Cicli combinati

Gli impianti (o gruppi) combinati gas-vapore costituiscono uno dei sistemi più attuali di

conversione di energia ad elevata efficienza. Essi trovano sempre più applicazione nel

mondo, sia perché sono caratterizzati da valori del rendimento globale particolarmente

elevato sia per le ridotte problematiche connesse con l’impatto ambientale. L’impiego del

gas metano o gas naturale come unico combustibile o combustibile principale li rende idonei

dal punto di vista dell’impatto ambientale.

La rinnovata tecnologia delle turbine a gas per l’impiego industriale, che consente l’adozione

di temperature massime sempre più elevate (turbine a gas con “firing temperatures” pari a

1300℃), ha costituito uno dei maggiori impulsi tecnici all’impiego dei gruppi combinati.

Gli impianti combinati gas-vapore derivano dalla interconnessione di

due gruppi di produzione di energia: quello turbogas e quello a

vapore. Nei casi più semplici, il gruppo funziona con un ciclo a

vapore semplicemente surriscaldato con un solo livello di pressione

di vaporizzazione e pressione di condensazione la più bassa

possibile .

(

0. 04 ÷ 0. 05

)

Si può intuire come il rendimento globale di conversione di un

impianto combinato possa raggiungere valori molto elevati se il

calore dei gas di scarico è recuperato con alta efficienza di scambio

termico nella caldaia a recupero di un gruppo a vapore a sua volta

caratterizzato da un rendimento elevato.

I parametri che contribuiscono a “formare” il rendimento globale sono

tre: il rendimento della turbina a gas, il rendimento del gruppo a

vapore e l’efficienza di scambio termico nella caldaia a recupero.

Con riferimento allo schema di lay-out, i gruppi a ciclo combinato

prevedono: in testa (topper) una turbina a gas funzionante a ciclo semplice (ciclo di

Brayton), a valle (bottomer) c’è un classico gruppo a vapore con uno scambiatore di calore

(caldaia a recupero o “Heat Recovery Steam Generator” (HRSG)) nel quale i gas di scarico

provenienti dalla turbina a gas cedono calore all’acqua che vaporizza e si surriscalda.

La caldaia a recupero è di solito costituita da tre fasci tubieri, lambiti esternamente dai gas di

scarico della turbina a gas: gli economizzatori Sr, in cui l’acqua viene preriscaldata fino a

raggiungere lo stato fisico di liquido saturo; i vaporizzatori Vp, nei quali l’acqua vaporizza; i

surriscaldatori Sr, in cui il vapore raggiunge il grado di surriscaldamento desiderato.

I tre fasci tubieri fanno capo ad un corpo separatore S, nel quale avviene la separazione fra

liquido saturo e vapore saturo; la circolazione del fluido all’interno dei fasci vaporizzatori

evita il ristagno di bolle di vapore a contatto con pareti dei tubi vaporizzatori e, quindi, i

pericoli di scorrimento plastico del materiale dei tubi stessi causati dal basso coefficiente di

trasmissione del vapore stagnante.

Il vapore prodotto nella caldaia a recupero viene inviato nella turbina TV dove si espande

fornendo lavoro meccanico.

Un gruppo combinato per la conversione di energia si fonda sull’opportuno accoppiamento

di un ciclo Brayton con un ciclo a vapore surriscaldato: la conversione energetica è

realizzata lucrando contemporaneamente i vantaggi di un ridotto impatto ambientale e di un

( )

rendimento di conversione notevolmente maggiore di quello caratteristico di

η > 50%

( )

un impianto termoelettrico a vapore .

η < 4%

,

Rappresentati i diagrammi termodinamici T-s del ciclo a gas e del

ciclo a vapore: affinché sia possibile produrre vapore surriscaldato,

la temperatura dei gas di scarico deve essere maggiore della

4'

temperatura di surriscaldamento del vapore.

Volendo valutare la potenza termica scambiata nella caldaia a

recupero, è necessario fare riferimento

di scambio termico la cui costruzione

avviene con le seguenti modalità:

assegnata la turbina a gas

(temperatura , punto K) si fissa il

4

salto termico in corrispondenza del

τ

fascio surriscaldatore e si individua ;

successivamente si definisce il salto termico minimo in

τ

corrispondenza del ginocchio B (punto B’, Pinch Point).

Nell’ipotesi di considerare costante il calore specifico al variare

della temperatura, i punti K e B’ individuano la retta

rappresentativa dello scambio termico dei gas di scarico.

In condizioni ideali i gas in uscita dalla turbina potrebbero essere raffreddati fino alla

temperatura , consentendo di scambiare la massima potenza termica possibile; dal

=

1

bilancio termico della caldaia a recupero:

( )

= · · −

4'

In condizioni reali, i gas di scarico della turbina vengono raffreddati fino una temperatura ,

5

superiore a ; in questo caso la potenza termica scambiata risulta minore e vale:

( )

= · · −

4' 5 ( )