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Turbine a vapore per impianti di piccola potenza

Regolazione di un impianto turbina, contropressione, condensazione, spillamento condensazione.

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Atti di convegni o presentazioni contenenti case history
Intervento al convegno mcTER Cogenerazione 2010 Milano

Pubblicato
da Alessia De Giosa




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Estratto del testo
1 CICLO RANKINE A VAPORE DI  PICCOLA POTENZA 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.
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. 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). 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 6 Esiste una versione ad azione centripeta (Koehler bauart progetto originario degli anni ''50), una sorta di Curtis centripeta. Fig. 5
Curtis centripeta
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). 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 9 Fig. 8 b
Serie TWIN
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. 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. 12 1.2.2. Condensatore ad acqua, ad aria Nelle piccole potenze si utilizza di solito condensatori ad acqua, in quanto la modesta
potenza da dissipare comporta un consumo d''acqua relativamente basso. Si utilizza il
più delle volte un circuito chiuso con una torre di raffreddamento. La torre può essere a
umido evaporativa a circolazione naturale o forzata oppure a secco a circuito forzato. Il bilancio termico del condensatore si può scrivere : m a * ( h u '' h i ) = m v ( h v '' h c) Con hu ed hi l''entalpia di uscita ed entrata dell''acqua hu '' hi per un liquido è pari a c * ( tu '' ti ) , dove c è il calore specifico dell''acqua,
per cui : m a * c * ( tu '' ti ) = m v ( h v '' h c) 13 Da un punto di vista del rendimento è conveniente ridurre il ' T° , perché con ciò si riduce la temperatura di condensazione, d''altro canto l''aumento della portata del
refrigerante aumenta gli autoconsumi dovuta al maggior assorbimento degli ausiliari
(pompa circolazione). Gli eiettori nel condensatore hanno la funzione di estrarre gli
incondensabili presenti nella condensa. Fig 9 14 Fig. 10 15 Accessori: impianti demineralizzazione e degasatore Impianto di demineralizzazione e caratteristiche del vapore in turbina
Il vapore di entrata in turbina deve essere molto puro, all''uscita degli ugelli , alla
fine dell''espansione si potrebbero depositare sali, soprattutto silice, sotto forma
colloidale o di incrostazioni. Le caratteristiche del provino di condensato all''uscita
del surriscaldatore non deve superare i dati riportati in tabella . Fig. 11 16 1.2.4. 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. 17 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. 18 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 19 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. 20 1. Rendimento di ciclo I bilanci di un impianto a sola produzione di energia elettrica da 1000 KW di rendimento. Ciclo senza Ciclo con risurriscaldamento risurriscaldamento ' P/T Vapore vivo 46 bar/ 430°C 46 bar /430 ° C ' Portata vapore vivo 5097 kg/h 4721 kg/h ' Spillamento per deg. 324 kg/h 250 kg/h
' Input termico per - 241.3 Kwt risurriscaldamento ' Input termico totale al 3983 Kwt 3930.3 Kwt vapore ' Potenza ai morsetti 1000 Kwe 1000 Kwe ' Rendimento lordo (1) 25.1 % 25.43 % 21 ' preriscaldo condense dal condensatore ** pompa alimento, ventilatore, pompe estrazione condensatore ad acqua,
torre raffredd. (c.w.), ausiliari. N.B. il vapore viene risurriscaldato a 300°C , da 4 bar/ 212°C
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 47 kwe ' Rendimento di
Caldaia
88 % 88 % ' Pompa circolazione OD - - ' Rendimento forno OD - - ' Rendimento netto 21.05 % 21.33 % 22 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 all''aumentare di potenza, da 3
Mw a 5 Mwe. 23 Una novità: La ''Mini' turbina a vapore (100 '' 300 kW) Modello base: AFA 3 G1a Potenza ai morsetti: 100 '' 300kW Utilizzo: - recupero di calore - cogenerazione - sistemi solari a recupero termico Bassa manutenzione, esercizio sicuro 24 Caratteristiche costruttive: Design stadio singolo Turbina ad impulsi Costruzione robusta Design a sbalzo Caratteristiche: In grado di funzionare con vapore saturo Possibile funzionamento completamente in automatico Avvio veloce entro pochi secondi da freddo senza
preriscaldo Nessun danno tramite distorsione del rotore, nessun
dispositivo di rotazione necessario ATEX Installazione e commissioning entro breve periodo di
tempo Bassi costi di manutenzione e riparazione 25 2. Esempi applicativi 2.1 Impianto a biomassa da 1 Mwe a risurriscaldamento E'' in fase di realizzazione. Analogo all''impianto da 3 Mwe per la produzione EE , in fase
di montaggio e precommissioning a Ventimiglia ( vapore vivo 27 bar/400°C, risurrisc. a
5 bar/380°C). In assenza totale di Olio Diatermico, atto ad ottenere esonero totale ai
sensi dell''art 41 e 42 Raccolta ''E' ISPESL. Fig. 12 La caldaia a tubi d''acqua da
nominali 5500 kg/h di vapore
è caratterizzata da un banco
di risurriscaldamento che
surriscalda il vapore uscente
dal corpo alta pressione
turbina, a valle del prelievo
per degasatore per
reimmeterlo nel corpo di
bassa pressione di turbina.
monostadio radiale,
esecuzione a sbalzo. 26 2.2. 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. BI OM AS S 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 27 BI O M AS S 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 28 Tale combustibile, ricco di umidità, alimenta un forno dotato di griglia inclinata mobile a barrotti, studiata per questo combustibile di bassa pezzatura dal costruttore del forno e caldaia Bono Sistemi. Il movimento della griglia omogeneizza e facilita la combustione della biomassa e la fa avanzare verso una tramoggia di raccolta ceneri. La portata di vinacce esauste che alimenta il sistema di combustione è di 5 t/h. I fumi caldi di combustione cedono il calore all''acqua di alimento caldaia, generando 13 t/h di vapore a 40 bar e 420°C. L''impianto è dotato di un grande preriscaldatore d''aria di combustione, che viene immessa nella parte inferiore della griglia ed attraversa il letto di combustibile. Solo in fase di avviamento di impianto, il bruciatore usa un biogas prodotto come prodotto di digestione anaerobica dall''azienda stessa, per riscaldare la camera di combustione. L''impianto è dotato di un grande sistema di filtrazione fumi che captano le particelle solide contenute nei fumi di scarico. 29 Villapana: Il progetto cogenerativo Fig. 15 30 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 31 Turbina monostadio radiale a 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. 32 2.3. 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). 33 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. 34 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. 35 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. Inoltre i cicli ORC possono risultare convenienti per basse potenze (50 Kw fino ad alcune centinaia di Kw) per l''elevato costo del ciclo vapore. 36 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. 37 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'), mentre 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. 38 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 39 Ringraziamenti Si ringraziano i Sigg. Villapana e Randi 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. 40 Grazie per l''attenzione. Marco Sturla


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