Relazione di laboratorio: Sistemi energetici e cogenerazione M

Dove il termine risulta pari a:

_ = + +

_

Rendimento bottomer

39,00

37,00

35,00

_v 33,00

31,00

29,00

27,00 0 20 40 60 80 100 120 140 160

pv [bar]

Rendimento ciclo combinato

53,40

[%] 53,30

combinato 53,20

53,10

53,00

ciclo 52,90

52,80

Rendimento 52,70

52,60

52,50

52,40 0 20 40 60 80 100 120 140 160

pv [bar] 18

Lezione: 23/10/2019

Simulazione di un gruppo combinato gas-vapore a due livelli di pressione

La simulazione in questione è basata sull’impianto a un livello di pressione sul quale sono state eseguite opportune

modifiche, mantenendo tutti i parametri di progetto invariati come perdite e dimensionamenti dei componenti.

Rispetto all’impianto ad un livello di pressione, la caldaia a recupero presenta due banchi di scambio ulteriori, in

particolare un economizzatore (elemento 8) e un vaporizzatore di bassa pressione (elemento 9) e una turbina di

bassa pressione (elemento 12). Per realizzare il secondo livello di pressione, è necessario introdurre un mixer

(elemento 11) tra la turbina di alta pressione e quella di bassa pressione utile a ricongiungere le due portate di

vapore. Dopo l’economizzatore di bassa pressione, viene impiegato uno splitter (elemento 14) per separare il

circuito del fluido da mandare verso le due turbine a vapore.

L’obiettivo della simulazione è di analizzare l’andamento della potenza elettrica e del rendimento elettrico erogato

dalle due turbine in funzione delle pressioni di esercizio di alta e di bassa pressione.

Come primo step, analizzando i casi studiati nella simulazione precedente, si è individuata la configurazione

= 40 .

ottimale della turbina di alta pressione corrispondente a Fissato questo parametro si è poi fatto

variare il valore della pressione della seconda turbina cercando il punto utile a massimizzare il rendimento

elettrico rispettando contemporaneamente il vincolo sulla temperatura al camino. Si realizzano così altre

simulazioni ripetute per affinare questi parametri riportate di seguito. 19

= 5

Preso il caso come caso ottimale, si procede fissandolo per la turbina di bassa pressione e facendo

variare quella di alta. = 110 ,

Come evidenziato, il caso ottimale per questa turbina risulta essere pari a non soddisfacendo

90 °

però il vincolo sulla temperatura al camino essendo sempre inferiore a . Per questo motivo si rende

necessaria una terza simulazione sulla turbina di bassa pressione per rispettare tutti i vincoli.

Per concludere, si è ricavato il punto di ottimo a cui corrispondono pressioni alle due turbine pari a:

= 110 = 6

20

Ricerca punto di ottimo: alta pressione

53

[%] 52,5

elettrico 52

51,5

Rendimento 51

50,5

50 0 20 40 60 80 100 120 140 160

Pressione [bar]

Ricerca punto di ottimo: bassa pressione

52,7

52,65

[%] 52,6

52,55

elettrico 52,5

52,45

Rendimento 52,4

52,35

52,3

52,25

52,2

52,15 0 2 4 6 8 10 12 14 16

Pressione [bar]

Di seguito è riportato lo schema d’impianto con le configurazioni ottimizzate delle turbine. 21

Inoltre, è utile riportare i grafici T-Q e di Mollier, utili per eseguire il confronto tra il gruppo combinato a due livelli

di pressione con quello ad un livello di pressione.

Scambio termico due livelli di pressione Scambio termico un livello di pressione

−

Dal diagramma risulta evidente come sia diminuita l’area tra le due curve di scambio attraverso

l’inserimento del secondo livello di pressione, infatti per rendere migliore l’efficienza e quindi massimizzare

è fondamentale che i tra i due fluidi in ogni sezione siano i più piccoli possibili. Anche la potenza termica

8000 .

scambiata dalla caldaia a recupero è fortemente superiore nei 2LP con un incremento di circa In 22

aggiunta, la temperatura di scarico dei fumi è più elevata nell’impianto monolivello, ampiamente al di sopra dei

100 °, mentre nel secondo caso si rende necessaria la presenza di un controllo della condensa.

È stato analizzato inoltre il grafico di Mollier per i due differenti casi.

Mollier due livelli di pressione Mollier un livello di pressione 110

Dal diagramma di Mollier si nota facilmente che ci sono due espansioni: nella prima turbina si passa da a

6 , 6 0,0689 .

mentre nella seconda turbina da alla pressione di condensazione pari a

Analizzando il grafico riportato si nota come la prima espansione, fatta nella turbina di alta, ci porti ad un punto

poco fuori dalla curva limite superiore mentre con la seconda espansione si ricadrà dentro la campana con la

0,0689

conseguente presenza di vapore saturo in turbina. A fine espansione abbiamo una pressione di con

= 0,85 /

un titolo maggiore di che rispetta il limite accettato per evitare la presenza di acqua in turbina

di bassa pressione.

Confrontando i diagrammi di Mollier dei due impianti si nota come nell’impianto più complesso, a valle della

turbina a bassa pressione, si abbiano titoli più bassi rispetto al punto di fine espansione dell’impianto a 1LP.

Dunque, il salto entalpico risulterà maggiore nella configurazione con due livelli di pressione essendo più basso il

valore dell’entalpia a fine espansione.

Si riporta in seguito una tabella riassuntiva utile a confrontare gli schemi di impianto 1LP e 2LP e a verificare come

l’aggiunta di due ulteriori banchi di scambio impatti sulle prestazioni dell’intero gruppo combinato. 23

Impianto 1LP Impianto 2LP

60229 60946

Potenza totale 42407 42251

Potenza turbogas 18654 19684

Potenza corpi turbina 52,09 52,64

Rendimento elettrico netto

−

_

= 0,76893 0,85619

−

_ 16,79 / 19,81 /

Portata di vapore prodotta

Si nota come la potenza del turbogas sia rimasta circa la stessa infatti le piccole variazioni sono causate dalla

diversa contropressione allo scarico, la quale risulta maggiore nell’impianto a 2LP. Il miglioramento in termini di

efficienza comporta un maggior costo di realizzazione dell’impianto e una maggiore complessità impiantistica: la

caldaia a recupero diventa più elaborata perché sono stati aumentati i banchi di scambio. 24

Lezione: 06/11/2019

Realizzazione di un modello di sistema energetico CHP a ciclo combinato

Lo scopo di questa esercitazione è quello di simulare un impianto gruppo combinato a 2 livelli di pressione in

assetto cogenerativo. Per semplicità si è ripreso lo schema di impianto esaminato nella lezione precedente

apportando alcune modifiche.

L’utenza termica è rappresentata da uno scambiatore di calore (componente 22), inserito opportunamente tra la

turbina di alta pressione e quella di bassa, la cui componente cogenerativa consiste nella produzione di acqua

calda. Il posizionamento dello scambiatore è fondamentale per il raggiungimento della corretta temperatura

all’utenza termica (componente 24), questa infatti dipenderà dallo stato termodinamico del vapore proveniente

dalla turbina di alta pressione. Conviene spillare vapore in un punto dell’impianto in cui è noto lo stato fisico

120°

anziché spillare all’interno di un punto della turbina. Visto che l’utenza termica richiede acqua in uscita a

3

conviene spillare vapore con temperatura superiore, e quindi si spilla vapore a con temperatura pari a

153,3°.

Il vapore esausto in uscita dallo scambiatore, per evitare di espandere in turbina di bassa pressione una corrente

liquido più vapore, viene trasferito direttamente al condensatore passando attraverso una valvola di laminazione

(componente 21). Essa è impostata in modalità “Rubber Valve” adeguandosi così ai segnali di pressione a monte

a valle stabiliti da altri componenti dell’impianto raggiungendo così la giusta pressione al condensatore. Un’altra

modalità di funzionamento potrebbe essere “Completely Closed” che chiude il ramo di by-pass consentendo di

simulare la condizione di funzionamento dell’impianto con la sola produzione elettrica. 25

Nella simulazione sono stati imposti diversi vincoli aggiuntivi. Abbiamo considerato il funzionamento dell’impianto

= 60 = 3 .

a vapore con le seguenti pressioni: e Per quanto riguarda l’impianto cogenerativo, il

= 120°

fine è quello di produrre acqua calda sottoraffreddata a . La sorgente d’acqua in entrata allo

= 10 = 20°,

scambiatore (componente 23) si è supposta essere alla pressione e a temperatura valori

= 40°

adeguati al teleriscaldamento. La corrente in uscita di vapore è fissata a sottoraffreddata. Inizialmente

10 /.

è stata poi considerata una portata d’acqua pari a

2

Prima di introdurre i risultati della simulazione è importante specificare che nello scambiatore è stata stabilita

come corrente principale l’acqua; in questo modo il software ha calcolato la portata di vapore in base ai vincoli

imposti allo scambiatore, mentre la portata d’acqua è stata già imposta presso gli altri componenti.

Prima di passare all’analisi delle prestazioni dell’impianto variando la portata d’acqua è necessario introdurre

l’argomento precisando che non è possibile mandare una portata di vapore nulla alla turbina di bassa pressione,

sebbene il nostro obiettivo sia massimizzare la produzione di calore attraverso l’utenza termica. Infatti, con

portate di vapore nulle si verrebbero a generare delle situazioni non trascurabili all’interno della turbina (in

particolare vibrazioni, rumori, ecc) che renderebbero la turbina malfunzionante. Per questo esisterà un valore

minimo della portata di vapore in turbina al di sotto del quale è vietato scendere.

−

Inoltre, viene riportato il diagramma dello scambiatore: 26

10 /

Diagramma scambio termico: portata

Attraverso le simulazioni ripetute, abbiamo variato la portata d’acqua richiesta dall’utenza termica in un

2

10 / 110 /

range compreso tra e che è