Sistemi energetici avanzati - Relazione progetto CC

Sistemi energetici avanzati - Ciclo combinato

Introduzione e obiettivi

Nell'intento di aumentare il rendimento energetico delle centrali termoelettriche, si sta diffondendo negli ultimi anni l'uso dei cicli combinati gas-vapore. Questi cicli prevedono l'utilizzo di un turbogas, composto da un compressore, una turbina e un alternatore, che permette l'immissione di aria comburente prelevata dall'atmosfera nella camera di combustione. I fumi di scarico utilizzati nella turbina per la produzione di energia elettrica, vengono poi recuperati per produrre vapore in un'apposita caldaia a recupero.

Oggetto della nostra analisi è stato in particolare un ciclo 3LR, che prevedeva 3 livelli di pressione con risurriscaldamento. La ricerca si è mossa attraverso equazioni di bilancio, tabelle e diagrammi opportunamente forniti per poter determinare le

registra all'uscita con l'uscita dei fumi del turbogas e quella presenza della caldaia a recupero. Infatti il turbogas, come si sa, non è libero di scaricare ma è tappato dalla caldaia a recupero. Ciò fa sì che la temperatura di uscita sia in realtà maggiore, con conseguenti perdite di potenza e diminuzione di rendimento e lavoro. Grazie a tali premesse e ad un'opportuna documentazione si è quindi potuto scegliere fra diversi turbogas quello che più si prestava alle richieste: Turbina GE Energy Heavy Duty PG6591C (2003) Dati di targa: η=0,33 (rendimento globale) P=42,3 MW (potenza elettrica prodotta) el/β=19 (rapporto di compressione) G=117 kg/s (portata d'aria circolante) ariaTOT=573,9 °C (temperatura di uscita dalla turbina) In primo luogo si effettua il calcolo della portata di combustibile (gas naturale) necessaria per riscaldare l'aria: In cui Hi rappresenta il potere calorifico inferiore del combustibile stesso. Si

ricava un valore pari a 2,87 kg/s. calcolare λ espresso come il rapporto tra α e

Nota la portata di combustibile si può α (per il metano pari a 15,2).

stechiometrico 3α è definito a sua volta come rapporto tra la portata di aria e quella di combustibile: Pag.Ciclo combinato

Sistemi energetici avanzati

e quindi:

Attraverso i valori di λ e TOT si può ricavare il cp dal seguente grafico: gas

Per ricavare l'incremento di temperatura all'uscita dovuto alla presenza della caldaia a recupero è indispensabile calcolare prima la perdita di potenza ΔW : tgΔli

in cui Δl rappresenta la perdita di lavoro specifico ed è pari al prodotto del volume specifico per la perdita di pressione ΔP. Questa perdita deve essere necessariamente introdotta per consentire ai gas di scarico di circolare nella caldaia. Si tratta comunque di un valore abbastanza contenuto (circa 3 - 4 kPa). Facendo riferimento alla legge dei gas perfetti

È possibile esprimere il volume specifico riferito alla TOT. Allora la perdita di potenza risulterà: ΔT = 7,66°C. Allora la potenza reale del turbogas sarà: 4Pag.Ciclo combinatoSistemi energetici avanzati, sapendo che la perdita di potenza può essere espressa anche come: uguagliando le due espressioni. Alla TOT conviene aggiungere anche questo incremento per avere un valore più preciso. Allora la TOT dovrà soddisfare la condizione: TOT ≥ 538+30+ ΔT, il che giustifica la scelta del turbogas, avente quella TOT=573,9 °C. Si può passare adesso all'analisi del ciclo sottoposto. 5Pag.Ciclo combinatoSistemi energetici avanzati. Calcolo dei punti termodinamici. Per prima cosa bisogna ricavare l'entalpia e l'entropia dei diversi punti termodinamici. Ciò può essere fatto utilizzando un programma specifico che simula il diagramma di Mollier (si inseriscono i valori di pressione e temperatura noti e si ricavano i).

valori di h [kJ/kg] e s [kJ/kg k]).

Per quanto riguarda i punti del ciclo reale (caratterizzati da trasformazioni isoentropiche) il calcolo dell'entalpia può essere svolto uguagliando il lavoro reale prodotto dalla turbina con quello ideale corretto attraverso il rendimento isoentropico: ad esempio per calcolare hG:

e quindi: 6

Pag.Ciclo combinato

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Per calcolare la temperatura nei punti O,N ed M che caratterizzano l'uscita dagli economizzatori (rispettivamente di bassa, media e alta pressione) bisogna sottrarre il ΔTsc pari a 10°C. Questo viene fatto per immettere il liquido nell'evaporatore ad una temperatura minore di quella di saturazione evitando la creazione di vapore che occlude le sezioni di passaggio, rallentando il flusso che si instaura in seguito nell'evaporatore, e danneggiando l'evaporatore stesso.

Per completezza si riporta la tabella con le caratteristiche dei punti termodinamici:

Descrizione p(bar) T(°C)

  

    
h(kJ/kg)
    
s(kJ/kg K)
    
XUscita
    
Condensatore
  
  

    
0,05
    
32,90
    
137,77
    
0,476
  
  

    
3,00
    
133,54
    
561,42
    
1,67
  
  

    
22,00
    
217,24
    
930,95
    
2,492
  
  

    
140,00
    
336,24
    
1571,64
    
3,624
  
  

    
140,00
    
336,24
    
2642,37
    
5,38
  
  

    
140,00
    
538,00
    
3427,10
    
6,524
  
  

    
22,00
    
273,13
    
2953,60
    
6,6
  
  

    
22,00
    
257,13
    
2912,43
    
6,524
  
  

    
22,00
    
217,24
    
2799,05
    
6,3
  
  

    
22,00
    
538,00
    
3549,08
    
7,492
  
  

    
3,00
    
266,35
    
3001,16
    
7,58
  
  

    
3,00
    
242,95
    
2953,52
    
7,492
  
  

    
3,00
    
133,54
    
2724,65
    
6,99
  
  

    
0,05
    
32,90
    
2380,79
    
7,8
  
  

    
0,05
    
32,90
    
2284,93
    
7,492
  
  

    
0,05
    
32,90
    
2311,86
    
7,58
  

(causa sub cooling) 122,50 326,24 1500,43 3,51 0,00%M

Fine Eco IP (causa sub cooling) 18,00 207,24 884,06 2,39 0,00%N

Fine Eco LP (causa sub cooling) 2,20 123,54 516,47 1,55 0,00%O

Interruzione RH 22,00 336,24 3102,87 6,85 100,00%P

Interruzione SH LP 3,00 217,24 2900,50 7,38 100,00%Q

7Pag.Ciclo combinatoSistemi energetici avanzatiEquazioni di bilancio

La cosa importante da considerare è che la curva di raffreddamento dei fumi in realtà è una spezzata, ma con pendenza talmente piccola da tratto a tratto che apparentemente è una retta perfetta.

Si parte da punti fissi che sono la temperatura di ingresso dei fumi e temperature di pinch point, da cui la retta dovrà passare poiché è un vincolo costruttivo. Queste temperature, come già detto, si ricavando sommando il ΔTpp al valore delle T di evaporazione del ciclo disegnato sopra.

Per dare un'idea più chiara degli intervalli di temperatura su cui si sta lavorando

Viene fornito di seguito il grafico che rappresenta il raffreddamento dei fumi del turbogas ed il contemporaneo riscaldamento del vapore interno al ciclo sottoposto: l'EVA HP che funge da elemento di separazione tra l'RHNel primo tratto c'è nella zona di alta e media pressione, come si può anche vedere sul ciclo qualitativo; l'SH e l'RH sono sottoposti ad una stessa differenza di temperatura per cui combaciano.Nel secondo tratto si ha prima l'EVA IP che divide anche questa volta in due parti l'SHLP, e infatti si ritrova la seconda parte dell'SHLP, al quale si affiancano l'SHIP e l'ECOIP; si può notare come i due SH di LP e IP non siano esattamente sovrapposti poiché sottoposti ad una differenza di temperatura diversa, continua ancora con affianco la seconda parte dell'RH per lo stesso motivo, e infine c'è il solito subcooling prima dell'EVA HP. Pag.Ciclo

combinatoSistemi energetici avanzati

Nel terzo tratto si parte con l'EVA LP; poi c'è la compresenza di ECO IP ed SHLP1, le cui linee non combaciano per l'effetto del subcooling.

Nel quarto tratto c'è praticamente solo l'ECO LP che prende l'ultimo trattoutile di caduta di temperatura del gas.

Ogni tratto avrà una temperatura media alla quale si valuta il calore specifico, che servirà poi nelle seguenti equazioni di bilancio. Per l'ultimo tratto si è inizialmente supposta una temperatura al camino di 90 gradi.

Otteniamo: Tmedie [°C] cp [kJ/kg K]

460,1 1,1428

6,7 1,09

185,4 1,06

116,8 1,05

Per il calcolo di cp è stata utilizzata una legge polinomiale del quarto grado: i coefficienti a, b, c, d, e sono assegnati.

Si passa quindi al calcolo delle equazioni di bilancio necessarie per ricavare le portate di alta, media e bassa pressione di vapore, le quali uguagliano le potenza assorbite dall'acqua a quelle cedute del

gas in un medesimo tratto.La prima equazione di bilancio è riferita al primo tratto del diagramma temperatura-potenza scambiata: infatti sono in gioco le portate di media ed alta pressione eriguarda le potenze degli elementi scaldanti presenti in questo tratto. E così vale pergli altri tratti. Prima eq.̅̅̅̅ Seconda eq.̅̅̅̅̅ Terza eq.̅̅̅̅̅̅ 9Pag.Ciclo combinato