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Tecnica
aprile 2014
LA TERMOTECNICA
Generazione Elettrica
di G. Bonvicini
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Applicazione di cicli ORC per il recupero di potenza
in impianti turbogas di piccola taglia
Quest’articolo studia l’applicazione di cicli ORC per il recupero di potenza da 1 kg/s di fumi a 250 °C. Utilizzando fluidi organici, si ottengono recuperi di
potenza fino al 45%, ed è quindi possibile realizzare un piccolo impianto a biomasse (110 kWe), con rendimento globale del 35%. L’articolo studia anche
la variazione del recupero di potenza con la temperatura dei fumi, ed effettua un dimensionamento preliminare del generatore di vapore a recupero.
ORGANIC RANKINE CYCLES FOR POWER RECOVERY IN MICRO GAS TURBINE PLANTS
This paper focuses on the application of ORC cycles for power recovery from 1 kg/s of exhausts at 250 °C. Using organic fluids, power recoveries up
to 45% can be achieved, thus realizing a small (110 kWe) biomass-fired plant with an efficiency of 35%. In this paper the effects of a variation in the
exhausts’ temperature on the power recovery are also studied, and the heat recovery vapour generator is preliminary designed.
INTRODUZIONE
L’applicazione di turbine a gas di piccola taglia (decine-centinaia di kW) è
ormai diffusa nella generazione distribuita di potenza. Il rendimento di tali
sistemi, a causa dei limitati parametri operativi (rapporto di compressione,
temperatura di ingresso in turbina) e della ridotta efficienza degli espansori,
supera raramente il 30%. Al fine di incrementarlo, viene spesso introdotto
un modulo di cogenerazione, con recupero di calore dai fumi, disponibili
a circa 250 °C, e produzione di acqua a circa 80 °C.
La cogenerazione, però, non è sempre realizzabile o utile, ad esempio in
assenza di utenze termiche nell’impianto o nelle sue immediate vicinanze.
Di grande interesse risultano quindi i sistemi per l’incremento della potenza
meccanico-elettrica: uno di questi è l’applicazione a valle della turbina
a gas di un ciclo Rankine a fluido organico (ORC), che permetta di
raggiungere rendimenti globali dell’ordine del 40%.
Inoltre, bisogna ricordare che le microturbine a gas sono state studiate [1,
2, 3, 4] per la conversione energetica delle biomasse. Utilizzando una
configurazione a combustione esterna, in cui il combustore del turbogas
è sostituito da uno scambiatore tra i prodotti della combustione delle
biomasse e l’aria del ciclo Brayton, si ottengono rendimenti attorno al 25%.
Il ciclo ORC, invece, è una tecnologia consolidata, soprattutto per lo
sfruttamento di risorse geotermiche a medio-bassa entalpia. Sfruttando le
conoscenze note da queste applicazioni sono stati studiati [5, 6, 7] impianti
per il recupero di potenza dai fumi di turbine a gas che utilizzano un fluido
termovettore intermedio: olio diatermico o acqua in pressione vengono
riscaldati dai fumi e cedono successivamente calore al fluido organico.
Non ancora realizzata, ma solo studiata [8, 9, 10, 11], è invece
l’applicazione di cicli ORC per il recupero di potenza con scambio termico
diretto con fluidi primari gassosi quali i fumi di una microturbina, in cui
risulta problematico lo scambio termico tra un gas a temperatura non
elevata e un liquido in transizione di fase. Nessuno studio al riguardo è
disponibile in letteratura.
L’obiettivo di questo articolo è di analizzare l’applicazione di un ciclo
ORC a valle di una microturbina a gas, operante sia a combustione
interna di gas naturale sia in due configurazioni a combustione esterna di
biomasse. L’analisi viene condotta in tre passaggi: inizialmente vengono
Dott. Giorgio Bonvicini - BIE.I. Bioenergie Italia
individuati i fluidi organici più adatti, considerando lo scambio termico
ideale con prodotti della combustione tra 220 e 270 °C, quindi i risultati
sono applicati ai tre casi studio e viene effettuato un dimensionamento di
massima del GVR.
METODOLOGIA
Da un punto di vista termodinamico, le caratteristiche del ciclo ORC sono
legate a quelle della turbina a gas da portata, temperatura e pressione
dei fumi disponibili. Inizialmente lo studio sarà effettuato per unità di
portata di fumi (1 kg/s), con temperatura variabile tra 220 e 270 °C.
I vincoli imposti al problema sono i seguenti:
--la temperatura di evaporazione Tev non può essere eccessivamente
vicina a quella critica del fluido considerato (si deve avere un ΔT
di almeno 10 °C) per conferire stabilità al ciclo;
--nello scambio termico fumi - fluido organico va rispettato il minimo
valore della differenza di temperatura al pinch point (anche in
questo caso si deve avere un ΔT di almeno 10 °C);
-- l'entalpia residua dei gas di scarico non può essere interamente sfruttata
per il ciclo ma esiste una temperatura minima Tg,min sotto la quale non
è possibile raffreddare i gas per evitare la formazione di condensa.
Per quanto riguarda i fluidi organici, quelli utilizzabili in un ciclo ORC
devono avere particolari caratteristiche termodinamiche e chimiche:
bassa temperatura di saturazione a pressione atmosferica, ridotto
calore latente di evaporazione alla temperatura di condensazione,
alto peso molecolare ed elevata densità; ridotta tossicità e
tendenza alla corrosione, basso potenziale di danneggiamento
dell’ozonosfera, eventuale infiammabilità controllabile.
In genere i fluidi che rispettano quanto richiesto sopra sono
idrocarburi o idrofluorocarburi, e vengono classificati come fluidi
“secchi” o “bagnati” secondo che la pendenza della curva limite
superiore sul piano T-s sia positiva o negativa e di conseguenza si
verifichi o meno condensazione durante l’espansione in turbina.
A partire da 11 fluidi rappresentativi delle categorie sopra introdotte,
saranno presi in considerazione i seguenti 6, maggiormente ricorrenti in
letteratura [8, 12, 13]: n-pentano, isobutano, esano, toluene, R134a
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(1,1,1,2-tetrafluoroetano), R245fa (1,1,1,3,3-pentafluoropropano).
Per ciascuno sarà individuata la tipologia di ciclo realizzabile, in
maniera da evitare la condensazione in turbina. Infatti, in generale
i cicli Hirn possono essere realizzati con tutti i fluidi scelti, invece i
Rankine solo con alcuni fluidi “secchi”.
Più nel dettaglio, per quanto riguarda i cicli Rankine, è noto in
partenza che il ciclo di massima potenza specifica sarà quello
con temperatura di evaporazione più prossima a quella critica
(nel rispetto dei vincoli imposti): si verificherà quindi quale ciclo
consente il massimo recupero di potenza, anche in considerazione
della portata di fluido organico che può essere trattata.
Per i cicli Hirn, invece, si verificherà fino a quale temperatura il
surriscaldamento del vapore porta a incrementi del salto entalpico tali da
giustificare la maggiore potenza termica da fornire per il surriscaldamento.
Infatti, in alcuni casi, un surriscaldamento più spinto riduce l’entità del
recupero di potenza perché limita la portata di fluido organico utilizzata.
Da un bilancio di primo principio si può ricavare la portata mf1 di
fluido organico.
ANALISI CICLI TERMODINAMICI
Utilizzando le relazioni descritte nel paragrafo precedente e facendo
riferimento al database delle proprietà dei fluidi del NIST [14], sono stati
studiati diversi cicli ORC per ciascuno dei fluidi. In particolare, sono state
testate temperature di evaporazione tra 90 e 190 °C e di surriscaldamento
tra 100 e 210 °C.
Cicli Rankine
Si possono identificare due casi principali. Nel primo (caso pentano),
il massimo recupero di potenza si ottiene per una temperatura di
evaporazione prossima a quella critica del fluido: a quella temperatura
il salto entalpico è massimo e la portata di fluido organico non risente
di eccessive riduzioni. Nel secondo caso (caso esano) la temperatura di
evaporazione ottimale è più distante da quella critica, perché deriva da un
compromesso tra un salto entalpico elevato e una portata di fluido organico
non eccessivamente ridotta.
Cicli Hirn
Fissata la temperatura di evaporazione, si individua il livello di
surriscaldamento ottimale, nel rispetto dei vincoli imposti. In particolare,
per basse temperature di surriscaldamento il vincolo prevalente è quello
sul massimo raffreddamento dei gas e il recupero di potenza decresce
linearmente con la temperatura. Per surriscaldamenti più elevati, invece,
pesa maggiormente il vincolo sulla minima differenza di temperatura al
pinch point.
Riepilogo dei risultati
In Tabella 1 sono riportati i risultati dell’ottimizzazione dei cicli Rankine
e Hirn, in particolare i valori ottimali di temperature di evaporazione ed
eventuale surriscaldamento, la portata di fluido organico, la temperatura
di uscita dei fumi dal GVR e la potenza elettrica recuperata.
Si calcola quindi la temperatura dei fumi al pinch point.
Se la Tg,pinch così ricavata è superiore di almeno 10 °C a quella
di evaporazione del fluido organico, è determinata la portata di
fluido organico che percorre il ciclo, altrimenti si riduce la portata
mf,2 sopra calcolata fino ad un valore mf,2 che rispetti il vincolo sul
minimo ΔT al pinch point.
Indicando in ogni caso come mf,2 la portata che soddisfa tutti i vincoli, si
calcola la potenza prodotta dalla turbina.
Dove nisT è il rendimento isoentropico della turbina e nM il suo
rendimento meccanico, entrambi supposti costanti. Si possono
quindi ricavare l’efficienza della sola microturbina a gas, ηGT, e
quella del sistema combinato, ηGT-ORC.
L’andamento della potenza elettrica recuperabile in funzione della
temperatura dei fumi è rappresentato anche in Figura 1.
Dove PCIfuel è il potere calorifico inferiore del combustibile, mfuel è la portata
di combustibile, WGT e WORC sono le potenze prodotte dalla turbina a gas
e dal ciclo ORC rispettivamente. Si nota che il secondo ηGT-ORC sarà in ogni
caso superiore al primo ηGT, in quanto la potenza prodotta è maggiore, a
parità di energia apportata con il combustibile.
Per quanto riguarda il dimensionamento del GVR, che si è ipotizzato essere
di tipo a fascio tubiero, il calcolo del coefficiente di scambio sarà effettuato
con la correlazione di Dittus-Boelter per i tubi dell’economizzatore e del
surriscaldatore, con quella di Chen per i tubi dell’evaporatore e con le
relazioni di Kern per il mantello dello scambiatore.
Si identificano tre casi principali:
-- per temperature dei fumi tra 230 °C e 270 °C, corrispondenti quasi
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all’intero intervallo, il ciclo Rankine a pentano con evaporazione a
180 °C massimizza il recupero di potenza;
-- per temperature dei fumi inferiori, attorno a 220 °C, il ciclo Hirn a R245fa
con evaporazione a 140 °C e surriscaldamento fino a 170 °C fornisce
il massimo recupero di potenza;
-- per temperature dei fumi vicine all’estremo superiore, 270 °C, si
ottengono buoni risultati anche con un ciclo Rankine a toluene con
evaporazione a 160 °C.
È stata condotta anche un’analisi di secondo principio, in cui l’efficienza
exergetica di ciascun ciclo è calcolata come rapporto tra la potenza ottenuta
e l’exergia effettivamente fornita dai gas. Il ciclo Rankine a pentano, con
evaporazione a 180 °C è risultato quello con il più elevato rendimento di
secondo principio su tutto l’intervallo di temperatura dei fumi considerato.
Qualora invece si volesse utilizzare per il recupero non soltanto
l’aria pulita in uscita dalla turbina ma una miscela di aria e
prodotti della combustione delle biomasse (caso studio 3), si
avrebbero a disposizione 0,992 kg/s di miscela, a temperatura di
270 °C. Utilizziamo in questo caso il ciclo Rankine a toluene con
evaporazione a 160 °C ottenendo una portata di 0,330 kg/s, che
consente un recupero di 36,8 kW pari al 45% di incremento relativo
della potenza e del rendimento.
Per quanto riguarda il dimensionamento di massima del GVR, nel
primo caso l’economizzatore da 47 kW, l’evaporatore da 23 kW e il
surriscaldatore da 14 kW sono realizzati in configurazione a fascio tubiero
con diametro di 0,35 m e hanno lunghezza complessiva di 2,20 m.
Nel secondo caso il GVR, costituito da un economizzatore da 76 kW
e da un evaporatore da 110 kW, ha diametro di 0,50 m e lunghezza
totale di 4,10 m: il maggiore diametro del mantello è stato scelto
anche per garantire le maggiori manutenzione e pulizia richieste.
Riepilogo dei casi studio analizzati
Confrontando i risultati ottenuti nei tre casi presi in considerazione
si nota come i risultati migliori siano quelli ottenuti nel terzo caso,
in cui sono stati recuperati 36,8 kW grazie alla più elevata portata
di gas caldi e alla temperatura più elevata.
In Figura 2 vengono confrontati i rendimenti dell’impianto nei tre
casi studio: si nota come la terza soluzione garantisca il massimo
incremento relativo di efficienza e anche un rendimento di secondo
principio vicino al 60%.
CASI STUDIO
I risultati dell’analisi effettuata nel paragrafo precedente saranno
applicati ai seguenti casi studio: una microturbina alimentata a gas
naturale, una alimentata con combustione esterna di biomasse in
due sottocasi, con recupero energetico dalla sola aria in uscita dalla
turbina o da una miscela tra questa con i prodotti della combustione
delle biomasse.
La turbina cui si fa riferimento è caratterizzata da un rapporto di
compressione di 4,5, da una temperatura di ingresso in turbina
di 950 °C e da una di fine espansione di 270 °C. A partire da un
input energetico di 333 kW apportati con il combustibile, la turbina
fornisce 100 kW di potenza quando alimentata a gas naturale e 80
kW quando la camera di combustione è sostituita dallo scambiatore
coi prodotti della combustione delle biomasse: il rendimento è del
30% nel primo caso, del 24% nel secondo.
Nel caso a gas naturale (caso studio 1), sono disponibili 0,71 kg/s
di prodotti della combustione a temperatura di 270 °C: dai risultati
dell’analisi precedente si individua come ottimale il ciclo Rankine
a pentano con evaporazione a 180 °C. Da un bilancio di primo
principio sul GVR si ricava che la corrispondente portata di pentano
è di 0,235 kg/s: questo valore, applicato ai risultati dell’analisi
sui cicli, rende il valore della potenza recuperabile, 26,6 kW.
L’incremento relativo della potenza prodotta e del rendimento è
dunque attorno al 26%.
Per il dimensionamento di massima del GVR è stata considerata
una configurazione a fascio tubiero per entrambe le sezioni, un
economizzatore da 102 kW e un evaporatore da 35 kW, ottenendo
una configurazione sufficientemente compatta: un mantello di circa
0,20 m di diametro, con tubi lunghi 3,40 m.
Nel caso della combustione esterna di biomasse (caso studio 2) la
temperatura di ingresso in turbina dell’aria si riduce a 850 °C e di
conseguenza la potenza prodotta è inferiore (80 kW), così come la
temperatura allo scarico della turbina (220 °C) e la portata di aria
in uscita (0,592 kg/s). Applicando i risultati precedenti si utilizza
per il recupero di potenza un ciclo Hirn a R245fa con evaporazione
a 140 °C e surriscaldamento a 170 °C. Da un bilancio di primo
principio si ottiene che la portata di R245fa che percorre il ciclo
ORC è 0,281 kg/s: a questa corrisponde un recupero di 14,3
kW, con un incremento relativo di potenza prodotta e rendimento
del 17,5%.
Per quanto riguarda invece le caratteristiche del GVR, in Figura
3 vengono confrontate le superfici di scambio delle sezioni dello
scambiatore nei tre casi presi in esame.
Si nota come la superficie richiesta nel terzo caso studio sia molto
più elevata rispetto ai primi due, ma l’ingombro sia in ogni caso
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sufficientemente ridotto da consentire l’installazione in complessi esistenti.
Da analizzare più nel dettaglio per valutare la reale fattibilità
di questa soluzione sono le questioni pratiche legate alle perdite
di carico attraverso le varie sezioni del GVR, gli effetti della
variazione della temperatura di disponibilità dei gas caldi, i
reali limiti di raffreddamento dei gas per evitare corrosione e
sporcamento eccessivi. Da valutare attentamente sono anche le
soluzioni innovative e più compatte per la realizzazione del GVR
rispetto al fascio tubiero, utilizzato in questo studio solo per un
dimensionamento di massima.
110 kW alimentato a biomasse, con un rendimento complessivo del
30 - 35%, valore eccellente per impianti con queste caratteristiche.
CONCLUSIONI
Questo studio ha preso in considerazione l’applicazione di cicli
ORC per il recupero di potenza da una portata inferiore a 1 kg/s di
fumi con temperatura tra 220 e 270 °C. A partire da un database
di fluidi organici, se ne sono individuati 6 con caratteristiche
fisico-chimiche adatte.
Il recupero di potenza ottenibile con cicli Rankine e Hirn è
stato valutato mediante il metodo della minimizzazione delle
perdite energetiche. I migliori risultati si sono ottenuti su quasi
tutto l’intervallo di temperature considerato con il ciclo Rankine
a pentano con evaporazione a 180 °C, con l’unica eccezione
dell’estremo inferiore dell’intervallo, attorno a 220 °C, dove il ciclo
Hirn a R245fa con evaporazione a 140 °C e surriscaldamento del
vapore a 170 °C dà buoni risultati.
Si sono quindi applicati i risultati dell’analisi precedente ai
seguenti casi studio: una microturbina a combustione interna di gas
naturale, con output elettrico di 100 kW, e la stessa microturbina
in configurazione a combustione esterna di biomasse, con output
elettrico di 80 kW. In quest’ultimo caso sono stati individuate due
possibilità: recupero di potenza dalla sola aria del ciclo a gas (a
220 °C) o da una miscela di questa con i prodotti della combustione
delle biomasse (a 270 °C).
Utilizzando le comuni correlazioni numeriche, combinate col
metodo del salto medio logaritmico di temperatura, è stato effettuato
un dimensionamento di massima del GVR ipotizzando una struttura
a fascio tubiero. Si sono ottenuti ingombri sufficientemente piccoli,
che potrebbero essere ulteriormente ridotti con configurazioni più
compatte che garantiscano un più elevato rapporto tra superficie
di scambio termico e volume dell’apparecchiatura.
Il recupero di potenza ottenibile nei tre casi studio è compreso tra
14,3 e 36,8 kW, corrispondenti a incrementi relativi di rendimento
tra 17,5% e 45%. Risulta quindi possibile realizzare un impianto da
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