4.2.1 Cogeneratore
Il modello che descrive il motore a combustione interna è basato sui datasheet forniti dall’azienda, i quali mostrano gli output di potenze di interesse, elettrica e termica recuperabile, in base al fattore di carico parziale, che coincide con il rapporto tra potenza meccanica in uscita e potenza meccanica alle condizioni nominali. È stata quindi creata una function che, dato il fattore di carico parziale in ingresso, permette di ottenere potenza elettrica in uscita e i rendimenti elettrico e termico della macchina, attraverso i quali è possibile risalire al consumo di combustibile e alla potenza termica recuperabile sia a bassa temperatura, per la produzione di acqua calda, sia a temperatura elevata, per la produzione di vapore. Le relazioni che legano queste grandezze sono:
𝑚̇𝐼𝐶𝐸= 1 𝐿𝐻𝑉∙ 𝑃𝐼𝐶𝐸 𝜂𝐼𝐶𝐸,𝑒𝑙 𝑄𝐻,𝐼𝐶𝐸 = 𝜂𝐼𝐶𝐸,𝑡ℎ𝐻∙ 𝑃𝐼𝐶𝐸 𝜂𝐼𝐶𝐸,𝑒𝑙 𝑄𝐿,𝐼𝐶𝐸 = 𝜂𝐼𝐶𝐸,𝑡ℎ𝐿∙ 𝑃𝐼𝐶𝐸 𝜂𝐼𝐶𝐸,𝑒𝑙
𝑚̇𝐼𝐶𝐸 [kg/s] Portata di combustibile di alimentazione
92 𝑄𝐻,𝐼𝐶𝐸 [kW] Potenza termica ad alta temperatura disponibile
𝑄𝐿,𝐼𝐶𝐸 [kW] Potenza termica a bassa temperatura disponibile
𝜂𝐼𝐶𝐸,𝑒𝑙 [ – ] Rendimento elettrico
𝜂𝐼𝐶𝐸,𝑡ℎ𝐻 [ – ] Rendimento termico (alta temperatura)
𝜂𝐼𝐶𝐸,𝑡ℎ𝐿 [ – ] Rendimento termico (bassa temperatura)
I valori di uscita sono frutto di una interpolazione interna alla function, in quanto per il motore sono disponibili solamente dati a carichi parziali del 50%, del 75% e del 100%, tra cui la potenza elettrica e quelle termiche recuperabili. Nel modello adottato si è deciso di considerare potenza termica ad alta temperatura solamente quella recuperata dai gas di scarico, in quanto solo qui si hanno temperature abbastanza elevate per permettere la produzione di vapore a 8 bar. Per la produzione di acqua calda invece le potenze termiche recuperabili sono quelle dal primo stadio di intercooler, dal raffreddamento del motore stesso (jacketing) e dal raffreddamento dell’olio lubrificante.
In Figura 4.3 si riporta l’andamento dei rendimenti elettrici e termici per il motore Jenbacher JMS320GS-B05 preso in considerazione, descritto al Capitolo 2.3.2. Si osserva che le prestazioni non variano sensibilmente con il fattore di carico.
93 Per l’energia termica effettivamente recuperata dalla prima unità cogenerativa è stata creata una ulteriore function (Capitolo 4.2.3), che descrive gli scambiatori gas/vapore e acqua/acqua a valle del cogeneratore.
4.2.2 Turbine
A differenza del motore a combustione interna, il fattore di carico parziale delle turbine viene fatto coincidere con il rapporto tra potenza elettrica prodotta e potenza elettrica nominale: noto il fattore di carico è quindi nota anche la potenza elettrica prodotta. Per le turbine è inoltre disponibile, da scheda tecnica20, un numero
maggiore di passi per la discretizzazione ai carichi parziali, dal carico minimo di 15 kW al carico massimo nominale di 200 kW, con passo 1 kW. Per ogni step si hanno sia il rendimento termico che quello elettrico. All’interno della function si è preferito limitare questa grande quantità di informazioni con una discretizzazione più lasca, andando poi a interpolare tra i fattori di carico intermedi. Per contro, la potenza termica in uscita è solamente quella recuperata dai gas di scarico caldi, che passano da due scambiatori in serie per la produzione di vapore e di acqua calda. Per questi ultimi si è resa necessaria una successiva modellazione, analogamente a quanto detto per il motore a combustione interna. Si hanno perciò le seguenti relazioni:
𝑃𝑇 = 𝑃𝑇,𝑛𝑜𝑚∙ 𝐿𝑇 𝑚̇𝑇 = 1 𝐿𝐻𝑉∙ 𝑃𝑇 𝜂𝑇,𝑒𝑙 𝑄𝑇 = 𝜂𝑇,𝑡ℎ 𝑃𝑇 𝜂𝑇,𝑒𝑙
𝑃𝑇,𝑛𝑜𝑚 [kW] Potenza elettrica nominale della turbina: 200 kW
𝐿𝑇 [ – ] Fattore di carico parziale
𝑚̇𝑇 [kg/s] Portata di combustibile utilizzata
𝑃𝑇 [kW] Potenza elettrica erogata
𝑄𝑇 [kW] Potenza termica recuperabile
𝜂𝑇,𝑒𝑙 [ – ] Rendimento elettrico
𝜂𝑇,𝑡ℎ [ – ] Rendimento termico
In Figura 4.4 si riporta l’andamento dei rendimenti elettrico, termico e globale come da schede tecniche della seconda unità cogenerativa, costituita dal gruppo di microturbine a gas naturale.
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Figura 4.4: Rendimenti termico, elettrico e globale delle turbine
4.2.3 Scambiatori per il recupero termico
Gli scambiatori di calore a valle del cogeneratore e delle turbine permettono il recupero dell’energia termica ancora contenuta nei gas caldi (sia per le turbine che per il motore) o nell’acqua di raffreddamento del motore. L’energia termica disponibile rappresenta quindi l’input delle due function che descrivono i dispositivi:
▪ Function per il recupero termico dal cogeneratore: - Scambiatore gas/vapore
- Scambiatore acqua/acqua
▪ Function per il recupero termico dalle turbine: - Scambiatore gas/vapore
- Scambiatore gas/acqua
Nel cogeneratore un primo recupero termico avviene dall’acqua di raffreddamento del motore stesso, utilizzata anche per il raffreddamento del circuito dell’olio lubrificante e del primo stadio di intercooler. La potenza termica disponibile è rappresentata dal termine QL,ICE, ovvero la potenza termica a bassa temperatura
in uscita dal motore. Il secondo recupero termico avviene in uno scambiatore gas/vapore che sfrutta l’energia contenuta nei gas di scarico ad elevata temperatura QH,ICE, e che può essere utilizzata per la produzione di
vapore ad 8 bar. La funzione adottata non fa altro che limitare la potenza termica recuperabile sulla base delle caratteristiche tecniche nominali delle due apparecchiature, imponendo quindi la potenza nominale per valori superiori di potenza termica in ingresso, di 504 kW per lo scambiatore gas/vapore e 602 kW per lo scambiatore acqua/acqua.
95 Per le turbine, i gas caldi passano prima dallo scambiatore adibito alla produzione di vapore, e successivamente a quello per la produzione di acqua calda, come riportato nello schema d’impianto in Figura 4.5. Il modello utilizzato prevede che sia data la precedenza alla produzione di vapore, in quanto lo scambiatore adibito a questo uso è il primo che viene attraversato dalla corrente di gas esausti, che rendono disponibile una potenza termica recuperabile pari a QT. In assenza di richiesta di vapore, tutto il calore residuo dei fumi delle turbine
verrà impegnato nella produzione di acqua calda, altrimenti dissipato se non ci sono richieste termiche di nessun tipo.
Figura 4.5: Schema del recupero termico effettuato a valle delle turbine