analisi termodinamica ed ottimizzazione dell¶impianto di

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Francesco Asdrubali*, Giorgio Baldinelli*
* Università degli Studi di Perugia, Dipartimento di Ingegneria Industriale, Via G. Duranti 67, 06125 Perugia,
Tel: +39 0755853716 – Fax: +39 0755853697 – E-mail: [email protected]
6200$5,2
E’ stato condotto uno studio dell’impianto di raffreddamento di una centrale termoelettrica a carbone, di potenza pari a 150
MW. L’analisi si è sviluppata sull’intero sistema: dal circuito del condensatore alle torri evaporative, comprendendo anche la
condotta di sollevamento e di adduzione acqua di refrigerazione derivata da un vicino corso d’acqua. Dall’esame statistico dei
dati relativi alle temperature in ingresso ed uscita dalle torri lato acqua ed alle portate complessivamente circolanti sul circuito
di raffreddamento, si è proceduto ad una correlazione con i corrispondenti valori dei parametri meteoclimatici della zona. La
variabilità delle condizioni atmosferiche (temperatura di bulbo umido e umidità relativa) influisce sul funzionamento delle torri
ed in particolare sulle perdite percentuali per evaporazione e per trascinamento che sono suscettibili di miglioramento rispetto
ai dati di targa in funzione delle effettive condizioni termoigrometriche che nel corso degli anni si riscontrano con maggiore
frequenza. Si è poi indicata la possibilità di ottimizzare il circuito idraulico al variare delle condizioni di funzionamento. Il
corretto esercizio dell’impianto di raffreddamento presenta infatti un duplice vantaggio: il miglioramento del ciclo di
funzionamento della centrale di produzione di energia elettrica ed il risparmio della risorsa idrica.
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Lo sfruttamento della risorsa idrica nei sistemi di
raffreddamento degli impianti di conversione energetica
costituisce uno degli aspetti più rilevanti dal punto di vista
dell’ impatto ambientale sul territorio circostante le centrali
termoelettriche. I mutamenti climatici degli ultimi decenni,
insieme all’ incremento delle attività antropiche, hanno fatto
emergere il problema della carenza delle risorse idriche,
rendendo quindi di estremo interesse ogni sforzo volto a
ridurne il consumo.
Con tale obiettivo è stato condotto uno studio dell’ impianto
di raffreddamento in una centrale termoelettrica con ciclo a
vapore, alimentata a carbone e situata nell’ Italia centrale. Tale
impianto è costituito da due gruppi autonomi di potenza pari a
75 MW ciascuno che, coprendo la domanda elettrica di base,
hanno un funzionamento continuo ed a pieno carico per tutto
l’ arco dell’ anno, fatta eccezione per i periodi in cui sono
necessari interventi di manutenzione.
L’ analisi si è sviluppata considerando l’ intero sistema di
raffreddamento del ciclo, dal condensatore alle torri (fig. 1),
fino alle condotte di adduzione dell’ acqua di reintegro che
viene prelevata da un piccolo corso d’ acqua nelle vicinanze.
La scelta progettuale delle torri evaporative come
componente finale dell’ impianto di raffreddamento, pur
maggiorando i costi di installazione e di esercizio, permette di
svincolare l’ ubicazione della centrale dalla presenza di bacini
idrici di capacità consistente, in grado cioè di garantire portate
d’ acqua rilevanti.
Fig. 1: schema del sistema di raffreddamento.
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Il circuito di raffreddamento della centrale è costituito da
due condensatori separati (uno per ogni gruppo) che
smaltiscono il calore proveniente dal ciclo delle turbine a
vapore. Il condensatore è composto da un involucro in lamiera
di acciaio saldata, con pareti opportunamente rinforzate per
resistere alla pressione cui è sottoposto dall’ esterno verso
l’ interno; tale involucro è collegato nella parte superiore allo
scarico della turbina, dalla quale riceve il vapore che nella
parte mediana lambisce un fascio tubero nel quale circola
l’ acqua di raffreddamento.
L’ acqua, proveniente da un piccolo pozzo artificiale di
raccolta a valle delle torri, viene convogliata attraverso
un’ unica condotta all’ interno del condensatore, asporta il
calore necessario al passaggio di fase del fluido del ciclo
termico e fuoriesce da due tubazioni separate, ognuna delle
quali è servita da un’ elettropompa di circolazione.
Le quattro portate in uscita (due per ogni condensatore)
vengono poi riunite in un unico flusso che viene inviato alle
cinque coppie di torri (10 celle refrigeranti) e gestito, secondo
il numero di torri in funzione, da un sistema di valvole di
regolazione.
La tipologia di torre installata nell’ impianto in questione è
del tipo ad umido; il raffreddamento dell’ acqua di circolazione
avviene sfruttando l’ azione combinata dello scambio termico
per convezione tra acqua calda ed aria e dell’ evaporazione di
una parte dell’ acqua che satura l’ aria ambiente.
Per l’ effetto di saturazione dell’ aria, parte della portata
d’ acqua calda in ingresso alla torre viene persa, pertanto, per
garantire il reintegro, è presente una condotta di sollevamento
e di adduzione da un piccolo corso d’ acqua situato nelle
vicinanze.
$1$/,6,'(,'$7,6725,&,
La centrale in esame è in esercizio da quattro decenni, è
stato quindi possibile effettuare una ricognizione sui dati
storici che la società di gestione ha messo a disposizione,
insieme ai dati costruttivi e di targa di ogni singolo
componente.
Per cercare di descrivere correttamente il funzionamento
dell’ impianto, in funzione delle diverse condizioni ambientali
cui è sottoposto, sono stati scelti alcuni giorni significativi di
riferimento ed in particolare un giorno al mese per tutti i mesi
dell’ anno, nei quali l’ impianto ha lavorato a regime senza
spegnimenti e riavviamenti.
Il primo passo nell’ analisi dell’ impianto è consistito nella
valutazione della potenza termica asportata al condensatore. Si
considerano il processo e le trasformazioni che avvengono nel
ciclo termico ed in particolare nell’ ultimo stadio di turbina e
nel condensatore stesso.
Conoscendo le caratteristiche del condensato (pressione,
temperatura e portata in condizioni di saturazione in uscita),
pressione e temperatura del vapore in ingresso turbina e il
rendimento di espansione in turbina, si è potuto calcolare il
titolo di vapore ; reale in ingresso al condensatore. Il bilancio
termico al condensatore si esprime quindi come:
•
4 = K ⋅ ρ ⋅ ; ⋅ * (1)
Una volta ricavata la quantità di calore da smaltire, è stato
possibile effettuare l’ analisi diretta del circuito di
raffreddamento.
Nella gestione della centrale, e quindi nell’ acquisizione dei
dati, vengono monitorate le temperature dell’ acqua di
raffreddamento in ingresso e uscita dal condensatore; tutti gli
altri dati sono stati dedotti da considerazioni di bilancio
energetico. In particolare, valutata l’ efficienza di scambio
termico al condensatore (ε = 0.785) [1] è possibile dedurre la
portata d’ acqua effettiva inviata alle torri.
Tutti i dati, forniti dal gestore, sono stati correlati con i dati
meteorologici dei giorni considerati (vedi tab. 1), rilevati da
un’ apposita centralina all’ interno dell’ area della centrale, al
fine di caratterizzare il funzionamento delle torri nelle varie
condizioni atmosferiche ed in particolare di evidenziare le
differenze rispetto ai dati di targa.
Tab. 1: dati meteorologici di un giorno tipo.
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0,1
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0,1
0,1
0,1
0,3
0,2
0,6
1,0
0,7
0,5
0,5
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,100
1,000
0,233
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949
-5
95
948
-5
95
949
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93
948
-6
93
948
-6
92
948
-7
94
949
-7
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949
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96
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98
954
-1
95
952
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77
947
5
63
944
5
62
944
7
63
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7
65
945
7
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947
4
86
948
1
95
948
-1
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948
-2
100
948
-3
99
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-3
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948
-3
96
948
-4
62,000 944,000 -7,000
100,000 954,000 7,000
88,292 948,042 -1,375
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386,75
384,13
379,67
383,03
386,57
385,74
381,12
377,23
373,88
375,42
369,79
360,31
353,92
367,17
369,61
386,15
400,40
403,61
401,61
399,51
396,39
396,35
391,54
387,63
353,920
403,610
383,230
0,425
0,425
0,394
0,394
0,394
0,365
0,365
0,365
0,425
0,573
0,713
0,881
0,881
1,012
1,012
1,012
0,822
0,663
0,573
0,533
0,494
0,494
0,494
0,459
0,365
1,012
0,590
2,715
2,661
2,462
2,413
2,413
2,209
2,255
2,303
2,681
3,685
4,456
4,489
3,680
4,163
4,226
4,361
3,910
3,765
3,594
3,514
3,261
3,228
3,162
2,902
2,209
4,489
3,271
# $ # " 9 . / ' 3 + : 7 + / %
1589,156
1563,191
1460,933
1436,959
1436,959
1333,304
1355,415
1378,657
1572,729
2091,582
2499,040
2543,092
2134,946
2395,638
2427,686
2496,309
2242,757
2146,783
2046,814
1999,775
1868,313
1852,258
1820,152
1686,470
1333,304
2543,092
1890,788
75$6)(5,0(172
',
Lo scambio di calore all’ interno delle torri evaporative
avviene per evaporazione dell’ acqua e per convezione.
Il processo di scambio termico tra aria ed acqua, che ha
luogo in tali dispositivi, è stato interpretato nel 1926 da
Merkel [2, 3], che propose l’ omonima teoria secondo cui il
trasferimento di calore tra i due fluidi è da attribuire alla
differenza di entalpia che tra di questi sussiste, detta anche
driving force.
La teoria di Merkel stabilisce che il raffreddamento
dell’ acqua in atmosfera dipende, ed è limitato, dalla
temperatura di bulbo umido; infatti, sul diagramma
psicrometrico le trasformazioni a Tbu costante approssimano le
isoentalpiche: la temperatura di bulbo umido è un’ indicazione
del “potenziale evaporativo” da parte dell’ aria atmosferica.
L’ acqua non può essere raffreddata al di sotto della 7JHK , che
coincide con la minima temperatura raggiungibile dall’ aria
qualora sia saturata con vapor d’ acqua a 7 • 7JK ; nel caso
limite in cui l’ acqua con cui l’ aria è saturata sia immessa alla
temperatura di uscita dell’ aria dal saturatore, si ha il processo
di saturazione adiabatica [4].
La variabilità delle condizioni atmosferiche (temperatura ed
umidità relativa) influisce sul funzionamento delle torri
soprattutto in relazione alle perdite percentuali per
evaporazione e trascinamento. Queste ultime possono essere
ritenute, in prima approssimazione, trascurabili: i dati di targa
del costruttore garantivano, al momento dell’ installazione,
perdite non superiori allo 0.2% della portata circolante; inoltre
l’ efficienza del frazionatore di gocce (vedi fig. 2) è stata
incrementata ulteriormente attraverso l’ impiego di un
materiale di riempimento di migliori prestazioni.
Fig. 2 : schema della torre evaporativa.
L’ acqua di reintegro da prelevare è quindi dipendente quasi
esclusivamente dall’ aliquota persa per evaporazione che è
funzione delle caratteristiche dell’ aria in ingresso e in uscita
dalla torre. La portata d’ aria è stata valutata in ingresso come
funzione della sezione (superficie di base) della torre, della
densità dell’ aria e della velocità media.
La velocità dell’ aria all’ interno della torre (e
conseguentemente la portata) non risulta costante nell’ arco
dell’ anno: i valori si modificano significativamente in
funzione della stagione; ciò comporta anche una variabilità
della quota di evaporato e una diversa proporzione fra calore
sensibile e latente ceduto. Infatti, le alte temperature della
stagione estiva non permettono elevati valori del salto termico
fra aria in ingresso ed uscita.
Di seguito si descrive il calcolo delle portate di
evaporazione per le condizioni ritenute estreme nell’ arco
dell’ anno, ossia alle ore 01:00 del 15 gennaio e alle ore 14:00
del 15 luglio.
Per il caso invernale, i dati medi statistici riportano un
calore da smaltire alle torri pari a circa 125 MW con un solo
gruppo in funzione e due torri operative. Considerando che il
calore venga distribuito alle due torri in maniera uniforme, la
quota spettante alla singola cella è pari a 62.5 MW. I dati
dell’ aria umida in ingresso risultano:
7L:M N O P = -5.00 °C;
8L:M N O P = 2.71 gr/kg;
da cui si ricava:
YLM = 3.5 m/s;
7LM N KRQ = 19.61 °C;
8L:M N KRQ = 15.59 gr/kg;
e da questi la quantità d’ acqua evaporata:
*S T L U = 52.148 m3/h.
Essendo la portata totale d’ acqua inviata alle torri di ogni
condensatore pari a 18 946.5 m3/h, quella elaborata dalla
singola torre è pari a 9 473.25 m3/h; la percentuale di
evaporato risulta costituire lo 0.55% del totale, valore inferiore
a quanto previsto dal costruttore per il funzionamento
nominale (1.2%). Il calore sensibile disperso dalla torre è pari
al 45% del totale, mentre quello disperso per evaporazione è
pari al 55%.
Nel caso estivo tutte le torri risultano in funzione. Il calore
da smaltire per ogni gruppo è mediamente pari a 122 MW e,
sotto le ipotesi fatte in precedenza (ripartizione omogenea del
flusso di calore fra le torri), il calore che compete a ciascuna di
queste è di 24.4 MW.
Dai dati atmosferici:
7LM V O P = 29.00 °C;
8 V L:M V O P = 6.36 gr/kg;
ed impostando il bilancio energetico si giunge a:
YLM = 1.3 m/s;
7LM V KRQ = 30.27 °C;
8L:M V KRQ = 29.94 gr/kg;
Ne consegue che:
*S T L U . = 35.47 m3/h
ed essendo la portata totale (su 5 torri) di 19 962.30 m3/h, che
corrisponde a 3 992.46 m3/h per la singola torre, la percentuale
di evaporato risulta pari allo 0.88% del totale, valore
leggermente superiore a quello riscontrato nelle condizioni
invernali, ma sempre inferiore al dato di targa.
Dato il basso valore della differenza di temperatura
dell’ aria in estate fra l’ ingresso e l’ uscita (1.27°C), il calore
dissipato per convezione è pari a 0.54 MW (2,2% del totale),
mentre l’ evaporazione ne asporta il restante 97.8% (23.86
MW).
La quantità di calore prodotto dalla condensazione in un
solo gruppo risulta pressoché la stessa nei due casi, come
anche i valori delle portate circolanti al singolo condensatore
(lato acqua di raffreddamento); la notevole differenza delle
condizioni atmosferiche viene allora compensata tramite
l’ accensione di un maggior numero di torri in condizioni
estive, al fine di adattare il carico a temperature e umidità
specifiche dell’ aria più elevate.
&21)52172&21,'$7,',7$5*$
Il confronto fra i dati di targa e quelli ottenuti dal
funzionamento reale (tab. 2) evidenzia che il salto termico
subito dall’ acqua nella torre è vicino al valore proposto dal
costruttore e costante durante tutto l’ anno (anche perché
proprio su tale valore si basa la gestione e la regolazione
dell’ impianto di raffreddamento).
Tab. 3: confronto fra i dati di targa della torre evaporativa e le
condizioni di funzionamento estive ed invernali.
'DWLGL
WDUJD
&DULFR
,QYHUQDOH
&DULFR
(VWLYR
3RUWDWDDFTXDLQ
2 600 m3/h 9 473 m3/h
3 992 m3/h
LQJUHVVR
7HPSHUDWXUD
30.5°C
21.7°C
32.1°C
DFTXDLQLQJUHVVR
7HPSHUDWXUD
23.0°C
14.4°C
25.3°C
DFTXDLQXVFLWD
'7DFTXDFDOGDH
7.5°C
7.3°C
6.8°C
IUHGGD
&DORUHGLVSHUVR
23.0 MW
62.5 MW
24.4 MW
QHOODVLQJRODWRUUH
9HORFLWjPHGLD
3.5 m/s
1.3 m/s
Non fornita
GHOO¶DULD
8PLGLWjUHODWLYD
60%
97%
23%
GHOO¶DULD
7HPSGLEXOER
23°C
-5°C
29°C
VHFFRGHOO¶DULD
'7DULD
Non fornita
24.61°C
1.27°C
LQJUHVVRXVFLWD
3HUGLWHGLSRUWDWD
1.20%
0.55%
0.88%
SHUHYDSRUD]LRQH
Il funzionamento in condizioni “estive” approssima meglio
il regime nominale per quanto riguarda sia le condizioni
ambientali sia il calore complessivamente smaltito dalla
singola cella.
Le portate d’ acqua elaborate dalle torri risultano
sensibilmente diverse da quelle teorizzate, soprattutto nel caso
invernale, con conseguente incremento del flusso, fino a valori
molto elevati, tali da far presumere un non perfetto
bilanciamento fluidodinamico del circuito.
L’ impatto ambientale delle torri sul microclima delle zone
limitrofe è sicuramente dipendente dal fatto che l’ aria scaricata
può essere considerata in condizioni di saturazione quindi con
elevato valore dell’ umidità specifica. L’ aria atmosferica
attorno alla torre non è però in condizioni di temperatura e
pressione tali da poter assorbire l’ intero contenuto d’ umidità
trasportato dal flusso in uscita. La quota d’ acqua che condensa
genera una visibile nebbia denominato “pennacchio di
vapore”, la cui entità può essere valutata anche sul diagramma
psicrometrico [5]. I punti che si trovano al di sopra della curva
di saturazione rappresentano condizioni di sovra-saturazione
in cui l’ acqua in eccesso contenuta nel flusso d’ aria tende a
condensare subito dopo l’ uscita dalla torre, rendendo visibile il
pennacchio in atmosfera. Tracciando una retta sul diagramma
che unisce il punto rappresentativo dell’ ingresso dell’ aria ed il
punto di scarico, maggiore è l’ area compresa fra tale retta e la
curva di saturazione (verso l’ alto) e più intenso e visibile sarà
il pennacchio (fig. 3).
Fig. 3: condizioni di sovra-saturazione in estate ed in inverno.
Le condizioni più favorevoli alla formazione di questo
fenomeno risultano quelle invernali, come del resto già emerso
dai calcoli prima descritti.
3523267(',0,*/,25$0(172
La presenza di elevata umidità all’ uscita delle torri può
generare la condensazione di vapor acqueo sulle uperfici
esterne. Tale fenomeno non è auspicabile sia per la formazione
di strati di ghiaccio alle basse temperature atmosferiche, sia
per il deterioramento delle superfici esterne delle torri. Per
ovviare a questo inconveniente, si può adottare un opportuno
layout delle celle. Disponendo, infatti, una serie di torri con
l’ asse orientato nella direzione dei venti invernali prevalenti, si
combinano i vari flussi in uscita in modo tale da generare una
forza di galleggiamento superiore a quella imputabile al
singolo flusso, che spingerà la nebbia verso strati più alti, non
permettendo la ricondensazione diretta in prossimità del suolo
(fig. 4).
Fig. 4: disposizione ideale per la batteria di torri.
Per ciò che concerne gli aspetti fluidodinamici dei circuiti
di trasferimento dei fluidi, è da notare che, innanzitutto,
l’ unica condotta che porta il fluido dai condensatori alle torri,
se un solo gruppo risulta in funzione, elabora metà della
portata nominale; inoltre, le portate di adduzione ad ogni
singola torre risultano estremamente variabili in funzione del
numero di torri operative. L’ effetto della variabilità delle
portate si esplica in uno sbilanciamento idraulico del circuito
con conseguente aumento delle perdite di carico e maggior
consumo di energia nell’ organo di spinta. Inoltre, lo
scostamento, dalle condizioni nominali, del flusso d’ acqua che
arriva agli ugelli (fig. 5), non garantisce un’ adeguata
dispersione dell’ acqua nel flusso d’ aria in controcorrente.
Fig. 5: ugello impiegato nelle torri evaporative.
In condizioni invernali, quando funzionano solo 2 o 3 torri,
la velocità dell’ aria che evolve al loro interno è più elevata
rispetto al caso estivo, con conseguente aumento delle perdite
per trascinamento.
È quindi auspicabile la separazione dei circuiti dei due
condensatori, assegnando un gruppo di torri a ciascuno di essi,
allo scopo di poter gestire in maniera più flessibile il
funzionamento della centrale a carichi ridotti.
Un ulteriore intervento è inoltre costituito dall’ introduzione
di ventilatori nelle torri a velocità variabili. Attualmente questi
ultimi funzionano con regolazione ON/OFF (fig. 6), quindi la
portata d’ aria in ingresso alla torre è dipendente solo dalle
condizioni meteoclimatiche. Con ventilatori regolati a più
livelli di velocità, ad es. 2 o 3, si introduce la possibilità di
mantenere in opera tutte le torri, con ogni condizione
ambientale esterna, riducendo il calore ceduto dalla singola
cella, ma lasciando circolare all’ interno delle condotte e degli
spruzzatori portate d’ acqua sempre costanti.
Fig. 6: configurazione attuale dei ventilatori.
&21&/86,21,
L’ analisi parallela dei dati storici relativi ai parametri di
funzionamento della centrale termoelettrica e delle condizioni
meteoclimatiche ha reso possibile la completa conoscenza dei
meccanismi di scambio termico che avvengono all’ interno
delle torri evaporative. La forte variabilità stagionale di
funzionamento dei gruppi di raffreddamento ha messo in luce
la possibilità di modificare la distribuzione dell’ acqua ad ogni
torre, modulando la velocità dei ventilatori, allo scopo di
lasciare l’ esercizio delle torri, per il maggior tempo possibile,
vicino alle condizioni nominali. Tale obiettivo comporta
risparmi energetici nell’ alimentazione dell’ organo di spinta e
una diminuzione delle perdite d’ acqua per trascinamento. Il
corretto funzionamento dell’ impianto di raffreddamento
permette sia il miglioramento del ciclo di funzionamento della
centrale di produzione di energia elettrica che la
minimizzazione dell’ impatto sul territorio circostante
l’ impianto. Il sistema a torri evaporative modifica infatti sia il
corso d’ acqua utilizzato per il raffreddamento, sia il
microclima delle zone limitrofe a causa dell’ immissione in
atmosfera di quantità di vapore rilevanti.
120(1&/$785$
* = portata volumica [m3/s];
K = entalpia per unità di tempo [W];
•
4 = calore scambiato per unità di tempo [W];
7 = temperatura [K];
8 = umidità specifica [adimensionale];
Y = velocità [m/s];
; = titolo in vapore [adimensionale];
ε = efficienza dello scambiatore [adimensionale];
ρ = densità [kg/m3].
3HGLFL
DU = aria;
EX = bulbo umido;
FRQG = condensatore;
HYDS = evaporata.
LQ = ingresso;
OY = liquido-vapore;
XV = uscita.
5,)(5,0(17,%,%/,2*5$),&,
1.
2.
3.
4.
5.
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