lezione 3 fondamenti di conversione dell`energia
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LEZIONE 3 FONDAMENTI DI CONVERSIONE DELLENERGIA: GLI IMPIANTI TERMOELETTRICI PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA TURBINE A VAPORE / TURBINE A GAS /CICLI COMBINATI Mantova, 2008/10/23 1 CICLI TERMODINAMICI Un fluido che si espande produce un lavoro esterno; ma per una produzione continua di lavoro, quale è richiesta ai motori termici, è necessario riportare allo stato iniziale il fluido che ha subito lespansione. Occorre quindi che il fluido subisca trasformazioni la cui rappresentazione dia luogo ad una linea chiusa, detta ciclo: larea racchiusa da questa linea chiusa rappresenta, nel diagramma (T,s), il lavoro utile effettuato. Per il funzionamento di un motore termico occorre che il fluido, per il secondo principio della termodinamica, descriva un ciclo ricevendo calore da una sorgente ad alta temperatura, e cedendo calore ad un sorgente a temperatura inferiore. Comè noto, il ciclo che fra due temperature assegnate realizza il più elevato rendimento nella trasformazione di calore in lavoro meccanico è il ciclo di Carnot, costituito da due isoterme e due adiabatiche; il suo rendimento è tanto più elevato quanto più grande è il rapporto tra le due temperature estreme. Il ciclo di Carnot nel diagramma entropico è infatti rappresentato da un rettangolo (ABCD). Larea aBCd rappresenta la quantità di calore Q1 fornita al fluido dalla sorgente di calore T1; Larea aADd rappresenta la quantità di calore Q2 ceduta dal fluido alla sorgente a temperatura T2; Larea ABCD rappresenta il valore utile ottenuto. 2/27 CICLO RANKINE Lo schema di principio di un normale impianto con turbina a vapore è composto dai seguenti elementi essenziali al suo funzionamento: il generatore di vapore (detto comunemente caldaia), la turbina, il condensatore, la pompa alimento. Il ciclo che rappresenta il funzionamento di questo impianto è il ciclo Rankine, che differisce dal ciclo ideale di Carnot soprattutto per il fatto che la somministrazone di calore al fluido non avviene tutta alla temperatura massima, secondo una isoterma. Il ciclo Rankine ha ovviamente un rendimento inferiore a quello di Carnot operante tra le stesse temperature estreme. 3/27 CICLO RANKINE Ladiabatica 3-4 rappresenta il pompaggio del condensato (spesso, viste le piccole variazioni di temperatura e di entalpia si pone per semplicità 3 4), la isobara 4-C corrisponde al riscaldamento dellacqua in caldaia dalla temperatura T4 alla temperatura Tc di ebollizione, la isoterma (e isobara) C-1 corrisponde alla vaporizzazione dellacqua, la isobara 1-1 corrisponde al surriscaldamento del vapore fino alla temperatura T1, la adiabatica 1-2 corrisponde allespansione del vapore in turbina, la isobara (e isoterma) 2-3 corrisponde alla condensazione del vapore nel condensatore. Il ciclo 1-2-3-4 è un ciclo con vapore surriscaldato, il ciclo 1-2-3-4 è il corrispondente ciclo con vapore saturo. 4/27 CICLO RANKINE Se, dopo una prima espansione adiabatica nella turbina di alta pressione AP il vapore ritorna in caldaia per surriscaldarsi e portarsi nuovamente ad una temperatura analoga a quella del surriscaldamento iniziale, si ha un ciclo con surriscaldamento: il vapore risurriscaldato in uscita dalla caldaia viene riammesso nella turbina di media pressione MP, da questa passa successivamente nella turbina di basso pressione BP e si espande fino alla pressione del condensatore. 3000 rpm 5/27 CICLO RANKINE 6/27 CICLO RANKINE - E opportuno osservare che il risurriscaldamento del ciclo diventa necessario quando la pressione in caldaia supera determinati valori. Poiché il titolo del vapore a fine espansione in turbina non deve scendere al di sotto di 0,9 circa per non avere elevata umidità allo scarico, che è dannosa per le pale degli ultimi stadi, una volta fissata la pressione (e quindi la temperatura) nel condensatore risulta praticamente fissata anche ladiabatica di espansione del vapore. Aumentando la pressione e la temperatura in caldaia, si deve aumentare anche la temperatura massima di surriscaldamento per raggiungere ladiabatica di lavoro: quando questa temperatura supera i limiti normalmente ammessi per i materiali dei tubi del surriscaldatore (circa 550°C) occorre ricorrere al risurriscaldamento. - Per migliorare il rendimento è necessario ovviamente scegliere elevate temperature in caldaia (e quindi elevate pressioni) ed avere basse temperature di condensazione (che però sono legate alla temperatura ambiente). Si possono adottare pressioni in caldaia superiori a quella critica: lacqua alimento perviene al generatore di vapore e, attraversando le varie superfici di scambio, al raggiungimento della temperatura critica passa dallo stato liquido direttamente allo stato di vapore surriscaldato. - Anche effettuando più risurriscaldamenti si possono ottenere miglioramenti di rendimento. Tutto ciò comporta però ladozione di impianti costruttivamente sempre più complessi, con maggiori costi di investimento. Per aumentare ulteriormente il rendimento si adottano i cicli rigenerativi o a spillamento di vapore, nei quali lacqua che va alla caldaia viene preriscaldata mediante vapore spillato dalla turbina. 7/27 CICLO RANKINE Il rendimento migliora perché le calorie contenute nel vapore spillato, che ha già compiuto del lavoro in turbina, vengono utilizzate integralmente per innalzare la temperatura dellacqua allingresso di caldaia invece di andare perdute nel condensatore. Lo spillamento di vapore riduce lo scostamento del ciclo Rankine da quello ideale di Carnot; infatti il calore, fornito dallesterno con la combustione del combustibile, è ceduto al fluido (lacqua alimento) che è già stato preriscaldato a spese di calore prelevato allinterno del ciclo. In tal modo viene evitata una parte del ciclo Rankine a minor rendimento, cioè quella del riscaldamento dellacqua a bassa temperatura lungo la curva limite inferiore. Negli impianti termoelettrici vengono effettuati parecchi prelievi di vapore lungo i vari stadi di turbina. Nella figura seguente è rappresentato un ciclo a 7 spillamenti, secondo lo standard ENEL per i gruppi da 320 MW. 8/27 CICLO RANKINE La rappresentazione del ciclo rigenerativo sul diagramma entropico conserva alle coordinate dei punti della linea di espansione il loro significato fisico, mentre ciò non è vero per i punti del preriscaldamento dellacqua. Valgono invece le considerazioni energetiche sulle quantità di calore scambiate e sul rendimento del ciclo. Effettuando gli spillamenti lungo i vari stadi della turbina si ha come conseguenza che, a parità di potenza generata, occore una maggiore portata di vapore allammissione e quindi una produzione maggiore da parte della caldaia, il cui consumo di combustibile si è però ridotto in quanto essa viene alimentata con acqua preriscaldata. Per quanto riguarda la turbina, gli spillamenti hanno il pregio di ridurre la portata del vapore negli ultimi stadi, nei quali si incontrano difficoltà nello smaltimento di grandi portate per motivi costruttivi (pale di considerevole lunghezza, soggette ad elevate forze centrifughe). Inoltre la maggior portata negli stadi ad alta pressione consente ladozione di palette rotoriche di maggiori dimensioni e quindi di miglior rendimento. 9/27 CICLO RANKINE In un ciclo senza surriscaldamento, facendo riferimento ad 1 kg di vapore scaricato dalla turbina ed entrante nel condensatore, detta gi la quantità di vapore spillata in valore relativo rispetto a quella scaricata al condensatore, il lavoro utile ottenuto in turbina è pari a: i= Il calore fornito al fluido in caldaia è pari a: i= Dove: hv entalpia del vapore alluscita della caldaia e allingresso in turbina hs entalpia del vapore allo scarico del condensatore hi salto entalpico utilizzato in turbina dal vapore dello spillamento iesimo ha entalpia dellacqua alimento allingresso in caldaia n numero degli spillamenti 10/27 CICLO RANKINE Il rendimento del ciclo vale dunque: e aumenta allaumentare di a pari temperatura dellacqua alimento allingresso in caldaia e pari quantità di vapore spillato. Se consideriamo un solo spillamento, potremmo pensare di praticarlo alla temperatura di condensazione, non ottenendo in tal caso nessun riscaldamento e quindi nessun incremento di rendimento. Se invece riscaldassimo lacqua alimento con vapore spillato alla temperatura di ingresso in turbina, avremmo in tal caso un efficace riscaldamento ma questo vapore non produrrebbe nessun lavoro in turbina e quindi non otterremmo alcun incremento di rendimento. Il massimo incremento di rendimento si avrà quindi per una temperatura intermedia tra le due. Aumentando il numero degli spillamenti si aumenta sempre più il rendimento e la temperatura ottima di preriscaldamento dellacqua. Il grado di rigenerazione ottimale coincide con quello massimo (temperatura dellacqua alimento uguale a quella di ebollizione in caldaia) solo nel caso di infiniti spillamenti. Nelle realizzazioni pratiche, poiché gli spillamenti comportano un onere dimpianto, si pone il problema di ottimizzare il loro numero e la superficie di scambio dei singoli riscaldatori. Le stesse considerazioni valgono anche per i cicli con surriscaldamento. 11/27 RENDIMENTO DELLE CENTRALI TERMOELETTRICHE A VAPORE 12/27 SISTEMAZIONI IMPIANTISTICHE Le principali parti costituenti in impianto termoelettrico a vapore di tipo tradizionale sono le seguenti: Generatore di vapore, Macchinario termico ed elettrico, Condensatore e relative opere idrauliche, Parco combustibili, Impianto di demineralizzazione, Impianto di trattamento delle acque reflue, Impianto di abbattimento delle emissioni inquinanti, Stazione elettrica, Quadri di comando, controllo, regolazione, Servizi generali (uffici, officine, magazzini, ). La disposizione generale delle varie parti dellimpianto è studiata in modo da tener conto della loro specifica funzione e della posizione prefissata di alcune opere (presa e restituzione dellacqua condensatrice, pontile per lo scarico del combustibile trasportato per via dacqua, raccordi stradali e ferroviari, stazione elettrica collegata alle linee ad alta tensione) e per rendere più brevi i necessari collegamenti (tubazioni per lacqua, il vapore e i combustibili liquidi o gassosi; nastri trasportatori per i combustibili solidi; sbarre e cavi per i collegamenti elettrici). Daltra parte larea dellimpianto deve essere percorsa da un ampio e razionale sistema di strade e piazzali per rendere agevole laccesso a tutte le installazioni. 13/27 PRODUZIONE TERMOELETTRICA: CENTRALI TERMOELETTRICHE A VAPORE 14/27 CENTRALI TERMOELETTRICHE A VAPORE I circuiti (o cicli) principali di un gruppo termoelettrico sono: Circuito condensato-alimentato, Circuito acqua-vapore in caldaia, Circuito aria-gas, Circuito acqua condensatrice, Ciclo del combustibile. Nel circuito condensato-alimento lacqua viene estratta dal pozzo caldo del condensatore per mezzo delle pompe di estrazione del condensato e, dopo aver attraversato limpianto di trattamento, incrementa la propria temperatura nei riscaldatori di bassa pressione. Perviene al degasatore e da qui, ripresa dalle pompe alimento, attraversa i riscaldatori di alta pressione ed entra nel generatore di vapore. Nel circuito acqua-vapore di caldaia lacqua attraversa prima leconomizzatore, indi il vaporizzatore e poi i surriscaldatori. Il vapore surriscaldato, in uscita dal generatore di vapore, viene introdotto in turbina nel corpo di alta pressione. Dopo lespansione nella turbina di alta pressione il vapore ritorna in caldaia per risurriscaldarsi. Il vapore risurriscaldato dalla caldaia ritorna in turbina per espandersi nei restanti corpi di media e bassa pressione. Alla fine dellespansione il vapore viene scaricato nel condensatore, dove condensa scambiando calore con lacqua condensatrice e si accumula allo stato liquido nel pozzo caldo. 15/27 CENTRALI TERMOELETTRICHE A VAPORE Un altro circuito fondamentale è il circuito aria-gas. Esso comprende i ventilatori aria, i condotti e le casse aria dei bruciatori, la camera di combustione della caldaia, i condotti dei gas, i preriscaldatori daria, i precipitatori elettrostatici, la ciminiera. Il circuito dellacqua condensatrice, a ciclo aperto con acqua di fiume o di mare, comprende lopera di presa con la griglie fisse e rotanti, le pompe dacqua condensatrice, le tubazioni fino allingresso del condensatore, le tubazioni dalluscita del condensatore fino allopera di scarico. Nel caso di ciclo chiuso, quando non siano disponibili sufficienti quantità dacqua, si adottano torri di raffreddamento che provvedono al trasferimento allaria del calore scambiato nel condensatore. Il ciclo del combustibile fa capo al parco combustibili, che è costituito dallinsieme di tutte le apparecchiature destinate al ricevimento, al trattamento e allimmagazzinamento dei combustibili impiegati (solidi, liquidi, gassosi). Vi sono poi le apparecchiature di invio dei combustibili 16/27 ai bruciatori di caldaia. RENDIMENTO DELLE CENTRALI TERMOELETTRICHE A VAPORE 17/27 CICLO TURBINA A GAS: ciclo Brayton I cicli delle turbine a gas hanno come riferimento concettuale il ciclo Brayton (o Joule), composto da: una compressione adiabatica, effettuata dal punto 1 al punto 2 nel compressore; un riscaldamento a pressione costante (dal punto 2 al punto 3); unespansione adiabatica, effettuata dal punto 3 al punto 4 in turbina; una cessione di calore a pressione costante (dal punto 4 al punto 1). temperatura pressione volume entropia 18/27 CICLO TURBINA A GAS Nelle macchine reali si adotta un ciclo aperto, che ha le seguenti caratteristiche rispetto al ciclo chiuso: nella prima parte del ciclo il fluido di lavoro è laria, che è aspirata dal compressore alla pressione e alla temperatura ambiente; lintroduzione di calore nel ciclo avviene mediante un processo di combustione interna: laria, che è stata compressa dal compressore, perviene in una camera di combustione in cui viene iniettato combustibile. I prodotti della combustione costituiscono il fluido di lavoro per la parte seguente del ciclo (lespansione in turbina); la cessione di calore allambiente esterno avviene semplicemente disperdendo nellatmosfera i gas combusti scaricati dalla turbina. 19/27 Le turbine a gas in ciclo semplice hanno oggi raggiunto prestazioni e rendimenti significativi. Tuttavia ciò è stato ottenuto sulla spinta di un forte sviluppo tecnologico, senza intervenire sulla qualità intrinsecamente modesta del ciclo termodinamico di base, che resta sempre caratterizzato da uno scarico di calore allambiente ad alta temperatura e da un lavoro di compressione molto elevato rispetto a quello di espansione. Per ridurre limpatto di queste caratteristiche non positive sono possibili alcuni interventi sul ciclo termodinamico, anche se, attualmente, nelle applicazioni industriali si preferisce un ciclo semplice ad alta tecnologia in luogo di un ciclo complesso con condizioni operative prudenti. Una prima variante è la cosiddetta rigenerazione, ossia linserimento, tra compressore e combustore, di uno scambiatore di calore (rigeneratore) che preriscalda laria comburente prelevando calore dai gas di scarico prima di rilasciarli allambiente. Se si considerasse il ciclo ideale rigenerativo (gas perfetto e rigeneratore ideale, ossia senza perdite e con scambi di calore in ogni punto della trasformazione sotto differenze di temperatura infinitesime), si avrebbe che T2 = T6 e T4 = T5. In tali condizioni il lavoro della turbina e del compressore rimarrebbero inalterati, mentre verrebbe ridotto il calore entrante nel ciclo, poiché sarebbe necessario passare da T5 a T3 anziché da T2 a T3: il rendimento del ciclo aumenterebbe. Nel caso reale, a causa delle perdite e per la irreversibilità dello scambio nel rigeneratore, il miglioramento di rendimento risulta ridotto. 20/27 Una seconda operazione atta a migliorare le prestazioni del ciclo a gas è la compressione interrefrigerata. La compressione è realizzata in due fasi, intercalate da uno scambiatore di calore (intercooler) che riduce la temperatura intermedia. Linterrefrigerazione è pratica comune nei compressori industriali: lo scopo è quello di diminuire il lavoro di compressione necessario per portare il gas da p1 a p2, operazione resa possibile dalla diminuzione del volume specifico del gas per effetto dellabbassamento di temperatura ottenuto nellintercooler. Una terza variante del ciclo a gas è la ricombustione, che consiste in una espansione in turbina frazionata e intercalata da un secondo processo di combustione. Come linterrefrigerazione ha lo scopo di diminuire il lavoro del compressore, così la ricombustione permette di aumentare il lavoro della turbina, presentando alla turbina di bassa pressione un fluido a volume specifico incrementato dal riscaldamento conseguente alla seconda combustione. E bene ricordare che leccesso daria presente nella combustione primaria delle turbine a gas è tale da offrire ampia disponibilità di ossigeno per la seconda combustione. I tre interventi sul ciclo semplice possono essere utilizzati in varie combinazioni tra loro. I vantaggi ottenuti in termini di aumento di rendimento e lavoro specifico sono controbilanciati da maggiori complessità e onerosità impiantistiche. Considerando che è possibile operare anche più di una interrefrigerazione o più di una ricombustione, si tende verso il ciclo di Ericsson, composto da due isoterme e da due isobare. Il ciclo di Ericsson verrebbe approssimato da un ciclo a gas con infinite interrefrigerazioni (compressione isoterma) ed espansioni (espansione isoterma) e uno scambio di calore rigenerativo tra le due isobare, lungo le quali non si scambia pertanto calore con lesterno. Il rendimento del ciclo sarebbe dunque pari a quello di Carnot 21/27 TURBOGAS Per la produzione dellenergia elettrica, il tipo di impianto con turbina a gas (turbogas) più semplice è ad una sola linea dalbero ed è costituito da un compressore multistadio (in cui laria aspirata dallesterno viene compressa), una camera di combustione (in cui avviene la combustione di combustibile addizionato allaria compressa), una turbina o espansore (in cui avviene lespansione dei gas provenienti dal combustore). La potenza sviluppata nellespansore viene in parte assorbita dal compressore e per la parte restante è fornita al generatore elettrico coassiale. Una considerevole potenza termica è associata ai gas di scarico. Negli anni recenti le turbine a gas hanno sempre più incrementato la propria efficienza: Le unità turbogas della penultima generazione (fino agli anni 90) presentavano potenze elettriche di circa 120 MW, temperature dei gas allingresso in turbina di circa 1100°C, temperature dei fumi allo scarico di 530°C, rapporto di compressione 12:1 ÷ 14:1. Il consumo orario di gas naturale, al carico di base di 120 MW, era dellordine di 40.000 Nm3/h, corrispondente ad un rendimento netto di circa il 32%. Il corrispondente consumo unitario di combustibile, riferito al potere calorifico inferiore del gas naturale (p.c.i. medio del gas naturale = 8250 kcal/Nm3), risultava di circa 0,33 Nm3/kWh. Le attuali turbine a gas, di taglia raddoppiata (circa 250 MW), con rapporto di compressione 16:1 ÷ 30:1, temperature di ingresso turbina pari a 1300÷1400°C, raggiungono valori di rendimento intorno al 38% (consumo 22/27 unitario di gas naturale 0,275 Nm3/kWh). TURBOGAS Queste macchine sono ormai esclusivamente impiegate negli impianti a ciclo combinato, che hanno trovato un notevole sviluppo grazie soprattutto agli eccellenti rendimenti globali raggiunti (56÷58%). Le turbine a gas ultimamente offerte sul mercato hanno temperature dei gas combusti che raggiungono i 1500°C e sono impiegate in cicli combinati con valori di efficienza pari al 60%. Temperature così elevate possono essere ammesse solo grazie alladozione di complesse ed efficaci tecniche di raffreddamento delle pale unitamente allimpiego di materiali speciali nei componenti che risultano maggiormente sollecitati. Oltre alla resistenza alla sollecitazione meccanica di origine termica, che nelle parti rotanti è accompagnata dagli sforzi centrifughi, è cruciale la resistenza allossidazione e alla corrosione, che sono principalmente dovute allalta reattività dellossigeno ad elevate temperature e allerosione causata dal passaggio dei gas ad alta velocità. 23/27 PERDITE Considerando il fluido (con le relative trasformazioni) e la macchina come reali, durante il funzionamento delle turbine a gas si hanno varie perdite di energia: Perdite termofluidodinamiche: Il lavoro perduto per queste cause si converte in calore che generalmente rimane nel gas modificando le linee di trasformazione da adiabatiche ad altre, verso stati di maggiore entropia a seguito della degradazione dellenergia. Di queste perdite tengono conto i rendimenti interni delle macchine, definiti dal confronto tra lavori reali sulle palettature e lavori adiabatici reversibili a partire dalle stesse temperature iniziali e fra gli stessi limiti di pressione delle operazioni reali. Perdite di calore: sono dovute sia ad eventuale incompleta combustione, sia alla dispersione del calore attraverso le pareti. Per semplicità si può supporre che tutta la perdita di calore avvenga nel focolare e quindi possa essere rappresentata dal rendimento B del combustore, definito come rapporto tra il prodotto della portata di gas per laumento di entalpia ottenuto e il prodotto della quantità di combustibile bruciato per il suo potere calorifico inferiore. Perdite di pressione: A causa delle perdite di pressione nel sistema di combustione, la relativa trasformazione non è rigorosamente isobara. Il rapporto di espansione risulta quindi minore del rapporto di compressione. Per tenere conto di queste perdite occorre moltiplicare la pressione di entrata nel combustore (o dividere quella di uscita) per un coefficiente di rendimento manometrico . 24/27 PERDITE Perdite meccaniche: sono le perdite meccaniche della turbina mt e del compressore mc (assorbimenti di potenza per ventilazione delle parti rotanti, per attriti nei cuscinetti, ecc.). Perdite per consumo di aria compressa: La resistenza termica dei materiali delle parti calde è stata costantemente migliorata facendo ricorso al raffreddamento dei distributori fissi e delle palette rotanti della turbina tramite aria compressa spillata da vari stadi del compressore. Raffreddare le parti calde introduce dunque delle perdite per consumo di aria compressa spillata dal compressore e per sottrazione di calore nellespansione dei gas (a causa della fuoruscita di aria compressa dai canali di ventilazione, che lambisce le superfici esterne delle palette creando un raffreddamento a film e si miscela poi al gas della corrente principale diminuendone la temperatura). Variazione delle prestazioni delle turbine a gas: le prestazioni delle turbine a gas possono cambiare per effetto della variazione di alcuni parametri ambientali ed operativi. Per poter confrontare le prestazioni di macchine differenti ed installate in luoghi diversi, si fa riferimento a condizioni normalizzate ISO (15°C e 0,1013 MPa) come se tutte le macchine operassero nelle stesse condizioni ambientali. Una turbina a gas, funzionante a velocità costante e ad una certa temperatura dellaria ambiente, è una macchina attraversata in ciascuna sezione da una portata volumetrica costante. La sezione di ingresso compressore e la sezione di ingresso turbina sono attraversate da portate in volume diverse tra loro ma costanti nel tempo al variare delle condizioni esterne della macchina: 1. Variazione della pressione atmosferica 2. Variazione della pressione allo scarico 3. Perdite di carico allaspirazione 4. Variazione della temperatura dellaria ambiente 5. Sporcamento del compressore 25/27 PERDITE La linea dasse di un impianto con turbina a gas (TG) è costituita dai seguenti macchinari (partendo da sinistra nella figura seguente): sistema di viraggio e giunto autodisinnestante, alternatore, tronchetto di unione alternatore-turbina a gas, turbina a gas. 26/27 References e approfondimenti Ing.F.Zanellini, Università di Pavia. Lezioni SPDE master Università di Mantova 30-31 Marzo 2007 Negri di Montenegro G., Bianchi M., Peretto A. Sistemi energetici e loro componenti. Pitagora Editrice Bologna. 2003 27/27
