Descrizione e studio dei nuovi component

Il componente principale del nuovo sistema è il motore a combustione interna alimentato a gas naturale. La macchina ha una potenza nominale elettrica e termica rispettivamente di 10387 KWel e 5721 KWth. Quest’ultima è intesa come potenza termica recuperabile dal solo circuito di raffreddamento del motore, che ha il compito di mantenerne i componenti nelle corrette condizioni operative e congiuntamente di preriscaldare l’acqua proveniente dalla rete di teleriscaldamento. In figura 2.1 è riportato uno spaccato dell’unità cogenerativa in questione, composta da: motore, generatore ed al TC-module (Turbo Charger Module).

Figura 2.1 Spaccato motore a gas naturale.

In figura 2.1 è riportato uno spaccato dell’unità cogenerativa in questione, composta da: motore, generatore ed al TC-module (Turbo Charger Module). Si tratta di un motore ad

accensione comandata a quattro tempi, raffreddato ad acqua, di venti cilindri (V20). Esso è munito di un avanzato sistema di combustione magra: una miscela di gas con

eccesso di aria è fornita all’ unità di potenza per minimizzare le emissioni durante la

combustione al suo interno. Per quanto riguarda il generatore, consiste in un generatore auto-eccitato ed auto-regolato

trifase. Esso è composto da un generatore principale (costruito come una macchina a campo magnetico rotante), la macchina eccitatrice (progettata come una macchina ad armatura rotante) ed un sistema digitale di eccitazione. Il regolatore digitale è azionato da

un generatore sincrono a magneti permanenti. Nel TC-module sono contenuti due turbocompressori posti in parallelo, posizionati su due

bancate differenti, il cui compito è di alimentare le due schiere dei cilindri del motore V20 con aria compressa e mantenuta a temperature contenute. Le turbine dei turbo-compressori sono azionate da i gas provenienti dal collettore di scarico del motore, le quali guidano i corrispettivi compressori calettati sullo stesso albero. Ognuno dei turbocompressori è dotato di un doppio sistema di refrigerazione operato tramite intercooler o charge air cooling (CAC). Un primo intercooler è posto tra i due stadi di compressione, mentre il secondo è posto tra il secondo stadio di compressione e il circuito di ingresso dell’aria verso i pistoni. Ognuno dei due intercoolers è suddiviso a sue volta in due sezioni di alta e bassa temperatura (HT ed LT) nelle quali circolano differenti e separate portate di acqua.

29 minori e a parità di volume, la densità e quindi la portata massica di aria in ingresso

aumentano, incrementando perciò performance ed efficienza dell’ unità produttiva. All’interno del TC-module sono presenti anche gli altri due componenti del sistema di raffreddamento del motore. Il primo è utilizzato per il raffreddamento dell’olio lubrificante ed il secondo per raffreddare ogni camicia dei cilindri del motore. Tutto il sistema di raffreddamento è dotato di pompe di circolazione e numerose valvole per controllare e

gestire correttamente le portate da far circolare ad ogni singolo componente. Vi sono inoltre presenti il sistema di alimentazione del metano ed aria comburente con

relativi circuiti di collegamento, il sistema di lubrificazione, il sistema di ventilazione del gas di scarico ed infine numerosi sensori atti a monitorare i parametri di funzionamento (pressione, temperatura, portata, umidità) necessari a garantire il corretto funzionamento dei sistemi poc’anzi elencati. L’azienda fornitrice, contattata da SEA energia spa, ha fornito il data-sheet della suddetta unità insieme ad un numero limitato di simulazioni del suo funzionamento condotte tramite l’ausilio del software thermoflex.

Figura 2.2 Data-sheet motore.

Sono ivi riportati nella Figura 2.2 i valori di potenza in ingresso, in termini di consumo di gas naturale e relativi volumi; gli output di potenza meccanica, elettrica e termica; i

rendimenti termici, elettrici e globali a diversi carichi del motore: 50%-75%-100%. Le formulazioni a con le quali sono state calcolate le efficienze sono le seguenti:

𝐸𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑦 = 987LE^_Lr8 pKEuKE

?pŠ7^ _suKE (2.1)

𝑇ℎ𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑦 = MpEr8 ^7Lp•7^rq87 EF7^<r8 pKEuKE

?pŠ7^ _suKE (2.2)

𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑦 = 987LE^_Lr8OMpEr8 ^7Lp•7^rq87 EF7^<r8 pKEuKE_{?pŠ7^ _suKE} = MpEr8 pKEuKE k7s7^rE7l_{?pŠ7^ _suKE} (2.3)

Tali formulazioni sono del tutto speculari a quelle introdotte nel primo capitolo, ovvero rispettivamente: rendimento elettrico netto (1.1), rendimento termico netto (1.2) e fattore di utilizzo del combustibile, o rendimento di primo principio, o rendimento totale (1.3). Questi dati sono relativi al solo componente motore a sé stante, senza prendere in

considerazione gli ulteriori componenti che andranno a costituire l’impianto definitivo da installare nella centrale. Tutte le grandezze definite sono state valutate in condizioni standard di riferimento (standard reference conditions):

- Pressione: 1000 mbar (14,5 psi) o 100 m (328 ft) sopra il livello del mare. - Temperatura dell’aria: 25 °C (77 °F) o 298K. - Umidità relativa: 30%.

Tali specifiche rispecchiano in buona approssimazione le condizioni in cui andrà ad operare la macchina. Infatti l’altezza in cui e collocata la centrale è di 108 m s.l.m. Per quanto riguarda la temperatura dell’aria il valore standard si attesta mediamente più in alto di quello reale di funzionamento nei mesi primaverili, invernali ed autunnali. Questo significa che teoricamente si dovrebbero avere prestazioni al di sopra di quelle riportata nel data-sheet in termine di efficienza e produzione elettrica. Nei soli mesi estivi si possono

registrare temperature che nell’arco della giornata superino la soglia dei 25 °C. Più avanti nella tesi si manterranno i valori delle prestazioni riportati nel data-sheet anche per condizioni di funzionamento durante i mesi in cui le temperature sono effettivamente più basse. Infatti, è bene mantenere questo approccio conservativo, in quanto solitamente i dati riportati dai costruttori rappresentato sempre dei valori piuttosto ottimistici delle

prestazioni delle loro macchine. Per ciò che concerne l’umidità relativa si nota che il valore riportato è mediamente

inferiore a quello medio giornaliero del sito, tuttavia risulta essere un parametro di scarsa

influenza al fine della seguente analisi. Le specifiche tecniche sono inoltre riferite ad un potere calorifico inferiore del metano pari

31 centrale di Linate. Come precedentemente accennato, oltre al motore a combustione interna descritto, il sistema completo di cui è prevista l’installazione sarà dotato di ulteriori componenti quali:

- Sistema di trattamento dei gas di scarico (SCR+OXI catalyst) il quale dovrà garantire specifiche di concentrazioni di sostanze nocive sotto determinati valori (NOx ≤ 75 mg/Nm3, CO ≤ 100 mg/Nm3, NH3 slip < 10 mg/Nm3). Nel processo del SCR (Selective Catalytic Reduction) i livelli di ossidi di azoto (NOx) sono abbattuti all’interno della camera catalitica convertendoli in azoto

neutralizzato tramite l’aggiunta di urea. Serbatoi di urea sono presenti nell’attuale impianto, in quanto gli attuali gruppi

cogenerativi utilizzano una tecnologia simile per la riduzione delle emissioni inquinanti e nocive, non sarà perciò oneroso integrare questo nuovo sistema. Il processo di catalizzazione OXI consiste nella riduzione del contenuto di CO (monossido di carbonio) nei gas di scarico, i quali reagiscono passando attraverso il corpo riducente rivestito di metalli nobili.

- Un diverter con la funzione di by-pass della caldaia a recupero da parte dei gas combusti. Esso ha una regolazione in continuo e può essere azionato in casi in cui la potenza termica richiesta dalle utenze sia non superiore a quella

recuperabile dal solo circuito di raffreddamento del motore, oppure in casi di

emergenza dovuti a problematiche nella caldaia a recupero. I gas deviati vengono direttamente mandati al camino e da qui espulsi in

atmosfera.

- Un post-combustore (post-firing) con relative linee di compressore per il gas naturale e per l’eventuale reintegro di aria comburente per garantire una

efficiente combustione. Più in seguito verrà condotta una analisi sui quantitativi di nuova aria comburente necessaria e si mostrerà come a bassi carichi del post-

firing e alti carichi del motore non ve ne sarà necessità. Il compito del post-combustore è di maggiorare l’apporto di energia termica

resa disponibile alla caldaia a recupero. La potenza di targa di questo componente è di 9276 KWth, intesa come potenza

termica del gas di alimentazione, calcolata come: 𝑃𝑡ℎ, 𝑔𝑎𝑠 = 𝑚_kr•∗ 𝑃𝐶𝐼_kr• Esso è caratterizzato da una regolazione in continuo con uno step minimo di

accensione del 7%, corrispondente ad una 𝑃𝑡ℎ, 𝑔𝑎𝑠 = 649 𝐾𝑊 . La temperatura massima di progetto sopportabile all’ ingresso della caldaia a

recupero è di 730°C. Grazie ad un efficiente sistema di pre-miscelamento è possibile mantenere bassi

- Una caldaia a recupero ove l’acqua preveniente dal teleriscaldamento viene surriscaldata fino ad un massimo di 110°C, temperatura di progetto del sistema, grazie al recupero termico dei gas di scarico provenienti dal motore ed

eventualmente trattati nel post-combustore. Essa è composta al suo interno da

due scambiatori in controcorrente. Il primo scambiatore, ovvero quello che i fumi caldi incontrano

immediatamente all’ingresso della caldaia a recupero, presenta dimensioni maggiori del secondo ed infatti scambia potenze termiche di un ordine di

grandezza superiori ad esso. Il secondo tratta una minore portata di acqua, ricircolata dal flusso proveniente direttamente dal teleriscaldamento. Questa portata si miscela poi con il flusso proveniente dai circuiti di raffreddamento del motore ed entra così nel primo scambiatore, ove raggiunge la temperatura desiderata per la mandata alla rete di teleriscaldamento.

- Un camino attraverso il quale vengono espulsi i gas combusti in atmosfera, al quale sarà installato un sistema di controllo sulle emissioni di sostanze

inquinanti, oltre a sensori di temperatura e pressione

- Un elettro-dissipatore con la funzione di garantire una temperatura di ingresso al motore di 70°C, necessaria a garantire un corretto raffreddamento e quindi efficienza. Risulta assai improbabile che la temperatura di ritorno dal

teleriscaldamento possa tornare a temperature inferiori di 70°C alla centrale di

Linate viste le situazioni misurate nei suoi 11 anni di esercizio. Si preferisce inserire questa fonte di assorbimento elettrico ma garantire un

funzionamento ottimale del motore.

- Sistema di pompaggio per la circolazione del fluido termovettore del teleriscaldamento all’interno dei diversi componenti e sistemi di recupero termico del nuovo sistema

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La sovrastante figura mostra lo schema d’impianto rappresentato in una delle simulazioni condotta tramite il software thermoflex dall’azienda costruttrice. In tale simulazione il sistema si trova in condizioni nominali di carico del motore e del post combustore. Si nota (come detto nella descrizione della caldaia a recupero) che una parte della portata proveniente dal sistema di teleriscaldamento viene dapprima ricircolata nel secondo scambiatore di calore, tramite apposita pompa di ricircolo a giri variabili, mentre la rimanente parte entra direttamente nel circuito di raffreddamento del motore. Le due

portate vengono poi miscelate ed entrano nel primo scambiatore. Nella presente simulazione sono rappresentati i valori di pressione [bar], temperatura [°C], portata [t/h] ed entalpia [KJ/kg] nei vari punti di interesse del ciclo. Sono inoltre presenti i valori delle potenze termiche elaborate dai singoli scambiatori, la potenza termica ed elettrica del motore, il rendimento elettrico del motore, il rendimento di primo principio nominale ed infine la potenza termica, ovvero quella ceduta al circuito di teleriscaldamento riportato in alto a destra. Il rendimento di primo principio nominale indicato in figura è definito come:

𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑖 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑜 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑖𝑜 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒 = ?pE7s—r 787EE^_LrO?EF,L^_LK_Ep˜MO™M

?HI,gš› (2.4)

Gli altri rendimenti riportati sono i medesimi riportati in precedenza.