano le prestazioni del sistema al variare di . Facciamo variare . Partiamo dal presupposto che le temperature e siano mantenute costanti. Andiamo a vedere qual è il valore di a cui possiamo tendere. Il rapporto di compressione massimo è quello che a fine compressione mi porta subito alla temperatura di fine ciclo. Ovvero allungare la curva di compressione fino a portarmi al punto . Andiamo così ad individuare il ciclo . Dove la pressione è inferiore della che avrei nel caso di ciclo ideale. Quando la compressione non è isoentropica, il massimo rapporto di compressione che posso ottenere è comunque inferiore di quello nel caso ideale.

Condizioni limite e ciclo negativo

Nel ciclo ci possiamo accorgere che il lavoro di compressione è maggiore del lavoro di espansione (maggiore lunghezza della curva). Dunque si scopre che il lavoro utile del ciclo è negativo. Quindi la condizione deve essere ulteriormente ristretta. La condizione limite sarà quella che mi porta perlomeno ad un lavoro utile nullo. Vado ad individuare una nuova pressione chiamata tale per cui il lavoro di compressione sia uguale al lavoro di espansione. Dunque il ciclo evidenziato in giallo risulta essere il mio ciclo limite. I segmenti A e B devono essere uguali. In questa situazione abbiamo che il calore introdotto non è nullo.

Condizione di autosufficienza

Quella condizione che ci diceva che il all'aumentare di è vera soltanto nel caso ideale. Tale condizione in cui ho calore introdotto ed è una condizione particolare che prende il nome di autosufficienza. Prendiamo il piano dove mostro ed in funzione di . Il valore massimo di si ottiene per valori di maggiori rispetto al di massimo lavoro. Nel primo tratto, all'aumentare di aumentano sia che, nel secondo tratto invece il lavoro utile diminuisce, nel terzo tratto invece sia che diminuiscono.

Produzione tra massimo lavoro e rendimento

La maggior parte dei turbogas sono prodotti tra la condizione di massimo lavoro e quella di massimo rendimento. La condizione di massimo lavoro è legata ai costi fissi mentre quella di massimo rendimento è legata ai costi variabili. Oltre la condizione di massimo rendimento non progetto poiché è no sense.

Bilancio energetico e rendimento

• Rendimento cc
• Il bilancio del metodo indiretto è uguale alla portata di aria con la sua entalpia più la portata di combustibile per la sua entalpia e il suo potere calorifico che è uguale alla portata di aria che esce con la sua entalpia più la portata degli incombusti moltiplicati per il loro potere calorifico più le dispersioni termiche.
• Rispetto all'espressione del metodo indiretto della caldaia notiamo che manca il termine riferito al calore sensibile e dunque avremo per certo che il rendimento di combustione sarà particolarmente elevato, la conversione sarà sicuramente migliore.
• Inoltre coibentare una cc è più semplice rispetto ad una caldaia di grosse dimensioni.

Prestazioni dei turbogas

Per ogni kg di combustibile ho 45 kg di aria. L'eccesso d'aria con cui lavoro nei turbogas è elevato così come il rendimento dei turbogas. L'eccesso d'aria è elevato e non ho pericolo di formare incombusti. L'aria primaria serve a mantenere la combustione ed il rapporto è quasi stechiometrico, il liner è contenuto dentro un cilindro più grande con due sezioni coniche ingresso-uscita perché a causa delle temperature cambia la densità e dunque la velocità del fluido. Essa deve essere coibentata. Nella zona evidenziata in giallo l'aria consente di completare la combustione. Nella zona di miscelazione la combustione è finita e ci portiamo sui 1400-1500 °C che è il massimo che la turbina è in grado di sopportare. Il liner è raffreddato con l'aria secondaria. È quella temperatura di parete che scambia con l'ambiente esterno.

Rendimenti e potenze

TG 33% per i turbogas più datati, 40% solo per alcune. I rendimenti sono a favore del turbogas. Un turbogas produce circa 300 MW, un gruppo a vapore 700 MW. I rendimenti dei due gruppi non sono così diversi tra loro: i TG hanno il lavoro del compressore che sottrae lavoro ed è a favore dei turbogas. Il turbogas prende il nome di Topper mentre il gruppo a vapore prende il nome di Bottomer. La caldaia è una caldaia a recupero (GVR, HRSG, HRB) tutti i componenti della caldaia sono posti in controcorrente. È quella con cui i fumi escono dal Topper. Il gruppo a vapore ha una temperatura limitata, non avrà le prestazioni di un gruppo a vapore normale.

Potenze e efficienza nei cicli combinati

La potenza scaricata dalla turbina del gruppo turbogas va alla caldaia a recupero, di questa potenza termica scaricata ne recupero soltanto una frazione perché i fumi non vengono raffreddati fino a temperatura ambiente ma fino a. Ciò che cedono i fumi è pari a quello che riceve l'acqua. Efficienza del generatore di vapore. Potenza introdotta nel gruppo a vapore.

Progettazione dei turbogas nei cicli combinati

Se migliora il rendimento ho meno energia all'uscita della turbina ad una temperatura più bassa. I turbogas nei cicli combinati sono progettati in condizioni di lavoro e non di rendimento. I fumi ad alta temperatura sono una potenzialità nelle condizioni di massimo lavoro. Occorre ottimizzare il prodotto Sub cooling nell'economizzatore per evitare che si formino bolle di vapore.

Ottimizzazione del ciclo a vapore

Ottimizzazione del ciclo a vapore in un ciclo combinato: il diagramma di scambio temperatura-entalpia, la scelta della pressione di vaporizzazione, della pressione di condensazione, l’influenza della superficie di scambio della caldaia a recupero, considerazioni sul ciclo a vapore e sull’uso degli spillamenti. La post-combustione e il suo legame con la temperatura di scarico dei fumi e con la produzione di vapore. Diagramma Temperatura-entalpia.

Condizioni di scambio termico

La retta rossa può avere diverse pendenze, cui è associata una diversa produzione di vapore. Ruotando la curva rossa, riduco la superficie di scambio, aumento il salto medio logaritmico. Stiamo producendo meno vapore. L'altra condizione limite è quella dove la superficie tende a B è il limite alla condizione di poter aumentare la pendenza. Vediamo cosa succede se aumento la . Se aumento , aumento il gradino della spezzata. Si riduce il ruolo dell'SH. Se aumenta la pressione con cui alimento la caldaia, aumenta, diminuisce e produco meno vapore perché recupero meno potenza dai fumi. Ho un effetto positivo e due negativi.

Post-combustione e spillamento

Per aumentare la portata di vapore (pendenza curva rossa) e portare più in alto la temperatura del turbogas uso la post-combustione, ciò è possibile perché nei fumi rimane un 14% di O₂ dovuto all'eccesso d'aria e, cosa che non avverrebbe se la combustione fosse stechiometrica. La post-combustione dà un aumento di potenza per un certo numero di ore ma non migliora il rendimento. Lo spillamento di una portata comporta un aumento del rendimento termodinamico. Introducendo lo spillamento aumento la temperatura in ingresso da A ad A'.

Considerazioni finali sui cicli combinati

Non conviene introdurre lo spillamento. Tuttavia, lo spillamento viene comunque fatto poiché aiuta ad eliminare gli incondensabili; la soluzione è integrare il corpo cilindrico con il degasatore. Se immagino di avere una portata negativa invece che spillare introduco una portata in turbina. MONOLIVELLO. Parto da A, una parte di liquido saturo va nel primo corpo cilindrico, mentre un'altra passa attraverso una pompa. In B ho dunque una separazione di portata e nel diagramma T-s, B e D coincidono. La portata che prosegue attraverso la pompa va nel secondo economizzatore e si trova allo stato fisico E dove poi trova un secondo corpo cilindrico che alimenta un altro vaporizzatore per poi uscire dal corpo cilindrico e andare nel surriscaldatore, entrare nella turbina. La portata che si era divisa in B, nell'altro ramo, ho che dal primo corpo cilindrico tale portata viene reimmessa subito nella turbina. Poi il tutto si trova allo stato fisico N, poi trovo il condensatore, una pompa ed il circuito si chiude. Ho dunque un'introduzione di portata ad una pressione intermedia tra la pressione di condensazione e quella di vaporizzazione.

Ottimizzazione nel ciclo combinato

Pendenza curva rossa costante. Le portate che attraversano ABC. Lo scambio termico è ottimale quando i fluidi hanno la stessa capacità termica. Sto cercando di avvicinare la curva dell'acqua a quella dei fumi (anche se rimane una spezzata). Condizione ideale di scambio termico. Se aumento i livelli avrei una condizione ottimale; riduciamo la zona gialla. Se il livello tendesse a avrei una condizione ottimale. A livello pratico ci si ferma a 3 livelli. Arrivare oltre porta un incremento di rendimento che però non giustifica i costi. I tre livelli di pressione costringono a inserire un resurriscaldamento. Solitamente si installano 2 livelli-3 livelli+RH.

Ciclo combinato a due livelli di pressione

Ciclo combinato a due livelli di pressione: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul diagramma temperatura-entropia, espressione della potenza prodotta ed introdotta, il diagramma di scambio termico della caldaia a recupero. Considerazioni sul numero di livelli di pressione di una caldaia a recupero.

Vincoli ambientali e produttività

Un impianto è soggetto a vincoli ambientali, perde la capacità nel tempo, inoltre la produzione e il consumo cambiano durante il giorno. In rosso, impianto generico che produce un'energia rappresentata da quell'area, in verde ore equivalenti, condiziona se l'impianto lavorasse al massimo carico. In campo energetico solitamente si fa riferimento al - prodotto. È un modo alternativo per esprimere tale componente variabile in funzione delle ore di funzionamento e non dei Mwhe prodotti da un impianto. € per unità di potenza installata. COE cost of electricity per unità di fattore di carico dell'investimento energia prodotta E indica come ripartire su base annua la spesa.