Appunti sistemati di Impianti di produzione dell'energia elettrica

IMPIANTI TERMOELETTRICI

Impianti con turbina a vapore

Gli elementi che concorrono alla individuazione del sito in cui installare un impianto termoelettrico sono:

1) Agevole approvvigionamento delle materie prime.

Per paesi non dotati di giacimenti interni il carbone viene importato via mare: è conveniente perciò

situare le centrali alimentate con questo combustibile in prossimità di porti capaci di accogliere lo scarico

delle navi carboniere. Nel caso dell’olio combustibile sarebbe auspicabile collocare la centrale in

prossimità di una raffineria che la potesse alimentare tramite breve tratto di oleodotto.

2) Facilità di collocamento, nel mercato, della produzione.

Sarebbe preferibile localizzare le centrali nelle vicinanze del carico, risultano tuttavia predominanti i

vincoli di tipo funzionale e di tipo ambientale.

3) Possibilità di sistemare gli scarichi reflui e i residui della produzione.

Gli attuali impianti presentano rendimenti del 40% circa: perciò il 60% circa dell’energia ricavata dal

combustibile deve necessariamente essere ceduta all’ambiente sotto forma di calore a bassa

temperatura. Il metodo più semplice consiste nello scambiare calore con fluidi di raffreddamento:

tipicamente acqua e aria. Per limitare l’impatto ambientale degli impianti termoelettrici, i fluidi di

raffreddamento devono essere restituiti con temperature non molto superiori a quelle d’ingresso e ciò

comporta la necessità di grandi portate durante tutto il tempo di funzionamento dell’impianto. Un

ulteriore problema è costituito dallo smaltimento dei sottoprodotti della combustione (fumi, ceneri,

scorie radioattive).

4) La sismicità della regione.

5) La vicinanza di aree protette e/o strategiche (zone militari, centri monumentali e paesaggistici).

6) La solidità del terreno.

7) Previsione dell’estensione dell’area di terreno che l’impianto richiede:

 Edifici civili e macchinario;

 Stazione elettrica;

 Parco combustibile (carbone);

 Area di pertinenza.

Disposizione dell’impianto nel sito

Disposizione delle opere di presa e restituzione dell’acqua di raffreddamento

Nel caso di acqua di fiume l’opera di presa deve essere posta a monte rispetto al flusso del corso d’acqua per non

innescare un ricircolo che porterebbe facilmente a superare i limiti di sovrariscaldamento (3°C di differenza fra la

sezione di presa e quella di restituzione).

Nel caso di acqua di mare, bisogna considerare il verso predominante delle correnti per stabilire la reciproca

posizione del punto di presa e di restituzione per non innescare un ricircolo che porterebbe facilmente a superare

i limiti di sovrariscaldamento.

Disposizione dello stoccaggio del combustibile (parco combustibile)

Deve essere situato in modo tale da facilitarne le operazioni di approvvigionamento (scarico dai mezzi di

trasporto) e di ripresa (alimentazione della centrale).

Disposizione dei vari “circuiti” costitutivi del funzionamento dell’impianto

Nella progettazione dei vari circuiti si deve tener conto delle reciproche posizioni vincolate per gli ingressi e le

uscite, della minimizzazione dei percorsi e dei relativi ingombri.

Il circuito acqua vapore

Disposizione del macchinario (Layout della sala macchine)

Esistono tre tipologie ricorrenti per la disposizione dei gruppi turbina-alternatore nella sala macchine:

a) Disposizione longitudinale (non più molto usata).

Consente di minimizzare la lunghezza dei condotti di adduzione del vapore proveniente dalle caldaie, la

lunghezza delle sbarre in uscita dagli alternatori e le dimensioni della “luce” del carro-ponte (ossia luce del

. Per contro sono

capannone, distanza fra mensola e mensola opposta di appoggio delle travi delle vie di corsa)

difficoltose, a causa della ristrettezza di spazio, le operazioni di smontaggio dei corpi macchina per le

manutenzioni e riparazioni.

b) Disposizione ad assi paralleli (trasversali) (disposizione oggi preferita).

Conserva i vantaggi di prima, assicurando contemporaneamente maggior spazio di manovra. Per contro,

la maggior luce trasversale della sala, può richiedere la disposizione longitudinale di più carri ponte e la

costruzione di guide supplementari di scorrimento degli stessi, all’interno della sala.

c) Disposizione ad assi inclinati.

Ciò complica in parte le operazioni di sollevamento dato che i carri ponte sono comunque semoventi in

direzione sghembe rispetto all’asse dei gruppi. Questo tipo di disposizione, poco diffusa in Italia, ha

trovato impiego in Inghilterra con la particolarità di presentare, certe volte, l’edificio della sala macchine

in un unico piano con i condensatori affiancati parallelamente a ciascun gruppo turbina-alternatore.

Trasformazioni energetiche in un impianto termoelettrico

Si può definire il rendimento complessivo in funzione dei rendimenti dei principali componenti dell’impianto:

cosicché il rendimento complessivo viene ad assumere, per gli impianti più recenti, un valore intorno al 40%.

Il generatore di vapore

Il generatore di vapore, comunemente denominato caldaia, ha la funzione di trasformare in energia termica

l'energia contenuta nel combustibile e di trasmetterla al fluido inizialmente allo stato liquido (acqua alimento) in

modo da trasformarlo in vapore con determinate caratteristiche di pressione e di temperatura.

I dati che caratterizzano una caldaia sono:

 Potenzialità: è il quantitativo di vapore prodotto in un'ora e viene espresso in (3000-4000 t/h per gli

/ℎ

impianti di grossa taglia). Il consumo specifico di vapore è tanto più ridotto quanto più "spinto" è il ciclo

termodinamico.

 Superficie di riscaldamento: è l'area interposta fra i prodotti della combustione ed il fluido da scaldare,

viene espressa in .

 Pressione di esercizio: è la pressione nominale di funzionamento espressa in .

/

 Temperatura di esercizio: è la temperatura del vapore in uscita dalla caldaia, espressa in .

°

 Carico termico superficiale: rappresenta le calorie che vengono assorbite in un'ora da di superficie di

1

riscaldamento, si misura in / ℎ.

 Carico termico volumetrico: è rappresentato dalle calorie prodotte in un'ora in un di camera di

combustione ed è espresso in / ℎ.

In relazione ai carichi termici si deve tenere presente che il flusso termico scambiato tra metallo e acqua

attraverso una determinata superficie, in presenza di cambiamento di stato, ha dei limiti che devono essere

considerati in sede di progetto. La prova può essere condotta rilevando lo scambio termico tra una barretta

metallica di forma cilindrica, riscaldata elettricamente, e l’acqua in cui si trova immersa (in realtà negli impianti

termoelettrici l'acqua sta all'interno dei tubi, ma il comportamento fisico dello scambio termico è tuttavia

assimilabile).

Il legame tra flusso termico e salto di temperatura ( - ) viene messo in evidenza dal diagramma (logaritmico).

 A-B-C: Quando la temperatura dell'acqua si avvicina all'ebollizione iniziano a formarsi delle bollicine di

vapore che, staccandosi dalla superficie del tubo, contribuiscono a migliorare la convezione, grazie ad un

maggior movimento del liquido circostante.

 C-B: II fenomeno si accentua all'aumentare della temperatura. Questa legge è valida finché non si

raggiunge un punto critico: intorno al tubo si forma un "film" uniforme di vapore e lo scambio termico

decade bruscamente. Di conseguenza la temperatura del tubo si innalza in modo eccessivo, fino ad

arrivare alla bruciatura della superficie metallica (burn-out) ed al danneggiamento del tubo.

L'insorgenza del fenomeno può essere notevolmente contrastata utilizzando tubi rigati internamente in senso

longitudinale in modo da ostacolare la formazione del "film" continuo di vapore.

Schemi funzionali delle varie tipologie di caldaia in relazione alle modalità di circolazione,

Caldaia a circolazione naturata

La separazione tra acqua e vapore avviene per gravità. Si definisce “rapporto di circolazione” di una caldaia il

rapporto tra la quantità d’acqua in circolazione e la quantità di vapore uscente dal corpo cilindrico:

. .=

Questo rapporto vale 7-8 per una caldaia a circolazione naturale: ciò significa che l’acqua deve circolare nel

vaporizzatore 7 o 8 volte prima di trasformarsi in vapore. È inoltre importante garantire un’adeguata circolazione

d’acqua per evitare la formazione di film di vapore all’interno dei tubi con conseguente bruciatura degli stessi.

Caldaia a circolazione assistita

E’ possibile risolvere il problema sopra descritto forzando la circolazione dell’acqua all’interno del vaporizzatore

mediante pompa di circolazione: garantendo la voluta circolazione, consente inoltre di ridurre i diametri dei tubi,

permettendo quindi il raggiungimento di pressioni di esercizio più elevate. Il rapporto di circolazione si riduce a 4.

Caldaia a circolazione forzata

Sulzer (Subcritico) (fig. in alto)

La caldaia Sulzer è caratterizzata da un ciclo del vapore subcritico. Il rapporto di circolazione è poco superiore a 1.

La presenza di una certa fase liquida residua richiede la presenza di un separatore ac-qua-vapore. La presenza del

separatore ha però, il vantaggio di consentire la rimozione degli elementi estranei e delle impurità dell’acqua.

Benson (Supercritico) (fig. in basso)

La caldaia Benson è caratterizzata da un ciclo del vapore ipercritico (passaggio istantaneo dalla fase liquida a

quella vapore, senza passare alla fase liquido+vapore all’interno della campana di Mollier) e la separazione per

gravità tra acqua e vapore non è più possibile. Inoltre la mancanza di spurgo dell’acqua di alimento delle impurità

obbliga ad utilizzare acqua quanto più pura possibile.

Un altro svantaggio di queste caldaie sta nel fatto che non possono scendere a regimi che comportino portate di

vapore inferiori al 30% : quindi sono particolarmente indicate per impianti di base, funzionanti

sempre a pieno regime, mentre mal sopportano modulazioni di regime. In fase di avviamento, con portate ridotte

e temperature insufficienti a garantire la completa evaporazione dell’acqua, nel vaporizzatore, il vapore prodotto

viene scaricato direttamente nel condensatore.

Caldaia a circolazione combinata

Finché la portata di vapore è superiore al 60-70% la caldaia funziona in circolazione forzata. Al di sotto

di questi valori si apre la valvola di non ritorno, la quale assicura un sufficiente ricircolo d’acqua all’interno del

vaporizzatore. Il vapore viene scaricato direttamente nel condensatore solo quando .

≤ 10%

Impianti di questo tipo sono facilmente modulabili