Come già detto, la combinazione di cicli Brayton per turbine a gas e cicli Rankine per impianti di potenza a vapore porta alla formazione di efficienti cicli combinati. Il ciclo Brayton è caratterizzato da elevate temperature e scarica calore ad una temperatura che può essere convenientemente utilizzata come fonte di energia per il ciclo Rankine. Per il recupero di fonti a bassa temperatura si sono diffusi cicli che utilizzano fluidi di lavoro alternativi (organic fluids, potassium vapor, mercury vapor e altri), ma ancora non applicati su scala [7].
I sistemi a ciclo combinato che utilizzano aria e vapore come fluidi di lavoro hanno raggiunto applicazioni commerciali di vaste proporzioni dovuti a:
• Elevati rendimenti termodinamici attraverso l’applicazione di due cicli
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• Calore in uscita dal ciclo Brayton a temperature tali da essere utilizzabile
in modo semplice ed efficiente.
• Fluidi di lavoro (acqua e aria) che sono prontamente disponibili,
economici e non tossici.
Inoltre questi impianti di potenza ciclo combinato (CCPP) presentano una determina flessibilità con caratteristiche che includono:
1 Elevata efficienza termica. Il rendimento termodinamico di un ciclo combinato è superiore rispetto agli altri sistemi di produzione energetica convenzionali.
2 Ridotti costi d’istallazione. I componenti per un ciclo combinato sono preingegnerizzati e prodotti industrialmente in modo da minimizzare tempi e costi di istallazione. Tutte le sezioni più importanti (GT, caldaia a recupero HRSG e ST), sono consegnate sul campo come componenti assemblati e testati. Il costo dei componenti di un impianto a ciclo combinato è maggiore rispetto a quello di impianti a vapore convenzionali a causa della preingegnerizzazione; tuttavia l’istallazione di un impianto a ciclo combinato presenta costi sensibilmente più bassi.
3 Flessibilità del combustibile. Gli impianti a ciclo combinato operano efficientemente con la combustione di un ampio range di combustibili, che va dal gas naturale pulito e petrolio raffinato fino a petrolio greggio e combustibili di petrolio residuo. Funzionamento con gas combustibili derivati dal carbone sono frequenti in sistemi a ciclo combinato di taglia commerciale.
4 Cicli di lavoro flessibile. I sistemi a ciclo combinato presentano una certa flessibilità sia in condizioni di esercizio nominale che ai carichi parziali, consentendo avviamenti (startup) giornalieri. Le turbine a gas in configurazione combinata multishaft possono avviare rapidamente, portando in rete circa due terzi della potenza d’impianto tipicamente in meno di 60 minuti. Gli impianti a ciclo combinato sono altamente efficienti anche in condizioni di off-design.
5 Brevi tempi di istallazione. Gli impianti a ciclo combinato possono essere istallati e diventare operativi in un tempo minore rispetto a quanto richiesto per gli
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impianti a vapore convenzionali. Questo è nuovamente attribuibile alla preingegnerizzazione dell’impianto e alla produzione in fabbrica.
6 Elevata affidabilità/disponibilità. L’elevata affidabilità deriva da uno sviluppo evolutivo della progettazione, che ha migliorato parti e componenti, e dai programmi di qualità della produzione che offrono test di funzionamento in fabbrica. L’alta disponibilità è raggiunta attraverso lo sviluppo nelle pratiche di manutenzione, che spettano principalmente all’utilizzatore. L’esperienza del produttore e le raccomandazioni contribuiscono su questi aspetti.
7 Bassi costi di funzionamento e di manutenzione. Ridotti costi sono ottenuti attraverso un'accurata fase di design, operazioni prudenti, e una progettazione dell’intera sezione che permetta zone accessibili per l’ispezione delle parti.
8 Alti rendimenti in seguito all’incremento di piccole istallazioni. Le turbine a gas sono progettate e prodotte in taglie di determinate dimensioni. Per esempio la linea di produzione di turbine a gas per impianti combinati heavy-duty di GE, include le unità MS6001B (50 Hz and 60 Hz), MS7001FA (60 Hz), MS7001B (60 Hz) e la MS9001FA (50 Hz), che coprono potenze di output approssimativamente dai 37 ai 250 MW. L’applicazione di questi modelli di turbina a gas nei sistemi a ciclo combinato in installazioni con singole o multiple turbine a gas e HRSG, consente una produzione di potenza da circa 50MW a diverse migliaia di megawatt mantenendo costante l’efficienza termica dell’impianto.
I cicli combinati di tecnologia H di GE rappresentano i più avanzati sistemi di produzione energetica ora disponibili (Figura 2.1). Questi sistemi a ciclo combinato possono raggiungere rendimenti termodinamici del 60% bruciando gas naturale.
Il loro impatto ambientale per kilowatt-ora è il più basso di tutti gli impianti di potenza a combustibili fossili [10].
Per essere competitiva nel mercato degli impianti a ciclo combinato, GE ha bisogno di turbine a vapore che siano efficienti ai carichi nominali ma altrettanto robuste per essere utilizzate nelle varie condizioni climatiche, nelle diverse configurazioni e per ogni condizione di esercizio (Figura 2.1) [11].
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Figura 2.1. Unità a ciclo combinato di tecnologia avanzata.
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La prospettiva di poter rispondere alla crescente di domanda energetica con il minimo consumo di combustibile rende di grande interesse la definizione di una strategia per l’ottimizzazione dei sistemi a ciclo combinato. Il proposito dei più importanti produttori mondiali coinvolti in questo settore è quello di raggiungere rendimenti termodinamici globali di oltre il 60% in un breve periodo [12].
A tale proposito Rovira et al. [13] mostrano una metodologia per ottenere l’ottimizzazione termo- economica di un impianto a ciclo combinato tenendo conto del frequente funzionamento in condizioni operative di fuori progetto. L’obiettivo è quello di migliorare il progetto termo-economico dell’impianto considerando un più realistico scenario di funzionamento annuo.
Molteplici studi sono attualmente rivolti ad un’ottimizzazione termo- economica delle caldaie a recupero. Nella pubblicazione di Franco et al. [12] è definita una completa strategia per una progettazione ottimale delle caldaie a recupero. L’ottimizzazione è strutturata su due livelli: il primo consente di ottenere i principali parametri di funzionamento del HRSG, mentre il secondo comporta una dettagliata progettazione dei componenti con riferimento alle variabili geometriche relative alle sezioni di scambio termico.