Appunti impianti di cogenerazione e risparmio energetico

P +Q

e t ❑

η (somma di contributi di energie di diverso tipo)

= =η +η

n e t

P ¿

I - Indice elettrico

● e P η

e e

I = =

e ' η

Q t

t

IREC - Indice di risparmio economico

● ¿

C −C

IREC= ¿

C

¿ spesa per acquistare energia elettrica E e termica E dall’esterno

C → e t

C→ costo di produzione di E ed E nell’impianto cogenerativo

e t

λ → costo unitario del combustibile

ξ → costo di acquisto dell’energia elettrica

e

ξ → costo di acquisto dell’energia termica

t ¿

C ξ E ξ

=E +

e e t t

E e

C= λ

η e 1

IREC=1− η η

e t

+

λ λ

ξ ξ

e t

Gruppi combinati

ciclo a singola evaporazione

● ciclo a due livelli di pressione

● senza risurriscaldamento

○ con risurriscaldamento

○ ciclo a tre livelli di presisone

● con risurr.

○ senza risurr.

○ combustione supplementare (con post-combustore)

● cicli a gas con iniezione a vapore (STIG)

● potenziamento di impianti esistenti

● Tipologie (nel caso di imp. a vapore con turbine a gas):

○ Preriscaldamento dell’acqua di alimento

■ → η maggiorato dell’1-2% e potenza aumentata del 20-35%

Produzione di vapore di media pressione

■ → η maggiorato dell’1-2% e potenza aumentata del 20-35%

Riutilizzo del gas di scarico come comburente in caldaia

■ → η =45-47% e potenza incrementata fino al 40%

Trasformazione in ciclo combinato senza combustione

■ → η 50% e potenza raddoppiata

≃ Ciclo combinato a

singola

evaporazione

TG: Turbina a gas

TV: Turbina a vapor

d’acqua

CC: Camera di combustione degasatore

S: Surriscaldatore

V: Evaporatore

E: Economizzatore – scambiatore di vapore che riscaldano l’acqua di alimento, di

norma non oltre il suo punto di ebollizione. Sono in grado di sfruttare

efficientemente il grado di entalpia residuo dei gas di scarico per preriscaldare

l’acqua di alimentazione della caldaia.

Degasatore: tipo di scambiatore dove avviene il degasaggio dell’acqua usata

come fluido termovettore. Si basa sul principio che la solubilità dei gas diminuisce con l’aumentare

della temperatura. L’acqua, costretta a successivi cambiamenti di stato, deve risultare più pura

possibile, pena il danneggiamento delle tubazioni o delle macchine con cui entra in contatto.

Corpo cilindrico: ha la funzione di collettore di acqua calda non vaporizzata e di favorire il moto

convettivo del fluido

Profilo di temperatura del ciclo gas di scarico/vapore con un livello di pressione

I ∆T approach point e

pinch point stabiliscono

delle differenze di

temperatura che stanno

alla base del progetto

termico della caldaia

Il ∆T subcooling è

necessario ad evitare

rischi di inizio

evaporazione nei tubi

dell’economizzatore che

comporterebbe un blocco

temporaneo della portata a

causa dell’aumento di

volume del vapore

Aumentando il numero di

livelli di pressione, si

migliora il rendimento dei cicli combinati,

essendo limitate le perdite

termodinamiche dovute alle differenze di

temperatura in corrispondenza delle quali

avviene lo scambio termico. Inoltre si

riesce a ridurre la temperatura dei fumi al

camino fino a valori dell’ordine dei 100°,

limitando le perdite termiche allo scarico.

Sempre al fine di recuperare la maggior

parte possibile di calore dai fumi nel

modo più efficiente possibile, cioè

cercando di avvicinare il più possibile la linea di raffreddamento dei fumi a quella di produzione del vapore,

è logico prevedere un risurriscaldamento (RH), che permette di migliorare il rendimento del ciclo facendo

salire la temperatura del media del gas nel ciclo e riducendo la frazione di liquido in uscita dalla turbina.

Dato il suo elevato costo è utilizzato maggiormente per impianti di grande potenza.

Diagrammi del recupero termico per

le diverse configurazioni dei cicli

combinati

Tramite il risurriscaldatore il vapore in

uscita dalla turbina di alta pressione

viene viene miscelato con quello di

media pressione (nel caso a 3 livelli) o

con quello di alta pressione (2 livelli).

Successivamente viene reinviato alla

turbina di media-bassa pressione.

Tale soluzione è considerata l’opzione

di punta dei cicli combinati ed è la più adatta alla produzione elettrica di

base.

Le perdite di rendimento del ciclo combinato sono proporzionali all’area

racchiusa tra le due linee, di riscaldo dell’acqua e di raffreddamento dei

fumi. Risulta evidente come l’utilizzo di tre livelli di pressione l’efficienza

dello scambio termico sia la più elevata.

Un fattore che influenza le prestazioni del ciclo combinato è il rapporto

di compressione del ciclo a gas. Più esso è elevato, più diminuisce la

temperatura dei gas di scarico, con conseguente diminuzione del

rendimento del ciclo a vapore.

Il rendimento η di un ciclo combinato è sempre superiore al 50% (fino

cc

a una soglia del 60%, che sarà raggiunta con i nuovi impianti) ed è

calcolato come:

P P

+

el ,TG el ,TV

η =

cc m ∗H

c i

Dove m è la quantità di combustibile iniettato nella camera di combustione e H il potere calorifico inferiore

c i

del combustibile utilizzato, cioè quella quantità di calore che si rende disponibile per effetto della

combustione completa a P costante della massa unitaria di combustibile diminuito del calore di

condensazione del vapore d’acqua durante la combustione.

Cicli combinati con post combustione Il ciclo combinato con post-

combustione viene chiamato “fired” in

contrapposizione a quello “unfired”

precedente. La post combustione

viene attuata nella caldaia a recupero

a monte dello scambiatore. Essa è

permessa dalla residua percentuale di

ossigeno nei gas di scarico (12-16%)

dovuta all’eccesso d’aria con cui viene

realizzata la combustione.

Le conseguenze della post-

combustione sono una rotazione della

linea di raffreddamento attorno al pinch

point che abbassa la temperatura di

uscita dei fumi (in conseguenza

dell’aumento del calore specifico) e

incrementa la potenza elettrica

prodotta dalla turbina a vapore (a

fronte di un uso maggiore di

combustibile). Siccome η ≤ η la

fired unfired

post combustione viene usata solo in

impianti di cogenerazione dove si

necessita di vapore per uso termico e

una certa flessibilità operativa.

Ciclo STIG (Steam Injected Gas Turbine) – a iniezione di vapore Ciclo caratterizzato dal fatto

che il vapore prodotto nella

caldaia a recupero viene

iniettato nella camera di

combustione della turbina a

gas, aumentandone la

potenza prodotta e limitando

l’ingombro e i costi che si

avrebbero con un ciclo

combinato con due turbine.

Questo ciclo deve prevedere

un impiando di demineralizzazione dell’acqua (per non danneggiare le macchine e le tubazioni) e permette

un abbattimento della produzione di NOx (dovuta all’abbassamento della temperatura di fiamma)

Potenziamento di centrali a vapore con turbina a gas

• Con preriscaldamento dell’acqua di alimento

Invece di spillare vapore dalla turbina, vengono utilizzati i gas di

scarico della TG per riscaldare l’acqua, aumentando la portata di

vapore della TV e quindi la potenza erogata (20-30%) e il

rendimento (1-2%) della stessa, senza interventi complessi o

costosi sull’impianto. Le caratteristiche delle macchine (turbina,

alternatore e condensatore) devono essere compatibili con tale

degasatore incremento di portata e potenza.

L’impianto può funzionare anche in caso di fermo della turbina a

gas.

• Con produzione di vapore di media pressione

Viene aggiunta una TG i cui fumi generano vapore (alle stesse

condizioni del vapore della TV) tramite una caldaia a recupero. Il

vapore prodotto andrà alla sezione di turbina di media pressione

insieme a quello della caldaia principale. L’elevata differenza di

temperatura tra gas di scarico e acqua/vapore (compromette la

reversibilità del processo) e lo scambio termico non ottimale nella

caldaia a recupero rendono l’aumento di rendimento poco elevato.

• Con gas di scarico usati come comburente in caldaia

Vengono utilizzati direttamente i gas combusti della TG come

comburente per la combustione nella caldaia tradizionale. Si

elimina perciò la necessità della caldaia a recupero e viene

ottimizzato il recupero termico dei gas di scarico e diminuito

l’utilizzo di combustibile (l’aria entra ad alta T). Questa

configurazione implica una modifica alla caldaia per le elevate

portate d’ingresso.

I fattori positivi sono l’elevata qualità termodinamica

Linea di preriscaldamento dell’acqua dell’intervento, l’aumento di potenza cospicuo (fino al 40% in

più), rendimenti maggiorati fino al 45% e convenienza

economica se ci sono già in programma lavori di

ammodernamento dell’impianto o di manutenzione.

• Con trasformazione in ciclo combinato senza combustione

La caldaia tradizionale e la linea di preriscaldamento

dell’acqua viene disattivata, e il suo lavoro viene svolto da

una caldaia a recupero che funziona con i gas della TG. Si

tratta di un intervento molto più significativo e radicale

rispetto agli altri, ma permette di raddoppiare la potenza

prodotta ed arrivare a rendimenti del 50%. Si ha inoltre la

necessità di riadattare la turbina a condizioni di portata

nettamente differenti a quelle originarie. Dato che tutto il

calore generato è dato dalla turbina a gas, questo tipo di ciclo

si attua principalmente su impianti di bassa potenza, per

l’elevato costo del gas.

Gruppo combinato a due livelli di pressione

Valutazione della potenza e del rendimento Gruppi cogenerativi con turbina

a gas

UT: Utenza termica

SC: Scarica di condensa – valvola isoentalpica

DG: Degasatore

Potenza trasferita a UT:

'

Q =m' (h −h )

t v 1 2

Calcolo della portata di vapore:

'

m h C

( )

−h =m' (T −T )

v 1 2 g pg d e

'

m portata di vapore

=

v

h entalpico nelUT m' dei fumi

( )

−h =salto =portata

1 2 g

T ditemperatura del GVR

( )

−T =diff.

d e

Gruppi cogenerativi con turbina a vapo