TURBINE A GAS E CICLI COMBINATI PDF

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Description

Giovanni Lozza DIPARTIMENTO DI ENERGETICA - POLITECNICO DI MILANO

TURBINE A GAS E CICLI COMBINATI SECONDA EDIZIONE

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lrmm •r.ìrit, 15- 2015b MILANO

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LeoNARDO

BOLOGNA

Prima edizione : Giugno 1996 Ristampe: Dicembre 1997 -Aprile 2000 Seconda edizione: Febbraio 2006

In copertina: "Vista in sezione della turbina a gas GE LM6000" Riproduzione gentilmente concessa dalla GE Marine & Industriai, Cincinnati, OH, USA

PROGeTTO

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LeoNARDo

© SOCIETÀ EDITRICE ESCULAPIO s.r.l. 40131 Bologna- Via U. Terracini 30 - Tel. 051-63.40.113- Fax 051-63.41.136 www.editrice-esculapio.it Tutti i diritti riservati. Riproduzione anche parziale vietata. Nessuna parte di questa pubblicazione può essere riprodotta, archiviata in un sistema di recupero o trasmessa, in qualsiasi fç>rma o con qualsiasi mezzo elettronico, meccanico, fotoriproduzione, memorizzazione o altro, senza permesso scritto da parte dell'Editore.

POLITECNICO

ING.BOVISA 621.433

LOZ2 F ACL 225

Turbine a gas e cicli combinati

INDICE Presentazione . .. ..... ................ ......... ............. .................................................. v Prefazione (alla prima edizione del 1996) ........ ........ ............ ............................ . ix Prefazione (alla seconda edizione del 2006) .................................. .... ................ xi Ringraziamenti ............................... ............................. ................................. xii Nomenclatura ............... ... ...................... ................ ..................................... xiii

1. Fondamenti termodinamici delle turbine a gas in ciclo semplice 1.1 I l ciclo chiuso ideale ... ....... ...... ...... .................. ... .............................. 1.1 1.2 Il ciclo aperto ideale ......................................................................... 1.6 1.3 Cicli semplici reali ...................... ... .................. ................................. l. 9 2. I componenti delle turbine a gas 2. 1 Compressore ..... ........... ....... ... ....... . ....... .. ........... .. ......... .... .... . ........ 2.2 2.1.1 Le perdite nei compressori ............ ........ ...... .. ........................... 2.5 2.2 Combustore ....................... ........................ .................. ............ ....... 2.8 2.2.1 I combustibili per le turbine a gas ......................... ............. ...... 2.11 2.3 Turbina ................................................. ............................. ..... ...... 2.12 2.3.1 Il raffreddamento delle pale .................................................... 2.13 2.3.2 I materia li ............... ... ......... ........................ ........ ..... ...... .. ..... 2.17 2.3.3 Definizioni di TIT; sua evoluzione nel tempo .............................. 2.19 2.3.4 Le perdite nelle turbine ................... .................. .......... ............ 2.21 2.3.5 Raffreddamento a circuito chiuso e a vapore ............................. 2.23 2 .4 Generatore elettrico .. ......... .. ...... ..... ........ .. .............. ...... ........ .......... 2.25 3. Prestazioni delle turbine a gas 3.1 Analisi completa del ciclo reale ..................................... ........... .. ........ 3.1 3.2 Analisi entropica ..... ........... .............. ........ .......... ............ .................. 3.7 3.3 I l mercato delle turbine a gas ...... ... ... .. ............................ ................. 3. 10 3.3.1 Macchine heavy- duty e aero-derivative .................. .. ................. 3. 11 3.3.2 Rassegna delle moderne unità ........ .............................. .. ......... 3.14 3.4 Prestazioni operative : influenza delle condizioni esterne ................... ... 3.16 3.4.1 Perdite di carico ................ . ........................... ....... ... .. ............. 3.18 3.4.2 Pressione ambiente ....... ................... ......... . ... ... ...... ... ............. 3.19 3.4.3 Temperatura ambiente .............. .... ... ...... ................................ 3.20 3.4.4 Sporcamento e invecchiamento ................. .................... .... .. .... 3.21 3.5 Regolazione e avviamento delle turbine a gas ............. ... .. ..... ....... ... .. . 3.23 4. I cicli combinati 4.1 Fondamenti termodinamici .; ....... ........ ........ ....................... .... ...... ..... 4.1.1 Cicli a recupero ideali .. ..... ........................... ................ ..... ..... ... 4.1.2 Come approssimare i cicli ideali con fluidi reali ... .. ..... : ................. 4.1.3 Potenzialità dei cicli combinati ...................... ... ...... ..... ... ............

4.2 4.2 4 .5 4. 7

ii

Turbine a gas e cicli tOmbinati

4.2 Cicli a vapore a recupero .................................................................. 4.8 4.2.1 Lo scambio termico nella caldaia a recupero ............................... 4.8 4.2.2 Aspetti progettuali della caldaia a recupero ...... ............ ...... ..... .. 4.12 4.2.3 Turbina a vapore .... .. .. ... .. ..... .. ............ ... ..... .. .... .......... ........ .. .. 4.19 4.2.4 Condensazione ........ .... ... .... .................... ...... ........ .. ...... .. ....... 4.19 4 .2 .5 Assetti dei cicli a recupero ................................ ...................... .4.21 4.3 Prestazioni dei cicli combinati ....................................................... .... 4.24 4.3.1 ottimizzazione delle pressioni di evaporazione ...... .................... .4.26 4.3.2 Influenza dell'assetto del ciclo .................................................. 4.27 4.3.3 Rendimenti dei cicli combinati ................................................. .4.30 4.3.4 Costo dell'elettricità prodotta ...... .. ........ ... ....... .... ...... ........... ... .4.32 4.3.5 Cenni alla regolazione ................................................ .. .......... .4.35 4.4 Altri assetti dei cicli combinati .. ........................................................ 4.37 4.4.1 Cicli con post-combustione ...................................................... 4.37 4 .4.2 Repowering ........................................................................... 4.40 S. Altri cicli a gas e cicli misti ~:.!)Rige nerazione ... ........ ..... ...................... .... ... ............. ............... ..... ... 5.2 5 .1.1 Ciclo chiuso ideale rigenerativo ...................... .. .......... ............... 5.2 5.1.2 Cicli reali rigenerativi ................................................ ........ ....... 5.4 5.1.3 Applicazioni pratiche .... ... ........... ........... .. ........................ ......... 5.8 -.2·2 Compressione interrefrigerata .......................... .. ..... ...... ...... ....... ....... 5. 9 ...s-!3 Ricombustione .............................................. ......... . ....................... 5.14 ' ~4 ;Combinazioni di intercooling, rigen erazione e reheat .......................... , 5.16 5.5 Cicli misti gas/vapore ... ....... ........ ...... .... ..... .. ............ ....................... 5.19 5.5.1 Il ciclo con iniezione di vapore ............................ ...... ............ ... 5.19 5.5.2 Il ciclo con iniezione d'acqua .......... ...... ........ ...... ......... ............. 5.24 5.5.3 Il ciclo "umidificato" (HAT) ...................................................... 5.25 5 .5.4 Prestazioni e confronti ............. ... ........ ........ .. ........... ............... 5.26 6. Le turbine a gas e la cogenerazione 6.1 Aspetti generali e indici di valutazione ................................................ 6.1 6.2 Turbina a gas con recupero semplice ................................................. 6. 7 6.3 Turbina a gas con iniezione di vapore .. ................... .................... ....... 6.11 6.4 Cicli combinati ... .................... ... ... ............. ............................. ..... .... 6.13 6.5 Le microturbine a gas ..................................................................... 6.16 6.5.1 Componenti e tecnologia costruttiva ....................... ...... ............ 6.17 6.5.2 Caratteristiche e prestazioni .. ........ ... .. ........ ..... .. . ..... ... .... ......... 6.20

:t· Le emissioni dalle turbine a

gas 7.1 Unità di misura delle emissioni .......................................................... 7.1 7.2 Meccanismi di formazione di CO e NO nella combustione .............. ... ..... 7.5 7.2.1 Formazione e distruzione di CO ................................................. 7.5 7.2.2 Formazione di NO........................ ... ................. .... .................... 7.6 7.3 Sistemi di riduzione di NO in sede di combustione ............................... 7.9 7.3.1 Iniezione di acqua o vapore ............................. ........................ 7.10 7.3.2 Combustori a secco (DLN) ....................................................... 7.13 7.4 Sistemi di depurazione dei gas combusti ........................................... 7. 16 7.5 Altri inquinanti ................................................................. ; .............. 7.18 7.5 Cenni alla produzione di biossido di carbonio ........ .................. .. ... ....... 7.19

Turbine a gas e cicli combinati

iii

8. Le turbine a gas e il carbone 8.1 Gli impianti con gassificazione .......................................................... . 8 .2 8.1.1 Descrizione generale ............................. .. ................................ 8.2 8.1.2 I processi di gassificazione ................................................. .. .... 8.4 8.1.3 Raffreddamento del syngas e recupero termico .......................... 8.6 8.1.4 Depurazione del syngas ............................... ..... ....................... 8.9 8.1.5 La sezione di potenza ........ ............................... ... ........... ........ 8.10 8.1.6 Bilancio generale e prestazioni ............................. ... ................. 8.13 8.1. 7 Esperienze, confronti, possibili evoluzioni ..... ............................. 8.15 8.2 I letti fluidi pressurizzati ................................. ...... .......... .. ............... 8.17 ~La combustione a letto fluido ................................................... 8.17 8.2.2 Utilizzo delle turbine a gas con i PFBC .............. .. ................ ... .... 8.19 8.2.3 I PFBC di 2a generazione ..... ...................................... ........... ... 8.21 8.2.4 Altre configurazioni: EFCC .............................. ......................... 8.23 8.3 Cattura della C02 .................. ......................................................... 8.23 8.3.1 Aspetti generali ..................... ...................... ............. .............. 8.23 8.3.2 Metodologie di cattura ............................. ....................... ........ 8.24 8. 3. 3 Esempio di risultati ottenibili .. ............................................ ...... 8.27 8.3.4 Considerazioni conclusive ............. ............ ......................... ...... 8.29 Appendice Al: Richiami sulle proprietà dei gas e sulla combustione ....... Al Al. l Proprietà dei gas ideali e delle loro miscele ........................................ Al A1.2 Combustione: definizione e calcoli ............................................. ....... A3 Appendice A2: Analisi entropica dei sistemi termodinamici .. .. ............... All A2.1 Premessa .................... .............................. ..... .. .................... .... ... All A2.2 Limiti delle analisi con il solo primo principio ...................... ............. . All A2.3 Formulazione generale .................................................................. Al3 A2.4 Applicazioni ed esempi generali .. .... ............ .. .................................. Al5 A2.4.1 Ciclo di potenza con sorgente a T= costante .. ... ..... ................... A15 A2.4.2 Ciclo di potenza a recupero da corrente fluida .. .. ....... .. .... .. ....... A15 A2.4.3 Ciclo di potenza alimentato da combustibile ........................ ..... A16 A2.4.4 Pompa di calore ............................ . ..... ......... .... .................... A17 A2.4.5 Impianto di cogenerazione .................................................... A18 A2.5 Le irreversibilità nei cicli termodinamici ........ ... .............. ................. . A18 A2.5.1 Perdite per scambi di calore a .H finiti ................................ ..... A18 A2.5.2 Irreversibilità interne al fluido .. .. .. .. ...................... .................. A19 A2.5.3 Miscela menti .. ........ ..... ......................................... ............... A20 Appendice A3: Richiami sulle trasformazioni politropiche ....... ............... A21 Appen~ice

A4: Tecnologia delle centrali a vapore ........... ....................... A25 A4.1 I l ciclo a vapore d'acqua .. .. ............................. .. ............................. A25 A4.1.1 Fondamenti ............... .......... ... ... ... ... ........ ..... ... ..... .. .......... ... A25 A4 .1. 2 I fattori che caratterizzano le prestazioni. ... ................... .. ........ A27 A4.1.3 L'assetto delle moderne centrali. ................................ ..... ....... A29 A4.2 I componenti ....... .......... ...... ........... .. ................................... ........ A31 A4.2.1 La turbina .. ........................................... .. ............. : .............. A31 A4ç2.2 I l generatore di vapore ............... .... ......... ... ............. .. .. .. ....... A34 A4.2.3 I l condensatore .................... .. ........... ...... ............................. A38

iv

Turbine a gas e cicli combinati

A4.3 La rimozione degli inquinanti .... ... ..... .. ................. .. ... . ............... ... ... A4.3.1 Combustori a basse emissioni di NO ............ ....... ............ ........ A4.3.2 Rimozione di NOx ... . ... ....... ..... .. ... .. .. ...... .... . .. ... ... .... .. .. .. .. .... . A4.3.3 Rimozione dello zolfo .. . .. ... . ..... .. ... .. . ........... ... .. .. ....... ... .. ... ... .. A4.3.4 Rimozione del particolato .. . ........................... .. ...................... A4.3.5 Rimozione di metalli pesanti e del mercurio ....... ......................

A42 A42 A44 A46 A48 ASO

Appendice AS: Elenco delle turbine a gas presenti su l mercato ............. ASl

Turbine a gas e cicli combinati

v

PRESENTAZIONE a cura del Prof. Ennio Macchi ordinario di "Conversione dell'energia " nella Facoltà di Ingegneria Industriale del Politecnico di Milano

Presentazione della prima edizione del 1996 "La macchina più studiata al mondo": questa definizione della turbina a gas è stata spesso utilizzata per ricordare l'enorme flusso di denaro e di risorse e l'imponente impegno di scienziati, ingegneri e tecnici che hanno caratterizzato l'evoluzione di questa macchina, solo apparentemente semplice, ma che in realtà richiede metodologie di progetto di grande raffinatezza e tecnologie realizzative estremamente avanzate. Per un curioso paradosso, gli studenti (ma anche gli ingegneri che vogliano stare al passo con gli avanzamenti tecnologici), trovano grandi difficoltà a reperire testi adeguati su cui studiare la "macchina più studiata al mondo". La letteratura tecnico-scientifica è infatti ricchissima di articoli scientifici che illustrano i risultati di studi e ricerche estremamente specialistiche, ma essi risultano quasi inevitabilmente di ostica lettura per i non addetti ai lavori. Per contro, i numerosi "manuali" sulle turbine a gas, reperibili soprattutto nella letteratura anglosassone, sono spesso troppo schematici ed empirici e mancano di rigore, di una visione unitaria di sintesi, dei necessari approfondimenti: in una parola, dei requisiti indispensabili per un buon testo universitario. Sono quindi sicuro che il volume preparato con tanto impegno e competenza dal professar Giovanni Lozza, a suo tempo mio bravissimo allievo, oggi prestigioso collega e carissimo amico, sarà accolto con grande favore, non solo nel mondo universitario. E' un testo chiaro, completo, aggiornato, che coniuga i frutti di un appassionato lavoro di sintesi della più qualificata letteratura del settore con l'esposizione dei risultati delle ricerche condotte su turbine a gas e cicli combinati nell'ultimo decennio dal gruppo di ricerca del Dipartimento di Energetica del Politecnico di Milano, di cui fanno parte, unitamente al prof. Lozza e al sottoscritto, il professar Stefano Consonni, i ricercatori Paolo Chiesa e Paola Bombarda, numerosi "dottorandi di ricerca" e laureandi. Proprio perché tutti noi, vuoi per la comune passione verso le tematiche trattate, vuoi per amicizia, ci siamo sentiti coinvolti nell'opera, abbiamo "vivisezionato" il testo qui presentato, non risparmiando all'Autore consigli e critiche (poche in verità!) e suggerendo (a volte pretendendo!) le aggiunte e modifiche che ritenevamo utili per una migliore qualità -e completezza dell'esposizione. Per questo, senza naturalmente nulla togliere ai meriti del professar Lozza, sentiamo questo volume come un poco nostro.

Turbine a gas e cicli combinati

vi

Rispetto ad altri libri di testo universitari, l'opera presenta alcune peculiarità che voglio sottolineare: 1. Riporta pochissime formule ed equazioni, ma è densa di concetti fisici e presenta copiosi risultati. E' un segno dei tempi: oggi i calcoli relativi alle turbine a gas vengono condotti con complessi codici di calcolo e difficilmente possono essere banalizzati con equazioni e formule semplificate. 2 . I risultati che presenta non sono mai indicativi o qualitativi: essi sono sempre calcolati con grande rigore, sulla base di coerenti ipotesi sulle "qualità" dei componenti e sulle condizioni operative, ipotesi puntigliosamente indicate nel testo. Per questo motivo, l'opera è anche una preziosa raccolta di dati e di risultati che ben "fotografano" lo stato dell'arte delle turbine a gas. 3. E' solidamente ancorata alla realtà industriale: le turbine a gas di cui si parla sono quelle effettivamente reperibili sul mercato internazionale e le applicazioni cui si fa riferimento sono di piena attualità. 4. E' fortemente interdisciplinare: una necessità, poiché il progetto di una moderna turbina a gas nasce da una sintesi degli avanzamenti registrati nelle più importanti discipline alla base defla moderna ingegneria (la termodinamica, che guida nell'ottimazione dei cicli, la fluidodinamica, fondamentale nel/'ottenimento di elevate prestazioni delle turbomacchine, la chimica, sempre più importante nel settore energetico per lo studio dei processi di combustione e perla riduzione delle emissioni nocive, la trasmissione di calore, che governa il raffreddamento delle palettature di turbina e il dimensionamento degli scambiatori di calore, la meccanica e la metallurgia, che stabiliscono i limiti di funzionamento delle macchine). 5. Introduce spesso concetti di ottimazione tecnico-economica, un viatico prezioso nelle scelte ingegneristiche, spesso trascurato nei corsi universitari. 6. Attribuisce la giusta importanza ai problemi di impatto ambientale, di grande rilievo in ogni settore industriale, e decisivi nelle applicazioni energetiche. Le turbine a gas stanno conquistando, a ritmi assai sostenuti, un r uolo sempre più importante nel panorama energetico internazionale: fino a pochi anni fa, le loro applicazioni in campo industriale erano, con poche eccezioni, relegate a centrali di punta, un utilizzo in cui il rendimento modesto che le caratterizzava era economicamente poco penalizzante. Oggi, avvenuto il "sorpasso" rispetto alle turbine a vapore, sono le macchine più vendute al mondo (la potenza complessiva delle turbine a gas installate annualmente supera i 30.000 MW, oltre il 50% della nuova potenza messa in esercizio su base mondiale). Inserite in impianti a ciclo combinato, consentono rendimenti di conversione elevatissimi, im...