Centrale termoelettrica

PRODUZIONE D’ENERGIA ELETTRICA

La prima centrale per la produzione di energia elettrica, che risale al 1882, è stata

costruita in America a New York ed esattamente in Pearl Street.

In Italia la prima centrale TERMOELETTRICA per la produzione dell’energia elettrica è

stata costruita a Milano nel 1883 per l’illuminazione di Via Santa Redegonda: la potenza

erogata era di 400kw; successivamente nel 1887 si ha la prima distribuzione di energia

elettrica, alla tensione di 13.5kw trifase, che collega Paterno D’Adda a Milano per una

lunghezza complessiva di 32 km. Successivamente nel 1963 in Italia iniziò la produzione

di energia elettronucleare. Tale produzione fu interrotta nel 1987 a seguito di un

referendum popolare. Nel 1962 fu costituito l’Ente Nazionale dell’Energia Elettrica (ENEL)

che acquisì circa 1200 centrali sparse nel territorio italiano per la produzione d’energia

elettrica. IMPIANTI CON TURBINE A VAPORE

Nelle centrali termoelettriche con turbine a vapore il fluido compie un ciclo termico chiuso,

che comprende idealmente le quattro trasformazioni termodinamiche tipiche del ciclo di

Rankine:

 compressione isobarica (a pressione costante) durante il quale il liquido evapora,

passando da vapore umido a saturo secco e, infine, a vapore surriscaldato;

 espansione adiabatica del vapore;

 raffreddamento a pressione costante, durante il quale avviene la condensazione

del vapore che, ritornano allo stato liquido, è in grado di ripetere il ciclo.

Le trasformazioni che avvengono realmente differiscono più o meno sensibilmente da

quelle ideali; per esempio, l’espansione non è propriamente adiabatica in quanto, pur se

veloce e in ambiente coibentato, c’è sempre una certa cessione di calore all’esterno.

Il funzionamento del ciclo acqua-vapore è il seguente: il combustibile viene bruciato,

assieme a una certa quantità di aria comburente, dal bruciatore della caldaia, producendo

il calore che determina la vaporizzazione dell’acqua inviata al generatore di vapore. Si

ottiene così vapore saturo secco che viene surriscaldato nel surriscaldatore S che sfrutta

l’energia termica dei fumi.

Il vapore saturo surriscaldato viene inviato nella turbina, all’interno della quale compie il

lavoro di espansione e la sua temperatura e pressione diminuiscono. Nel condensatore il

vapore viene raffreddato in controcorrente dall’acqua di refrigerazione, posta in

circolazione forzata dalla pompa PR. Il condensato viene estratto dalla pompa PE e inviato

a un degasatore che ne toglie l’ossigeno e l’anidride carbonica disciolti e infine, ormai allo

stato liquido, viene rinviato nella caldaia dalla pompa di alimentazione.

Completano lo schema il preriscaldatore d’aria che, sfruttando il calore dei fumi,

preriscalda l’aria comburente, l’alternatore coassiale alla turbina e il serbatoio dell’acqua

d’integrazione , che serve a compensare le inevitabili perdite di liquido lungo il ciclo,

variabili dallo 0,3% al 2%. A tale proposito occorre osservare che, per ridurre le

incrostazioni e le corrosioni, l’acqua d’integrazione deve essere depurata.

Il problema principale delle centrali termoelettriche è quello di ottenere il più alto valore

possibile del rendimento complessivo della trasformazione, al quale concorrono il

rendimento del ciclo termico, quello proprio della turbina e quello dell’alternatore. L’anello

più debole è rappresentato dal rendimento del ciclo, necessariamente basso dato che una

considerevole parte del calore prodotto viene ceduta all’acqua di refrigerazione, durante la

fase di condensazione del vapore.

Per migliorare il rendimento del ciclo termico e portare quello complessivo di conversione

ai valori attuali (intorno al 40%), nelle moderne centrali termoelettriche di adottano

numerose variazioni:

 il generatore di vapore funziona a temperature e pressioni molto elevate, in modo

da eliminare la fase liquido-vapore;

 la turbina viene divisa in più sezioni, alta (AP), media (MP) e bassa pressione (BP),

in modo che ciascuna sfrutti al meglio l’energia del vapore che, espandendosi,

diminuisce man mano di pressione;

 nel passaggio da una sezione all’altra il vapore viene rinviato nella caldaia e

risurriscaldato, in modo da conferirgli ulteriore energia e sfruttare al meglio la

caldaia;

 parte del vapore, all’uscita dei vari stadi della turbina, viene prelevato e inviato in

scambiatori di calore posti tra il condensatore e il generatore di vapore, in modo da

preriscaldare l’acqua prima di reimmetterla in ciclo; analoga funzione viene svolta

dall’economizzatore; tale tecnica viene detta degli spillamenti; il vapore spillato,

dopo aver ceduto calore all’acqua, viene inviato nel condensatore;

 il calore dei fumi viene sfruttato nei surriscaldatori e per preriscaldare l’aria

comburente;

 il calore posseduto all’uscita del condensatore dall’acqua di refrigerazione può

servire ad altri scopi (per esempio teleriscaldamento).

PARTI FONDAMENTALI DI IMPIANTI

TERMOELETTRICI

Le centrali termoelettriche sono quelle in cui la produzione di energia elettrica avviene

utilizzando l’energia termica e di pressione in un mezzo sottoforma di solido vapore.

CALDAIA

Le caldaie impiegate negli impianti termoelettrici sono a piccolo volume d’acqua. Le pareti

della camera di combustione sono costruite da tubi di piccolo diametro entro i quali l’acqua

evapora. Ai quattro vertici della camera di combustione sono disposti i bruciatori.

L’acqua viene inviata entro il corpo cilindrico C della pompa PA. Dal corpo cilindrico

l’acqua scende attraverso i tubi evaporatori. Il vapore che si forma viene prelevato dal

corpo cilindrico e inviato al surriscaldatore.

TURBINA

La turbina è il dispositivo nel quale l’energia di pressione contenuta nel vapore si trasforma

in energia meccanica.

TURBINA AD AZIONE

Il vapore proveniente da ugelli fissi o distributori, passa attraverso una corona di pale nelle

quali espandendosi crea lavoro meccanico determinando la rotazione della girante.

TURBINA A REAZIONE

Il salto di pressione disponibile nel vapore si fraziona parte nel distributore, fornito di pale

fisse e parte nel ricevitore. Per piccole potenze la turbina è a un solo corpo, mentre per

potenze elevate la turbina è a tre corpi (alta, media e bassa pressione), con due scarichi e

risurriscaldamento fra AO e MP. La turbina a vapore viene accoppiata direttamente con

l’alternatore. La coppia turbina alternatore viene chiamata turboalternatore.

SCAMBIATORE DI CALORE

Lo scambiatore di calore è un apparecchiatura ove si consente lo scambio di energia

termica tra due fluidi con temperature diverse. Essi sono: i preriscaldatori, il

surriscaldatore, il risurriscaldatore e l’economizzatore.

IL CONDENSATORE

La funzione più importante del condensatore è quella di recuperare in forma di acqua di

condensazione, il vapore impiegato, che altrimenti andrebbe disperso in atmosfera. Il più

utilizzato è il condensatore a superficie, che consente di ridurre il grado di vuoto al 90% e

oltre, cosi da ridurre la pressione residua a vapori dell’ordine di 0,05 bar: la temperatura

corrispondente è di 32°C ALTERNATORE

Il principio di funzionamento degli alternatori è basato sul fenomeno dell’induzione

elettromagnetica e precisamente la legge generale di FARADAY-LENZ : il vapore della

forza elettromotrice indotta in un qualunque circuito è uguale in valore ma di segno

opposto alla variazione di flusso concatenato nell’unità di tempo.

Gli alternatori sono costituiti da:

STATORE: parte fissa dell’alternatore

ROTORE: parte mobile rotante

A differenza della macchine in C.C. l’avvolgimento INDOTTO viene disposto sullo statore.

Sul rotore viene montato il sistema INDUTTORE che produce il campo magnetico tramite

una sorgente ausiliare di C.C. ( dinamo o gruppo convertitore). I conduttori dell’ indotto per

i grandissimi alternatori (oltre 100 Mw) sono raffreddati internamente con l’idrogeno, olio,

acqua distillata con una tensione di macchina fino a 30KV e oltre.

Il sistema induttore è costituito da una corona circolare di acciaio fucinato dal quale

sporgono verso l’esterno i POLI ciascuno a loro volta costituito da un NUCLEO e da una

ESPANSIONE POLARE convenientemente sagomata. Sui nuclei sono avvolti le BOBINE

MAGNETIZZATI le quali vengono percorse dalla corrente di eccitazione in versi tali da

creare una polarità di nord e sud. Le bobine sono collegate in serie e gli estremi della serie

sono collegati a due ANELLI montati sull’albero di rotazione sui quali strisciano le

spazzole. La dinamo varia da 0,5 al 2% della potenza dell’alternatore (attualmente si

ricorre ad un convertitore AC/DC).

IL SISTEMA INDOTTO di una CORONA STATORICA costruita in lamierini magnetici che si

sviluppa coassialmente al rotore per tutta la lunghezza dei poli. Nella superficie cilindrica

interna di questa corona sono intagliati i canali o cove entro i quali vengono collocati i

conduttori attivi che compongono l’AVVOLGIMENTO INDOTTO.

Per mezzo di un motore (turbina idraulica, turbina a vapore, turbina a gas, motore diesel)

la ruota polare viene mantenuta in rotazione ad una velocità angolare costante. Il flusso

magnetico viene a scorrere lungo il traferro e muovendosi taglia i conduttori attivi di indotto

alloggiati dentro le cave di statore.

In ciascun di questi conduttori si genera una FORZA ELETTROMOTRICE INDOTTA.

Il ROTORE può essere:

- a MAGNETI PERMENENTI adatti alle macchine di piccole potenze;

- a POLI SALIENTI costituiti da nuclei di ferro dolce avvolti da bobine percorse da

C.C. prodotta da una dinamo eccitatrice coassiale oppure da gruppi

CONVERTITORI STATICI: è adottato negli alternatori azionati da turbine idrauliche;

- A ROTORE SCANALATO: il rotore ha forma cilindrica con scanalature simili a

quello dello statore che recano un avvolgimento di eccitazione in C.C.: sono

utilizzati per macchine veloci a due o quattro poli (turboalternatori) azionati da

turbine a vapore o gas.

IMPIANTI CON TURBINE A GAS

L’impianto con turbine a gas è quello di un impianto a ciclo aperto. Esso funziona nel

modo seguente:

l’aria è aspirata attraverso il filtro (FPA) e mandata nel compressore (CO) mosso dalla

turbina; a sua volta l’aria compressa viene mandata nella camera di combustione (CC) ove

brucia con combustibili nobili (gasolio o gas). La miscela ricca di aria e gas combusto è

dotata di elevata energia termica e di pressione e viene fatta espandere in turbina

producendo lavoro meccanico che a sua volta l’alternatore trasforma in energia elettrica.

Infine l’aria e i gas combusti vengono scaricati in atmosfera tramite camino. All’inizio del

processo c’è un motore di lancio per comprimere l’aria nel compressore.

Il rendimento di un impianto di questo tipo si aggira intorno al 20%.

E’ possibile aumentarlo, portandolo al 28 o 30%, mediante il recupero di parte del calore

del gas di scarico, utilizzando uno scambiatore termico per preriscaldare l’aria prima di

essere immersa nella combustione. Un’altra modifica a tale impianto è fatta in modo che il

recupero di calore avviene tramite un generatore di vapore a recupero avendo così due

generatori, uno messo da turbina a gas e l’altro messo da turbina a vapore. Tale impianto

prende il nome di

IMPIANTO A CICLO COMBINATO.

In questo modo si riesce a recuperare una buona qualità di calore che altrimenti si

disperderebbe in atmosfera. Il rendimento raggiunge valori elevati, quasi il 50%. Queste

ultime centrali hanno avuto un buon successo tale che alcune centrali termoelettriche sono

state trasformate in una centrale a ciclo combinato.

IMPIANTO CON MOTORE A DIESEL

Si tratta di impianti di modesta potenza, utilizzabili per servizzi d’emergenza in mancanza della

rete. IMPATTO AMBIENTALE

Una centrale termoelettrica di elevata potenza, funzionante ad oli combustibili o a carbone ha una

notevole incidenza sull’ambiente in termine di inquinamento atmosferico, idrico, acustico,

movimentazione di combustibili, smaltimento dei rifiuti solidi da materia è al quanto complessa ed