Relazioni Termoflex

III Simulazione

Obiettivo: mediante l'inserimento di un compressore per la linea Fuel e considerandola pressione di rete del GN pari a 3 bar, simulare l'andamento dell'impianto.

Layout

Risultati

Si verifica una diminuzione di potenza elettrica generata dall'impianto poiché viene spesa energia per la compressione del Fuel da parte del "fuel compressor" (componente 8), e una conseguente diminuzione del rendimento elettrico, sempre dovuto alla diminuzione di potenza elettrica.

Abbiamo inoltre simulato una variazione del parametro β della turbina facendolo variare da 5-60 in intervalli di 5 in 12 casi, e graficando il rendimento in funzione della potenza si evidenziano due punti: il rendimento massimo e la potenza massima. I due punti di interesse si vede come non siano a pari rendimento.

Esercitazione 2: realizzazione di un modello di sistema energetico cogenerativo CHP

Obiettivo: generazione di...

calore con un sistema cogenerativo con una turbina di taglia Pel =32 MWvalutando gli indici di prestazione dell'impianto in diverse condizioni di potenza termica partendo da unaportata d'acqua pari a 10 Kg/s

Dati input

Ulteriori dati relativi al circuito del fluido termovettore:

• P = 32 MWel
• Fluido termovettore: acqua
• T = 90°C H2O OUT
• T = 20°C H2O IN
• p = 2 bar, H2O IN
• T = 100°C, fumi OUT max
• m = 10 kg/s (1° caso). H2O

Le condizioni ISO a cui si trova l'aria in ingresso corrispondono a:

• T = 15°C
• p=1,013 bar
• U.R. = 60%

Layout

Risultati

Con una portata iniziale di 10 Kg/s il diagramma di scambio termico all'interno dello scambiatore assume questa forma. Si vede come ci sia ancora molta potenza da poter recuperare.

Abbiamo in seguito variato la portata d'acqua da 10 fino a 160 Kg/s. Si è poi valutato il punto di massima produzione termica considerando il limite della temperatura dei fumi.

di sopra di 100 °C, tra 145 e 160 Kg/s di portata.

600500fumi (°C) 400uscita scambiatore 300 temperatura variabiletemperatura 200 temperatura minima1000 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180portata acqua all'utenza (kg/s)

Con un portata pari a circa 150 Kg/s si vedecome lo scambio termico sia al massimodell’efficienza, cioè quando i fumiraggiungono il limite imposto di 100 °C.

Tabella dei valori al variare della portata da 10-160 Kg/s.

-0,116 -0,051 0,007 0,059 0,106 0,148 0,187 0,222

Rappresentazione delle rette a PES=0 e PES Max con punti di funzionamento del sistema al variare della portata

Rette di funzionamento

120

100

termico

80

rendimento

Retta a PES=0

60

Retta di funzionamento

40

Retta a PES Max

20

0

20

40

60

80

rendimento elettrico

Esercitazione 3: Realizzazione di un modello di sistema energetico cogenerativo (CHP) con TG+MCI in parallelo

Obiettivo: Valutazione degli indici di prestazione dell'impianto cogenerativo TG+MCI con recupero termico solo sul raffreddamento MCI, o sui fumi, massimizzando la produzione termica del motore. Simulazione del MCI in asssetto cogenerativo con diverse condizioni di carico elettrico (100%,75%,50%)

Dati input

Scelta del turbogas con una potenza elettrica lorda <5000kW, Tout>400°C, GN o Diesel

Temperatura dell'acqua di raffreddamento del MCI di 60-90 °C

Limite alla temperatura di uscita dei fumi >=130°C con produzione di vapore a 2bar 150 °C

MCI+ TG nel

Sia appunto una diminuzione della potenza elettrica generata dal MCI con conseguente diminuzione del rendimento elettrico. Come conseguenza della minor richiesta di potenza elettrica ho una diminuzione di portata di combustibile al MCI e quindi meno calore nei fumi, ma avendo due fattori in diminuzione, portata di combustibile e potenza termica quasi proporzionali si può vedere come si mantenga quasi costante il rendimento termico.

Esercitazione 4: Simulazione gruppo combinato Gas-vapore 1LP

Obiettivo: simulazione di una centrale a ciclo combinato con TG, dimensionamento del Tg e della sezione avapore (TV, HRSG, Condensatore) per una Pel di circa 60MW (l'esercizio richiedeva 40MW totali, noi abbiamo scelto un Turbogas da 40MW), verificando che le temperature di uscita dei fumi di camino siano in un intervallo di 90-160°C, massimizzando il rendimento d'impianto variando la Pv.

Dati input

layout

Risultati

E' stato scelto il TG GE6561B da 40MW per una generazione di

Potenza elettrica di 60MW, poiché la TG genera circa 2/3 della potenza totale dell'impianto, infatti, la turbina a vapore genera una potenza di circa 20MW

Ptg (kW) 37984

Ptv (kW) 19759

Ptot (kW) 57937

η (%) 46,7

Abbiamo poi realizzato un multiple run per un'analisi parametrica del valore della pressione Pv del condensatore da un valore di 10 fino ad un valore di 100 bar per andare a massimizzare le prestazioni della turbina a vapore.

Di seguito viene riportato il diagramma del rendimento elettrico netto dell'impianto in funzione della pressione di vapore al condensatore Pv, ottenendo un valore di rendimento massimo per una pressione di circa 40 bar. Confrontando il grafico del rendimento con quello della potenza totale si vede come abbiano andamento molto simile dovuto al fatto che Pe=ηe*Ee

Potenza totale rendimento in funzione di pressione

47.5

47.4

47.3

47.2

47.1

47

46.9

46.8

46.7

0 20 40 60 80 100 120

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100E' stato analizzato anche l'andamento della temperatura in funzione dell'aumento della Pv riscontrando un aumento poiché la pressione di ingresso dalla turbina a vapore aumenta e quindi l'espansione diminuisce con conseguente aumento della temperatura.

Andamento della T gas out

200

150

gas 100

Tout 500

0

20

40

60

80

100

120

L'andamento della portata di vapore è decrescente

Portata di vapore

21

20.5

19.5

19

18.5

18

17.5

0

20

40

60

80

100

120

Viene valutato in funzione della pressione Pv l'andamento dell'efficienza dell HRSG e del rendimento del bottomer dato dalla formula ηel=Ptv/(Qsh+Qvap+Qeco). Si vede come l'efficienza del recuperatore vada diminuendo poiché la temperatura dell'economizzatore aumenta all'aumentare della pressione di vapore.

Pv-Esercitazione 5: Gruppo combinato Gas-Vapore a 2 Livelli di Pressione (2LP)

Obiettivi: progettazione del sistema energetico e confronto con il CC ad 1LP

Dati input: uguali

All'esercitazione 4LayoutRisultati

Per la realizzazione dell'impianto nella configurazione ottimale abbiamo dapprima compiuto un'analisi parametrica della pressione per la turbina ad alta pressione (TAP) per sviluppare la massima potenza, da un valore base di 30 bar fino a 180 bar, ottenendo come risultato il valore di P=150 bar.

Ottimizzazione Potenza THP

Potenza 59200 59000 58800

Pressione THP

Abbiamo infine compiuto un'ulteriore analisi parametrica sul valore della pressione per la turbina a bassa pressione TLP facendolo variare da 1 bar fino a 15 bar, come si può visualizzare dal grafico seguente otteniamo il valore di massima potenza per un valore di 8 bar.

Otimizzazione TLP

Potenza 59800 59700 59600 59500

Pressione TLP

Con il sistema ottimizzato si ottengono i seguenti parametri di pressione e portata:

Pressione HP mvapHP Pressione LP

mvapLP150 bar 17,83 Kg/s 8 bar 23,53 Kg/s

Dai valori di rendimento elettrico e di potenza si nota come la variazione sia di pochi punti percentuale poiché il guadagno della caldaia a recupero con un livello di pressione in più, sia mitigato dalle perdite nel ciclo termodinamico e da un aumento di perdite di carico nella linea fumi dovute all'aggiunta di componenti.

1LP 2LP

ηel 47,42% 48,59%

Pnet 58770 kW 60294kW

Di seguito vengono riportati i diagrammi di scambio termico rispettivamente per il 2LP e 1LP dove è evidente che si abbia un migliore scambio termico sia nel sistema con due livelli di pressione poiché la distanza tra le rette dei fumi e dei banchi di scambio nella caldaia a recupero è minore.

Esercitazione 6: Realizzazione di un modello di sistema energetico CHP a ciclo combinato gas-vapore

Obiettivi: Analisi di un sistema energetico a ciclo combinato gas vapore a 2LP in assetto cogenerativo per la produzione di potenza termica per un'UT

Rappresentata da uno scambiatore in controcorrente, evalutazione degli indici prestazionali.

Dati input:

• PHP=60 bar
• PLP=3 bar
• TCHP 120°C
• CPH20 in 10 bar

Scambiatore:

• TH20 out 120°C
• CTvap 40°C lato vapore
• mH20 10 Kg/s (1° caso)

Layout

Risultati

Di se