Turbine a gas – Modifiche del ciclo

Dipartimento di Energetica “S.Stecco”
Sezione di Macchine
UNIVERSITA’ DI FIRENZE
Facoltà di Ingegneria
Turbine a gas – Modifiche del ciclo
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1.00.03
Ultimo aggiornamento: 14 Aprile 2005
Realizzato da:
C. Carcasci, B.Facchini, G. Manfrida
Testi di Riferimento
Acton, Caputo, “Introduzione allo studio delle turbomacchine”, UTET
– Pp.454-463
Stecco, S., “Impianti di Conversione Energetica”, Pitagora Editrice (BO)
– Capitolo 2 - pp.214-245
Caputo, C., “Gli impianti motori termici”, Ed. ESA
– Pp.178-195, cap.
Cohen, H., Rogers, C.F.C., Saravanamutoo, H.I.H., “Gas Turbine Theory”, 4th
edition. Longman Group 1996
Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA
Pag. 1
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Facoltà di Ingegneria
Dipartimento di Energetica “S.Stecco”
Sezione di Macchine
Indice
Argomenti
Rigenerazione
Interrefrigerazione
Post combustione (Reheat)
Ciclo Ericsson
Iniezione di acqua
Iniezione di vapore
Cicli Rigenerativi-Evaporativi
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Pag. 2
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Facoltà di Ingegneria
Rigenerazione – Ciclo ideale -1
Migliorare le prestazioni di un ciclo
termodinamico significa….
Incrementare il lavoro utile (↑ Wu)
Incrementare il rendimento (↑ Wu, ↓ Q1)
La Rigenerazione sostituisce parzialmente lo
scambio di calore superiore con un recupero
di calore interno al ciclo
Nel caso della turbina a gas, la rigenerazione
é possibile utilizzando il calore sensibile dei
gas di scarico
La portata d'aria alla mandata del
compressore (punto 2) viene preriscaldata,
prima dell'ingresso in camera di combustione,
mediante recupero termico dai gas di scarico
I gas combusti che lasciano la turbina devono
avere una temperatura maggiore di quella
dell’aria di fine compressione
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Rigenerazione – Ciclo ideale -2
Per la rigenerazione risulta necessaria
l‘introduzione di uno scambiatore rigenerativo
aria/gas combusti
Effetto negativo: perdite di pressione
Sia lato aria che lato gas
Ampie superfici di scambio (a causa di valori ridotti
del coefficiente di scambio termico gas/gas)
La rigenerazione non è sempre possibile
Condizione necessaria affinché sia possibile è che la
temperatura di scarico dei gas dalla turbina sia
maggiore della temperatura di uscita del compressore
T4>T2
Nel piano T-s, l’area sottesa dalle isobare nei tratti (4E) e (2-B) risulta uguale ( Area (A2BC)=Area (DE4F))
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S
Pag. 4
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Rigenerazione – Ciclo ideale -3
Grado di rigenerazione è definito come rapporto
fra il calore recuperato e quello massimo
recuperabile:
h4 − hE c p 4 e ·(T4 − TE )
=
R=
h4 − h2 c p 42 ·(T4 − T2 )
Gas perfetto
Il massimo calore recuperabile corrisponde al salto di
temperatura dei gas combusti da T4 (scarico gas) a T2
(uscita dal compressore)
Di frequente si hanno valori di R compresi tra 0.6 e 0.8
Sono giustificati da considerazioni di carattere economico
legate al contenimento delle superfici di scambio
S
dQ = Tds =
dh = cp dT
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Rigenerazione – Ciclo ideale -4
Rendimento del ciclo completamente rigenerato
Espressione del rendimento per R = 1
T4 = TB e TE = T2
Q2
TE − T1
T2 − T1
ηid ,R=1 = 1− Q1 = 1 − T − T = 1 − T − T
3
B
3
4
η
id , R =1
=1−
T2
T3
T1
T1
−1
− (T 4 T 3 )(T 3 T 1 )
η
=1−
id , R =1
β
ε
−1
τ −β τ
=1−
β
−ε
=1−
β
τ
β
ε
ε
−1
β
ε
−1
S
ε
τ
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Rigenerazione – Ciclo ideale -5
Al crescere di β, il rendimento del ciclo rigenerato diminuisce
Il rendimento massimo si ha per β=1 ed è pari a ηR=1=1-1/τ
– Nel caso limite β=1 si ottiene il rendimento del ciclo di Carnot che evolve fra la
temperatura massima di ciclo T3 e la temperatura minima T1
– Il caso β=1 é un ciclo senza compressione, nè espansione (lavoro prodotto nullo),
che si può completamente rigenerare
Bassi rapporti di compressione
Elevate temperature massime
Il lavoro specifico del ciclo ideale rigenerato
non varia rispetto al ciclo semplice
-ε
1-τ
ηR=1
Si ha convenienza a realizzare
cicli rigenerati per TG con……
0.85
0.80
0.75
0.70
0.65
0.60
0.55
0.50
0.45
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
γ=1.41
τ=3.0 (T3=864.5K)
τ=4.0 (T3=1152.6K)
τ=5.0 (T3=1440.8K)
τ=6.0 (T3=1728.9K)
-ε
-ε
τ =3
10
20
30
40
50
-ε
60
70
80
90
β
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-ε
τ =4
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Rigenerazione – Ciclo ideale -5
Si confronta l’espressione del rendimento
del ciclo ideale rigenerato (R=1) con
quella del rendimento del ciclo semplice
(ovvero del ciclo con R=0) (ηid=1-β-ε )
per
ηR=0
ηR=1 τ=4.0
ηR=1 τ=6.0
1.4
1.2
1.0
0.8
ηid=1-β-ε
0.6
0.4
0.2
0.0
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0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1/2ε
0.4
=6
Il rapporto di compressione β* è lo stesso
valore per il quale si massimizza il lavoro
specifico
0.2
1/2ε
0.0
1.6
1.8
2.0
2.2
log10(β)
τ
– Per questo valore di β, T4 = T2 ed il ciclo
Joule non risulta più rigenerabile
– Oltre tale rapporto di compressione la
temperatura allo scarico della turbina
risulta inferiore alla temperatura di
mandata del compressore (Rigenerazione
impossibile).
1.6
1/2ε
eguagliano
=4
β=β*=τ1/(2ε)
si
W τ=4.0 (T3=1152.6K)
W τ=6.0 (T3=1728.9K)
1.8
1/2ε
rendimenti
γ=1.41
τ
due
2.0
W u/cpT1, η
I
2.2
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2.4
2.6
2.8
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Rigenerazione – Ciclo ideale -2
Rendimento del ciclo rigenerato
Si riporta l'andamento del rendimento ideale del ciclo rigenerato a τ costante
in funzione di β in funzione di R (spesso compreso tra 0,6 e 0,8)
Per rapporti di compressione superiori a β*=τ1/(2ε), la rigenerazione risulta
impossibile e risulta più conveniente il ciclo semplice (R=0)
La curva del
rendimento è molto
“piatta” per β < β*
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Rigenerazione – Considerazioni sul Ciclo reale
Valutando la rigenerazione nel ciclo reale si devono tener presente
diversi aspetti
Se il rendimento del compressore peggiora, il calore rigenerabile si riduce
Se il rendimento di turbina peggiora, il calore rigenerabile aumenta
Esistono perdite di pressione interne allo scambiatore
Lato aria (a monte della camera di combustione)
Lato gas (A valle della turbina – contropressione allo scarico)
A parità di rapporto di compressione complessivo β,
si riduce il salto di pressione effettivamente
sfruttabile dalla turbina
– Diminuisce il lavoro utile (area del ciclo)
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Mappe di prestazioni dei turbogas nel ciclo
rigenerato
Le condizioni ottimali per
il rendimento - a Tmax
costante - vengono
raggiunte per rapporti di
compressione contenuti
Infatti il rendimento delle
turbine a gas a ciclo
rigenerato aumenta al
diminuire di ß
β
Per valori di ß più elevati
si raggiunge il massimo
del lavoro specifico
Le curve (al crescere di ß)
sono percorse in senso
orario
Verso antiorario per il ciclo semplice!
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Casi applicativi -1
La rigenerazione diminuisce la
temperatura dei gas allo scarico e
quindi la macchina con tale modifica
non si presta all’introduzione di un
ulteriore impianto in cascata (caso di
impianto
combinato
e/o
cogenerazione)
Le turbine a gas rigenerate non sono
molto diffuse
Di recente la Solar ha sviluppato la turbina
a gas Mercury 50
Turbina a gas rigenerata ad alta efficienza
(40%)
Basso rapporto di compressione
Potenza generata 4.3MW
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Casi applicativi -2
Altre turbina a gas rigenerate sono generalmente di piccola taglia
Applicazioni per autotrazione
Applicazioni ferroviarie
Un esempio degli anni 60 è riportato sotto
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Interrefrigerazione della compressione
Per aumentare il lavoro utile è
vantaggioso diminuire il lavoro assorbito
dal compressore
Il modo più efficace per contenere il lavoro di
compressione è l'adozione di uno o più
raffreddamenti intermedi nel corso della
compressione
Il secondo compressore opera su un fluido di
densità
più
elevata
a
seguito
del
raffreddamento
L’ideale sarebbe avere una compressione
isoterma
Si ha un aumento del lavoro specifico
– Diminuisce nel
compressione
complesso
il
lavoro
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di
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Interrefrigerazione -1
Analisi delle prestazioni del ciclo
Cresce la potenza (ciclo ideale) …
– Nel piano T/S, si può notare l’aumento
dell’area pari al ciclo II
– Nel piano H/S, si può notare come il salto
di entalpia della seconda compressione
risulta
minore
del
caso
non
interrefrigerato
» (h4-h3)<(h7-h2)
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∆h27
h
∆h34
La potenza aumenta anche nel caso del
ciclo reale (anche considerando la
perdita di pressione, che riduce l’effetto
utile)
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Interrefrigerazione – ciclo Ideale -2
Il rendimento nel ciclo ideale e limite
diminuisce
Nel ciclo ideale si può constatare che il ciclo
interrefrigerato è costituito da due cicli Joule
affiancati.
– Il primo evolve tra le pressione pA e pC
» coincide
col
ciclo
semplice
−ε
interrefrigerazione
pC
» Rendimento:
η1 = 1 −
senza
pA
– Il secondo evolve tra le pressione pB e pC
» Rendimento:
p
η2 = 1− C
pB
−ε
– Risulta che ηII<ηI (minor β)
– Il rendimento del ciclo (media pesata tra i
rendimenti ηII,ηI con pesi i calori scambiati con
la sorgente superiore) è inferiore a ηI
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Interrefrigerazione – ciclo reale
Si può dimostrare, invece, che nel caso reale si possono avere dei benefici
in termini di rendimento
Dipende dai valori dei rendimenti di compressione
e dalla scelta del livello intermedio di pressione
Se la 3-4 e la 2-7
sono politropiche con lo
stesso esponente m
S8 = S4
T8 = T3
S9 = S7
T9 = T2
CICLO (3472) = CICLO (8479)
Il ciclo 2 reale equivale ad un ciclo ideale
che evolve tra isobare più distanziate
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p
η2 = 1 − C
pD
η 2 < η1
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−ε
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Interrefrigerazione – alcune considerazioni
L'interrefrigerazione incrementa la possibilità di rigenerazione
Si abbassa la temperatura alla mandata del compressore
l'adozione dell'interrefrigerazione può essere una soluzione per rendere
rigenerabili turbogas ad alto rapporto di compressione
Generalmente, la temperatura di ingresso del
compressore è di poco superiore a quella ambiente
secondo
Lo scambiatore di calore necessita di un fluido di raffreddamento a
temperatura ambiente (in genere acqua)
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Interrefrigerazione – Mappe di prestazioni
Si può constatare un
aumento del lavoro
specifico, caratteristico
di queste soluzioni
Al crescere della T3 il
rendimento
risulta
ottimizzato per valori di
β molto elevati
β
Al di fuori dell’attuale
campo di interesse
Verso antiorario come per il per il ciclo semplice!
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Interrefrigerazione – Applicazioni
Le
applicazioni
più
moderne
dell'interrefrigerazione
prevedono
l’adozione di un β molto contenuto nella
prima fase di compressione
β1=1.6-3; in pratica dopo 3-5 stadi nel
caso di compressori assiali
In tal modo è possibile conseguire nel
ciclo reale vantaggi anche sul rendimento
Importanti applicazioni sono …
nel campo della propulsione navale ad
alta velocità
Rolls
Royce
RB211
(aeroderivata;
interrefrigerazione con rigenerazione)
In impianti turbogas di tipo complesso
Cicli ad aria umidificata
Cicli combinati con gassificazione del
carbone
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PostCombustione (“Reheat”)
Per aumentare il lavoro utile si può aumentare il
lavoro generato dalla turbina
È possibile installare un secondo combustore
dopo una parziale espansione (“Reheat”)
Ciò è consentito dall'ampia disponibilità di
ossigeno residuo nei gas allo scarico della turbina
– La prima camera di combustione lavora con un
eccesso di aria complessivo elevato (α = 40÷60)
Con la seconda iniezione di combustibile si innalza
la temperatura dei gas a valori anche molto elevati
nel caso della propulsione aeronautica, in quanto
l’espansione successiva avviene in un organo
statico (ugello propulsivo)
Nel caso di applicazioni terrestri, la temperatura
della seconda combustione risulta limitata a quella
massima della prima combustioneT3 din quanto
dopo la seconda combustione si ha una seconda
turbina a gas
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Postcombustione – Reheat -1
Cresce la potenza
Nel piano T/s (ciclo ideale), si può notare
l’aumento dell’area (ciclo II)
Nel piano h/s, si nota l’incremento del
salto di entalpia della seconda espansione
La potenza aumenta anche nel caso del
ciclo reale
T
3
5
Il rendimento nel ciclo ideale diminuisce
Nel caso ideale il ciclo con reheat è
costituito da due cicli Joule affiancati.
– Avendo il II ciclo un rapporto di
compressione minore, risulta che ηII<ηI
– Il rendimento complessivo di ciclo (media
pesata rispetto ai calori forniti) risulta
inferiore a ηI
4
2
6
7
1
Ciclo II
S
Il rendimento diminuisce anche nel ciclo
reale
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Reheat- Postcombustione – considerazioni
La realizzazione del reheat-postcombustione è facilitata
all’interrefrigerazione) dalla semplicità e compattezza dell'impianto
(rispetto
In campo aeronautico,la postcombustione è una tecnica sviluppata ed
applicata largamente nel campo della propulsione aeronautica supersonica
Non richiede componenti aggiuntivi (scambiatori di calore) e fluidi di raffreddamento
La successiva espansione non avviene in turbina ma in un ugello propulsivo (componente
fisso che può essere più agevolmente schermato e/o realizzato in materiale adatto per le
altissime temperature)
Nelle applicazioni terrestri, la postcombustione interessa soprattutto perché
aumenta le possibilità di rigenerazione interna od esterna al ciclo
Conseguenza dell'incremento di temperatura allo scarico della turbina
L'adozione della postcombustione può essere interessante in impianti turbogas per
usi cogenerativi o con recupero di calore allo scarico (cicli combinati)
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Pag. 23
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Postcombustione – curve di prestazione
In questo caso rendimento e potenza specifica crescono sempre al
crescere di ß
β
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Postcombustione - Applicazioni
GE F110-100 Afterburning
Militar Turbofan Engine
J79 Turbojet Engine with Afterburner
Militar Turbofan Engine
ABB GT24/26
Heavy duty gas turbine with reheat
W=179.0MW, η=38.2%,
β=30, mexh=391kg/s, Texh=913K
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Iniezione di vapore o di acqua
L'iniezione di vapore o di acqua è interessante per ottenere
uno o più dei seguenti vantaggi:
Aumento della potenza
Aumento del rendimento
Riduzione degli ossidi di azoto nei gas di scarico
Si realizza mediante l’iniezione di acqua o vapore a monte
della camera di combustione.
Può comporetare una forma di rigenerazione utilizzando il calore
sensibile dei gas di scarico.....
L’acqua iniettata può essere preriscaldata dai gas di scarico
Il vapore può essere prodotto raffreddando i gas di scarico
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Iniezione di di acqua
L'impiego dell'iniezione di acqua a valle del
compressore fu introdotto già negli anni 50
comporta un aumento di potenza
rapidamente
abbandonato
nelle
applicazioni
aeronautiche, a causa della necessità di trasportare
l'acqua da iniettare
Riscoperto nelle applicazioni industriali negli anni ’80 per
i positivi effetti sulle emissioni inquinanti
L’aumento di lavoro specifico è dovuto all'incremento
di portata e peso molecolare dei gas che espandono
in turbina
il lavoro del compressore risulta poco variato: è quindi
certo l’aumento della potenza.
comporta diminuzioni del rendimento
La quantità di calore assorbita dalla evaporazione è
molto alta per unità di massa.
Il raffreddamento evaporativo prima dell’ingresso in
camera di combustione diminuisce il valore medio della
temperatura equivalente dello scambio termico superiore
(aumentano le irreversibilità nella combustione)
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Pag. 27
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Iniezione di vapore
L'iniezione di vapore è positiva anche in
termini di rendimento.
La produzione del vapore avviene mediante
un generatore di vapore a recupero
alimentato dai gas di scarico della turbina a
gas
Rigenerazione
L’incremento di prestazioni può essere molto
rilevante:
50-80% in termini di potenza
10-30% in termini di rendimento
La soluzione è stata applicata su macchine
aeroderivate impiegate nella cogenerazione di
energia elettrica e termica in ambito
industriale.
(Allison/General Motors, 4/6 MWe;
Kawasaki, 2/4 MWe
GE: LM1600-2500-5000; 20/45 Mwe
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