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Turbine a vapore per applicazioni di piccola potenza

L'acqua è il fluido base degli impianti a vapore per la sua disponibilità in natura, convenienza economica e per le sue caratteristiche termodinamiche che ne fanno il fluido preferito per il trasporto e l'immagazzinamento del calore. E le turbine a vapore STE (ex KK&K) sono la migliore soluzione per la produzione di piccola potenza sfruttando gli impianti a vapore. Acqua, vapore, turbine STE: il migliore compromesso per il vostro impianto di produzione di energia elettrica e termica.

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Atti di convegni o presentazioni contenenti case history
mcTER Cogenerazione - Milano giugno 2015 workshop

Pubblicato
da Alessia De Giosa
mcTER Cogenerazione - Milano 2015Segui aziendaSegui




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Estratto del testo
Bio-Gas Cogenerazione Gli atti dei convegni e più di 5.000 contenuti su www.verticale.net 1
TURBINE A VAPORE PER APPLICAZIONI DI PICCOLA POTENZA NME SRL NME S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 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 diretto a vapore su
diagramma
entropia-temperatura: la linea
continua è riferita ai cicli Hirn,
mentre la variante tratteggiata
appartiene ad un ciclo Rankine.

NME S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 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 S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 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 S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 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 S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 6 Esiste una versione ad azione centripeta (Koehler bauart progetto originario degli anni ''50), una sorta di Curtis centripeta. Fig. 5
Curtis centripeta

NME S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 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 S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 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 S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 9 Fig. 8 b
Serie TWIN
NME S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 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 da 0,2 a 1 MWe, si parla solo di turbine ad azione, monostadio (solo con bassi salti entalpici o contropressione) o bistadio. NME S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 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 S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 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 S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 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 S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 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 S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 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 S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 16 Rendimento di ciclo
I bilanci di un impianto a sola produzione di energia elettrica da 1000 KW.
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 S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 17 ** pompa alimento, ventilatore, pompe estrazione condensatore ad acqua,
torre raffredd. (c.w.), ausiliari.
'Autoconsumi di
centrale **
47 kwe ' Rendimento di
Caldaia
88 % ' Rendimento netto 21.05 % NME S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 18 La ''Mini' turbina a vapore (75 '' 300 kW) Modello base: AFA 3 G1a SST 040 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 S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 19
SST-040 Costruzione / Caratteristiche
Tenuta albero del tipo ad anelli carbone Monoblocco per girante turbina ad azione Riduttore integrato Cuscinetti a strisciamento lubrificati a olio Design a sbalzo per il rotore Anello ugelli realizzato per il cliente NME S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 20 La ''Mini' turbina a vapore (75 '' 300 kW) Tipico ambito di fornitura (package): ' Turbina ' Riduttore ' Alternatore asincrono '' 400 V ' Raffreddatore dell''olio ad aria ' Quadro comando e controllo ' Interruttore di macchina ' Tempo di installazione molto breve: lo skid viene appoggiato sulle fondazioni NME S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 21 Riduttore Telaio di base Turbina Sistema alimentazione olio Generatore Raffreddatore olio Quadro di comando e esercizio Valvola ingresso con funzione combinata di comando e fermata di emergenza SST-040 Costruzione / Caratteristiche NME S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it
SST-040 Esempi NME S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 23 SST-040 Applicazioni '' Sistemi CHP per piccole centrali a biomasse

Applicazione: CHP per piccole centrali a biomasse p.e. nel processo di produzione per cippato di legno o simile Acqua riscaldamento 60°C La turbina funziona a pressioni di scarico variabili 0,7 '' 1,1 bara (temp. aria 80 '' 110°C eventualmente per essicamento) Economizzatore per aria di essicamento Degasatore Generatore Tur b ina Caldaia a biomasse NME S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 24 SST-040 Applicazioni '' Sistemi CHP per piccole centrali a biomasse

Applicazione: sistemi CHP per l''industria ' Migliore rendimento
' p.e. in birrifici, cartiere o altre industrie con caldaia a vapore esistente Saturated steam Valvola di riduzione Riscaldamento Sterilizzazione Preriscaldamento Generatore Tur b ina Caldaia a vapore NME S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 25 SST-040 Applicazioni '' Recupero calore dopo impianti di produzione energia e
calore


Applicazioni: Recupero calore dopo impianti di produzione di energia e calore (MCI) ' Migliore rendimento ' p.e. in birrifici, cartiere o altre industrie con sistemi MCI. altre utenze Sterilizzazione Preriscaldamento Generatore Tur b ina gas naturale olio vegetale gas da
combustione condensato preriscaldamento condensato Raffreddatore di emergenza
modalità esercizio variabile, secondo la richiesta Riscald. Acqua di raff. Caldaia a vapore MCI (Mot. Comb. Int.) gas da
combustione NME S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 26 2. Esempi applicativi 2.1 Impianti a biomassa da 1 MWe Sono entrati in esercizio 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 S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 27 2.2 Impianto a biomassa da 200 kWe E'' in fase di realizzazione un impianto a biomassa da 200 kWe che prevede il riutilizzo
del vapore allo scarico della turbina per l''essicamento della biomassa.
I dati tecnici principali dell'' impianto sono i seguenti:

Impianto 3
Pressione vapore vivo: 13 bar a Temperatura vapore vivo: 250 °C Portata vapore: 2500 kg/h Condensazione: 0,5 bar a Potenza ai morsetti: 200 kWe NME S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 28 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. 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 S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 29 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 S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 30 Nelle piccole potenze e nel campo delle biomasse risultava più conveniente fino a qualche anno fa 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 S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 31 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 S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 32 4. Normativa vigente ' D.M 6 luglio 2012: incentivazione dell''energia da fonti rinnovabili elettriche non fotovoltaiche
' In funzione della tipologia di impianto e della potenza l''accesso agli incentivi si divide in diretto, iscrizione a registro del GSE e partecipazione a
gare d''asta
' Per impianti a biomasse, l''accesso diretto si ha solo per potenza inferiori a 200 kW, mentre l''iscrizione al registro si ha per potenza comprese fra 200
kW e 5 MW. Per potenze superiori di passa alle aste.
' Valore dell''incentivo in funzione della potenza: gli impianti con potenza inferiore a 300 kW accedono all''incentivo più elevato (Tab.1)
' Particolare interesse negli impianti con potenza massima fino a 200 kW per evitare l''iscrizione a registro ed il valore dell''incentivo




NME S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 33 Tabella 1


NME S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 34 5. Bozza di decreto del Ministero dello Sviluppo Economico ' Tetto di 5,8 Miliardi di Euro annui confermato per le rinnovabili elettriche non fotovoltaiche
' L''ammissione agli incentivi termina 30 giorni dopo il raggiungimento del limite annuo o al più tardi a Dicembre 2016
' Dal 2017 «dovrebbe» entrare in vigore un nuovo sistema incentivante (su indicazione della UE)
' Il Decreto del 6 Luglio 2012 (cosi come i relativi incentivi) continua a valere per gli impianti già iscritti a registro o asta ai sensi del medesimo decreto e
per gli impianti ad accesso diretto che entrino in funzione entro un anno dal
nuovo decreto
' Per tutti gli altri impianti, si applicano incentivi come da tabella 2 (riduzione incentivi)
NME S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 35 . Tabella 2


Biomasse 1<P'300 20 210 a) prodotti di origine biologica di
cui alla Tabella 1-B 300<P'100
0 20 150 1000<P'5000 20 115 P>5000 20 100 b) sottoprodotti di origine
biologica di cui alla Tabella 1 ''
A; d) rifiuti non provenienti da
raccolta differenziata diversi da
quelli di cui alla lettera c) 1<P'300 20 220 300<P'100
0 20 185 1000<P'5000 20 140 P>5000 20 100 c) rifiuti per i quali la frazione
biodegradabile è determinata
forfettariamente con le modalità
di cui all''Allegato 2 1<P'5000 20 165 P>5000 20 119 NME S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 36 5. '.continua
' Sia per i registri che per le aste, il GSE pubblicherà 2 bandi, il primo entro il 30 Ottobre 2015 e il secondo entro il 30 marzo 2016
' Il contingente previsto per i registri per le biomasse e biogas ammonta a 112 MW
' I titolari di impianti fino a 500 kW di potenza potranno chiedere al GSE il ritiro dell''energia con tariffa onnicomprensiva

NME S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it 37 Grazie per l''attenzione.
Marco Sturla NME S.r.l. '' Via F. Dell''Orto 8 '' 24126 Bergamo '' Tel. 035 320030 '' nme@nmesrl.it


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