Sistemi energetici avanzati e cogenerazione m

LAYOUT

STATI FISICI

DATI SIMULAZIONE

 Potenza nominale 33160 kW

 Rendimento nominale 36.3 %

 Portata aria 103 kg/s

 Rapporto di compressione (PR) 17.8

 TIT 1189 °C

 TET 509 °C

 Condizioni aria ambiente: ISO

 Fuel: GN

 Pressione di linea del GN: 60 bar

 Temperatura del GN: 25°C

 Perdite di carico in aspirazione al TG:PIN = 10 mbar

 PIN

Perdite di carico allo scarico del TG: = 5 mbar

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RELAZIONE SISTEMI ENERGETICI AVANZATI E COGENERAZIONE

CONCLUSIONI

I valori effettivi ottenuti sono diversi dai valori nominali perchè ci sono perdite di carico in ingresso al

compressore pari a 10 mbar in uscita dalla turbina di 5 mbar.

È possibile confrontare i principali dati che caratterizzano l’impianto reale rispetto a quello ideale:

Dati nominali Dati ottenuti

Potenza elettrica 33160 kW 32368 kW

Rendimento 36.3 % 35,66%

elettrico

Portata d’aria 103 kg/s 102.1 kg/s

Rapporto 17.8 17.7

compressione

TIT 1189 °C 1191 °C

TET 509 °C 511.4 °C

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RELAZIONE SISTEMI ENERGETICI AVANZATI E COGENERAZIONE

E.1b REALIZZAZIONE DI UN MODELLO TG PER

COMPONENTI ED ANALISI PARAMETRICA

SCOPO

L'obiettivo dell'esercizio è stata la realizzazione dello schema di un turbogas a partire dai singoli

componenti che lo costituiscono: compressore dell'aria, combustore ed espansore.

LAYOUT

STATI FISICI 5

RELAZIONE SISTEMI ENERGETICI AVANZATI E COGENERAZIONE

DATI SIMULAZIONE

 Condizioni ISO (T=15°C, UR =60%, p=p =101325 Pa)

atm

 m = 1 kg/s (*)

air

  = 18



  = 90%

p_T

  = 90%

p_C

 TIT = 1200°C

  = 99%

CC

 p = 3%

CC

 p = 1%

IN

 Fuel: GN

  

= = 99%

mecc_C mecc_T

  96%

gen_EL =

  99%

aux (miscellaneus) =

CONCLUSIONI

Le prestazioni ottenute sono le seguenti:

Net Power 382,9 kW

Net electric efficiency 38,83%

Turbine Expansion power 857,4 kW

Compression power 441,6 kW

La potenza elettrica in questo caso coincide con il lavoro specifico in quanto la portata di aria è pari ad

1 kg/s.

Se si calcola la differenza tra potenza ottenuta con l’espansione in turbina e quella assorbita dal

compressore si ottiene un valore diverso rispetto la potenza netta a causa di:

 Perdite per conversione della potenza meccanica all’albero

 Perdite di conversone da potenza meccanica a potenza elettrica

 Perdite aggiuntive a causa degli ausiliari

Nell’impianto è stato inserito il componente “Pipe” per rappresentare le perdite di carico che ci sono

in aspirazione a causa della presenza dei filtri. 6

RELAZIONE SISTEMI ENERGETICI AVANZATI E COGENERAZIONE

SIMULAZIONE 2

In questa simulazione si vuole trovare il valore di portata di aria in modo tale da garantire una

produzione elettrica pari a 32 MW. In questo caso non è presente una rete di distribuzione del fuel a

60 bar, serve quindi un compressore ausiliario per pompare il gas naturale. Impostare il rendimento

politropico di compressione (es. 70%), il rendimento meccanico (95%) e supporre la macchina

adiabatica.

LAYOUT 7

RELAZIONE SISTEMI ENERGETICI AVANZATI E COGENERAZIONE

STATI FISICI

Le prestazioni ottenute sono le seguenti:

Net Power 32008 kW

Net electric efficiency 37,9%

Turbine Expansion power 74202 kW

Compression power 38230 kW

Lavoro specifico 386,7 kW

Il β al compressore è pari a 18.72 e non 18 come ipotizzato poiché il programma tiene conto che la

camera di combustione è fonte di perdite di carico. La turbina ha un rapporto di espansione di 18.

Il rendimento e le potenze specifiche sono calati rispetto al caso iniziale poiché il compressore inserito

è un ausiliario molto energivoro con un consumo pari a 1150 kW.

La simulazione richiede di verificare che la potenza elettrica lorda sia pari a:

Potenza dell’espansore all’albero (“shaft power”) - Potenza di compressione (“shaft power”) - Potenza

dissipata dal generatore (“generator power loss”) = 74202 – 38230 – 1344 = 34628 kW.

Inoltre la potenza elettrica netta del sistema energetico è pari alla potenza elettrica lorda meno i seguenti

contributi:

 la potenza elettrica spesa col compressore del gas naturale;

 le perdite aggiuntive per gli altri ausiliari d’impianto non noti (definite mediante il dato di

input “miscellaneus auxiliary power”), stimate pari all’ 1% della potenza lorda.

Si ha infatti che Net Power = 34628 –1421,6 – 346,3 = 32007,1 kW.

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RELAZIONE SISTEMI ENERGETICI AVANZATI E COGENERAZIONE

CONFRONTO CON ESERCITAZIONE E.1a

Lo scopo è fare una comparazione tra questo impianto e un analogo in cui c’è un turbogas dal catalogo.

Il confronto viene fatto con il seguente gruppo:

L’impianto è GE MS5002E (ID 619).

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STATI FISICI 9

RELAZIONE SISTEMI ENERGETICI AVANZATI E COGENERAZIONE

Si nota come il rendimento di questo impianto valga 35,66% rispetto al 37,82% del caso precedente.

La portata di aria in ingresso è pari a 102,1 kg/s per produrre circa 32MW di potenza netta. Nel caso

precedente invece la portata in ingresso di aria era di 85,58 kg/s. L’aumento di portata è dovuto al

peggioramento del rendimento, infatti sono stati persi 2,16 punti percentuali.

ANALISI PARAMETRICA

Utilizzando lo strumento “Multiple Run” si vuole simulare il comportamento dell’impianto al variare

del rapporto di compressione β.

Il range di variazione è da 5 a 45, si eseguono 21 simulazioni come riportato di seguito:

È possibile graficare la dipendenza di Net electric effieciency e il gross electric effieciency al variare

del rapporto di compressione. 10

RELAZIONE SISTEMI ENERGETICI AVANZATI E COGENERAZIONE

Di seguito è graficata la dipendenza della net power con il variare del rapporto di compressione:

Il massimo della potenza elettrica si verifica per un valore di β=13. È possibile graficare rendimento

elettrico e potenza in funzione di β, il range di variazione è da 5 a 45.

Il massimo valore del lavoro specifico è diverso dal massimo di rendimento, la curva parte da β=5 a

β =45 per una assegnata TIT. Il massimo del lavoro specifico si ha per β=13 mentre per avere il

massimo del rendimento elettrico si ha β=40. 11

RELAZIONE SISTEMI ENERGETICI AVANZATI E COGENERAZIONE

E.2) RELAZIONE DI UN MODELLO DI SISTEMA

ENERGETICO COGENERATIVO (CHP)

SCOPO

Valutare gli indici di prestazione dell’impianto cogenerativo in diverse condizioni di produzione di

potenza termica

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STATI FISICI

DATI SIMULAZIONE

 η =96%

gen.el.

 Condizioni ISO (T= 15°C, P=1 atm, UR=60%)

 m =1 kg/sec

air

 ∆p = 1%;

in

 Fuel= GN (senza H S); P = 60 bar;

2 fuel

 η = 99%

aux

 β =18; η = 90%; η = 99%;

C p_C mecc_C

 β =18; η = 90%; η = 99%;

T p_T mecc_T

 TIT=1200°C; η = 99%; ∆p = 3%;

CC cc 12

RELAZIONE SISTEMI ENERGETICI AVANZATI E COGENERAZIONE

Sono riportati i seguenti vincoli aggiuntivi:

1. Si consideri l’utenza CHP per la produzione di acqua calda a 90°C.

2. Si consideri l’acqua entrante nello scambiatore CHP a temperatura di 20°C, pressurizzata a 2

bar.

3. Si imponga la temperatura dell’acqua in uscita pari a 90°C (design dello scambiatore con

‐

vincolo sullo stato fisico dell’acqua in uscita lato B: acqua “sottoraffeddata”);

4. Si limiti la temperatura dei fumi in uscita al camino, al di sopra di 100°C;

Il diagramma di scambio termico dello scambiatore di calore con una portata di acqua di 10 kg/s è il

seguente:

La potenza scambiata, con questa portata, è pari a 2929,8 kW.

Per ottimizzare l’impianto è possibile avviare un’analisi parametrica (Multiple Run) cercando il range di

valori di portata d’acqua per migliorare lo scambio termico o altri valori.

Avviando il Multiple Run partendo prima da valori molto ampi (da 100 kg/s a 300 kg/s) in modo tale

da individuare la zona di lavoro. Visto l’errore di calcolo numerico dovuto all’ampio range di variazione

della portata rilanciamo il calcolo Multiple Run in un intervallo più ristretto, con valori compresi tra 100

kg/s e 150 kg/s, affinando così la soluzione. 13

RELAZIONE SISTEMI ENERGETICI AVANZATI E COGENERAZIONE

Il punto di massima produzione termica si verifica con una portata di 200 kg/s di acqua però bisogna

considerare i vincoli imposti dal sistema sulla temperatura di uscita dei fumi (per la possibile corrosione

acida data dalla condensazione dei fumi). Da questa analisi si nota che il massimo di portata d’acqua

utilizzabile è di 137 kg/s alla quale però corrisponde un minore calore scambiato rispetto il caso con

200 kg/s.

Il punto di massima produzione termica è con circa 137 kg/s perché c’è il limite di 100°C in uscita dei

fumi. La massima produzione termica è di 39893 kW.

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RELAZIONE SISTEMI ENERGETICI AVANZATI E COGENERAZIONE

Di seguito è riportata la tabella riassuntiva riferita alle varie grandezze d’impianto:

Caso Caso Caso Caso Caso Caso Caso Caso Caso Caso Caso Caso Caso Caso Caso Caso Caso Caso

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 scelto

Water Source 10 110 111,8 113,5 115,2 117 118,8 120,5 122,3 124 125,8 127,5 129,2 131 132,8 134,5 136,2 138

Mass flow [kg/s]

OUTPUTS

Gas/Air Sink [9] 488,2 185,6 180,1 174,6 169,1 163,6 158,1 152,6 147,1 141,6 136,1 130,5 125 119,5 113,9 108,4 102,8 97,26

Temperature[°C]

Potenza termica 2929 32219 32746 33244 33742 34269 34797 35294 35822 36320 36847 37345 37843 38370 38897 39395 39893 40420

prodotta [kW]

Rendimento 0,035 0,384 0,390 0,396 0,402 0,408 0,414 0,420 0,426 0,432 0,439 0,445 0,451 0,457 0,463 0,469 0,475 0,481

termico

Potenza elettrica

netta prodotta 31610 31610 31610 31610 31610 31610 31610 31610 31610 31610 31610 31610 31610 31610 31610 31610 31610 31610

[kW]

Net electric 0,376 0,376 0,376 0,376 0,376 0,376 0,376 0,376 0,376 0,376 0,376 0,376 0,376 0,376 0,376 0,376 0,376 0,376

efficiency (LHV)

Limite termico LT 0,085 0,505 0,509 0,513 0,516 0,520 0,524 0,528 0,531 0,535 0,538 0,542 0,545 0,548 0,552 0,555 0,558 0,561

PES -0,247 0,205 0,208 0,211 0,213 0,216 0,218 0,221 0,223 0,225 0,228 0,230 0,232 0,234 0,236 0,238 0,240 0,242

Efficienza 0,141 0,141 0,141 0,141 0,141 0,141 0,141 0,141 0,141 0,141 0,141 0,141 0,141 0,141 0,141 0,141 0,141 0,141

scambio termico

Dove: = + 1

=1− +

= 53% = 92%.

In cui e

L&r