Prestazioni dell’impianto in off-design

Come prima analisi si considerano le simulazioni dell’impianto al variare del suo carico elettrico e con portata massima di GNL pari al 100% della portata nominale. Solo in questo caso, oltre agli andamenti delle potenze e dei rendimenti, vengono esposti i valori di tali grandezze e delle variabili di processo più significative. Per le altre simulazioni con portata di GNL inferiore sono mostrati solo i grafici delle potenze e dei rendimenti, mentre i valori delle variabili e delle grandezze vengono riportati in Appendice B.

• Simulazioni con portata di GNL massima del 100%

In tabella 6.1 e nelle figure 6.1 e 6.2 sono presentati i valori e gli andamenti della potenza elettrica prodotta dall’impianto, delle potenze prodotte dai tre sottosistemi, del rendimento elettrico e di quello di secondo principio. Attraverso l’analisi di queste grandezze è possibile caratterizzare le prestazioni globali dell’impianto al variare del carico.

Tabella 6.1: Parametri di performance ai carichi parziali con portata di GNL massima del 100%.

GNL [%] Carico [%] 𝐖̇𝐮𝐭,𝐞𝐥 [MW] 𝐖̇𝐭𝐠 [MW] 𝐖̇𝐎𝐑𝐂 [MW] 𝐖̇𝐃𝐄 [MW] _𝐞𝐥 [%] _𝐈𝐈 [%] 99,68 100,00 65,57 45,32 8,13 15,36 61,76 49,19 99,96 91,90 60,25 40,78 7,91 14,78 62,16 48,77 99,95 83,64 54,84 36,25 7,68 14,07 62,49 48,18 99,94 75,25 49,34 31,72 7,28 13,46 62,74 47,36 99,14 66,09 43,34 27,19 6,20 13,00 62,05 45,77 98,30 57,40 37,64 22,66 5,66 12,30 61,42 44,05

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Figura 6.1: Andamento delle potenze al variare del carico elettrico dell’impianto con portata di GNL massima del 100%.

Figura 6.2: Andamento dei rendimenti al variare del carico elettrico dell’impianto con portata di GNL massima del 100%.

Come si può notare dalla figura 6.1 tutte le potenze sono caratterizzate da un andamento decrescente al variare del carico. In particolare, la potenza del turbogas ha un andamento analogo alla potenza utile. Questo rispetta quanto precedentemente enuciato, cioè che la variazione del carico elettrico dell’impianto è legata principalmente alla modulazione del gruppo turbogas.

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Per quanto riguarda il ciclo ORC e la diretta espansione del gas naturale, si nota che, essendo questi due cicli in cascata, lo stesso ottimo può essere raggiunto con varie combinazioni di queste potenze, spingendo maggiormente sul ciclo ORC oppure sulla diretta espensione. Quindi, nella fase di controllo del sistema si è cercato di aiutare l’ottimizzatore al fine di ottenere un andamento di queste potenze senza brusche variazioni di pendenza al variare del carico. Gli andamenti ottenuti sono entrambi decrescenti, come era prevedibile vista la loro dipendenza dalle condizioni operative del turbogas.

Da tali potenze si ottengono i rendimenti mostrati in figura 6.2. Il rendimento elettrico è caratterizzato da un andamento che si mantiene pressochè costante, risultando poco influenzato dalla variazione del carico. Questo è concorde con quanto si verifica in un ciclo combinato in cui, al diminuire dell’efficienza di un sistema, l’altro ha a disposizione un quantitativo di energia maggiore che gli permette di incrementare la propria produzione compensando la perdita di rendimento. Dalla tabella 6.1 è possibile determinare un valore medio del rendimento elettrico al variare del carico pari al 62,10%, valore superiore al rendimento di un tradizionale ciclo combinato. Nel caso del rendimento di secondo principio l’andamento è decrescente; tuttavia, soprattutto fino ad un carico del 75%, le variazioni sono talmente ridotte da far sì che anche questo rendimento possa essere considerato quasi costante. In questo caso, il valore medio è influenzato negativamente dalla riduzione del rendimento ai carichi più bassi e risulta pari al 47,22%.

Allo scopo di fornire una giustificazione più accurata degli andamenti ottenuti, nelle tabelle 6.2 e 6.3 sono riportati i valori delle variabili di processo di maggiore interesse, quali le portate separate nei vari bypass (indicate con la lettera a), le temperature in ingresso alle turbine radiali e i loro rapporti di espansione (𝛽), e le pressioni in uscita dalla pompa GNL2 e da quella del ciclo ORC.

Tabella 6.2: Portate ai carichi parziali con portata di GNL massima del 100%.

Carico [%] 𝐦̇𝐆𝐍𝐋 [kg/s] 𝐦̇𝐂𝐎𝟐 [kg/s] 𝐦̇𝟕𝐚,𝐂𝐎𝐍𝐃 [kg/s] 𝐦̇𝟐𝟖𝐚,𝐄𝐕𝐀 [kg/s] 𝐦̇𝟏𝟎𝐚,𝐀𝐑𝐈𝐀 [kg/s] 𝐦̇𝟏𝟒𝐚,𝐆𝐍 [kg/s] 𝐦̇𝟑𝟏𝐚,𝐅𝐔𝐌𝐈 [kg/s] 100,00 36,51 35,18 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 91,90 36,62 35,23 0,00 0,00 0,21 0,00 0,00 83,64 36,61 35,84 0,00 0,66 0,84 0,00 0,00 75,25 36,61 34,92 0,47 3,76 4,52 0,57 0,00 66,09 36,31 32,63 6,29 2,66 15,79 2,01 0,00 57,40 36,00 29,93 7,56 2,96 18,50 4,02 0,00

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Tabella 6.3: Variabili di processo ai carichi parziali con portata di GNL massima del 100%.

Carico [%] 𝐏𝐨𝐮𝐭,𝐏.𝐆𝐍𝐋𝟐 [bar] 𝐏𝐨𝐮𝐭,𝐏.𝐂𝐎𝟐 [bar] 𝐏𝐨𝐮𝐭,𝐭.𝐂𝐎𝟐 [bar] 𝐓𝐂𝐎𝟐 [°C] 𝐓𝐆𝐍 [°C] 𝜷𝐂𝐎𝟐 [-] 𝜷𝐆𝐍 [-] 100,00 300,0 200,0 8,4 408 244 23,08 11,07 91,90 297,1 198,1 8,3 393 230 23,20 10,95 83,64 292,8 198,9 8,5 376 215 22,62 10,78 75,25 289,2 192,0 8,2 362 202 22,62 10,64 66,09 285,2 179,1 10,7 357 195 16,22 10,48 57,40 279,5 163,7 9,7 349 183 16,31 10,25

Durante la regolazione, al diminuire del carico elettrico dell’impianto, si osserva che: − La potenza netta del ciclo ORC subisce una riduzione a causa di un calo nella potenza

prodotta dalla turbina radiale, il quale può essere attribuito alla diminuzione della temperatura di ingresso della CO2. Questa temperatura diminuisce poiché, a fronte di una

portata di CO2 che si mantiene quasi costante, la portata di fumi in ingresso all’evaporatore

si riduce, portando ad un peggioramento del coefficiente di scambio. Per quanto riguarda il rapporto di espansione, questo subisce un leggero decremento a causa della riduzione della pressione all’uscita della pompa, a cui, in alcune simulazioni, corrisponde un aumento della pressione all’uscita della turbina, che fa sì che tale rapporto si mantenga pressoché costante. Alla variazione della pressione in uscita dalla pompa, segue anche un calo nella potenza da lei richiesta che, tuttavia, non incide in misura sostanziale sull’andamento della potenza netta.

− La potenza prodotta dalla turbina della diretta espansione diminuisce a causa sia della riduzione della temperatura di ingresso del gas naturale che del calo del rapporto di espansione. In questo caso la pressione di uscita dalla turbina è fissata a 25 bar e, di conseguenza, una riduzione della pressione in uscita dal gruppo di pompe GNL2 porta ad una riduzione della pressione di ingresso alla turbina. Riguardo al calo della temperatura, questo si può attribuire alle condizioni di ingresso dei fumi nello scambiatore di calore, posto a monte della turbina radiale. I fumi, infatti, sono caratterizzati sia da una riduzione della portata, da cui deriva la diminuzione del coefficiente di scambio, sia da un calo della temperatura, che non permette di surriscaldare a sufficienza il gas naturale. Si può notare che, per tale ragione, nelle simulazioni con portata di GNL massima del 100%, il bypass lato fumi, posto a monte dello scambiatore, non entra in funzione.

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− È presente un incremento delle portate separate nei vari bypass presenti nell’impianto, ad esclusione del bypass posto sull’evaporatore del ciclo ORC. Tale incremento diventa più consistente ai carichi più bassi, in particolare al di sotto del 75% del carico nominale, sebbene, rispetto alle portate principali, tali portate mantengano valori piuttosto bassi. Al condensatore del ciclo ORC, l’aumento della portata di GNL bypassata è legata ad una riduzione dell’energia fredda richiesta per il raffreddamento della CO2. Questa diminuisce

a causa della variazione sia della portata di CO2 che del valore della pressione all’uscita

della turbina. A sua volta, l’aumento della portata di GNL bypassata al condensatore, fa sì che la temperatura del gas naturale diminuisca contribuendo, insieme alla riduzione della portata di aria da raffreddare, ad un aumento della portata bypassata prima del circuito per il raffreddamento dell’aria. Nel caso della portata di gas naturale bypassata prima dello scambiatore GN-fumi, il suo aumento è necessario per rispettare il vincolo di temperatura sull’uscita dei fumi; tuttavia, questo porta ad un raffreddamento del gas naturale in ingresso in turbina.

− Per la portata di fumi bypassata all’evaporatore non si riscontra un andamento ben preciso. Si può dedurre che la sua variazione permette di distribuire il calore residuo dei fumi, in maniera adeguata, tra il ciclo ORC e l’unità di espansione diretta del gas naturale, al fine di ottenere per entrambe le potenze un andamento decrescente e senza cambiamenti repentini di pendenza.

In conclusione, si capisce come l’andamento costante del rendimento elettrico sia da imputare principalmente alla combinazione delle curve della potenza del ciclo ORC e dell’espansione diretta del gas naturale. Come si può notare dalla figura 6.1, a fronte di una riduzione maggiore della potenza del ciclo ORC, ai carichi più bassi si ha un minore decremento della potenza del ciclo DE. Invece, per quanto riguarda il rendimento di secondo principio la sua riduzione può essere attribuita all’aumento delle portate separate nei vari bypass che, variando le condizioni operative dell’impianto, non consentono di sfruttare tutta l’exergia del combustibile e del GNL per la produzione di energia elettrica.

• Simulazioni con portate di GNL più basse

Di seguito vengono riportati gli andamenti delle potenze e dei rendimenti al variare del carico, per simulazioni con portata di GNL massima pari al 90%, all’80% e al 70% del valore nominale.

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Figura 6.3: Andamento delle potenze al variare del carico elettrico dell’impianto con portata di GNL massima del 90%.

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Figura 6.5: Andamento delle potenze al variare del carico elettrico dell’impianto con portata di GNL massima del 80%.

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Figura 6.7: Andamento delle potenze al variare del carico elettrico dell’impianto con portata di GNL massima del 70%.

Figura 6.8: Andamento dei rendimenti al variare del carico elettrico dell’impianto con portata di GNL massima del 70%.

Anche in queste simulazioni, a parità di portata di GNL, si può notare che, al variare del carico, gli andamenti delle potenze rispettano quanto discusso precedentemente per le simulazioni con portata di GNL del 100%. Confrontando tra loro le simulazioni si può osservare che, al diminuire della portata di GNL, sia la potenza del ciclo ORC che la potenza dell’espansione diretta presentano andamenti caratterizzati da pendenze sempre più ridotte, fino

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ad ottenere un andamento quasi costante al 70% della portata di GNL. Inoltre, a parità di carico, tali andamenti presentano dei valori delle potenze che si riducono al diminuire della portata di GNL. Questa riduzione si può attribuire alla diminuzione delle portate circolanti determinato da un calo del rapporto di espansione nelle turbine radiali, a sua volta dovuto alla diminuzione delle pressioni della CO2 e del GNL in uscita dalle rispettive pompe.

Per quanto riguarda le portate dei fluidi nei vari bypass (i cui valori sono riportati in Appendice B), si osserva che:

− La portata di GNL bypassata al condensatore, al diminuire del carico e a parità di portata, varia ancora in funzione della portata di CO2 e della pressione all’uscita della turbina, ma

senza un preciso andamento; mentre, al diminuire della portata di GNL e a parità di carico, come ordine di grandezza rimane pressoché costante, poiché ad una riduzione della portata di GNL segue una diminuzione della portata di CO2.

− La portata di fumi bypassata all’evaporatore aumenta al diminuire della portata di GNL per far sì che, a parità di carico, la temperatura massima della CO2 rimanga quasi costante; al

variare del carico, come in precedenza, non si riscontra un andamento definito, di conseguenza si può ritenere che vari in funzione delle grandezze del ciclo.

− La portata di gas naturale bypassata prima dell’unità di raffreddamento dell’aria, a parità di carico, si riduce al diminuire della portata, poiché per raffreddare a sufficienza l’aria in ingresso si ha bisogno di tutta l’energia fredda del GNL; invece, al diminuire del carico, mantiene un andamento crescente.

− Si ha la necessità di deviare parte della portata dei fumi diretta allo scambiatore di calore GN-fumi, al fine di evitare che, a causa della minore portata di GNL, la temperatura del gas naturale in ingresso alla turbina radiale superi il limite imposto di 250 °C. Nello specifico, al diminuire del carico, la temperatura dei fumi in ingresso allo scambiatore di calore si riduce richiedendo di bypassare una portata sempre minore.

− La portata di gas naturale allo scambiatore di calore GN-fumi è diversa da zero solo ai carichi massimi, dove viene utilizzata per raffreddare ulteriormente la temperatura del gas naturale in uscita dallo scambiatore ed evitare che superi il limite stabilito.

In conclusione, al diminuire della portata di GNL da rigassificare all’interno dell’impianto di potenza, si ha una progressiva riduzione delle pressioni e, di conseguenza, della potenza prodotta dal ciclo ORC e dal ciclo DE, che contribuisce alla riduzione del rendimento elettrico ai carichi più alti. Inoltre, in linea di massima, è presente un aumento delle portate separate nei

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vari bypass che porta ad un peggioramento del rendimento di secondo principio ai carichi più alti.

Al fine di ottenere una visione complessiva di come varia il rendimento elettrico, al variare sia del carico elettrico dell’impianto che della portata di GNL da rigassificare, in figura 6.9 viene riportata la sua mappa collinare.

Figura 6.9: Mappa riassuntiva delle prestazioni dell’impianto in condizioni di off-design.

Attraverso le simulazioni effettuate è stato possibile arrivare ad un carico elettrico minimo pari al 54,45% del carico nominale dell’impianto. Sotto questo valore sarebbe necessario disattivare uno o più sottosistemi, rinunciando a parte del recupero sia dai fumi che dal GNL.

Una soluzione impiantistica consiste nello spegnimento sia del ciclo ORC che del ciclo DE. In questo caso il funzionamento a carico parziale del turbogas, con relativo recupero dell’exergia di temperatura del GNL nell’unità di raffreddamento dell’aria, consente di arrivare ad un carico minimo del 34,56%. Tuttavia, per poter attuare una tale soluzione, è necessario predisporre una linea ausiliaria che permetta di escludere il gruppo di pompe GNL2 e il condensatore del ciclo ORC, e dotata anche di uno scambiatore di calore aggiuntivo per la condensazione del GNL.

Alternativamente si potrebbe disattivare solo il ciclo ORC o il ciclo DE. Anche queste soluzioni presentano però dei problemi. Lo spegnimento del ciclo ORC, oltre a richiedere uno

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scambiatore di calore aggiuntivo per la condensazione del GNL, fa sì che allo scambiatore di calore GN-fumi i prodotti di combustione arrivino con una temperatura troppo elevata che, insieme alla condizione supercritica del gas naturale, porterebbe ad avere problemi di sicurezza all’interno dell’impianto. D’altro canto, la disattivazione del ciclo DE, con conseguente bypass del gruppo pompe GNL2, richiede una maggiore attenzione durante il controllo dell’impianto per evitare che la CO2 raggiunga il punto di congelamento nel condensatore.

In conclusione, essendo questi sottosistemi molto interconnessi, lo spegnimento anche solo di uno di loro porta a notevoli complicazioni sia impiantistiche che di controllo e, di conseguenza, un tale funzionamento non viene considerato in questa trattazione. Al suo posto, per ridurre ulteriormente la potenza prodotta, si è preferito diminuire ulteriormente la portata di GNL che circola nell’impianto, a costo di un’ulteriore diminuzione sia del rendimento elettrico che di quello di secondo principio.