Impianti turbogas per la produzione di energia

I CICLI COMBINATI

Come abbiamo visto nei paragrafi iniziali, possiamo affermare con assoluta certezza che con un impianto motore con turbina a gas "semplice", l'energia termica dei gas di scarico viene dispersa nell'ambiente, non viene perciò sfruttata in alcun modo dalla turbina modo la potenzialità di questa fonte di energia "gratuita" (in qualche modo la turbina deve scaricare il gas terminata l'espansione). Per fare in modo che non avvenga questo spreco che consentono l'accoppiamento in cascata ci vengono in aiuto i cicli combinati tra la turbina a gas e un ciclo a vapore d'acqua in cui il calore fornito al vapore viene "prelevato" dai gas che fuoriescono dall'impianto motore con turbina a gas.

COMPOSIZIONE IMPIANTO E CARATTERISTICHE

È di assoluta importanza, prima di spiegare nel dettaglio il funzionamento di questa tipologia di impianto, osservare lo schema generale dello stesso riportato in Figura.

Anche soltanto osservando lo schema impiantistico del ciclo combinato, si può notare che un aumento delle prestazioni: l'unione della tecnologia del ciclo a gas e del ciclo a vapore porta inevitabilmente a rendimenti molto superiori a quelli delle singole tecnologie operanti in modo autonomo (si può arrivare a rendimenti del 57-60%).

Proprio per questo motivo l'utilizzo di questa tipologia di impianti è via via aumentato negli anni e si può affermare con una certa precisione che la quasi totalità delle costruzioni più "moderne" sfrutti questa tecnologia utilizzando il gas naturale come combustibile.

Oltre all'aumento di rendimento questi impianti garantiscono emissioni estremamente contenute.

investimenti iniziali ridotti. Molto interessanti sono le due possibilità di impiego della tecnologia del ciclo combinato, infatti l'impianto può essere pensato in due varianti:

• per l'impiego Greenfield: impianti a vapore costruiti ex-novo e progettati specifico;
• Repowering: ammodernamento di un impianto a vapore preesistente che viene adattato per integrarsi con la turbina a gas.

È opportuno introdurre la classica distinzione che viene fatta per questo tipo di centrali a modalità di introduzione del calore dall'esterno:

1. (Figura 11): l'introduzione di calore avviene esclusivamente nella Ciclo unfired turbina a gas, non è prevista quindi una combustione per il ciclo a vapore;
2. Ciclo fired: vi è una seconda combustione dedicata a fornire calore al ciclo a vapore (con post-combustione).

Per finire possiamo dire che la nostra trattazione riguarderà principalmente i cicli combinati veri e propri.

ovvero quelli in cui vi è la netta separazione fisica tra il gas e il vapore a opera delle pareti della caldaia a recupero; esistono infatti anche i cosiddetti ciclimisti (meno diffusi) in cui vi sono delle miscelazioni tra gas e vapore in specifiche sezioni dell'impianto.

LA CALDAIA A RECUPERO vapore, all'interno di un impianto a ciclo

La caldaia a recupero o generatore di è l'organo preposto al trasferimento di calore tra i gas uscenti dalla turbina e combinato, il fluido (chiaramente acqua) che percorre l'impianto con turbina a vapore (esempio in Figura 12). La caldaia a recupero è composta da diverse sezioni:

• Economizzatore: preriscalda il fluido proveniente dalla pompa di alimentazione dell'acqua. È importante notare come in questa fase è opportuno prestare molta attenzione al fatto che l'acqua non raggiunga lo stato di vapore, perché questo porterebbe a danni strutturali all'impianto. Per raggiungere

L'obiettivo si può pensare di operare a pressioni maggiori oppure abbassare la temperatura di uscita dell'acqua dal componente stesso;

Figura 12: esempio di caldaia a recupero

Questo organo ha il compito di trasformare l'acqua preriscaldata in vapore saturo; la circolazione può avvenire in maniera naturale (sfruttando la differenza di densità tra liquido e vapore) oppure in maniera forzata (unico passaggio dell'acqua in caldaia, all'uscita della quale il vapore viene separato dal liquido residuo);

Evaporatore: vapore saturo; la circolazione può avvenire in maniera naturale (sfruttando la differenza di densità tra liquido e vapore) oppure in maniera forzata (unico passaggio dell'acqua in caldaia, all'uscita della quale il vapore viene separato dal liquido residuo);

Surriscaldatore: ha il compito di surriscaldare il vapore fuoriuscito in precedenza dall'evaporatore aumentando notevolmente l'efficienza del ciclo.

IL PERCORSO COMPIUTO DAL GAS

Per far sì che il ciclo diventi "combinato", il gas che fuoriesce dalla turbina, viene convogliato nel generatore di vapore dove cede il suo calore all'acqua per la sua trasformazione in vapore. Come visto

in precedenza, non è detto che il calore fornito all'interno del gas sia sufficiente, per questo, talvolta, viene inserito un bruciatore della caldaia che fornisce energia termica aggiuntiva al flusso di gas (solitamente nelle condizioni di funzionamento di picco). Il flusso del gas all'interno della caldaia può essere orientato sia orizzontalmente che verticalmente a seconda delle esigenze progettuali. IL CICLO DI BRAYTON-HIRN In Figura 13 è rappresentato sul diagramma T-S (temperatura-entropia) il ciclo di Hirn che "passa" una quantità di calore necessaria a trasformare l'acqua in vapore. T 32'' Figura 13: ciclo di Hirn seguito dal gruppo turbina a vapore 2' 4' 41 S Dato che abbiamo già analizzato in precedenza il funzionamento dell'impianto con turbina a gas, vediamo adesso come opera la parte di impianto che utilizza il vapore, analizzando

più nel dettaglio le varie trasformazioni termodinamiche:

• compressione isoentropica dell’acqua di alimentazione ad opera della pompa di alimentazione;
• riscaldamento graduale dell’acqua fino allo stato di liquido saturo;
• Tratto 2-2’: dell’acqua a pressione di evaporizzazione costante fino allo stato di vapore saturo secco;
• Tratto 2’’-3: surriscaldamento del vapore sempre a pressione costante a opera del surriscaldatore;
• Tratto 3-4: espansione isoentropica nella turbina a vapore e trasformazione in lavoro di una parte dell’energia termica;
• Tratto 4-1: trasformazione isotermobarica durante la quale la miscela liquido-vapore cede calore e avviene quindi la condensazione (stato di liquido saturo ripristabilito).

Come è lecito aspettarsi, se al diagramma del ciclo di Brayton aggiungiamo il diagramma del ciclo di Hirn sullo stesso piano T-S, otteniamo esattamente il ciclo

combinato seguito dai due impianti che, come si può intuire da queste considerazioni, operano comunque in vera interazione tra l'uno e l'altro vi è quando il gas caldo in modo indipendente. L'unica uscita dalla turbina viene utilizzato per riscaldare il vapore che sarà impiegato per produrre ulteriore energia sfruttando la sua espansione nella turbina a vapore. Il risultato di questa sovrapposizione lo possiamo osservare in Figura 14. ALTRE TIPOLOGIE DI CICLI Dopo le diverse analisi fatte sino a ora, possiamo affermare che il ciclo semplice che opera con turbina a gas lavora a rendimenti del tutto rispettabili, soprattutto con i moderni componenti inseriti nell'impianto. È opportuno però sottolineare che il ciclo base comunque disperde allo scarico del calore che potrebbe essere riutilizzato e, soprattutto, presenta un lavoro di compressione molto elevato rispetto a quello di espansione.combustibile una temperatura inferiore per ottenere la stessa potenza. Questo permette di aumentare l'efficienza del ciclo e ridurre i consumi di combustibile. Per implementare la rigenerazione, è necessario utilizzare uno scambiatore di calore tra i gas di scarico e l'aria di alimentazione. Questo scambiatore preleva il calore dai gas di scarico e lo trasferisce all'aria di alimentazione, che viene quindi preriscaldata prima di entrare nel combustore. L'implementazione della rigenerazione comporta un aumento dei costi di investimento, ma permette di ottenere un notevole risparmio energetico nel lungo termine. Inoltre, la rigenerazione può essere facilmente integrata in impianti esistenti, senza la necessità di grandi modifiche strutturali. In conclusione, la rigenerazione è una soluzione intermedia tra un impianto "semplice" e uno a ciclo combinato. Permette di aumentare l'efficienza del ciclo e ridurre i consumi di combustibile, senza l'aggiunta di un grande macchinario aggiuntivo.

gas una quantità di calore inferiore a parità di temperatura di ingresso in turbina. A livello pratico viene inserito uno scambiatore di calore (chiamato rigeneratore) tra il compressore e il combustore; possiamo osservare lo schema completo in Figura 15.

Una volta osservato e compreso lo schema impiantistico, siamo anche in grado di creare il diagramma T-S ideale del ciclo e trarre le nostre conclusioni su questo tipo di tecnologia; riportiamo lo stesso in Figura 16.

Come si può notare il calore Q (trasformazione 4-6) ottenuto dal raffreddamento del gas rig, in uscita dalla turbina, rientra nel ciclo per preriscaldare il gas in pressione che sta per entrare in camera di combustione (trasformazione 2-5). Bisogna specificare che per costruire questo ciclo abbiamo supposto,

oltre a quanto detto per il ciclo di Brayton ideale nei paragrafi precedenti, il rigeneratore ideale, lo stesso si presume tale quando:

• Non vi sono perdite di carico;
• Non vi sono perdite di calore;
• Scambia calore in ogni punto della trasformazione con differenze di temperatura infinitesime.

Gli effetti finali sul ciclo possiamo sintetizzarli in tre punti fondamentali:

• I lavori della turbina e del compressore non variano e con essi non varia nemmeno il lavoro utile;
• Il calore entrante nel ciclo, come detto in precedenza, diminuisce in quanto parte dello stesso è recuperato dallo scarico della turbina (si passa invece che da T a 2T, da T a T);
• Il rendimento.