Corso di IMPIANTI di CONVERSIONE d ll’ENERGIA dell’ENERGIA •Origini e sviluppo delle turbogas schemi L’ L’energia, i ffonti, ti trasformazioni t f•Cicli termodinamici i i ed deusi i finali fi circuitali li Impianti a vapore •Possibili varianti del ciclo Prestazioni delle turbogas •Prestazioni I generatori t i di vapore •La regolazione della potenza e l’avviamento Impianti turbogas •I componenti delle turbogas Cicli combinati e cogenerazione •Le emissioni delle turbogas •Il mercato delle turbogas Il mercato dell’energia 1 Corso di IMPIANTI di CONVERSIONE d ll’ENERGIA dell’ENERGIA •Origini e sviluppo delle turbogas schemi L’ L’energia, i ffonti, ti trasformazioni t f•Cicli termodinamici i i ed deusi i finali fi circuitali li Impianti a vapore •Possibili varianti del ciclo Prestazioni delle turbogas •Prestazioni I generatori t i di vapore •La regolazione della potenza e l’avviamento Impianti turbogas •I componenti delle turbogas Cicli combinati e cogenerazione •Le emissioni delle turbogas •Il mercato delle turbogas Il mercato dell’energia 2 Impianti a ciclo chiuso g impianti p a circuito chiuso si svolgono g In realtà solo negli completamente i cicli termodinamici. Il fluido motore non viene mai in contatto con i prodotti d i della d ll combustione b i Possibilità di utilizzo anche di combustibili scadenti d ti (olio ( li pesante, t carbone, b …)) Possibilità di scegliere liberamente il fluido di lavoro: •alto calore specifico (Lmax) •basso p peso specifico: p ad es. monoatomico (ηmax) •con il valore desiderato della pressione di inizio compressione 3 Impianti a ciclo chiuso g impianti p a circuito chiuso si svolgono g In realtà solo negli completamente i cicli termodinamici. Il fluido motore non viene mai in contatto con i prodotti d i della d ll combustione b i cc SC Possibilità di utilizzo anche di combustibili scadenti d ti (olio ( li pesante, t carbone, b …)) C T U Impianto p Possibilità di scegliere liberamente il fluido di Westinghouse lavoro: •alto calore specifico (Lmax) •basso p peso specifico: p ad es. monoatomico (ηmax) •con il valore desiderato della pressione di inizio compressione 4 Impianti a ciclo chiuso g impianti p a circuito chiuso si svolgono g In realtà solo negli completamente i cicli termodinamici. Il fluido motore non viene mai in contatto con i prodotti d i della d ll combustione b i cc SC Possibilità di utilizzo anche di combustibili scadenti d ti (olio ( li pesante, t carbone, b …)) C T U Impianto p Possibilità di scegliere liberamente il fluido di Westinghouse SC C C’ T M U lavoro: •alto calore specifico (Lmax) •basso p peso specifico: p ad es. monoatomico (ηmax) •con il valore desiderato della pressione di inizio compressione SF 5 Impianti a ciclo chiuso g impianti p a circuito chiuso si svolgono g In realtà solo negli completamente i cicli termodinamici. Il fluido motore non viene mai in contatto con i prodotti d i della d ll combustione b i cc SC Possibilità di utilizzo anche di combustibili scadenti d ti (olio ( li pesante, t carbone, b …)) C T U Impianto p Possibilità di scegliere liberamente il fluido di Westinghouse SC C C’ T M U lavoro: •alto calore specifico (Lmax) •basso p peso specifico: p ad es. monoatomico (ηmax) •con il valore desiderato della pressione di inizio compressione SF 6 T H 3* 3 SC C T U 2* 1* C’ M 4 4* 2 1 SF E’ possibile in tal modo incrementare la densità del fluido di lavoro S 7 cc Sempre in ambito di diversa collocazione della camera di combustione sono anche da notare soluzioni con camera a pressione ambiente e compressione dei gas combusti, cioè la turbina lavora in depressione C T U Impianto con cc a pa Pur essendo P d nella ll pratica ti progettuale tt l di scarsa SC applicazione, li i sono state nel passato studiate del ciclo che permettono T varianti H di migliorare il rendimento e/o il lavoro specifico dell’impianto. 3* 3 AlcuneSCdi esse sono talvolta ancora adottate in impianti di applicazione pp industriale. C T U 2* 1* C’ M 4 4* 2 1 SF E’ possibile in tal modo incrementare la densità del fluido di lavoro S 8 Pur essendo P d nella ll pratica ti progettuale tt l di scarsa applicazione, li i sono state nel passato studiate varianti del ciclo che permettono di migliorare il rendimento e/o il lavoro specifico dell’impianto. Alcune di esse sono talvolta ancora adottate in impianti di applicazione pp industriale. Per migliorare il rendimento si può: •Ridurre Ridurre il fabbisogno di calore da introdurre RIGENERAZIONE •Ridurre il lavoro di compressione elevando il lavoro netto e quello specifico COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA 9 RIGENERAZIONE Consiste nell’utilizzo del calore contenuto nei gas scaricati dalla turbina al p dell’aria entrante in camera di combustione. fine di elevare la temperatura 10 Consiste nell’utilizzo del calore contenuto nei gas scaricati dalla turbina al p dell’aria entrante in camera di combustione. fine di elevare la temperatura RIGENERAZIONE Rigeneratore cc C T U Ciclo aperto rigenerativo 11 Consiste nell’utilizzo del calore contenuto nei gas scaricati dalla turbina al p dell’aria entrante in camera di combustione. fine di elevare la temperatura RIGENERAZIONE Rigeneratore Qi Rigeneratore cc C T U C T U Ciclo chiuso rigenerativo Ciclo aperto rigenerativo Qu 12 RIGENERAZIONE Consiste nell’utilizzo del calore contenuto nei gas scaricati dalla turbina al p dell’aria entrante in camera di combustione. fine di elevare la temperatura Qi Rigeneratore C T U Ciclo chiuso rigenerativo Qu 13 RIGENERAZIONE Consiste nell’utilizzo del calore contenuto nei gas scaricati dalla turbina al p dell’aria entrante in camera di combustione. fine di elevare la temperatura 3 T Qi Rigeneratore C T U Ciclo chiuso rigenerativo Qu 4 2 1 S 14 Consiste nell’utilizzo del calore contenuto nei gas scaricati dalla turbina al p dell’aria entrante in camera di combustione. fine di elevare la temperatura RIGENERAZIONE 3 T Qi Rigeneratore C T U Ciclo chiuso rigenerativo T Qu 5 4 4 T 2 6 2 1 S 15 Consiste nell’utilizzo del calore contenuto nei gas scaricati dalla turbina al p dell’aria entrante in camera di combustione. fine di elevare la temperatura RIGENERAZIONE 3 T Qi Rigeneratore C T U Ciclo chiuso rigenerativo T Qu 5 4 4 T 2 Ovviamente tutto ciò è puramente ipotetico essendo possibile solo con una capacità di scambio totale. 6 Si potrà scendere con i gas alla temperatura di aspirazione e salire con l’aria compressa sino alla temperatura di uscita dalla turbina, se e sole se il RIGENERATORE ha una superficie di scambio o un coefficiente globale di scambio di valore infinito. infinito 2 1 S 16 Consiste nell’utilizzo del calore contenuto nei gas scaricati dalla turbina al p dell’aria entrante in camera di combustione. fine di elevare la temperatura RIGENERAZIONE 3 T Fattibilità: Vantaggi: T4 > T2 Lavoro netto inalterato Calore introdotto ridotto Aumento considerevole del rendimento Considerando il caso di rigeneratore ideale con efficienza unitaria: η = 1− T 5 4 4 T 2 cp ⋅ (T6 − T1 ) Qu = 1− cp ⋅ (T3 − T5 ) Qi oppure: ( ( ) ) T2 − T1 T1 ⋅ β ε − 1 η = 1− = 1− T3 − T4 T4 ⋅ β ε − 1 6 2 Che tenendo conto di: 1 S T4 = T3 βε βε η = 1− τ 17 Consiste nell’utilizzo del calore contenuto nei gas scaricati dalla turbina al p dell’aria entrante in camera di combustione. fine di elevare la temperatura RIGENERAZIONE T4 > T2 Fattibilità: 1 Vantaggi: Lavoro netto inalterato Calore introdotto ridotto Aumento considerevole del rendimento Svantaggi: massimo rendimento con β =1 bassi valori del lavoro specifico p Forte aumento delle dimensioni d’impianto η ciclo rigenerativo T3 = 1300°C 0,8 Considerando il caso di rigeneratore ideale con efficienza unitaria: 0,6 T3 = 900°C T4 = T2 0,4 per un ciclo con ciclo semplice k = 1,4………….ε , = 0,2857 , 02 0,2 T1 = 15 °C 0 1 2 3 5 10 β 20 30 βε η = 1− τ 18 RIGENERAZIONE REALE Nella realtà occorrerà tener conto che: rigeneratore ¾I coefficienti di scambio e le superfici non sono infinite, e conseguente ΔT residuo all’uscita dei gas, ¾Le due correnti subiscono perdite di pressione nell’attraversamento nell attraversamento del rigeneratore, ¾Le perdite termiche verso l’esterno non sono nulle, ¾Le capacità termiche dei flussi di aria e di gas combusti differiscono per massa e calore specifico diversi efficienza di rigenerazione che ciclo reale ¾L’efficienza del compressore e della turbina possono non supera mai il 90% i id incidere sulla ll reale l diff differenza d delle ll ttemperature t T4’ e T2’ 19 RIGENERAZIONE Nella realtà occorrerà tener conto che: REALE rigeneratore ¾I coefficienti di scambio e le superfici non sono infinite, e conseguente ΔT residuo all’uscita dei gas, ¾Le due correnti subiscono perdite di pressione nell’attraversamento nell attraversamento del rigeneratore, ¾Le perdite termiche verso l’esterno non sono nulle, ¾Le capacità termiche dei flussi di aria e di gas combusti differiscono per massa e calore specifico diversi efficienza di rigenerazione che ciclo reale ¾L’efficienza del compressore e della turbina possono non supera mai il 90% i id incidere sulla ll reale l diff differenza d delle ll ttemperature t T4’ e T2’ 0,45 Cicli rigenerativi η 8 10 12 15 β=6 Osservazioni: •Con la rigenerazione il rendimento dipende meno dal valore di β 18 0,40 24 β=30 18 •L’aumento L aumento di rendimento diminuisce con β ed è comunque limitato a valori ridotti del rapporto di compressione 15 0,35 Cicli semplici Cicli reali di Grandi unità con TIT = 1280°C 0,30 12 •Il vantaggio rispetto al ciclo semplice è modesto e non supera maii il 43% in i questo t caso 10 •A parità di β il lavoro specifico diminuisce per effetto delle perdite di carico nel rigeneratore 8 6 Lavoro specifico 0,25 250 300 350 kJ/kg 400 20 COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA La riduzione del lavoro compiuto per comprimere può essere operata tramite una trasformazione che termini ad una temperatura più bassa di quella corrispondente alla fine della trasformazione isoentropica. Operando solo con la situazione ambientale, ciò può essere ottenuto con una massimo di efficienza corrispondente alla compressione isoterma, che non potrà scendere sotto la temperatura ambiente. compressione isoterma …………. lavoro di compressione nullo impossibile p 21 COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA La riduzione del lavoro compiuto per comprimere può essere operata tramite una trasformazione che termini ad una temperatura più bassa di quella corrispondente alla fine della trasformazione isoentropica. Operando solo con la situazione ambientale, ciò può essere ottenuto con una massimo di efficienza corrispondente alla compressione isoterma, che non potrà scendere sotto la temperatura ambiente. compressione isoterma …………. lavoro di compressione nullo impossibile p 3 T 4 2 1 S 22 COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA La riduzione del lavoro compiuto per comprimere può essere operata tramite una trasformazione che termini ad una temperatura più bassa di quella corrispondente alla fine della trasformazione isoentropica. Operando solo con la situazione ambientale, ciò può essere ottenuto con una massimo di efficienza corrispondente alla compressione isoterma, che non potrà scendere sotto la temperatura ambiente. compressione isoterma …………. lavoro di compressione nullo impossibile p 3 T possibile compressione paraisoterma 4 2 1 S 23 COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA La riduzione del lavoro compiuto per comprimere può essere operata tramite una trasformazione che termini ad una temperatura più bassa di quella corrispondente alla fine della trasformazione isoentropica. Operando solo con la situazione ambientale, ciò può essere ottenuto con una massimo di efficienza corrispondente alla compressione isoterma, che non potrà scendere sotto la temperatura ambiente. compressione isoterma …………. lavoro di compressione nullo impossibile p 3 T possibile compressione paraisoterma non conveniente 4 2 1 S 24 COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA La riduzione del lavoro compiuto per comprimere può essere operata tramite una trasformazione che termini ad una temperatura più bassa di quella corrispondente alla fine della trasformazione isoentropica. Operando solo con la situazione ambientale, ciò può essere ottenuto con una massimo di efficienza corrispondente alla compressione isoterma, che non potrà scendere sotto la temperatura ambiente. compressione isoterma …………. lavoro di compressione nullo impossibile p 3 T possibile compressione paraisoterma non conveniente Si dimostra che la pressione intermedia pi, per la quale è minimo il lavoro complessivo, risulta dalla p i = p1 ⋅ p 2 Che per n stadi ogni iesima compressione diventa 4 p i = n p1(n −i ) ⋅ p i2 Ed il rapporto di compressione di ogni stadio che fornisce il minimo lavoro sarà dato da βi = n βt = n 2 1 p2 p1 PUO’ ESSERE CONVENIENTE FARE UNO O DUE STADI PUO S 25 COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA Dopo un primo salto di pressione (in teoria p i = p1 ⋅ p 2 p1 ) Si può operare un raffreddamento sino alla temperatura ambiente La nuova compressione permetterà di raggiungere la pressione finale 3 T pi 1 C p2 2 2’ 2’ 2 C cc 3 T U 2* 2* 4 1’ p1 4 Q Qr 1’ Qr 1 S 26 COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA Il ciclo (1’2’22*) così aggiunto al ciclo principale Dopo un primo salto di pressione (in teoria p i = p1 ⋅ p 2 p1 ) d origine, ha un rendimento inferiore poiché è un d’origine Si può operare un raffreddamento sino alla temperatura ambiente ciclo di Joule che si sviluppa con un salto La nuova compressione permetterà di raggiungere la pressione finale di pressione inferiore. La compressione interrefrigerata ideale migliora il lavoro specifico ma sembra peggiorare il rendimento 3 T pi p2 ¾al vantaggio energetico può corrispondere quindi uno svantaggio t i economico. i 2 2’ 1’ 2* ¾come nella rigenerazione rigenerazione, i guadagni di rendimento si otterrebbero con impianti che comportano cospicui investimenti e dimensioni (2 compressori + scambiatori); 4 p1 Nel caso reale le cose possono però cambiare radicalmente 1 S 27 COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA caso reale Si tratta ora di capire quanto vale il rendimento del ciclo aggiunto (1’, 2’, 2, 2*) che però non è un ciclo di Joule reale in quanto contempla una espansione ad entropia decrescente Se però analizziamo il ciclo equivalente lo possiamo paragonare ad un ciclo di Joule ideale del quale possiamo calcolare il rendimento. rendimento Cicli equivalenti ai fini del rendimento se scambiano le stesse quantità di calore p2 T 2 pi 2’ 2* p1 1’ 1 S 28 COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA caso reale Si tratta ora di capire quanto vale il rendimento del ciclo aggiunto (1’, 2’, 2, 2*) che però non è un ciclo di Joule reale in quanto contempla una espansione ad entropia decrescente Se però analizziamo il ciclo equivalente lo possiamo paragonare ad un ciclo di Joule ideale del quale possiamo calcolare il rendimento. rendimento Cicli equivalenti ai fini del rendimento se scambiano le stesse quantità di calore p2 T 2 pi Calore entrante: A 2’ 2 B Calore scaricato: C 1’ 2* D uguale a: A X Y B 2’ 2* Y p1 1’ X C A Analizziamo ora i rendimenti nei rispettivi diagrammi 1 D B Il ciclo (1’ 2’ 2 2*) reale anomalo equivale al ciclo (X 2’ 2 Y) ideale di Joule S 29 COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA caso reale 0,4 η η l ηr 0,3 ηi η p2 T P 2 0,2 β del ciclo equivalente pi 0,1 2’ 2* β del ciclo aggiunto Y p1 0 1 1’ X C A 5 10 15 20 β 25 Analizziamo ora i rendimenti nei rispettivi diagrammi 1 D B β del ciclo principale S 30 COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA caso reale 0,4 η η l ηr 0,3 ηi η η Pi p2 T 2 0,2 pi 0,1 2’ 2* Y p1 0 1 1’ X C A 10 15 20 β 25 Analizziamo ora i rendimenti nei rispettivi diagrammi 1 D B 5 S 31 COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA caso reale L’effetto benefico della refrigerazione risulta maggiore quanto prima si effettua. E’ maggiore infatti l’eliminazione degli effetti del controrecupero A parità di area del ciclo è meglio che esso abbia un rapporto di compressione più elevato possibile Le cose migliorano ancora se si tiene conto che l’aria più fredda alla fine della compressione p p aiuta al raffreddamento delle pale della turbine con vantaggio ulteriore sia sul rendimento che sulla affidabilità 0,4 η ηi l ηr 0,3 ηi η η Pi p2 T 2 0,2 pi 0,1 2’ 2* Y p1 0 1 1’ X C A 10 15 20 β 25 Analizziamo ora i rendimenti nei rispettivi diagrammi 1 D B 5 S 32 COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA caso reale L’effetto benefico della refrigerazione risulta maggiore quanto prima si effettua. E’ maggiore infatti l’eliminazione degli effetti del controrecupero A parità di area del ciclo è meglio che esso abbia un rapporto di compressione più elevato possibile Le cose migliorano ancora se si tiene conto che l’aria più fredda alla fine della compressione p p aiuta al raffreddamento delle pale della turbine con vantaggio ulteriore sia sul rendimento che sulla affidabilità Osservazioni Grandi gruppi Il rendimento non varia sensibilmente a parità di β 0,45 β=80 Grandi gruppi η 0,40 β=30 Cicli semplici β=30 Piccole unità 0,30 β=18 15 12 9 0,25 100 15 12 Il lavoro specifico aumenta invece considerevolmente soprattutto al crescere di β 24 18 15 12 24 18 0,35 65 40 30 24 18 Comprimere sopra un β di 30 è ancora molto difficile: con l’interrefrigerazione si può però raggiungere valori di β molto elevati elevati, ritoccando quindi di alcuni punti il valore del rendimento Piccole unità 15 12 Cicli interrefrigerati con β1= β2 Lavoro specifico 300 500 kJ/kg 600 Il rendimento ed il lavoro specifico variano sensibilmente a parità di β con l’impiego della i t interrefrigerazione fi i L’INTERREFRIGERAZIONE E’ PARTICOLARMENTE ADATTA PER GRUPPI DI PICCOLA POTENZA 33 RICOMBUSTIONE Un modo analogo alla interrefrigerazione per aumentare il lavoro utile Dopo un primo salto di pressione nella turbina si può pensare di riportare il gas in camera di combustione. Vantaggi: Svantaggi: • accresce il lavoro sviluppato dall’impianto • rilascia il gas a temperature molto più elevate • mantiene la temperatura massima a valori non eccessivi • si riesce a mantenere lo stesso valore del • impiega meglio l’aria aspirata legandola al combustibile rendimento solo se si adottano con un eccesso globale minore pressioni intermedie molto elevate • è richiesta molta più aria per il raffreddamento delle pale delle turbine 3 T cc p2 pi 4’ C 2 cc T T U 4 p1 1 S 34 Combinazione di INTERREFRIGERAZIONE - RICOMBUSTIONE - RIGENERAZIONE 1 2’ 2 C cc C cc T T U 2* 1’ Qr T 3 3’ p2 2 4 p1 2’ 2* 6 1’ Qr 1 S 35 Corso di IMPIANTI di CONVERSIONE d ll’ENERGIA dell’ENERGIA •Origini e sviluppo delle turbogas schemi L’ L’energia, i ffonti, ti trasformazioni t f•Cicli termodinamici i i ed deusi i finali fi circuitali li Impianti a vapore •Possibili varianti del ciclo •Prestazioni delle turbogas I generatori t i di vapore •La regolazione della potenza e l’avviamento Impianti turbogas •I componenti delle turbogas Cicli combinati e cogenerazione •Le emissioni delle turbogas •Il mercato delle turbogas Il mercato dell’energia 36 Prestazioni delle turbogas Il calcolo completo di un ciclo di turbina a gas consiste nel trovare le caratteristiche termodinamiche dei punti del ciclo tali da poter definire: ¾ la potenza utile sviluppata, ¾ il rendimento, ¾ le specifiche di progetto dei singoli componenti I risultati dipendono strettamente dalla precisione con cui si sono considerati i singoli componenti: lievi differenze sui valori di alcune caratteristiche (es. rendimenti di compressori e turbine) possono portare a notevoli differenze finali. la massa di fluido operante nelle singole parti del ciclo: oltre alla variazione apportata dall’introduzione di combustibile si deve tener conto anche dell’impiego, oggi molto esteso, dell’aria per il raffreddamento delle pale ⎡ ⎛ M asp ⋅ Δh r C ⎞⎤ Pe = ⎢M fumi ⋅ Δh r T ⋅ ηoT − ⎜⎜ ⎟⎟ ⎥ ⋅ ηGe η oC ⎠ ⎦ ⎝ ⎣ Portata dei fumi evolventi in turbina Salto Rendimento Portata entalpico organico di d’aria reale di turbina aspirata turbina dal compr. Pe η= Mc ⋅ Hi Salto Rendimento Rend. Rend del entalpico organico del generatore Portata di reale di compr. elettrico combustibile compr. utilizzato Potere calorifico inferiore 37 Prestazioni delle turbogas Comp. Mol.% CH4=92.92 N2=7.8 Hi= 44.14 MJ/kg g Mf=520.2 kg/s T=1336°C p=14.6 bar Mc=14.17 kg/s T=15°C p=30 bar Pt = 625.3 625 3 MWt cc Mac=506 kg/s T=398.4°C p=15.05 bar Pe = 222.3 MWe η = 0.3555 Comp. Mol.% Ar=0 88 Ar=0.88 CO2=4.27 H2O=9.47 N2=74.08 O2=11.3 TIT = 1280°C Ptd = 2.5 MWt Pef = 394 MWt Traf. = 4,8 kg/s T C PC = 230.4 MW Pmd = 2 MWt Aria raff. 1° ugello g = 37.7 kg/s g Comp. Mol.% Ar=0.92 CO2=0.03 H2O=1.04 N2=77.28 O2=20.73 PT = 457.1 MW Ped = 2.4 MWt Aria raff. pale turbina = 51.5 kg/s C F T=15°C UR=60% p=1.013 bar U Masp=600 p kg/s g T=15°C p=1.003 bar Mf=609.6 kg/s T=599.7°C p=1 02 bar p=1.02 Comp. Mol.% Ar=0.88 CO2=3.66 H2O=8.25 N2=74.54 O2=12.67 38 Prestazioni delle turbogas ANALISI di SENSIBILITA’ alla variazione di parametri riferiti ad una particolare situazione progettuale ηc -1% ηt +1% -1% +1% TIT -50°C +50°C Tmxp -20°C +20°C TIT+ Tmxp -50°C -20°C +50°C +20°C Δpin 3 kPa 0 kPa Δpcomb 3 kPa 0 kPa Δpsc 6% -1 -0.5 0 0.5 Variazione del RENDIMENTO % 0% 1 39 Prestazioni delle turbogas ANALISI di SENSIBILITA’ alla variazione di parametri riferiti ad una particolare situazione progettuale ηc -1% ηt +1% -1% -1% +1% +1% -1% +1% TIT -50°C +50°C -50°C +50°C Tmxp -20°C +20°C -20°C +20°C TIT+ Tmxp -50°C -20°C +50°C +20°C -50°C -20°C +50°C +20°C Δpin 3 kPa 0 kPa 3 kPa 0 kPa Δpcomb 3 kPa 0 kPa 3 kPa 0 kPa Δpsc 6% -1 -0.5 0 0.5 Variazione del RENDIMENTO % 0% 6% 1 -8 0% -4 0 4 8 Variazione del LAVORO SPECIFICO % 40 Corso di IMPIANTI di CONVERSIONE d ll’ENERGIA dell’ENERGIA •Origini e sviluppo delle turbogas schemi L’ L’energia, i ffonti, ti trasformazioni t f•Cicli termodinamici i i ed deusi i finali fi circuitali li Impianti a vapore •Possibili varianti del ciclo Prestazioni delle turbogas •Prestazioni I generatori t i di vapore •La regolazione della potenza e l’avviamento Impianti turbogas •I componenti delle turbogas Cicli combinati e cogenerazione •Le emissioni delle turbogas •Il mercato delle turbogas Il mercato dell’energia 41 Regolazione della potenza La prima e principale evoluzione delle turbogas si è verificata nel campo delle centrali adibite a “servizio di punta”. La semplicità di impianto e la combustione interna dovrebbero garantire una versatilità nella regolazione della potenza. La p possibilità offerta di p poter costruire impianti p di p piccola p potenza favorisce la parzializzazione della potenza nominale, ma con costi elevati. Al crescere della potenza di impianto diventava indispensabile assicurare un sistema efficace di regolazione entro ampi intervalli. 42 Regolazione della potenza H 3 3* ΔHt ΔHt* E’ possibile variare la portata di gas, o il punto di fine compressione 2’, solo utilizzando compressori di molti stadi a calettamento variabile. 4’ 2’ 4’* ΔHc 1 A Il problema è in realtà limitato dalla scarsa variazione di potenza richiesta e dalla sua ottenibilità con ridotte variazioni di Temperatura T3: 3 D Il calettamento meccanico del compressore con la turbina obbliga la velocità di rotazione delle macchine a quella legata alla frequenza di rete. S Se non si vuole ricorrere a tale impiego, peraltro costoso, essendo in ariate ΔHc si cercherà di variare invariate ariare ΔHt abbassando il punto 3 con ovvie perdite di rendimento. Tenuto conto che la potenza della turbina è circa il triplo della potenza netta erogata, per una riduzione anche cospicua del 50% (1/2), è sufficiente una riduzione della potenza della turbina per 1/6 del massimo massimo, cioè del 16% 43 Regolazione della potenza Regolazione con modifica della portata massica si ottiene mediante l’uso di pale a calettamento variabile: Nei compressori assiali è possibile variare, mediante semplici leveraggi, l’angolo di calettamento delle pale statoriche. IGV: inlet guide vanes Così facendo si riduce notevolmente la variazione della velocità assoluta al variare della portata e conseguentemente il rendimento si mantiene ai valori elevati anche a portate ridotte sino al 50% 44 Regolazione della potenza Regolazione con modifica della portata massica si ottiene mediante l’uso di pale a calettamento variabile: Nei compressori assiali è possibile variare, mediante semplici leveraggi, l’angolo di calettamento delle pale statoriche. IGV: inlet guide vanes Così facendo si riduce notevolmente la variazione della velocità assoluta al variare della portata e conseguentemente il rendimento si mantiene ai valori elevati anche a portate ridotte sino al 50% Regolazione con modifica del numero di giri si ottiene mediante l’impiego di impianti a più assi Disaccoppiando la turbina di potenza dal gruppo compressore-turbina in equilibrio energetico con funzione di generatore di gas, si ha la possibilità di far ruotare il compressore alla velocità di rotazione migliore per l’adattamento dei triangoli di velocità. l ità Permette grande flessibilità di regolazione e, se accoppiato con il calettamento variabile, è la soluzione preferibile Le soluzioni possibili sono due: Serie tipo General Electric Parallelo tipo Elliot 45 Regolazione della potenza Regolazione con modifica della portata massica si ottiene mediante l’uso di pale a calettamento variabile: Nei compressori assiali è possibile variare, mediante semplici leveraggi, l’angolo di calettamento delle pale statoriche. IGV: inlet guide vanes Così facendo si riduce notevolmente la variazione della velocità assoluta al variare della portata e conseguentemente il rendimento si mantiene ai valori elevati anche a portate ridotte sino al 50% Disaccoppiando la turbina di potenza dal gruppo compressore-turbina in equilibrio energetico con funzione di generatore di gas, si ha la possibilità di far ruotare il compressore alla velocità di rotazione migliore per l’adattamento dei triangoli di velocità. l ità Permette grande flessibilità di regolazione e, se accoppiato con il calettamento variabile, è la soluzione preferibile turbina di potenza cc Regolazione con modifica del numero di giri si ottiene mediante l’impiego di impianti a più assi C Tap Tbp U gruppo generatore di gas Le soluzioni possibili sono due: Serie tipo General Electric Parallelo tipo Elliot 46 Regolazione della potenza Regolazione con modifica della portata massica si ottiene mediante l’uso di pale a calettamento variabile: Nei compressori assiali è possibile variare, mediante semplici leveraggi, l’angolo di calettamento delle pale statoriche. IGV: inlet guide vanes Così facendo si riduce notevolmente la variazione della velocità assoluta al variare della portata e conseguentemente il rendimento si mantiene ai valori elevati anche a portate ridotte sino al 50% Disaccoppiando la turbina di potenza dal gruppo compressore-turbina in equilibrio energetico con funzione di generatore di gas, si ha la possibilità di far ruotare il compressore alla velocità di rotazione migliore per l’adattamento dei triangoli di velocità. l ità Permette grande flessibilità di regolazione e, se accoppiato con il calettamento variabile, è la soluzione preferibile Le soluzioni possibili sono due: Serie tipo General Electric Parallelo tipo Elliot turbina di potenza cc Regolazione con modifica del numero di giri si ottiene mediante l’impiego di impianti a più assi C Tap Tbp U gruppo generatore di gas turbina di potenza cc C Tap Tbp U gruppo generatore di gas 47