Programma
•
•
•
•
•
Impianto geo
La centrale
Caratteristiche del fluido
I cicli
Il macchinario di centrale
–
–
–
–
Turbina
Alternatore
Torre Compressore
Condensatore
• Schema elettrico
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IMPIANTI GEOTERMOELETTRICI
Insieme ordinato di strutture di
ingegneria mineraria, ingegneria civile,
di macchinari e apparecchiature
progettato principalmente per convertire
l’energia geotermica in energia elettrica.
Suddivisibili in:
• Opere di carattere minerario
• Impianti di superficie
• La centrale di produzione
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CARATERISTICHE DEL FLUIDO
ENDOGENO
3
CAMPI A VAPORE DOMINANTE
A Scarico libero
TAGLIE
CONSUMI SPECIFICI
1-5 MW
10-20 kg/kWh
A Condensazione 20-60 MW
6-9 kg/kWh
4
CAMPI A ACQUA DOMINANTE
TAGLIE
CONSUMI SPECIFICI
Singolo Flash
1-30 MW
40-150 kg/kWh
Doppio Flash
1-30 MW
30-120 kg/kWh
Ciclo Binario
1 MW
80-400 kg/kWh
5
CICLO DI RANKINE
6
CICLO A CONDENSAZIONE
CICLO A SCARICO LIBERO
7
Ciclo a condensazione
– Calore estratto nella fase di condensazione
• = 606,5-0,695 T Kcal/kg
– Lavoro ideale di espansione
Le = Ia-Ib
•
Kcal/kg
– Lavoro utile Le X ηturbina
»
– Lavoro ideale globale =
» Lid= Ia-Ic-To *(Sa-Sc)
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• Lavoro Utile= Lexηt +Lc/ ηc
• Consumo specifico di calore
• Cs = m*((Ia-Ic- To(Sa-Sc))=4075 Kcal/kWh
Energia prodotta
Riferito a tutto il calore contenuto nel fluido
Entalpia Fluido Kcal/kg 618
Consumo specifico vapore kg/kWh= 6,6
Rendimento = 21%= 860/4075
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Temperatura ed Entropia del fluido
bifase dopo separatore
10
LAVORO ESTRAIBILE DA
DIVERSI CICLI
11
Gli schemi di principio
12
CICLO A SCARICO LIBERO
13
CICLO A CONDENSAZIONE CON
FLUIDO INDIRETTO
14
CICLO A CONDENSAZIONE CON
FLUIDO DIRETTO
15
CICLO A CONDENSAZIONE CONDENSATORE
A MISCELA (The Geysers)
16
CICLO A CONDENSAZIONE CONDENSATORE
A SUPERFICIE (The Geysers)
17
CICLO A FLASH SINGOLO
18
CICLO A DOPPIO FLASH
19
EFFICIENZA IN CICLO MULTIFLASH
20
CICLO A CONDENSAZIONE
FLUIDO ACQUA DOMINANTE
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SCHEMA DI CENTRALE A CONDENSAZIONE
22
CICLO BINARIO
23
CICLO BINARIO DA 1,2 MW FLUIDO DACAMPO AD ACQUA DOMINANTE
24
CENTRALE DI VALLE SECOLO 2x 60 MW
25
CICLO CENTRALE UNIFICATA DA
20 MW
26
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CENTRALE GEO Suddivisione Funzionale
Motrice a vapore
Generatore elettrico
Estrazione degli
incondensabili
Condensazione
Quadri di controllo
Quadri elettrici
Turbina, tubazioni a monte e a valle,
sistema di regolazione;
Alternatore, complesso di eccitazione,
Compressore, refrigeranti, camino
Condensatore, pompa estrazione
condensato, torre di raffreddamento,
Automatismi, protezioni, misure ecc.
Di MT, BT, CC ecc.,
Servizi ausiliari
Raffreddamento, lubrificazione,
illuminazione, aria compressa, ecc.
Smistamento energia Trasformatori, interruttori, sezionatori,
ecc.
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CENTRALE GEO Suddivisione Architettonico Strutturale
Sala macchine
Turbina, tubazioni a monte e a valle, sistema di
regolazione; Alternatore, complesso di eccitazione;
Compressore, refrigeranti,
Sala macchine
Sistema raffreddamento alternatore, vari circuiti acqua
ed olio, uscita sbarre MT, produzione aria
compressa, ecc.
Area esterna
Torri di Raffreddamento, condensatore, pompa
estrazione condensato, Impianti di separazione e
lavaggio fluido
Box controllo
Banco di manovra, alle pareti strumentazione di misura
e protezione,
Box controllo
Armadi automatismi, protezioni, misure, ecc. Quadri
MT, BT, CC ecc.,
Box centro stella Uscita sbarre, protezioni ecc.
Sottostazione
Trasformatori, interruttori, sezionatori, ecc.
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Centrale Geotermoelettrica
Impianti di separazione
Impianti di lavaggio
Tubazioni per il trasporto del fluido
Turbina
Alternatore
Compressore
Condensatore
Pompa estrazione condensato
Torre di raffreddamento
Sistema di regolazione, protezione
Sistemi elettrici
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CENTRALE GEO LAYOUT
31
CENTRALE GEO PROSPETTI LAYOUT
32
LAYOUT DEL GRUPPO
33
VISTA: Condensatore, turbina
Alternatore, Compressore
34
CENTRALE GEO PROSPETTI LAYOUT
35
36
CENTRALE DI LAGONI
37
CENTRALE
DEL
GABBRO
38
CENTRALE DI VALLE SECOLO 2x 60 MW
39
CENTRALE DI VALLE SECOLO 2x 60 MW
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Opere minerarie
Postazioni di perforazione
Pozzi produttivi
Impianti di boccapozzo
Pozzi di reiniezione
Impianti di superficie
Vapordotti
Acquedotti
Bifasodotti
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POZZO PRODUTTIVO
I
E
OR
T
RA
A
P
SE
N
E
N
SIO
S
E
PR
SEPARATORE
ATMOSFERICO
Linea vapore
Linea bifase
Linea acqua
REINIEZIONE
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UNITA’ DA 40 MW A CONDENSAZIONE
TURBINA
Vapore
Pressione
INGRESSO
kg/h
249.554
Pa
1776558
Pressione
YCO2
X
Acqua
CO2
T
E
E
S
Vs
Q vol
Atm
17,77
%
8,014
%
1
kg/h
0
kg/h
19.999
°C
204,745
j/kg
2.585.140
kcal/kg 618,45
J/KG°k 5755,00
m3/kg
0,106
m3/h
26.453
USCITA
249.554
8.000
0,08
8,014
0,821
41,177
19.999
40,725
1.822.632
436,04
5755,00
14,225
3.549.90643
UNITA’ DA 40 MW A CONDENSAZIONE
Lavoro ideale
Lavoro effettivo
Rendimento turbina
Lavoro ideale
Lavoro effettivo
Consumo specifico di vapore
Potenza lorda generata
Potenza netta alternatore
Rendimento alternatore
Potenza generata
rendimento al netto dei
consumi interni elettrici
Consumo specifico effettivo
Rendimento globale η
Consumo specifico di calore
j/kg
j/kg
kcal/kg
kcal/kg
kg/kWh
kW
kW
%
kW
762.508
610.007
80,0
182,42
145,93
5,89
39.394
38.606
98
37.872
%
kg/kW
%
96,14
6,6
21,1
kcal/kW
4075,2
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LOCALIZZAZIONE DEGLI IMPIANTI GEOTERMOELETTRICI
La localizzazione di un’impianto geo-termoelettrico è strettamente legato
alla conformazione del campo geotermico, e quindi al numero di pozzi da
allacciare ed alla loro ubicazione e quindi al posizionamento della
centrale.
Dal punto di vista tecnico-economico la scelta ottimale è quella di
minimizzare la lunghezza dei vapordotti che si debbono realizzare per
collegare ciascun pozzo con la centrale.
Secondo questa logica la centrale potrebbe essere localizzata nel
baricentro dei pozzi. Tuttavia questa soluzione contrasta talvolta con le
reali possibilità di localizzazione, che sono influenzate dalle condizioni
geotecniche del sito, dall’impatto visivo che la realizzazione viene a
provocare, e dalle caratteristiche meteorologiche che vanno ad influire la
dispersione degli effluenti gassosi in uscita sia dalle torri di
raffreddamento che dal camino.
In ogni caso i gradi di libertà che esistono per la localizzazione di questo
tipo di centrali, è limitato a pochi chilometri; cioè queste centrali vanno
localizzate ove è disponibile la materia prima: il vapore endogeno.
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GLI IMPIANTI DI SUPERFICIE
Gli impianti di superficie, sono:
• Vapordotti, per il trasporto del vapore dalla postazione
di perforazione al recinto di centrale;
• Acquedotti per il trasporto dell’acqua o del condensato
dalla postazione, ma anche la vasca dell’acqua calda
della centrale ai pozzi di rieniezione.
• Bifasodotti qualora si debba trasportare fluido bifase
cioè acqua e vapore, in questo caso all’arrivo in centrale
si dovranno prevedere degli impianti di separazione
della fase acqua dal vapore.
• Impianti di lavaggio hanno lo scopo di eliminare dal
fluido o dal vapore gas aggressivi per i materiali con cui
è costruita la turbina.
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Vapordotti: gli aspetti progettuali
Le principali caratteristiche funzionali dei vapordotti sono le seguenti:
temperatura fra 150 e 250 °C,
pressione di esercizio 5-20 bar
portata 20-500t/h.
Si utilizzano tubazioni del diametro da 250 a 1200mm in acciaio al
carbonio API 5Lgr.B.
I criteri che sono alla base della progettazione di questi vapordotti,
• la scelta del tipo di posa aerea o interrata, ad oggi la soluzione
adottata è quasi esclusivamente quella aerea, l’interramento è
riservato a tratti sensibili dal punto di vista ambientale. In entrambe le
soluzioni deve essere prevista la compensazione delle dilatazioni, il
drenaggio di punti in cui può formarsi la condensa, la presenza di sfiati
per scaldare la tubazione nelle fasi di avviamento, il mantenimento
della temperatura del fluido attraverso idonea coibentazione.
• Il progetto definisce inoltre il diametro, tenendo conto di
considerazioni tecniche economiche, dello spessore assumendo
adeguati coefficienti di sicurezza, la tipologia ed il numero dei sostegni
su cui il vapordotto sarà appoggiato o ancorato.
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Vapordotti: aspetti ambientali
Accanto a questi criteri di carattere funzionale ve
ne sono altri di rispetto dell’ambiente e delle altrui
proprietà.
• attraversamenti delle strade,
• impatto visivo,
• mantenimento degli accessi alle proprietà
attraversate ecc.
La progettazione del vapordotto è quindi associata
ad una valutazione dell’impatto ambientale che tale
opera provoca sul territorio.
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Le turbine
Le turbine impiegate in campo geotermico hanno tutte il primo stadio ad
azione per consentire la regolazione per parzializzazione, seguono poi stadi
ad azione o a reazione secondo le scelte dei costruttori.
Le valvole di regolazione sono in numero di 4-6.
La turbina, attraversata dal vapore in direzione assiale.
L’ingresso del vapore nella camera valvole, avviene attraverso la valvola di
chiusura rapida.
La camera è ricavata di fusione nella semicassa esterna superiore.
La cassa turbina, divisa orizzontalmente in semicassa inferiore e superiore, è
costituita da una sezione di ingresso ed una di scarico.
Le parti principali in cui è suddivisa la turbina sono La cassa turbina e
portapalette, i supporti, i cuscini portanti , rotore e palettatura di turbina, tenute
sull’albero e sugli stadi palettati, sistema di regolazione
Il sistema di regolazione usato è di tipo elettroidraulico sia elettronico.
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Il compressore
• Il compressore, del tipo centrifugo, con funzione di
estrattore dei gas dal condensatore a miscela, presenta
varie soluzioni costruttive, in quelli di ultima generazione
che hanno il gruppo moltiplicatore integrato.
• I principali componenti sono il basamento, il
moltiplicatore, le coclee,i diaframmi e diffusori, i rotori, i
cuscini, le tenute a labirinto, gli involucri dei refrigeranti
e le tubazioni dell’olio e del gas.
• I compressori sono a due o tre stadi con refrigerazione
intermedia.
• La portata del fluido varia in funzione della taglia
dell’impianto, e per una taglia da 20 MW che impiega
fluido proveniente da campo a vapore dominante, può
variare da 4 a 12 t/h di gas incondensabili.
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L’ Alternatore
L’alternatore eroga energia ad una tensione di 611-15 kV in relazione alla potenza nominale 12-2350 MVA, 3000 giri.
• Isolamento dello statore è del tipo completamente
inglobato (VPI)
• Sistema di eccitazione è brushless (PMG),
• Sistema di raffreddamento con scambiatori
aria/acqua la regolazione di tensione è digitale.
• Posizionamento rispetto alle altre due macchine
in alcune soluzioni è centrale tra turbina ed
estrattore, in altre è di estremità.
51
Condensatore
Per migliorare il rendimento del ciclo si ricorre all’impiego del condensatore. La
pressione di esercizio,inferiore al valore della pressione atmosferica, consente
di aumentare il salto entalpico in turbina.
Il rendimento del ciclo sarà tanto maggiore quanto più basso è il valore di tale
pressione;
nei moderni impianti geotermoelettrici il valore della pressione di esercizio del
condensatore è normalmente dell’ordine di 0,08 kg/cm2.
La scelta del fluido di raffreddamento ed il suo modo di utilizzazione (in circuito
chiuso od in circuito aperto) determinano sia le caratteristiche costruttive del
condensatore, sia quelle del circuito di raffreddamento stesso.
Il fluido di raffreddamento può essere di due tipi:
acqua di fiume, non miscelabile con il condensato; in tal caso il condensatore
è del tipo a superficie (caso più frequente in quasi tutti gli impianti
termoelettrici), raffreddato in circuito aperto quando la disponibilità d’acqua è
adeguata, o in ciclo chiuso tramite torri di raffreddamento in caso contrario;
acqua avente le stesse caratteristiche del condensato; in tal caso il
condensatore è del tipo a miscela con sistema di raffreddamento in circuito
chiuso (soluzione utilizzata negli impianti geotermoelettrici).
52
Condensatore
Condensatori a miscela
E’ costituito da un involucro esterno in lamiera di acciaio saldata, con pareti
opportunamente rinforzate per resistere alla pressione esterna cui è normalmente
sottoposto durante il funzionamento dell’impianto (cioè dall’esterno verso l’interno).
L’acqua condensatrice è il condensato stesso, che viene opportunamente
spruzzata e frazionata all’interno del condensatore in modo da venire in intimo
contatto con il fluido da condensare.
Il condensato, tramite una pompa di estrazione viene portato anella parte
superiore della torre di raffreddamento, dove opportunamente frazionata scende
verso il basso incontrando l’acqua fredda che risale. Una parte del condensato,
pari sostanzialmente al 30-40% della portata di vapore da condensare, evapora e
sale in atmosfera. La quota restante viene raccolta nella vasca dell’acqua calda
della torre, per essere reimmessa nel condensatore come acqua condensatrice.
Dalla parte superiore del condensatore vengono inoltre estratti i gas
incondensabili, in modo analogo a quanto già detto per i condensatori a superficie.
53
Circuito acqua di raffreddamento
Circuito acqua di raffreddamento in ciclo chiuso
E’ la tipica applicazione negli impianti geotermici nei quali il fluido
condensato costituisce anche il vettore di refrigerazione.
La portata del fluido che viene ricircolato fra la torre di raffreddamento
ed il condensatore a miscela viene calcolata in funzione del salto
termico che si ottiene fra l’entrata e l’uscita della torre di
raffreddamento, ma tale da garantire il vuoto al condensatore di circa
0,08 bar.
I sistemi di raffreddamento in ciclo chiuso prevedono l’impiego di torri
di raffreddamento.
Le torri di raffreddamento possono essere sostanzialmente di due tipi:
ad umido ed a secco, ed in relazione al tipo di tiraggio a tiraggio
naturale o forzato.
54
Torri di raffreddamento
Torri ad umido
L’acqua di circolazione proveniente dal condensatore viene spruzzata
all’interno della torre ad una certa altezza, e precisamente sopra una
struttura formata da reticoli disposti su diversi piani in modo da produrre
un notevole frazionamento dell’acqua stessa, che poi per gravità ricade
verso la parte bassa della torre, da cui viene prelevata (tramite le pompe
di circolazione) e rinviata al condensatore.
All’interno della torre l’acqua frazionata (nel modo sopradescritto) viene ad
incontrare, contemporaneamente al frazionamento, una corrente d’aria
fredda diretta verso l’alto, il cui movimento ascensionale è provocato o dal
tiraggio che si viene a stabilire all’interno della torre (Torri di
raffreddamento ad umido a circolazione naturale - Natural Draft Wet
Cooling Tower) o dall’azione aspirante di un ventilatore posto nella parte
alta della torre stossa (Torri di raffreddamento ad umido a circolazione
forzata - Mechanical Draft Wet Cooling Tower).
55
Torri ad umico
Le torri ad umido provvedono a raffreddare l’acqua di circolazione del
condensatore sfruttando le azioni combinate, sia della cessione del calore per
convezione dall’acqua calda all’aria con la quale viene a contatto, sia della
evaporazione di una parte dell’acqua che va a saturare l’aria ambiente e si
ricondensa.
Tuttavia non tutta l’acqua che evapora si ricondensa, in quanto una parte viene
trascinata dal movimento ascensionale verso l’atmosfera (l’ambiente esterno) e
quindi non rientra più in ciclo.
Le principali problematiche connesse con la presenza di torri di raffreddamento
ad umido sono:
• l’impatto ambientale non trascurabile in quanto modifica comunque il clima
dell’ambiente circostante, sia per l’evaporazione, sia per gli spurghi liquidi
continui (blow-dowun delle torri) necessari per mantenere il livello nella vasca
dell’acqua calda.
• riduzione del rendimento complessivo dell’impianto, rispetto alla possibilità di
disporre di un sistema di raffreddamento a circuito aperto, tecnica utilizzabile
solo nel caso in cui il condensatore sia a superficie.
56
Torri a secco
Le torri di raffreddamento a secco sono sostanzialmente degli
scambiatori di calore ad aria.
Gli scambiatori sono costituiti da fasci tubieri all’interno dei quali
circola l’acqua da raffreddare; all’esterno circola invece l’aria di
raffreddamento il cui movimento può essere mantenuto:
• con tiraggio naturale (Torri di raffreddamento a secco a
circolazione naturale - Natural Draft Dry Cooling Tower),
• con tiraggio forzato (Torri di raffreddamento a secco a
circolazione forzata - Mechanical Draft Dry Cooling Tower).
Le torri di raffreddamento a secco si prestano spesso ad essere
utilizzate in abbinamento con condensatori a miscela
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Torri di raffreddamento
58
Torri a secco
59
60
