Layout generale dell’impianto

Gli impianti di grande taglia utilizzano tutti gli accorgimenti visti in precedenza, che consentono di raggiungere rendimenti reali dell’ordine del 40%. Un esempio di layout di un impianto è riportato in figura 8.25, che fa riferimento alla centrale di Piacenza da 320 MW. Le trasformazioni realizzate sono riportate in figura 8.26. Si nota come l’impianto risulti alquanto complesso. Esso prevede, dopo una prima espansione nella turbina di alta pressione (0-2), un risurriscaldamento del vapore e quindi un’espansione in diversi corpi di turbina, con sdoppiamento dei flussi in bassa pressione. Lungo l’espansione in turbina sono presenti 8 spillamenti, di cui 7 alimentano dei rigeneratori a superficie, e uno alimenta il degasatore (5). Questa successione di spillamenti permette all’acqua di alimento, proveniente dal condensatore, di entrare nel generatore di vapore al punto A. Analizzando più nel dettaglio la linea di pre-riscaldo dell’acqua di alimento, si nota come, all’uscita del condensatore, siano presenti delle pompe di estrazione dell’acqua dal condensatore, e delle pompe

booster, che alimentano il degasatore. Questo quindi divide l’impianto in due: la zona di bassa pressione e quella di alta pressione. E’ infatti presente una terza stazione di pompaggio, che porta l’acqua di alimento in uscita dal degasatore alla pressione di evaporazione.

Figura 8.26. Ciclo termodinamico realizzato nella centrale di Piacenza.

Per quanto riguarda il vapore spillato, se si analizzano gli scambiatori di alta pressione, si nota come il vapore spillato, fatto condensare al livello di pressione dello spillamento, venga quindi introdotto, previa laminazione isentalpica, nello scambiatore che lo precede, sfruttando così una quota di calore che altrimenti andrebbe persa. Così facendo, risalendo i diversi scambiatori a superficie, la somma delle portate spillate in alta pressione viene introdotta nel degasatore.

Al degasatore arriva inoltre l’acqua di alimento proveniente, attraverso gli scambiatori di bassa pressione, dal condensatore. Quest’acqua di alimento è la somma della portata di vapore proveniente dalla turbina e di tutte quelle spillate a bassa pressione. Anche i cascami di vapore degli spillamenti di bassa pressione vengono infatti laminati da uno scambiatore al precedente, fino al condensatore.

Si fa notare come il numero di pompe presenti nell’impianto sia sempre raddoppiato rispetto alle normali esigenze di funzionamento. Questo per garantire la continuità del servizio, anche in caso di rottura, e soprattutto per ragioni di sicurezza, in quanto il boiler (il corpo cilindrico) deve sempre essere alimentato. Va infatti sottolineato come gli impianti a vapore contribuiscano alla copertura del carico di base, e quindi debbano funzionare per un elevato numero di ore all’anno (8000 ore/anno), limitando al massimo le fermate per manutenzione dell’impianto. L’utilizzo di tali impianti per carichi di base è dettata dal fatto che sono impianti che mal sopportano i transitori di accensione e spegnimento. Basti pensare alle elevate superfici e portate in gioco nel generatore di vapore. Perché questo si porti a regime, partendo da fermo, ci vogliono transitori che durano ore, se non giorni, che quindi impediscono una rapida risposta dell’impianto alle variazioni del carico, cosa che invece vedremo essere perfettamente in grado di fare un impianto Turbogas.

Figura 8.27. Esempio di impianto termoelettrico.

Un impianto a vapore, nella realtà è ancora più complesso di quanto abbiamo visto fin qui, in quanto prevede la presenza, oltre che degli elementi che permettono la realizzazione del ciclo termodinamico, anche di una serie di elementi necessari ad esempio alla movimentazione e trattamento del combustibile, al trattamento dell’acqua di reintegro (per compensare perdite di vapore nei circuiti) così come di quella di raffreddamento del condensatore, oltre che di sistemi per

il raffreddamento dell’alternatore. Un esempio di impianto a vapore, con ausiliari annessi, è riportato in figura 8.27. Da questa figura si nota come l’elemento più ingombrante risulti sicuramente essere il generatore di vapore.

Nell’impianto in figura sono rappresentati tutti i possibili sistemi di approvvigionamento del combustibile. I generatori di vapore degli impianti termoelettrici possono infatti essere alimentati da diversi tipi di combustibile (metano, olio combustibile, polverino di carbone), che richiedono diversi trattamenti.

Tutti questi elementi che compongono l’impianto consumano a loro volta energia. Ciò che quindi può essere in definitiva immesso sulla rete elettrica sarà la potenza utile fornita dalla turbina, al netto dei consumi interni dell’impianto, così come rappresentato in figura 8.28.

Gli impianti ENEL dislocati sul territorio nazionale sono principalmente di due taglie: da 320 MW e da 600 MW. Queste taglie vengono poi usate in maniera modulare per impianti di taglia superiore. Il rendimento dell’impianto è tanto maggiore quanto più è grande la sua taglia. Esso può raggiungere il 42 - 44 % lordo con Tmax = 570 – 600°C e pressione maggiore di quella critica.

Figura 8.28. Consumi degli ausiliari.

8.9. Il condensatore

Vediamo a questo punto nel dettaglio come è fatto un condensatore, e gli eventuali componenti ad esso ausiliari. Innanzitutto il condensatore assolve a più funzioni. Oltre a quella ovvia di condensare il vapore umido proveniente dalla turbina, esso deve creare il vuoto alla pressione desiderata a valle della turbina, per migliorare il rendimento del ciclo. Un’ultima funzione è quella di de-aerare il condensato, per eliminare eventuali gas disciolti, come l’ossigeno, che, ad alta temperatura, diventa corrosivo.

Si ricorda che il condensatore opera in condizioni di pressione inferiori a quella atmosferica. Possibili infiltrazioni di aria dall’esterno tendono ad innalzare la pressione del condensatore, riducendo il salto entalpico disponibile sulla turbina. I gas vanno quindi eliminati con continuità, per garantire il grado di vuoto richiesto e assicurare che non via sia ossigeno disciolto. L’eliminazione dei gas avviene per mezzo di eiettori alimentati a vapore, durante il normale esercizio dell’impianto. Un eiettore altro non è se non un tubo di Venturi in cui viene accelerato il vapore. La sezione di gola del tubo di Venturi è collegata alla zona dove si raccolgono i gas. Nella

sezione di gola si realizza una depressione tale da essere in grado di aspirare i gas presenti nel condensatore, convogliandoli all’esterno.

Il condensatore non è altro che uno scambiatore di calore a superfici, la cui geometria è quella classica “shell&tube”, con le tubazioni a baionetta, così come mostrato in figura 8.29. Sono previsti due percorsi separati in parallelo per l’acqua di raffreddamento, in modo che, se se ne rompe uno, l’altro può continuare a funzionare. Questa configurazione è inoltre utile nelle fermate per manutenzione, garantendo la continuità del servizio.

Con riferimento alla figura 8.29, il vapore umido proveniente dalla turbina percorre il condensatore all’esterno dei tubi, al cui interno circola invece l’acqua di raffreddamento. Il vapore quindi condensa sulla superficie esterna dei tubi, e il condensato viene raccolto in basso, in quello che viene chiamato pozzo caldo. L’acqua nel pozzo caldo si trova in condizioni sature a una temperatura che dipende dalla temperatura e dalla portata dell’acqua di raffreddamento, oltre che dalle superfici di scambio termico esistenti nel condensatore. Una pompa di estrazione dell’acqua permette di me ttere in circolo l’acqua contenuta nel pozzo caldo, inviandola in caldaia o negli eventuali elementi interposti.

Nel progetto di un condensatore bisogna perseguire i seguenti obiettivi: minimizzare le perdite di carico, eliminare l’aria e massimizzare l’efficienza di scambio termico. Per il resto, esso è un classico scambiatore a superfici, per cui si adottano i metodi classici per il loro dimensionamento. Si ricorda che la potenza termica da asportare può essere legata alla portata d’acqua di raffreddamento dalla relazione seguente:

O H O H c T m Q 2 2 2 = ∆ (8.44)

in cui ∆TH2O è la variazione di temperatura che l’acqua di raffreddamento subisce nell’attraversare il condensatore. D’altra parte, la potenza termica scambiata può essere anche espressa in funzione del coefficiente globale di scambio termico U, della superficie di scambio termico S e di una differenza di temperatura media logaritmica:

Figura 8.30. Andamento delle temperature lungo il condensatore.

ml

T US

Q₂ = ∆ (8.45)

Con riferimento alla figura 8.30, che riporta gli andamenti delle temperature lungo lo scambiatore, la differenza di temperatura media logaritmica risulta così definita:

(

)

(

)

Il coefficiente globale di scambio termico risulta invece dalla messa in serie delle resistenze termiche relative alla convezione esterna, alla conduzione attraverso la parete della tubazione (trascurabile), alla convezione interna, più possibili contributi legati allo sporcamento:

o sporcament e i h h s h U 1 1 1 1 + + + = λ (8.47)

essendo s lo spessore della superficie e λ la conduttività del materiale.

L’acqua di raffreddamento può essere direttamente prelevata dall’ambiente (lago, fiume), e reintrodotta nell’ambiente ad una temperatura maggiore, così come mostrato in figura 8.31a, ovviamente nel rispetto dei limiti imposti dalla normativa vigente in materia di inquinamento e immissioni in atmosfera. Un’altra possibilità è quella di utilizzare un circuito semi-chiuso (figura 8.31b), in cui il raffreddamento dell’acqua avviene in torri di raffreddamento evaporative (Wet). In questo caso l’acqua di raffreddamento viene mandata in una torre di raffreddamento, mentre il prelievo dall’ambiente è limitato al solo reintegro delle perdite. Un’ulteriore possibilità, applicabile però agli impianti di potenza limitata, è quello di usare un condensatore direttamente raffreddato ad aria (figura 8.31c), e quindi senza la presenza di acqua di raffreddamento.

Esistono poi diverse tipologie di torri di raffreddamento, oltre a quelle evaporative di figura 8.31b. La figura 8.31d mostra un esempio di torre “Dry”, in cui l’acqua di raffreddamento viene inviata in uno scambiatore, dove viene raffreddata per convezione forzata dall’aria ambiente. Esistono poi condensatori, detti a contatto diretto, dove non esiste una separazione tra vapore condensante e acqua di raffreddamento. Come mostrato in figura 8.31e, il vapore proveniente dalla turbina viene condensato miscelandolo con acqua fredda, opportunamente spruzzata per aumentare la superficie di contatto. Il condensato viene poi raffreddato ad aria in una torre.

Un’ultima tipologia, riportata in figura 8.31f, consiste nell’utilizzare un fluido diverso dall’acqua, come l’ammoniaca, come fluido refrigerante. In questo caso, il circuito di raffreddamento è un circuito chiuso, e le condizioni iniziali vengono ripristinate mandando il fluido in una torre di tipo secco.

Nelle torri di raffreddamento evaporative, come quelle rappresentate in figura 8.32, l’acqua viene spruzzata in controcorrente rispetto all’aria. L’acqua viene inoltre fatta percolare su superfici metalliche, in modo da aumentare il più possibile le superfici di contatto tra acqua e aria.

T

S Tv

Ti

Figura 8.31. Sistemi di raffreddamento dell’acqua di raffreddamento del condensatore.

L’aria, prelevata dall’ambiente viene convogliata nella torre da opportuni ventilatori, e esce quindi dalla torre satura d’acqua. Una frazione d’acqua quindi evapora, sottraendo calore all’acqua che la circonda, e viene trascinata via con l’aria. L’acqua che si è raffreddata viene raccolta sul fondo della torre, e rimandata in circolo da opportune pompe. Quest’acqua si trova ad una temperatura pari alla temperatura di bulbo umido dell’aria. La temperatura di ingresso nel condensatore, in caso di

a) b)

c)

d)

utilizzo di torri evaporative è quindi funzione delle condizioni atmosferiche, essendo dipendente dalla temperatura dell’aria e dalla sua umidità relativa.

Figura 8.32. Torri evaporative.

La tipologia e le prestazioni del sistema di raffreddamento dell’acqua quindi impongono non solo la temperatura di ingresso nel condensatore, ma anche il massimo ∆T che l’acqua di raffreddamento è in grado di subire, essendo questo stesso ∆T ciò che la torre deve essere in grado di sottrarre.

Nei condensatori ad aria, lo scambio termico avviene direttamente tra l’aria ambiente, movimentata attraverso opportuni vent ilatori, e l’acqua di raffreddamento, che invece circola in fasci tubieri alettati. Vengono utilizzate alettature per aumentare la capacità di scambio termico.

Anche nel caso in cui l’acqua di raffreddamento venga prelevata direttamente dall’ambiente, la sua temperatura non è costante, ma sottoposta ad un regime stagionale. E’ allora evidente che, qualunque sia il tipo di condensatore adottato, e di sistema di raffreddamento, le sue prestazioni peggioreranno nei mesi estivi, per aumentare invece nel periodo invernale.