Nell’ambito della progettazione dell’impianto l’analisi delle prestazioni di design della caldaia e della turbina ricopre un ruolo fondamentale. Infatti, ogni componente dell’impianto è ottimizzato per operare alle condizioni di design specificate, di conseguenza per diverse condizioni operative si otterranno componenti con una diversa geometria.
Con l’analisi di design si è cercato per prima cosa di individuare il range di lavoro dell’impianto e soprattutto per quali valori di alta e bassa pressione viene raggiunta la massima potenza prodotta.
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L’impianto `e stato testato al variare delle due pressioni caratteristiche della caldaia: per l’alta pressione si è scelto di operare in un range compreso tra i 50 bar e i 100 bar, ad intervalli di 3 bar; mentre per la bassa pressione i casi di studio vanno da un valore minimo di 4 bar fino a 9 bar, ad intervalli di 1 bar.
La potenza prodotta dall’impianto combinato è ottenuta come somma della potenza prodotta dalla turbina di alta pressione e da quella di bassa:
RSPS= RTU+ RVU
Entrambi i termini dell’equazione possono essere espressi come prodotto di una portata di vapore per un lavoro specifico:
R = J ∙ XI
Si tenga presente che la portata di vapore che è elaborata dalla turbina di bassa pressione è il risultato della somma della portata del circuito di alta pressione con la portata dell’iniezione relativa al circuito a bassa pressione:
JXU_S= JTU_S+ JKLZ
La potenza prodotta dalle due turbine di alta e bassa pressione è ricavata tramite l’equazione descritta. non tiene però conto della potenza assorbita dalle pompe di alimento. In Figura 5.4 è possibile apprezzare l’effetto delle pompe sulla potenza effettiva generata dall’impianto: fissato il livello di bassa pressione, la
potenza assorbita dalle pompe cresce linearmente conla pressione del circuito HP,
col risultato che la potenza effettiva presenta un punto di massimo in corrispondenza di pressioni inferiori rispetto alla potenza generata dalle turbine.
Tale procedura è stata ripetuta per tutte le configurazioni di pressioni, variando sia la pressione del circuito HP che quella del circuito LP. Si è ottenuto quindi l’andamento della potenza netta dell’impianto all’interno del campo di pressioni analizzato (Figura 4.12).
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Figura 5.4: Andamento della potenza in funzione dell’alta pressione (PLP=6 bar).
A questo punto sarebbe naturale lavorare alla configurazione di pressioni in corrispondenza del massimo della potenza. In realtà tali valori di massimo non sono sempre raggiungibili, in quanto il campo operativo dell’impianto risente dei vincoli imposti sui singoli componenti dell’impianto stesso:
• nella turbina il vapore, espandendosi, può raggiungere negli stadi di
bassa pressione le condizioni di vapore umido. Tale condizione deve essere tenuta sotto controllo per mantenere una buona efficienza della macchina e per evitare l’usura o il danneggiamento delle pale. Per questo motivo è stato imposto un limite al titolo di fine espansione del
vapore per valori di XLP = 0.89.
• nella caldaia a recupero la temperatura dei gas diminuisce
progressivamente cedendo calore ad acqua e vapore. Una temperatura dei fumi al camino molto bassa è indice di un buon recupero del calore e di una buona efficienza dell’impianto. Sfortunatamente tale temperatura viene limitata per evitare la formazione di condense acide nelle parti più fredde del camino, che danneggerebbero l’integrità della struttura. Tale limite dipende dal tipo di combustibile utilizzato: in
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questo caso, operando con gas naturale, è stato preso un limite di 120°C.
Figura 5.5: Potenza al variare delle pressioni.
L’andamento del titolo di fine espansione del vapore dipende sia dalla pressione del circuito HP che da quella del circuito LP. In Figura 5.6 è possibile osservare come il titolo vari all’interno del range di pressioni studiato: la zona nella quale il titolo di vapore è più basso, quindi dove è maggiore la presenza di acqua allo stato liquido, risulta essere in corrispondenza delle condizioni di alta pressione di entrambi i circuiti.
La temperatura dei fumi al camino dipende principalmente dalla pressione del
circuito LP. Questa, infatti, determina la temperatura di ebollizionedell’acqua e di
conseguenza la quantità di calore che è scambiata dall’ultimo banco economizzatore: alle alte pressioni la temperatura al camino si mantiene elevata, mentre per pressioni inferiori la temperatura tende a diminuire e ad avvicinarsi al punto di rugiada dei fumi.
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Le linee quasi orizzontali visibili nel grafico di Figura 5.7 confermano come la temperatura dei fumi al camino sia molto più sensibile alle variazioni di pressione del circuito LP rispetto a quelle del circuito HP.
Figura 5.6: Titolo di fine espansione del vapore al variare delle pressioni.
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Alla luce delle considerazioni fatte, è possibile ridurre il campo operativo dell’impianto tenendo presente i limiti sul titolo di fine espansione del vapore e sulla temperatura dei fumi al camino. Il risultato ottenuto è visibile in Figura 5.8: al crescere della pressione del circuito HP il campo di operabilità dell’impianto tende a ridursi, mentre per quanto riguarda il circuito LP si registra una pressione minima di esercizio di circa 5 bar. La potenza massima che la turbina a vapore può produrre alle normali condizioni di esercizio è pari a circa 24.76 MW, in corrispondenza di una pressione del circuito HP di circa 82 bar e una pressione del circuito LP di circa 7.2 bar.
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