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Turbine a vapore per applicazioni di piccola potenza

I cicli ideali Rankine ed Hirn e i metodi per aumentare il rendimento del ciclo Rankine.
Casi applicativi: impianto cogenerativo a biomasse a contropressione - Distilleria Villapana

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mcTER Milano 2012

Pubblicato
da Alessio Rampini




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1
TURBINE A VAPORE PER APPLICAZIONI DI PICCOLA POTENZA NME SRL NME SRL 2 calore di scarto I cicli ideali Rankine ed Hirn Ciclo ideale Rankine e Hirn a vapore
Si consideri la Figura 1 e la curva 1 2'' 3'' 4'' in un diagramma T S, Temperatura Entropia Fig. 1

Ciclo diretti a vapore su
diagramma
entropia-temperatura: la linea
continua è riferita ai cicli Hirn,
mentre la variante tratteggiata
appartiene ad un ciclo Rankine.

NME SRL 3 Metodi per aumentare il rendimento del ciclo Rankine - Condensare a bassa pressione Figura 2:
Variazione del ciclo Rankine al diminuire
della pressione di condensazione
- Aumento della entalpia di entrata
Si ottiene con l''aumento della
pressione e della temperatura di
entrata turbina. Nel caso di impianti
di piccola potenza le pressioni di
entrata del vapore oscillano tra 25 e
45 bar e le temperature tra 300 °C
ed i 420°C. NME SRL 4 Un doppio beneficio si ottiene con un ''risurriscaldamento' del vapore .
Fig. 3
Risurriscaldamento nel
ciclo Hirn
Esso consiste in una fornitura di calore all''uscita dal primo stadio di
espansione. Il doppio beneficio consiste nella possibilità di diminuire la
pressione di condensazione e di un aumento dell''area di lavoro utile
(risulta un aumento di rendimento del ciclo). NME SRL 5 Turbine monostadio assiali con girante a sbalzo e riduttore incorporato (tipo KKK). Fig 4 Hanno un solo punto di tenuta d''albero vapore (ad anelli carbone o labirinti) in luogo di due. Esecuzione compatta in quanto il riduttore è integrato. Si riducono spazi di ingombro e costi di installazione. Si possono avere avviamenti rapidi in quanto la cassa vapore può dilatare liberamente. Vista di una AFA-Turbina NME SRL 6 Esiste una versione ad azione centripeta (Koehler bauart progetto originario degli anni ''50), una sorta di Curtis centripeta. Fig. 5
Curtis centripeta

NME SRL 7 Macchina ad alto rendimento è una turbina nata a contropressione, avendo limiti di smaltimento di elevate portate volumetriche. Fig.6 CFR- anello ugelli Fig.7 CFR-rotore Viene utilizzata come stadio di testa in modelli bistadio (twin). NME SRL 8 Turbina bassa pressione Turbina alta pressione Vapore vivo Spillamento
Controllato Al condensatore,o
contro-pressione

Nelle turbine bistadio twin si combinano diverse giranti AP il cui scarico viene immesso in una
seconda girante a grande diametro nel caso si vada in condensazione (60 cm fino 1 mt). Si ha un
riduttore comune con due pignoni, con tecnologia utilizzata da decenni nei compressori
multivoluta di processo. ' Elevata efficienza in sistemi
combinati
di generazione di potenza e
calore

' Basso prezzo unitario ('/kW).

' Facilità di manutenzione

' Spillamento regolato in pressione

'Costruzione estremamente compatta
(costi di fondazione molto ridotti)

'Ideale per recupero energetico
da cascami di calore
Fig 8 NME SRL 9 Fig. 8 b
Serie TWIN
NME SRL 10 Va sottolineato che la turbina a vapore non è standardizzata come un motore a combustione interna, con modelli a salti costruttivi discreti. La turbina a vapore, in funzione del campo di potenza e di entalpie dei singoli costruttori, coprono una fascia in funzione delle portate volumetriche smaltite, pressioni e temperature di entrata ed uscita, potenze. I costruttori, volta per volta giocano con un numero ed una sezione di ugelli disponibili, una serie di flangie di entrata e scarico disponibili, diametri di giranti ed altezze di palette disponibili, velocità disponibili in funzione dei fattori di riduzione dei riduttori di giri. Le combinazioni a questo punto sono davvero numerosissime e la turbina rappresenta , anche se con componenti standardizzati, un abito su misura. Nelle taglie di piccola potenza come quelle che consideriamo (1MW), si parla solo di turbine ad azione, monostadio (solo con bassi salti entalpici o contropressione) o bistadio. NME SRL 11
L''ambito di fornitura di un turbogruppo a vapore è:

' Turbina a vapore con valvola di entrata servocomandata e valvola di chiusura
rapida integrata. ' Circuito d''olio completo
' Regolazione turbina con regolatore elettronico velocità e pressione. Monitor con
dati di funzionamento ed indicazione blocchi ed allarmi. Si suggerisce un blocco per
bassa temperatura surriscaldato. Le protezioni dell''alternatore agiscono sul blocco
turbina. ' Riduttore tra turbina ed alternatore, integrato.

' Alternatore sincrono trifase, a bassa tensione per queste potenze 400/231 V, 50
Hz (se non esistono altre indicazioni si usa BT fino a 1800-2000 KVA).
In caso di apertura dell''interruttore di rete il turbogruppo, con alternatore sincrono e
un carico elettrico sufficiente, è in grado di funzionare in isola, mantenendo in
sicurezza la centrale e soprattutto il forno della biomassa, evitando situazioni di
pericolo. NME SRL 12 Regolazione di un impianto turbina, contropressione, condensazione, spillamento condensazione . Turbina a contropressione.
Regolazione a contropressione
.
Si usa in impianti prevalentemente
industriali, dove si ha un importante
utilizzo di vapore a media- bassa
pressione a fini tecnologici.
Si ha una bassa resa elettrica (che
diminuisce all''aumentare della
pressione di scarico, minor salto
entalpico), dell''ordine del 10%, ma un
elevato rendimento di ciclo ( 90-91%
in funzione del rendimento di
caldaia). All''avviamento, la turbina col
suo regolatore SC arriva alla velocità
di sincronizzazione, tramite il sistema
di sincronizzazione, si chiude il
parallelo. NME SRL 13 La velocità della turbina è tenuta ''ferma' dalla rete esterna , si inserisce il regolatore di pressione (di contropressione) PC che si assume l''onere di regolare la turbina in funzione del richiamo vapore, più vapore richiede l''utenza più potenza produce , meno vapore richiede meno potenza produce. Se venisse richiesto più vapore della portata di progetto della turbina, interverrebbe il by-pass (schema 2). In caso di apertura di interruttore di rete, la turbina è in grado di funzionare ad isola alimentando l''utenza industriale o una sua rete preferenziale. NME SRL 14 Turbina a condensazione Analogamente al caso precedente la turbina, dopo il raggiungimento del parallelo con la rete, viene regolata in regolazione di pressione. Abbiamo una produzione di vapore proveniente da un inceneritore o un forno che brucia a biomasse. La produzione di energia elettrica è ''a seguire'. Regolata in pressione vapore vivo. Schema 3 NME SRL 15
Turbina a spillamento e condensazione In questo caso la turbina è regolata in pressione di vapore vivo (turbina segue) e l''ammissione nel secondo corpo a condensazione avviene tramite una valvola di entrata che agisce come una valvola di sfioro. Schema 4. La pressione di spillamento rimane costante e la portata di spillamento può essere regolata in continuo. Il massimo spillamento corrisponde alla portata minima di ''ventilazione' nella parte a condensazione. Nel corpo a condensazione deve sempre passare una portata di vapore che serve da raffreddamento delle pale che si surriscalderebbero senza un
mezzo di (relativo) raffreddamento. NME SRL 16 Rendimento di ciclo
I bilanci di un impianto a sola produzione di energia elettrica da 1000 KW di rendimento.
Ciclo termico
' P/T Vapore vivo 46 bar/ 430°C ' Portata vapore vivo 5097 kg/h ' Spillamento per deg. 324 kg/h ' Input termico totale al 3983 Kwt vapore
' Potenza ai morsetti 1000 Kwe ' Rendimento lordo 25.1 % NME SRL 17 ' preriscaldo condense dal condensatore ** pompa alimento, ventilatore, pompe estrazione condensatore ad acqua,
torre raffredd. (c.w.), ausiliari.

N.B. il rendimento lordo va confrontato con il 24% del ciclo ORC da 1000 Kw ,
ottimizzato per la sola produzione di E.E. 'Autoconsumi di
centrale **
47 kwe ' Rendimento di
Caldaia
88 % ' Pompa circolazione OD - ' Rendimento forno OD - ' Rendimento netto 21.05 % NME SRL 18 Costi di realizzazione Un turbogruppo vapore da 1MW costa ca 700 ''750 K Eur. I macro componenti di impianto sono:
' Forno biomassa con caldaia, degasatore e linea fumi ' Turboalternatore vapore ' Sistema di condensazione ' BOP termico ' BOP elettrico ' Sistema di controllo ' Opere civili L''investimento senza opere civili è di ca 4.2-4.6 M Euro. Il costo di manutenzione tipico
di una turbina a vapore è di 1,5-2 Euro al Mwh, valore statistico indipendentemente dal
costruttore di macchina. Valore che scende a 1- 1,5 Euro al MWh all''aumentare di potenza, da 3 Mw a 5 Mwe.


NME SRL 19 La ''Mini' turbina a vapore (75 '' 300 kW) Modello base: AFA 3 G1a SST 060 Pressione vapore vivo: fino a 40 bar a Temp. vapore vivo: da sat. fino a 400 °C Pressione di scarico: da condensazione fino a 7 bar a Potenza ai morsetti: 75 '' 300kW Utilizzo: - recupero di calore - cogenerazione - sistemi solari a recupero termico Bassa manutenzione, esercizio sicuro NME SRL 20 Una novità: la turbina multistadio SST 111 di Frankenthal
'Dati Tecnici
'' Potenza fino a 12 MW
'' Pressione vapore vivo fino a 131 bar(a) '' Temperatura vapore vivo fino a 530° C '' Pressione di condensazione fino a 0,06 bar (a) 'Dimensioni tipo:
'Lunghezza: circa 8 m, incluso il
generatore
'Larghezza : 4.0 m
'Altezza: 4.0 m NME SRL 21 Una novità: la turbina multistadio SST 111 di Frankenthal
' Partenza rapida (no preriscaldo) ' A condensazione/contropressione ' Spillamenti (2) controllati e/o iniezione di vapore
' Progettazione robusta e compatta ' Valvole controllo ugelli ' ATEX (opzionale) ' Elevata efficienza e affidabilità ' Progettata secondo gli ultimi standard di sicurezza funzionale IEC 61508 /
61511
NME SRL 22 Una novità: la turbina multistadio SST 111 di Frankenthal
' Facilità di accesso (semplice manutenzione)
' Riduttore integrato ' Spillamenti (2) controllati e/o iniezione di vapore
' Sistema integrato olio ' Completamente assemblata e pre- testata prima della fornitura
' Basamento unico per turbina, riduttore e sistema olio
NME SRL 23 Una novità: la turbina multistadio SST 111 di Frankenthal
' Facilità di accesso (semplice manutenzione)
' Riduttore integrato ' Spillamenti (2) controllati e/o iniezione di vapore
' Sistema integrato olio ' Completamente assemblata e pre- testata prima della fornitura
' Basamento unico per turbina, riduttore e sistema olio
NME SRL 24 Una novità: la turbina multistadio SST 111 di Frankenthal
1 Alta Efficienza 2 Flessibilità (Spillamento / Iniezione/ Risurriscaldamento) 3 Partenza veloce 4 Prezzo competitivo 5 Soluzione testata in fabbrica 6 Compatta e di semplice installazione 7 Costi di manutenzione ridotti NME SRL 25 Una novità: la turbina multistadio SST 111 di Frankenthal
SST111 La
flessibilità
si unisce
all''efficienza NME SRL 26 2. Esempi applicativi 2.1 Impianti a biomassa da 1 MWe Sono in fase di realizzazione 2 impianti a vapore da 1 MWe, uno presso la Società
ENAC di Pavia e l''altro presso la Società Corsini Energia in Toscana.
I dati tecnici principali dei 2 impianti sono i seguenti:

Impianto 1 (*) Impianto 2
Pressione vapore vivo: 28 bar a 18 bar a Temperatura vapore vivo: 400 °C 350 °C Portata vapore: 5500 kg/h 6400 kg/h Condensazione: 0,2 bar a 0,1 bar a Potenza ai morsetti: 999 kWe 999 kWe
(*) è previsto il ri-surriscaldamento del vapore fra 1° e 2° stadio della turbina
NME SRL 27 2.2 Altri Impianti a biomassa da 1 MWe Sono in fase di realizzazione altri 2 impianti a vapore da 1 MWe, uno presso la Società
LARIO GREEN ENERGY di Gironico (Como) e l''altro presso la Società GENERA in
Umbria.
I dati tecnici principali dei 2 impianti sono i seguenti:

Impianto 3 Impianto 4
Pressione vapore vivo: 43 bar a 30 bar a Temperatura vapore vivo: 430 °C 450 °C Portata vapore: 6000 kg/h 6000 kg/h Condensazione: 0,09 bar a 0,1 bar a Potenza ai morsetti: 999 kWe 999 kWe
NME SRL 28 2.3. Impianto a biomasse a contropressione- Distilleria Villapana
La distilleria Villapana è leader italiano nella produzione di acido tartarico ed alcol
etilico , con sede a Faenza, uno dei centri per la distillazione di frutta e vinacce.
La vinaccia è un sottoprodotto dell''industria vinicola. BIOMASS VILLAPANA SPA: LA SOCIETA'' Antica distilleria di Faenza appartenente al Gruppo Randi, leader mondiale per produzione di prodotti tartarici.
Impieghi: industria alimentare,
chimica e farmaceutica. Il processo industriale prevede:
Materie prime: fecce e vinacce (45.000 t/anno)
Processo: distillazione e successivi trattamenti chimici
Prodotti:
- acido tartarico e suoi derivati (450 t/anno)
- alcool etilico (16.600 hl/anno)
Residuo di lavorazione: vinacce esauste (36.000 t/anno) Fig.13 NME SRL 29 BIOMASS VILLAPANA SPA: I NUMERI DEL PROGETTO Risultato previsto dell''investimento: ' Ricavi da produzione di energia elettrica Quota base: ' 710.000
Certificati verdi: ' 1.318.000
' Ricavi da consumi di combustibili fossili evitati: ' 1.200.000 ' Tempo di ritorno dell''investimento previsto: 5 anni ' CO2 evitata: 15.800 ton/anno Fig.14 NME SRL 30 Villapana: Il progetto cogenerativo Fig. 15 NME SRL 31 La turbina a vapore è una turbina monostadio radiale ad alta efficienza. Evolve le 13 t/h di vapore , scaricando a 5 bar , pressione necessaria dalla distilleria per i processi tecnologici, producendo 1.3 Mwe. La macchina è regolata in contropressione, quindi produce energia in funzione delle necessità di vapore dell''azienda. Fig: 16
NME SRL 32 Turbina monostadio radiale da 30 cm di diametro con riduttore integrato , dotata di 3
valvole a gruppi di ugelli di parzializzazione. La girante è ricavata dal pieno.
L''alternatore è sincrono trifase, in esecuzione IP 23, 400/231 V. Fig 17 In esercizio normale la turbina è esercita in parallelo con la rete esterna, regolata in contropressione. In caso di apertura di interruttore di rete (comandata da protezioni di rete per microinterruzioni o black out di rete), la turbina si commuta in funzionamento ad isola su una rete preferenziale. L''impianto beneficia dei certificati verdi. NME SRL 33 3. Perchè il vapore d''acqua Perchè un kg di vapore riesce a trasferire una grande quantità di calore, si riescono ad ottenere grandi salti entalpici specifici e grandi quantità di energia con piccola massa. Perchè è di facile reperibilità, non tossico, non esplosivo, non soggetto ad incendiarsi come alcune molecole organiche. O come l''olio diatermico. Le aree in contatto con l''acqua o col vapore d''acqua non sono aree classificate. intorno alle turbine a vapore. Perchè nel campo di applicazione delle piccole potenze non si raggiungono gradi di vuoto come nei gruppi da 320 Mw, i materiali non vengono particolarmente sollecitati, il rischio di erosione è più teorico che reale (migliaia di turbine a vapore al mondo in esercizio continuo da oltre 30 anni ne sono la testimonianza).
NME SRL 34 Perchè la turbina a vapore è una macchina affidabile e matura con esperienze operative maturate negli ultimi 100 anni. Si raggiungono non solo affidabilità, ma anche disponibilità superiori al 98% con esempi di oltre 99% Perchè esistono campi di applicazione dove l''uso del vapore è ancora inevitabile: dove esiste un consumo vapore industriale (da 1.5 bar in su), dove l''uso di fluidi organici bassobollenti avrebbero un crollo di rendimento per l''utilizzo a media ed alta entalpia. NME SRL 35
Pertanto in applicazioni industriali con consumo di vapore. Dove in caso di teleriscaldamento ad alta entalpia (acqua surriscaldata a 105-130°C) risulta penalizzante l''uso di fluidi bassobollenti. Perchè a condensazione pura, il rendimento del ciclo vapore risulta maggiore rispetto al ciclo ORC. Dove invece risulta più conveniente l''uso di ORC nelle piccole potenze, è con l''accoppiamento a reti di teleriscaldamento ad acqua calda ( 60-80°C), dove la condensazione a tale temperatura penalizza il ciclo vapore. NME SRL 36 Dove il ciclo ORC risulta inevitabile è il recupero delle basse entalpie. Per queste applicazioni i cicli ORC sono nati, con centinaia di applicazioni (cicli ORMAT) nel settore geotermico, recupero fumi sotto i 300-350°C ( dove il vapore risulta penalizzato, producendo vapore a media pressione e non troppo surriscaldato), bottom cycle di cicli termici esistenti. NME SRL 37 Nelle piccole potenze e nel campo delle biomasse è risultato più conveniente finora l''utilizzo di piccoli forni ad olio diatermico accoppiati a cicli con fluidi organici. In base alla normativa nazionale (Regio Decreto 824/1927) , si ammetteva l''esonero di fuochista patentato , anche a scapito
di utilizzo di un fluido tossico come OD, con notevole potenza assorbita per la pompa di circolazione olio, ed un basso rendimento del forno. L''esonero del fuochista ( significa più fuochisti su più turni) penalizzava il calcolo economico del ciclo vapore al di là di ogni più accurato calcolo e sforzo tecnologico sui rendimenti. NME SRL 38 Con l''entrata sul mercato di caldaie a vapore ad esonero di fuochista, ma soprattutto col recepimento della direttiva 97/23/CEE ed l''emanazione del decreto 81/08 , le apparecchiature rientranti nella suddetta direttiva, (purché dotate di marchio CE e dotate di requisiti di sicurezza ), possono rientrare nel regime di sorveglianza non continuo, anche se di conduttore abilitato, secondo la periodicità indicata dal costruttore (12 opp 24 opp 72 ore), di fatto liberando la centrale termica da un vincolo creato e mai rivisto datato 1927 ( vd circolare 1/2009 min d lav . della salute e pol.sociali). Quando in paesi come la Germania esistevano già da decenni centrali a vapore con presenza periodica ('' bob 24,36, 48'), in Italia prolificavano centinaia di centrali con vapore prodotto attraverso olio diatermico. Tale recepimento rende di fatto la valutazione della convenienza economica solo basata su parametri termodinamici e di investimento. NME SRL 39 Normative DIN 1943 ultima edizione ( procedure di collaudo turbine) PED ( recipienti a pressione) Direttiva 97/23/CEE (PED) Decreto legislativo 25/2/2000 nr 93 ( recepimento) decreto 81/08 RD 824/1927 Normative NEMA sui regolatori di velocità turbine NME SRL 40 Ringraziamenti Si ringraziano i Sigg. Randi e Venturelli della Società Villapana, per le informazioni e le foto dell''impianto . Si ringrazia l''Ing. Grosso della società Bono per i dati sull''impianto di Villapana. NME SRL 41 Grazie per l''attenzione.
Marco Sturla NME SRL


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