Esercitazioni Di Centrali Turbogas e Cicli Combinati

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Esercitazioni di Centrali Turbogas e Cicli Combinati

ESERCITAZIONI DI CENTRALI TURBOGAS E CICLI COMBINATI

Esercitazione 1 Miglioramento delle prestazioni di una turbina a gas Esercitazione 2 Metodi per aumentare lefficienza dei cicli combinati riducendo la temperatura dellaria aspirata dal turbogas Esercitazione 3 Ciclo combinato con turbina a gas FIAT-Mitsubishi 701F Esercitazione 4 Ciclo combinato con turbina a gas SIEMENS V94.3A Esercitazione 5 Ciclo combinato multi-shaft con 2 turbine a gas GE MS9001FA

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Esercitazioni di Centrali Turbogas e Cicli Combinati

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Esercitazioni di Centrali Turbogas e Cicli Combinati Esercitazione 1

Miglioramento delle prestazioni di una turbina a gas

1. Premessa Le turbine a gas in ciclo semplice hanno oggi raggiunto prestazioni e rendimenti significativi. Tuttavia ci stato ottenuto sulla spinta di un forte sviluppo tecnologico, senza intervenire sulla qualit 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 prestazioni pi avanzate. Una prima variante del ciclo della turbina a gas 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, poich sarebbe necessario passare da T5 a T3 anzich da T2 a T3: il rendimento del ciclo aumenterebbe. Nel caso reale, a causa delle perdite e per la irreversibilit dello scambio nel rigeneratore, il miglioramento di rendimento risulta ridotto. Una seconda operazione atta a migliorare le prestazioni del ciclo a gas la compressione interrefrigerata. La compressione realizzata in due fasi, intercalate da uno scambiatore di calore (intercooler) che riduce la temperatura intermedia. Linterrefrigerazione pratica comune nei compressori industriali: lo scopo 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 la ricombustione, che consiste in unespansione in turbina frazionata e intercalata da un secondo processo di combustione. 3

Esercitazioni di Centrali Turbogas e Cicli Combinati Come linterrefrigerazione ha lo scopo di diminuire il lavoro del compressore, cos 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 tale da offrire ampia disponibilit 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 complessit e onerosit impiantistiche. Considerando che possibile operare anche pi di una interrefrigerazione o pi 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.

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Esercitazioni di Centrali Turbogas e Cicli Combinati 2. Applicazione pratica Sulla base di quanto esposto in premessa, si vogliono migliorare le prestazioni di una turbina a gas agendo semplicemente sul suo ciclo termodinamico. Si suppone di intervenire sul compressore e sullespansore del turbogas. Si inietta nel compressore una certa quantit di acqua: essa, raggiunta la temperatura di saturazione, vaporizza ed assorbe calore dallaria circostante provocando di conseguenza un deciso raffreddamento dellaria elaborata dal compressore. Agendo nello stesso modo, ma utilizzando combustibile iniettato in corrispondenza delle palettature fisse di turbina, si provoca dopo ogni espansione nelle palettature rotanti un continuo risurriscaldamento dei gas. Si ottiene in questo modo unefficace rigenerazione del fluido motore, sia in fase di compressione che in fase di espansione. Se con la modifica proposta si mantiene uguale la potenza utile del turbogas, la temperatura dei gas allingresso in turbina sar decisamente inferiore. Sar cos possibile eliminare parzialmente o totalmente il sistema di raffreddamento delle parti calde di turbina mediante aria spillata dal compressore; si otterr in tal modo un notevole miglioramento nelle prestazioni della macchina. Poich si hanno allo scarico turbina temperature dei gas ancora elevate, assolutamente importante recuperare tale calore con uno scambiatore R1 che provveder a trasferirlo in buona parte allaria compressa in uscita dal compressore. In impianti di cogenerazione possibile recuperare ulteriormente il calore residuo dei gas tramite uno scambiatore R3, migliorando ancora il rendimento globale dellimpianto. E possibile vedere, con tabelle e grafici, leffetto delle modifiche sopra descritte. La turbina a gas presa in esame una turbina da 125 MW, costruita da FIAT Avio negli anni 90.

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Esercitazioni di Centrali Turbogas e Cicli Combinati DATI TECNICI DI TARGA DEL TURBOGAS

Turbina a gas Potenza carico base / picco Velocit Portata combustibile Numero combustori Rendimento al carico di base Compressore Numero stadi Rapporto di compressione Portata aria Temperatura aria uscita Potenza assorbita Espansore Numero stadi Temp. ingresso carico base / picco Portata gas allo scarico Temperatura gas allo scarico

128,3 / 138,4 MW 3000 giri/min 8,32 kg/s 18 33,9%

19 14/1 443 kg/s 379C 167 MW

4 1162 / 1208C 453 kg/s 495C

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Esercitazioni di Centrali Turbogas e Cicli Combinati La trasformazione termodinamica dellaria allinterno del compressore rappresentabile numericamente con lallegato 1A per la situazione ante-modifica e con lallegato 1B con liniezione dellacqua nelle palettature fisse. Il raffronto tra le due tabelle indica una sostanziale uguaglianza di energia spesa per la compressione ma indica anche, con liniezione dacqua, un aumento della portata e unaccentuata diminuzione di temperatura dellaria alluscita del compressore.ALLEGATO 1A COMPRESSIONE ARIA SENZA RAFFREDDAMENTO ====================================== DATI DI INGRESSO E GENERALI DEL COMPRESSORE: TEMPERATURA PRESSIONE ENTALPIA ENTROPIA PORTATA ARIA RAPPORTO DI COMPRESSIONE STADIO RENDIMENTO POLIENTROPICO

288K 1 bar 288 kJ/kg 6.836 kJ/kgK 1620 t/h (450 Kg/s) 1,14905 75%

(A) N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 (A) (B) (C) (D) (E) (F) (G) (H) (I) (L) (M) (N)

(B) bar 1.14 1.32 1.51 1.74 2 2.3 2.64 3.03 3.49 4.01 4.61 5.29 6.08 6.99 8.03 9.23 10.61 12.19 14.01 = = = = = = = = = = = =

(C) K 307 326.1 345.2 364.3 383.4 402.5 421.6 440.7 459.8 478.8 497.9 517 536.1 555.2 574.3 593.4 612.5 631.6 650.7

(D) K 302.3 321.4 340.4 359.5 378.6 397.7 416.8 435.9 455 474.1 493.2 512.3 531.3 550.4 569.5 588.6 607.7 626.8 645.9

(E) kJ/kgK 6.849 6.863 6.876 6.889 6.903 6.916 6.929 6.943 6.956 6.97 6.983 6.996 7.01 7.023 7.036 7.05 7.063 7.076 7.09

(F) K 307 326.1 345.2 364.3 383.4 402.5 421.6 440.7 459.8 478.8 497.9 517 536.1 555.2 574.3 593.4 612.5 631.6 650.7

(G) K 376.5 380.9 385.3 390.3 395.6 400.8 406 410.5 414.1 416.2 422.1 428.2 434.2 439.9 444.7 448.8 455.3 461.5 467.3

(H) kJ/kgK 6.849 6.863 6.876 6.889 6.903 6.916 6.929 6.943 6.956 6.97 6.983 6.996 7.01 7.023 7.036 7.05 7.063 7.076 7.09

(I) (L) kJ/kg kJ/kg 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 38.1 57.2 76.3 95.4 114.5 133.6 152.7 171.8 190.8 209.9 229 248.1 267.2 286.3 305.4 324.5 343.6 362.7

(M) (N) kJ/kg kg/h 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

N DELLO STADIO DI COMPRESSIONE PRESSIONE ASSOLUTA IN USCITA DELLA GIRANTE TEMPERATURA RAGGIUNTA DALL'ARIA DOPO LA COMPRESSIONE TEMPERATURA TEORICA A COMPRESSIONE ISOENTROPICA ENTROPIA DOPO LA COMPRESSIONE TEMPERATURA D'INGRESSO ALLA GIRANTE SUCCESSIVA TEMPERATURA DI SATURAZIONE DELL'ACQUA ALLA PRESSIONE (B) ENTROPIA DI INGRESSO ALLA GIRANTE SUCCESSIVA ENERGIA SPESA PER LA COMPRESSIONE NEL SINGOLO STADIO ENERGIA PROGRESSIVA SPESA PER LA COMPRESSIONE CALORE PROGRESSIVO ASSORBITO DALLA VAPORIZZAZIONE DELL'ACQUA PORTATA PROGRESSIVA DELL'ACQUA DI RAFFREDDAMENTO

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Esercitazioni di Centrali Turbogas e Cicli Combinati

Rappresentazione grafica della trasformazione dellaria durante la compressione (ante-modifica)

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Esercitazioni di Centrali Turbogas e Cicli CombinatiALLEGATO 1B COMPRESSIONE CON ARIA RAFFREDDATA DA INIEZIONE DACQUA ======================================================== DATI DI INGRESSO E GENERALI DEL COMPRESSORE: TEMPERATURA PRESSIONE ENTALPIA ENTROPI