Esercitazioni di centrali turbogas e cicli di centrali... Esercitazioni di Centrali Turbogas e Cicli

  • View
    7

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Esercitazioni di centrali turbogas e cicli di centrali... Esercitazioni di Centrali Turbogas e Cicli

  • Esercitazioni di Centrali Turbogas e Cicli Combinati

    1

    ESERCITAZIONI DI CENTRALI TURBOGAS E CICLI COMBINATI

    Esercitazione 1 Miglioramento delle prestazioni di una turbina a gas Esercitazione 2 Metodi per aumentare l’efficienza dei cicli combinati riducendo la temperatura dell’aria 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

  • Esercitazioni di Centrali Turbogas e Cicli Combinati

    2

  • Esercitazioni di Centrali Turbogas e Cicli Combinati

    3

    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 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 all’ambiente ad alta temperatura e da un lavoro di compressione molto elevato rispetto a quello di espansione. Per ridurre l’impatto 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 più avanzate. Una prima variante del ciclo della turbina a gas è la cosiddetta rigenerazione, ossia l’inserimento, tra compressore e combustore, di uno scambiatore di calore (rigeneratore) che preriscalda l’aria comburente prelevando calore dai gas di scarico prima di rilasciarli all’ambiente.

    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. 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. L’interrefrigerazione 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 dell’abbassamento di temperatura ottenuto nell’intercooler. Una terza variante del ciclo a gas è la ricombustione, che consiste in un’espansione in turbina frazionata e intercalata da un secondo processo di combustione.

  • Esercitazioni di Centrali Turbogas e Cicli Combinati

    4

    Come l’interrefrigerazione 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 l’eccesso d’aria 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 l’esterno. Il rendimento del ciclo sarebbe dunque pari a quello di Carnot.

  • Esercitazioni di Centrali Turbogas e Cicli Combinati

    5

    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 sull’espansore del turbogas. Si inietta nel compressore una certa quantità di acqua: essa, raggiunta la temperatura di saturazione, vaporizza ed assorbe calore dall’aria circostante provocando di conseguenza un deciso raffreddamento dell’aria 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 un’efficace 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 all’ingresso in turbina sarà decisamente inferiore. Sarà così possibile eliminare parzialmente o totalmente il sistema di raffreddamento delle parti calde di turbina mediante aria spillata dal compressore; si otterrà in tal modo un notevole miglioramento nelle prestazioni della macchina. Poiché si hanno allo scarico turbina temperature dei gas ancora elevate, è assolutamente importante recuperare tale calore con uno scambiatore R1 che provvederà a trasferirlo in buona parte all’aria compressa in uscita dal compressore. In impianti di cogenerazione è possibile recuperare ulteriormente il calore residuo dei gas tramite uno scambiatore R3, migliorando ancora il rendimento globale dell’impianto. E’ possibile vedere, con tabelle e grafici, l’effetto delle modifiche sopra descritte. La turbina a gas presa in esame è una turbina da 125 MW, costruita da FIAT Avio negli anni ’90.

  • Esercitazioni di Centrali Turbogas e Cicli Combinati

    6

    DATI TECNICI DI TARGA DEL TURBOGAS

    Turbina a gas Potenza carico base / picco 128,3 / 138,4 MW Velocità 3000 giri/min Portata combustibile 8,32 kg/s Numero combustori 18 Rendimento al carico di base 33,9%

    Compressore

    Numero stadi 19 Rapporto di compressione 14/1 Portata aria 443 kg/s Temperatura aria uscita 379°C Potenza assorbita 167 MW

    Espansore

    Numero stadi 4 Temp. ingresso carico base / picco 1162 / 1208°C Portata gas allo scarico 453 kg/s Temperatura gas allo scarico 495°C

  • Esercitazioni di Centrali Turbogas e Cicli Combinati

    7

    La trasformazione termodinamica dell’aria all’interno del compressore è rappresentabile numericamente con l’allegato 1A per la situazione ante-modifica e con l’allegato 1B con l’iniezione dell’acqua nelle palettature fisse. Il raffronto tra le due tabelle indica una sostanziale uguaglianza di energia spesa per la compressione ma indica anche, con l’iniezione d’acqua, un aumento della portata e un’accentuata diminuzione di temperatura dell’aria all’uscita del compressore.

    ALLEGATO 1A

    COMPRESSIONE ARIA SENZA RAFFREDDAMENTO ======================================

    DATI DI INGRESSO E GENERALI DEL COMPRESSORE: TEMPERATURA 288°K PRESSIONE 1 bar ENTALPIA 288 kJ/kg ENTROPIA 6.836 kJ/kg°K PORTATA ARIA 1620 t/h (450 Kg/s) RAPPORTO DI COMPRESSIONE STADIO 1,14905 RENDIMENTO POLIENTROPICO 75% (A) (B) (C) (D) (E) (F) (G) (H) (I) (L) (M) (N) N° bar °K °K kJ/kg°K °K °K kJ/kg°K kJ/kg kJ/kg kJ/kg kg/h 1 1.14 307 302.3 6.849 307 376.5 6.849 19 19 0 0 2 1.32 326.1 321.4 6.863 326.1 380.9 6.863 19 38.1 0 0 3 1.51 345.2 340.4 6.876 345.2 385.3 6.876 19 57.2 0 0 4 1.74 364.3 359.5 6.889 364.3 390.3 6.889 19 76.3 0 0 5 2 383.4 378.6 6.903 383.4 395.6 6.903 19 95.4 0 0 6 2.3 402.5 397.7 6.916 402.5 400.8 6.916 19 114.5 0 0 7 2.64 421.6 416.8 6.929 421.6 406 6.929 19 133.6 0 0 8 3.03 440.7 435.9 6.943 440.7 410.5 6.943 19 152.7 0 0 9 3.49 459.8 455 6.956 459.8 414.1 6.956 19 171.8 0 0 10 4.01 478.8 474.1 6.97 478.8 416.2 6.97 19 190.8 0 0 11 4.61 497.9 493.2 6.983 497.9 422.1 6.983 19 209.9 0 0 12 5.29 517 512.3 6.996 517 428.2 6.996 19 229 0 0 13 6.08 536.1 531.3 7.01 536.1 434.2 7.01 19 248.1 0 0 14 6.99 555.2 550.4 7.023 555.2 439.9 7.023 19 267.2 0 0 15 8.03 574.3 569.5 7.036 574.3 444.7 7.036 19 286.3 0 0 16 9.23 593.4 588.6 7.05 593.4 448.8 7.05 19 305.4 0 0 17 10.61 612.5 6