di Piraccini Davide
OBBIETTIVI :
Inserire un impianto ORC (Organic Rankine Cycle) nel ciclo di bassa
pressione della centrale Enel di Porto Corsini e studiare la convenienza
tramite il confronto dei rendimenti e del lavoro ottenibile.
Il fluido organico sfruttato è il genetron R-245fa
Ciclo Rankine
Il ciclo Rankine è il ciclo ideale
per i cicli diretti a vapore (1 - 2 - 3’ - 4’ - 1):
1-2 compressione adiabatica isoentropica
2-3’ fornitura di calore a pressione costante
3’-4’ espansione adiabatica isoentropica
4’-1 sottrazione di calore a pressione costante
Macchina tipica di un ciclo a vapore
Ciclo Hirn
Il ciclo Hirn è il ciclo Rankine con
surriscaldamento (1 - 2 - 3 - 4 - 1):
1-2 compressione adiabatica isoentropica
2-3 fornitura di calore a pressione costante fino
ad avere del vapore surriscaldato
3-4 espansione adiabatica isoentropica
4-1 sottrazione di calore a pressione costante
Vantaggi rispetto al ciclo Rankine:
maggior lavoro ottenibile grazie all’ingrandimento dell’area interna al grafico
vapore a fine espansione con un titolo maggiore in modo da non danneggiare la
turbina
Fluidi Organici
Un fluido organico è un composto che possiede in molecola uno o più atomi di carbonio. La proprietà più
interessante di un fluido organico è quella di essere
basso bollente, cioè la trasformazione di fase, ad una data pressione, avviene per
temperature minori rispetto a quelle necessarie per l’acqua.
L’applicazione più frequente è quella delle macchine frigorifere, dove il riferimento
termodinamico è il ciclo inverso. Qualche decennio fa si è però pensato di usare questi fluidi anche nei cicli
diretti, per convertire efficacemente fonti di calore a bassa temperatura in lavoro meccanico.
In questo elaborato studieremo il genetron R-245fa applicato in un ciclo Rankine.
Vantaggi di un impianto ORC
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Rendimenti del ciclo alti.
Rendimenti della turbina alti ( fino a 85 %).
Recupero di energia utile da sorgenti a basso livello energetico
Piccolo stress meccanico della turbina, grazie alle basse velocità tangenziali.
Bassa velocità di rotazione, che permette l’accoppiamento diretto con i generatori elettrici.
Nessuna erosione delle pale, grazie all’assenza di umidità nel vapore
Lunga vita dell’impianto.
Facilità nell’avviamento e nello spegnimento dell’impianto.
Manutenzione richiesta poco onerosa.
Non necessità della presenza di un operatore patentato per la monitorazione del generatore di vapore,
come invece avviene per gli impianti a vapor d’acqua.
Genetron HFC 245fa
HFC 1,1,1,3,3-pentafluoropropane - formula molecolare :CF3CH2CHF2
• Temperatura critica di 154°C, alta rispetto agli altri fluidi organici
• Catena molecolare molto lunga e grande peso molecolare
capacità termica ed entropia molecolare alta
recupero di energia utile da bassi livelli energetici
aumento dell’efficienza del ciclo per piccole quantità di calore
Il genetron R-245fa è un fluido asciutto
•L’R-245fa è un fluido asciutto cioè il punto 4
si troverà molto alla destra della curva di
Andrews quindi il vapore corrispondente sarà
decisamente secco in uno stato di
surriscaldamento anche se immette in turbina
del vapore saturo secco o con titolo prossimo a
1.
•Con un fluido asciutto non ci dobbiamo più preoccupare dell’umidità presente in
turbina che potrebbe danneggiare le pale
Andamento del rendimento del ciclo al variare di TIT(temperatura ingresso
turbina) e della pressione (T1=293)
Il rendimento del ciclo diminuisce all’aumentare della TIT per una data pressione di
evaporazione
Centrale Termoelettrica Enel di Porto Corsini
• Centrale a ciclo combinato:
Centrale
Centralea gas
a gas
+
centraleCentrale
termoelettrica
termoelettrica
a vapore
vapore
a
Componenti principali di un ciclo combinato:
TURBOGAS
• un compressore multistadio
• una camera di combustione anulare
• una turbina
Preleva aria dall’atmosfera
Espansione in turbina dei gas
Gas naturale
compressione
Camera di combustione
Prodotti della combustione scaricati in atmosfera
tramite il GVR
GVR – generatore di vapore a recupero di calore
L’interno del GVR è suddiviso in vari scambiatori:
• economizzatori: preriscaldano l’acqua
• evaporatori: vaporizzano l’acqua
• surriscaldatori: surriscaldano il vapore
Vi sono 3 differenti cicli divisi a seconda della pressione e temperatura di esercizio:
• ciclo di alta pressione:
• ciclo di media pressione:
• ciclo di bassa pressione:
T = 530 °C P = 110 bar
T = 310 °C P = 32 bar
T = 250 °C P = 3,5 bar
TURBINA A VAPORE
Le turbine a vapore trasformano l’energia contenuta nel
vapore in energia meccanica.
• N° 1 Turbina di alta pressione ad azione
• N° 2 Turbina di media pressione ad azione
• N° 1 Turbina di bassa pressione ad azione e
reazione
•Le turbine sono tutte montate sullo stesso asse di rotazione che è collegato coassialmente all’alternatore.
•Tutte le turbine sono composte da piu stadi in modo da migliorare l’efficienza complessiva della turbina
CONDENSATORE
• E’ uno scambiatore di calore che ha
la funzione di abbassare la
temperatura di fine espansione in
modo tale da riportare il fluido al
giusto stato (liquido) e all’opportuna
temperatura.
• Il condensatore è posto sotto alla turbina di bassa pressione nel quale una volta che il vapore cede
energia alla turbina diminuendo di titolo precipita verso il basso attirato dal vuoto presente all’interno del
condensatore.
Rendimento effettivo del ciclo a vapore di
bassa pressione della centrale ENEL
Tramite i dati rilevati direttamente sull’impianto trovo il rendimento termodinamico trascurando il
lavoro di pompaggio:
Inserimento dell’impianto ORC
Inserisco un impianto ORC nel quale vi scorre
il fluido genetron R_245fa tramite uno
scambiatore di calore all’uscita del ciclo di
bassa pressione in quanto solo in questo punto
vi sono le caratteristiche giuste per le proprietà
termodinamiche del fluido organico.
• Il vapore viene prelevato dalla turbina prima che finisca
la sua completa espansione, ad una temperatura di 130 °C
in modo tale da rimanere una buona parte di calore da
cedere al genetron tramite lo scambiatore
• Temperatura di ingresso turbina (TIT) corrispondente al vapore saturo a 126° C in modo da avere durante
l’espansione un vapore surriscaldato.
• Tramite la tabella termodinamica e i due diagrammi T-S e P-H calcolo il rendimento conoscendo i seguenti
dati:
T3 = 126°C
dalla tabella termodinamica: p2’ = p3’ = 21,63 bar
H3’ = 495 kJ/kg
Dal diagramma T-S
S3’ = S4’ = 1,82
Da tabella per una temperatura di condensazione di T1=20°C : H1’ = H2’ = 226,43
p1’ = p4’ = 1,24 bar
Da tabella per una temperatura di condensazione di T1=20°C : H1’ = H2’ = 226,43
p1’ = p4’ = 1,24 bar
Tramite diagramma P-H per S4’ e T4’ trovo :
H4’ = 435
Il rendimento termodinamico del ciclo ORC trascurando il lavoro di pompaggio e considerando una
trasformazione isoentropica di espansione:
Rendimento del ciclo vapore fino ad una temperatura di
espansione di 130 °C
Rendimento di un ciclo a vapore con gli
stessi parametri dell’ORC
Verifico il rendimento che si otterrebbe da un ciclo a vapore classico con gli stessi parametri del ciclo ORC
in modo da avere un confrotto diretto dei rendimenti ottenibili dai due diversi fluidi
Con una temperatura di evaporazione di 115 °C :
• H3 = 2790
• H2 = 83,86
• H4= 2255
Calcolo del grado di surriscaldamento :
H3vs: entalpia in condizione di vapore saturo
Confronto dei rendimenti ottenuti
Confronto il rendimento termodinamico del ciclo con il fluido R-245fa e il rendimento termodinamico del
ciclo con l’acqua partendo dagli stessi parametri di inizio e fine espansione:
Si nota che il ciclo con il fluido organico da un rendimento termodinamico maggiore di quello con l’acqua.
Confronto il rendimento termodinamico del ciclo di bassa pressione della centrale termoelettrica con il
rendimento che si avrebbe inserendo l’impianto ORC:
l’impianto ORC migliora il rendimento termodinamico del 4,1 %
Calcolo del lavoro ottenuto in turbina
Verifico il lavoro che si ottiene dalla turbina a vapore e il lavoro che si ottiene dalla turbina ORC considerando
un ciclo termodinamico uguale per i due fluidi.
Innanzitutto trovo i kg di R-245fa che servono per uguagliare lo stesso assorbimento di calore di un kg di acqua
in modo da avere un confronto equo. Per far ciò mi calcolo la differenza di entalpia tra l’entalpia del liquido
saturo Hls e l’entalpia del vapore saturo Hvs per i due fluidi
Calcolo il lavoro che compie un kg di vapore sulla turbina:
Lavoro che compiono 20,9 kg di R-245fa sulla turbina ORC:
CONCLUSIONI
• L’inserimento dell’impianto ORC provocherebbe un innalzamento del
rendimento termodinamico che influirebbe profondamente sul rendimento
totale della centrale che attualmente è del 56% circa con un abbassamento
del consumo specifico. Questo farebbe si che la centrale diventerebbe più
competitiva sull’attuale mercato dell’energia elettrica nazionale e quindi
sarebbe sfruttata maggiormente,visto che in questo periodo è spesso spenta
perché molte altre centrali hanno un consumo specifico minore.
L’abbassamento di esso si può notare anche attraverso il maggior lavoro
ottenuto con la stessa quantità di energia consumata.
CONCLUSIONI (2)
• L’unico problema che non si è affrontato in questo elaborato sono i costi di
installazione e modifica dell’impianto in quanto bisognerebbe installare una
turbina a vapore più piccola, spostare l’alternatore e installare tutto l’impianto
ORC. Questo comporterebbe una indisponibilità dell’impianto per diversi
mesi che tradotto in guadagni corrisponderebbe a grosse perdite.
• Quindi questa tecnologia è ottima per diminuire il consumo specifico
aumentando il rendimento ma occorrerebbe applicarla su centrali di nuova
costruzione e prevederla fin dal progetto iniziale.
