Cicli combinati - Laboratorio di Sensori e Misure sulle Macchine

Dipartimento di Energetica “S.Stecco”
Sezione di Macchine
Cicli combinati - Introduzione
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UNIVERSITA’ DI FIRENZE
Facoltà di Ingegneria
Dipartimento di Energetica “S.Stecco”
Sezione di Macchine
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Facoltà di Ingegneria
Cicli combinati - Introduzione
L'attuale diffusione degli impianti con turbina a gas è dovuta anche ai cicli
combinati gas-vapore, nei quali si recupera il calore sensibile dei gas di scarico
del turbogas, portandoli al camino a temperature prossime a quella atmosferica.
La constatazione della vicinanza dei livelli di temperatura dei gas di scarico della
turbina a gas con quelli massimi tipici degli impianti a vapore ( 500 – 600°C)
porta a considerare la possibilità di combinare in serie i due impianti.
Ciò non comporta modifiche sostanziali nei cicli di riferimento; da un punto di
vista tecnologico non si richiedono consistenti modifiche o innovazioni.
Il problema del perfezionamento delle prestazioni é legato al trasferimento di
calore fra due fluidi con comportamenti diversi rispetto alla variazione di
temperatura determinata dallo scambio di calore (gas perfetto e fluido con
transizione di fase).
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Cicli combinati – Unfired
CC
2
mF
C
mA
GT
S
d
ST
S
1
Le entropie sono
opportunamente scalate,
nei due cicli, in modo che
risultino corrispondenti i
calori scambiati, (aree
sottese alle trasformazioni)
Pag. 3
mST
S
A fianco é rappresentato lo
schema e il diagramma T-s di un
ciclo combinato gas-vapore a
recupero (“Unfired”), ovvero basato
sul
solo recupero del calore
sensibile dei gas di scarico della
turbina a gas.
Il ciclo Turbogas viene denominato
“Topper” o ciclo sovrapposto
Il ciclo a vapore viene denominato
“Bottomer ” o ciclo sottoposto
e
3
HRSG
4
mG
COND
c
P
b
a
f
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Cicli combinati – Unfired/Fired - Rendimento
Fired
Unfired
Q1
W1
1
η1
Q1
W1
1
W1
=
;
Q1
FIRED
ε=
QE
Q2
Q2
W2
2
Q3
Q3
ηCC =
UNFIRED
QE
Q1
W2
η2 =
Q2 + ε ⋅ Q1
W2
2
Q 2 = Q 1 (1 − η 1 )
η1
η ⋅η
+η2 − 1 2
1+ ε
1+ ε
η2 =
W2
Q2
ηCC = η1 + η 2 − η1 ⋅η 2
Formule elementari per il calcolo del rendimento di un ciclo combinato
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Cicli combinati – Rendimento caldaia a recupero
Q1
W1
1
E’ necessario considerare nell’impianto la caldaia a recupero
(HRSG), che non consente il trasferimento di tutto il calore Q2
all’impianto a vapore, rilasciandone una certa frazione all’ambiente
con la portata al camino.
Temperatura al camino
Il rendimento della caldaia a recupero risulta
η HRSG =
Q2
H
R
S
G
2
4
st
4
1
ηcom = η1 + η HRSG ⋅η 2 − η1 ⋅η 2 ⋅η HRSG
W2
2
Pag. 5
3
=
e per il caso unfired:
Q3
Q4
Q /Q
T −T
T −T
Q5
Il rendimento dell'impianto combinato dipende dal prodotto dei
rendimenti di caldaia a recupero e ciclo sottoposto ηHRSG*η2.
Le temperature di scarico delle turbine a gas variano entro i 400 600°C e la temperatura Tst al camino tende a 150-90°C, quindi il
valore di ηcr si situa attorno a 0.7 - 0.8.
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Cicli combinati – Monopressione - Ottimizzazione
Per migliorare ηHRSG bisogna abbassare la
temperatura al camino Tst, ovvero:
T
pB > p A
T4
∆Tappr
∆Tpinch
TSH
TsB
∆Tpinch
TsA
TstB
TstA
Ta_in
Surface or Heat
0%
eliminare la rigenerazione interna al ciclo a
vapore (spillamenti), che condurrebbe acqua
preriscaldata al generatore di vapore;
l’acqua deve arrivare direttamente dal
condensatore, con Ta_in più bassa possibile
adottare valori molto contenuti di ∆Tpinch
(differenza di temperatura al Pinch Point).
scegliere bassi valori della pressurizzazione
del ciclo sottoposto, in modo da avere una
temperatura di saturazione più bassa.
100%
Basse pressioni del vapore determinano però rendimenti η2 contenuti per il ciclo a
vapore; il recupero di calore è esteso, ma il suo utilizzo è inefficiente.
Per massimizzare il prodotto ηHRSGη2, si ricorre al frazionamento in più livelli di
pressione della transizione di fase, contenendo le irreversibilità nello scambio termico.
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Cicli combinati – Repowering
Gli interventi di ripotenziamento di impianti esistenti mediante turbine a gas,
(“Repowering “) risultano particolarmente interessanti perché consentono di
incrementare sia il rendimento che la potenza.
Esistono varie possibilità di repowering:
Interventi che prevedono la modifica della caldaia dell’impianto a vapore, con un
sostanziale apporto di combustibile nella stessa (ciclo combinato fired)
Repowering
sull’acqua di alimento: eliminazione degli spillamenti delle sezioni di preriscaldo
dell’acqua di alimento, alimentate dall’uso dei gas di scarico della turbina.
Repowering sull’aria comburente: alimentazione diretta della caldaia, tramite i gas di scarico
caldi della turbina, che contengono ancora una notevole quantità di ossigeno (circa 15%)
(rendimento + 5-7%).
Il Repowering sull’acqua di alimento consente di collocare il gruppo turbogas a distanze
ragionevoli dall’impianto a vapore (100-300m); nel caso di repowering sull’aria comburente, la
notevole portata dei gas di scarico del turbogas deve essere immessa direttamente in caldaia
(il turbogas deve essere adiacente alla caldaia)
Interventi di sostituzione della caldaia con caldaia a recupero unfired, con incrementi
di potenza e rendimento elevati
Diventa
necessario modificare la turbina a vapore.
La situazione più comune è il Repowering sull’acqua di alimento.
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Cicli combinati - Esempi di Repowering (Acqua alimento)
Intervento di preriscaldo acqua alimento su
semplice ciclo a vapore
Intervento di sostituzione della linea
rigenerativa acqua alimento di alta pressione
su impianto a vapore rigenerativo.
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Cicli combinati - Gassificatori
Un’altro sviluppo del ciclo combinato riguarda la possibilità di utilizzare
combustibili solidi, o, comunque non pregiati, in un impianto basato
sulla turbina a gas.
Si adotta un processo di gassificazione in condizioni pressurizzate,
realizzando un impianto IGCC (Integrated Gassifier Combined Cycle).
I combustibili utilizzabili vanno dai residui della distillazione del petrolio
al carbone, fino alle biomasse ed al combustibile derivato da rifiuti
(CDR).
La gassificazione del combustibile consente una consistente riduzione delle
emissioni inquinanti rispetto alla combustione diretta.
La gassificazione é un’ importante risorsa strategica, nella prospettiva di
dover ricorrere all’uso di combustibili alternativi al petrolio.
Le caratteristiche del gas di sintesi prodotto della gassificazione dipendono
dalle proprietà del combustibile (potere calorifico, composizione) e dal
processo adottato (impiego di aria o ossigeno, con o senza uso di vapore)
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Cicli combinati - IGCC
Ciclo combinato con
gassificazione
integrata IGCC
Nel Nord America
esistono IGCC da
carbone già attivi da
diversi anni
In Europa ed in Italia
si sono recentemente
diffusi impianti con
gassificazione di
residui di raffineria
(SARLUX, AGIP
Ragusa,…)
Nella maggior parte dei casi, l’integrazione tra Gassificatore e Ciclo combinato
è molto più estesa rispetto a questo esempio. Ciò risulta necessario per
ottenere un rendimento complessivo elevato (45 – 50%).
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Cicli combinati - Caratteristiche delle Caldaie a Recupero
Parametro
Nella caldaia a recupero (nel
caso di ciclo combinato
completamente a recupero) lo
scambio termico avviene per
convezione, a differenza della
caldaia tradizionale, dove la
trasmissione del calore è per
irraggiamento e convezione.
La post-combustione
nell’HRSG non altera tali
condizioni, perché la
temperatura massima è
limitata (750-800 °C) in quanto
conviene che il ciclo
combinato operi
principalmente a recupero.
HRSG
Caldaia
tradizionale
Portata dei gas [t/h/MW]
17 - 28
7 - 10
Superfici scambio [m2/MW]
800 1300
70 - 100
60 - 80*
Volume caldaia [m3/MW]
Nota: MW relativi alla potenza erogata dalla turbina a vapore.
* = preriscaldatori d’aria esclusi.
Acqua di
alimento 60 C
SH
1100 C
Acqua
150 C
160 C
ECO
ECO
400 C
Vapore
500 C
EVA
Vapore
500 C
Gas di
scarico
SH
Gas esausti
530 C
HRSG a circolazione assistita
senza postcombustione
ad un livello di pressione
Pag. 11
50 - 65*
Aria e
combustibile
EVA
1500 C
Caldaia tradizionale
a circolazione naturale
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Cicli combinati – Caratteristiche dei turbogas
Le prestazioni di caldaia a recupero e ciclo bottomer dipendono molto dalla temperatura
di scarico (T4) della turbina a gas; T4 aumenta con la temperatura massima Tmax = T3 del
turbogas; diminuisce al crescere di β.
E’ opportuno pertanto limitare il rapporto di compressione della turbina a gas. In generale
si adotta β = 10 - 20; in alternativa si può ricorrere a turbogas con postcombustione (ABB
GT24/26) o alla postcombustione diretta nella caldaia a recupero.
Il rendimento del ciclo combinato
presenta un massimo per un preciso
valore del rapporto di compressione
ß; il valore del massimo risulta
superiore per bassi valori di ß ed
elevate pressurizzazioni del bottomer
pB.
Rendimenti dell'ordine del 46 - 48 %
sono raggiungibili con le odierne
tecnologie, su impianti di taglia
unitaria contenuta (20 - 200 MWe).
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Cicli combinati - HRSG
La transizione di fase acqua-vapore
comporta un tratto di trasformazione
isoterma che introduce, in alcune zone
della
caldaia,
forti
differenze
di
temperatura fra i due fluidi (gas ed
acqua/vapore)
Riferendosi alla figura (caldaia ad un solo
livello di pressione), al raggiungimento
delle condizioni di saturazione dell’acqua,
si ottiene la minima differenza di
temperatura fra i gas e l’acqua stessa.
∆TPP (Pinch Point); un altro punto
caratteristico
è
rappresentato
dalla
differenza di temperatura fra gas e vapore
denominata Approach ∆TAP.
La
presenza
di
un
modesto
sottoraffreddamento (DTcd=5-15 °C) all’ingresso
del corpo evaporatore è necessaria per
eliminare i rischi di evaporazione prematura nei
fasci tubieri dell’economizzatore.
Pag. 13
T4
approach
point
Tst
sottoraffreddamento
η HRSG =
Q /Q
3
2
=
T −T
T −T
4
st
4
1
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Cicli combinati - HRSG - Temperature
Il valore minimo della differenza di
temperatura al pinch point si situa in
genere tra i 10 e i 15 °C
La temperatura T4 dei gas di scarico
delle turbine a gas é in genere nella
fascia 500-550 °C;
Lo sviluppo delle turbine a gas per uso
terrestre, specificamente destinate ad
applicazioni in cicli combinati, ha
portato in alcuni casi a superare i 600
°C allo scarico, con riflessi positivi sul
rendimento della caldaia a recupero e
sul rendimento complessivo del ciclo
combinato
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approach
point
sottoraffreddamento
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Ciclo combinato monopressione - Bilancio HRSG
Approach ∆Tappr e ∆Tpinch sono i dati di ingresso per il bilancio
energetico, che deve essere condotto per la sola zona precedente
il PP in modo da determinare mv:
mgcpg(T4-Tpinch) = mv [ hSH(pv, T4-∆Tappr) - hL(pv, Ts)]
L = Liq. saturo
T
T4
SH
VAP
L = Liq. saturo
Il bilancio globale della caldaia non é direttamente utilizzabile, in
quanto in un’unica equazione sarebbero presenti 2 incognite mv e Tst.
TSH
TX
∆Tpinch
La pressione del circuito acqua-vapore
generalmente compresa tra i 30 e i 70 bar.
Tpinch
Ts
Tst
Ta_in
Surface or Heat
0%
Pag. 15
La temperatura dei gas al camino Tst - una volta
determinata mv - risulta dal bilancio dell’ ECO:
mgcpg(Tpinch-Tst) = mv[hL(pv, Tst)-ha(pv, Ta_in)]
ECO
∆Tappr
Incognita
100%
è
La caldaia monopressione non garantisce un
efficiente recupero del calore; la temperatura al
camino di solito non scende sotto i 170 °C. Il
rendimento del ciclo combinato risulta < 50%.
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Ciclo combinato ad un livello di pressione
Considerati i valori moderati
della pressurizzazione, le
caldaie sono del tipo con
evaporatore a corpo
cilindrico, e circolazione
naturale od assistita.
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Cicli combinati - HRSG a due livelli di pressione
L’efficienza del ciclo può essere migliorata utilizzando una caldaia a due livelli di pressione.
L’acqua entra in caldaia a recupero a due livelli di pressione distinti: un circuito di bassa pressione
(5-10 bar) ed un circuito ad alta pressione (70 -100 bar). Il vapore prodotto nell’HRSG viene inviato a
due sezioni distinte della turbina. Alla turbina di bassa pressione arriva anche la portata di scarico
della turbina di alta pressione
L’impianto
in
questo caso è più
costoso, perché la
caldaia a recupero è
più complessa, ma si
ottengono rendimenti
maggiori perché il
recupero del calore è
migliore.
La ripartizione delle
due portate mAP e
mBP é determinata
dal bilancio della
caldaia e dalla scelta
dei livelli di pressione
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Andamento delle temperatura di gas e acqua/vapore nelle diverse tipologie di HRSG
Caldaia II livelli
Caldaia I livello
T
L’area compresa fra
le curve si riduce nel
due livelli
La temperatura al camino è
più bassa nel due livelli
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Q
T
La portata di vapore di bassa
pressione è sensibilmente ridotta
Il surriscaldamento di bassa pressione
può essere eliminato per facilitare il
controllo del ciclo a vapore
Q
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Ciclo combinato a tre livelli di pressione
Negli HRSG a tre livelli di pressione la pressione massima si attesta su valori
dell’ordine di 180-200 bar.
Il rendimento dell’impianto aumenta perché si recupera maggiormente il calore
dai gas di scarico; la temperatura dei gas al camino risulta molto bassa, con
valori prossimi ai 100 °C
Si usa necessariamente gas naturale come combustibile per evitare condense
acide; inoltre, materiali anticorrosione per il tratto terminale della caldaia.
Ciclo combinato tre livelli di pressione con risurriscaldamento
(Reheat)
E’ la configurazione che conduce al massimo rendimento, adatta per grandi
impianti
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Ciclo combinato a tre livelli di pressione + reheat
Il vapore in uscita dalla turbina di alta pressione viene riunito alla portata in
uscita dall’evaporatore di media pressione, risurriscaldato (SH2) e poi inviato alla
turbina di media pressione.
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Esempio di
ciclo a tre
livelli
di
pressione+
Reheat
(Nuovo
Pignone
GE)
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