Capitolo
6
Descrizione e Risultati della
Simulazione
Come pi`u volte accennato, la simulazione vera e propria di tutto l’impianto `e
stata eseguita con l’ausilio del software Labview 7.1 della Texas Instruments, mentre altri software di supporto come “MATLAB” e “ChemicaLogic Steam-Tab Companion” sono stati utilizzati in fase preliminare.
La struttura del modello completo `e composta da due sezioni:
• Pannello di Controllo1.
• Diagramma a Blocchi.
Mentre il pannello frontale consente, in fase di esecuzione della simula-zione, di modificare e monitorare tutte le varie grandezze di interesse del-l’impianto; il diagramma a blocchi permette, in maniera grafica, di gestire il flusso delle informazioni tra un blocco ed il successivo. Le grandezze di controllo, che permettono la modifica del regime di funzionamento, e quindi
1
detto anche Pannello Frontale.
165 6.1. Il Pannello di Controllo la variazione della potenza erogata sono: la portata di idrogeno nei due
combustorie la portata di acqua alimento ( ˙m1), mentre le portate di
os-sigeno sono automaticamente determinate, in virtu del rispetto dei rapporti
stechiometrici delle masse2
.
6.1
Il Pannello di Controllo
Il pannello frontale appare nel modo indicato nella figura seguente; da notare che ogni elemento dell’impianto `e dotato di un proprio blocco che consente di riunire tutte le informazioni di competenza, come le temperature, le portate e le potenze erogate.
2
6.1. Il Pannello di Controllo 166
167 6.1. Il Pannello di Controllo Ciascun elemento del modello `e dotato di un segnalatore visivo, che entra in funzione non appena la temperatura di quel determinato elemento esce dal range consentito.
Gli intervalli di validit`a delle temperature sono stati prefissati, imponendo che il vapore nei vari tratti dell’impianto, con esclusione della sezione di
con-densazione, si trovi sempre in condizioni di vapore surriscaldato3
.
Tutte le relazioni tra temperatura ed entalpia, o fra temperatura ed entropia, sono state determinate fissando un opportuno intervallo di temperatura; `e evidente, quindi, che ogni escursione della temperatura, al di fuori di tali intervalli, comporta inesattezze nei valori indicati e compromette l’attendi-bilit`a dell’intero modello; per questo `e di fondamentale importanza usufruire di un sistema automatico di monitoraggio e verifica.
Figura 78 - Segnalazione di valore critico
Esiste un altro aspetto fondamentale della struttura del modello di calcolo utilizzato, che a prima vista non appare evidente: la simulazione del funzio-namento dell’intero impianto, non `e eseguita mediante un modello dinamico, ovvero un modello che tiene conto delle fluttuazioni delle varie grandezze in
3
6.1. Il Pannello di Controllo 168
gioco, a seguito di modifiche di assetto (attraverso le variabili di controllo),
ma, come pi`u volte accennato, da un modello statico; ci`o implica che, per
poter determinare i punti di equilibrio del sistema, `e necessario eseguire delle iterazioni di calcolo.
Per esprimere meglio tale concetto si riporta il seguente esempio:
si supponga che l’impianto stia erogando la potenza nominale4
, e che ad un dato istante si modifichi la portata di idrogeno nel combustore HPCB, in par-ticolare la si diminuisca; `e evidente che tale modifica comporti una variazione del regime di funzionamento di tutto l’impianto, ovvero sia degli apparati a valle del combustore, sia per quelli a monte.
La diminuzione della portata di idrogeno, certamente comporter`a una
diminu-zione della temperatura del fluido in uscita dal combustore in oggetto (T1),
e di conseguenza quella dei tratti successivi, compresa la temperatura (T14).
Per poter determinare la temperatura (T1), tuttavia, `e necessario conoscere,
tra le altre cose, il valore della temperatura (T14), ma per quanto suddetto
tale valore non `e noto in quanto conseguente la variazione di portata di idro-geno.
E’ evidente la necessit`a di un artificio che consenta il superamento di tale ostacolo: le iterazioni. Lo schema di principio adottato per eseguire tali iterazioni, `e il seguente:
4
169 6.1. Il Pannello di Controllo
Figura 79 - Struttura dell’Iterazione
Quando si attua una variazione dei parametri di controllo, il valore “NEW”
differisce da quello “OLD”, relativamente alle temperature T11 e T14; se tale
differenza `e superiore a 0.01 ◦C, allora il valore “NEW” viene assegnato alla
variabile “OLD” e si ha una nuova fase di computazione di tutti i parametri d’impianto; il ciclo iterativo ha termine quando la differenza tra i due valori
NEW e OLD `e inferiore a 0.01◦C.
L’operazione di assegnazione NEW 7→ OLD, pu`o essere eseguita automati-camente o manualmente, mediante l’apposito commutatore virtuale “Con-gruenza”:
6.1. Il Pannello di Controllo 170
Figura 80 - Controllo delle Iterazioni dove si intende:
T14a= T14OLD T11a = T11OLD
T14b = T14N EW T11b = T11N EW
Per la regolazione delle portate di idrogeno si adottano dei cursori
scorre-voli; il primo cursore permette incrementi (o decrementi) pari 0.1 kgs , mentre
il secondo cursore permette una regolazione pi`u fine in quanto permette
in-crementi pari a 0.01 kgs ; per la regolazione della portata di acqua di alimento
gli incrementi sono rispettivamente di 1 kgs e 0.1 kgs :
171 6.1. Il Pannello di Controllo
I dati di maggior interesse (potenze erogate e rendimenti elettrici), ine-renti il funzionamento dell’impianto, sono riassunti nel blocco situato in basso a destra nel pannello di controllo (riportato qui a lato).
Figura 82 - Riepilogo Valori di Funzionamento Il blocco di gestione per la
memoriz-zazione dei dati, permette di creare un file (in formato ASCII) contenente i va-lori delle temperature, dei rendimenti, delle portate di combustibile ed acqua alimento, corrispondenti ai vari punti di equilibrio; al fine di permettere una successiva analisi ed elaborazione con MATLAB.
Figura 83 - Blocco per salvataggio Informazioni
Per finire, il Pannello di Controllo mette a disposizione un blocco che per-mette di monitorare i consumi di com-bustibile, a partire da una data ca-pacit`a del serbatoio di contenimento (o dei serbatoi), facendo riferimento ai consumi “attuali” dell’impianto.
Figura 84 - Stima durata combustibile residuo
6.2. Diagramma a Blocchi 172
6.2
Diagramma a Blocchi
Il diagramma a blocchi costituisce l’essenza vera e propria del programma di
simulazione. Grazie alla sua struttura grafica risultano pi`u agevoli le
opera-zioni di verifica di correttezza del modello e dei flussi di informaopera-zioni tra i vari componenti dell’impianto.
A causa dell’enorme mole di calcoli da eseguire ad ogni iterazione, `e ne-cessario l’utilizzo di calcolatori sufficientemente veloci; i risultati della simu-lazione sono stati ottenuti utilizzando processori a 64 bit da 1.6MHz, 512Mb di ram, anche se non si esclude la possibilit`a di utilizzare macchine meno prestanti.
Avendo gi`a fornito informazioni dettagliate sui vari blocchi del modello non si ritiene necessario un ulteriore approfondimento.
173 6.2. Diagramma a Blocchi
6.3. I Risultati della Simulazione 174
6.3
I Risultati della Simulazione
Il fine principale della simulazione, `e quello di quantificare le seguenti gran-dezze, al variare dell’assetto di funzionamento dell’impianto:
• portate di Combustibile e Comburente, acqua di Alimento e vapore
nelle varie sezioni.
• Temperature dei vari elementi.
• Potenze termiche, meccaniche ed elettriche di competenza di ciascun
elemento.
• Rendimenti Energetici.
La simulazione `e stata condotta a partire dalla condizione di regime nomi-nale di funzionamento (potenza elettrica netta:500 MW). Tale condizione di funzionamento `e caratterizzata dai seguenti valori:
175 6.3. I Risultati della Simulazione
Nodo Press. Temp.
[bar] [◦C] 0 1 15 1 50 1501 2 8 1077 3 8 521 4 8 1500 5 1 1025 6 1 775 7 0.03 287 8 0.03 123 9 0.03 24 11 343.2 143 12 343.2 424 13 343.2 580 14 50 298 15 343.2 17.5 Comp. Pot.Mecc. Lorda [MW] HHT 139.7 HIT 195.4 LT 165.7 HT 38.9 Comp. Pot.Term. [MW] Recup. 164.3 HRBL 94.2 RHE 49.7 Portata [kg/s] ˙ m1 95,9 ˙ m2 125,5 ˙ m3 156.4 ˙ m′ H2 3.31 ˙ m′′ H2 3,47 Portata [kg/s] ˙ m′ O2 26.24 ˙ m′′ O2 27.51 Pot.Mecc. 531.5 Net. [MW] Pot.El. 528.9 Lord.[MW] Pot.El. 500 Net.[MW] Rend.El. 65.1 Lordo [%] Rend.El. 61.5 Netto [%] S.A. [MW] 28.9 S.A.[%] 5.5
Tabella 11 - Regime Nominale 500MW
Agendo sulle tre variabili di controllo (Portate di Idrogeno al combustore HPCB, LPCB e portata di acqua di alimento), si riduce la potenza elettrica netta erogata, a salti del 5%; ovvero si passa dal 100% della potenza netta al 95% al 90% e cos`ı via fino al raggiungimento del minimo tecnico. I risultati sono riportati in forma grafica:
6.3. I Risultati della Simulazione 176 0 200 400 600 1000 1200 1400 1600 1800 Potenza Netta [MW] Temperatura T 1 [°C] 0 200 400 600 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 Temperatura T 2 [°C] Potenza Netta [MW] 0 200 400 600 150 230 310 390 470 550 Temperatura T 3 [°C] Potenza Netta [MW] 0 200 400 600 1000 1200 1400 1600 1800 Potenza Netta [MW] Temperatura T 4 [°C] 0 200 400 600 600 700 800 900 1000 1100 Temperatura T 5 [°C] Potenza Netta [MW] 0 200 400 600 400 500 600 700 800 Temperatura T 6 [°C] Potenza Netta [MW] 0 200 400 600 0 200 400 Potenza Netta [MW] Temperatura T 7 [°C] 0 200 400 600 25 75 125 175 Temperatura T 8 [°C] Potenza Netta [MW] 0 200 400 600 80 90 100 110 120 130 140 150 Temperatura T 11 [°C] Potenza Netta [MW] 0 200 400 600 300 350 400 450 500 Temperatura T 12 [°C] Potenza Netta [MW] 0 200 400 600 500 550 600 650 Temperatura T 13 [°C] Potenza Netta [MW] 0 200 400 600 250 300 350 Temperatura T 14 [°C] Potenza Netta [MW]
Figura 86 - Risultati della Simulazione Temperature
177 6.3. I Risultati della Simulazione 0 200 400 600 0 5 10 15 20 25 30 35 Servizi Ausiliari [MW] Potenza Netta [MW] 0 200 400 600 0 1 2 3 4 5 Portata mH2’ (HPCB) [kg/s] Potenza Netta [MW] 0 200 400 600 0 1 2 3 4 5 Portata mH2" (LPCB) [kg/s] Potenza Netta [MW] 0 200 400 600 0 2 4 6 8
Portata tot. Combustibile [kg/s]
Potenza Netta [MW] 0 200 400 600 0 10 20 30 40 Portata mO2’ (HPCB) [kg/s] Potenza Netta [MW] 0 200 400 600 0 10 20 30 40 Portata mO2" (LPCB) [kg/s] Potenza Netta [MW] 0 200 400 600 0 50 100 Potenza Netta [MW] Portata m 1 [kg/s] 0 200 400 600 0 50 100 150 200 Potenza Netta [MW] Portata m 2 [kg/s] 0 200 400 600 0 50 100 150 200 Potenza Netta [MW] Portata m 3 [kg/s]
Figura 87 - Risultati della Simulazione
S.A.e Portate
Particolare attenzione merita l’andamento del rendimento elettrico netto, che si ricorda essere definito come
6.3. I Risultati della Simulazione 178 0 100 200 300 400 500 600 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Rendimento Netto [%] Potenza Netta [MW] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Potenza Netta [%] Minimo Tecnico: 10%
Figura 88 - Risultati della Simulazione Rendimento Elettrico Netto
Il minimo tecnico corrisponde a circa il 10% (50.2 MW) della Potenza Nominale Netta, questo valore limite `e imposto dal rispetto degli intervalli di temperatura prefissati per ciascun nodo dell’impianto; nel tentativo di ridurre ulteriormente la potenza erogata, il sistema non ha manifestato limitazioni di sorta, tuttavia c’`e da dire che le limitazioni che impongono il minimo tecnico, siano da attribuire alle capability di ciascun elemento (p.e. combustori, scambiatori, alternatore ecc.), per questo si ritiene che tale valore minimo non corrisponda a quello reale, la cui determinazione, data l’estrema complessit`a, esula dagli scopi della presente trattazione.
Si ritiene di interesse riportare i diagrammi (s,T) relativi al Nuovo Ciclo Rankine, nelle due situazioni limite di funzionamento, ovvero al 100% ed al 10% della potenza elettrica nominale netta:
17 9 6 .3 . I R is u lt a ti d e ll a S im u la z io n e 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 −273.16 0 24 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 0.03 0.05 1 8 10 20 40 50 100 200 343.2 0.03 0.05 1 8 10 20 40 50 100 200 343.2 500 800 1200 1800 2200 2400 2600 2800 3000 4000 5000 6000 6500 [p]=bar ; [h]=kJ/kg 1 2 3 4 5 6 7 8 8’ 9 11 12 13 14 15
Nuovo Ciclo Rankine (Regime Nominale)
Entropia (s) [kJ/(kg °C)] Temperatura (t) [°C] F ig u ra 89 -D ia gr am m a (s ,T ) R eg im e N om in al e (5 00 M W )
6 .3 . I R is u lt a ti d e ll a S im u la z io n e 18 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 −273.16 0 24 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 0.03 0.05 1 8 10 20 40 50 100 200 343.2 0.03 0.05 1 8 10 20 40 50 100 200 343.2 500 800 1200 1800 2200 2400 2600 2800 3000 4000 5000 6000 6500 [p]=bar ; [h]=kJ/kg 1 2 3 4 5 6 7 8 8’ 9 11 12 13 14 15
Nuovo Ciclo Rankine (Regime minimo 10% P
n) Entropia (s) [kJ/(kg °C)] Temperatura (t) [°C] F ig u ra 90 -D ia gr am m a (s ,T ) R eg im e M in im o (5 0 M W = 10 % )
181 6.3. I Risultati della Simulazione La modalit`a con cui ottenere il regime minimo di funzionamento (33.3%) non `e univoca: agendo in maniera diversa sui combustori, si possono otte-nere valori differenti dei parametri di funzionamento. Il diagramma (s,T) precedentemente riportato si riferisce alla seguente situazione:
Nodo Press. Temp.
[bar] [◦C] 0 1 15 1 50 1296 2 8 905 3 8 313.3 4 8 1378 5 1 925 6 1 649 7 0.03 210 8 0.03 67.7 9 0.03 24 11 343.2 120 12 343.2 414 13 343.2 550 14 50 274 15 343.2 17.5 Comp. Pot.Mecc. Lorda [MW] HHT 14.5 HIT 21.7 LT 17.4 HT 4.5 Comp. Pot.Term. [MW] Recup. 20 HRBL 12 RHE 5.1 Portata [kg/s] ˙ m1 12.0 ˙ m2 14.9 ˙ m3 18.7 ˙ m′ H2 0.3 ˙ m′′ H2 0.4 Portata [kg/s] ˙ m′ O2 2.6 ˙ m′′ O2 3.3 Pot.Mecc. 57.2 Net. [MW] Pot.El. 56.9 Lord.[MW] Pot.El. 50.2 Net.[MW] Rend.El. 63.3 Lordo [%] Rend.El. 55.8 Netto [%] S.A. [MW] 6.7 S.A.[%] 11.8
Tabella 12 - Regime minimo 50.2MW
Si riporta di seguito, a scopo di confronto, il diagramma (s,T) del ciclo, in corrispondenza dei due regimi limite di funzionamento:
6 .3 . I R is u lt a ti d e ll a S im u la z io n e 18 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 −273.16 0 24 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 0.03 0.05 1 8 10 20 40 50 100 200 343.2 0.03 0.05 1 8 10 20 40 50 100 200 343.2 500 800 1200 1800 2200 2400 2600 2800 3000 4000 5000 6000 6500 [p]=bar ; [h]=kJ/kg 1 2 3 4 5 6 7 8 8’ 9 11 12 13 14 15
Nuovo Ciclo Rankine (Confronto)
Entropia (s) [kJ/(kg °C)] Temperatura (t) [°C] 0.03 0.05 1 8 10 20 40 50 100 200 343.2 0.03 0.05 1 8 10 20 40 50 100 200 343.2 500 800 1200 1800 2200 2400 2600 2800 3000 4000 5000 6000 6500 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 12 13 14 15 100% 10% F ig u ra 91 -D ia gr am m a (s ,T ) C on fr on to tr a R eg im i
183 6.4. Conclusioni ed Osservazioni sui Risultati
6.4
Conclusioni ed Osservazioni sui Risultati
Osservando l’andamento del rendimento, al variare della potenza erogata, si
manifesta uno degli aspetti pi`u importanti dell’impianto basato sul Nuovo
Ciclo Rankine: l’estrema modulabilit`a, ovvero la spiccata attitudine, dal
punto di vista energetico, alla variazione della potenza erogata; si nota, in-fatti, che una variazione della potenza, dal 100% al 10%, produce una varia-zione del rendimento elettrico netto di appena 5.7 punti percentuali (si passa da 61.5% al 55.8%), mentre per quanto riguarda il rendimento
elet-trico lordosi ha una variazione ancora pi`u contenuta: 1.8 punti percentuali
(65.1% ÷ 63.3%).
Al di l`a dei valori numerici, che naturalmente sono imputabili non a consi-derazioni ed analisi empiriche, ma alle ipotesi del modello, ci`o su cui mag-giormente bisogna riversare l’attenzione `e il fatto che questo impianto, non essendo munito di caldaia (generatore di vapore) non incontri gli stessi vincoli funzionali presenti invece in tutte le centrali termoelettriche che sfruttino il vapore acqueo.
In particolare le centrali termoelettriche tradizionali (a circolazione naturale o assistita) presentano una discreta modulabilit`a, ma presentano rendimenti relativamente modesti (intorno al 40%) rispetto al N.R.C., inoltre a causa delle notevoli dimensioni dei generatori di vapore, essi presentano tempi di avviamento notevolmente superiori.
Per quanto riguarda quest’ultimo aspetto, bisogna dire che per poter ese-guire un reale confronto tra tempi di avviamento, sarebbe doverosa un’analisi
pi`u accurata per quanto riguarda le costanti di tempo termiche di tutti gli
apparati dell’impianto; tuttavia data l’estrema complessit`a di una tale
ope-razione, anche in virt`u del fatto che molti degli apparati che costituiscono
convin-6.4. Conclusioni ed Osservazioni sui Risultati 184
cere della correttezza dell’affermazione, osservando che il N.R.C. non `e altro che un sistema ibrido, che trova la sua collocazione tra un impianto turbo-gas a ciclo semplice ed un impianto a ciclo combinato, nel quale per`o, sia stata omessa la caldaia a recupero.
Con tale osservazione, non `e difficile auspicare che i tempi di avviamento del N.R.C. siano intermedi tra quelli di un turbo-gas e quelli di c.c. che sono
rispettivamente5
:
• Turbo-Gas: 10 ÷ 30 min.
• Ciclo Combinato: 60 ÷ 120 min.
e comunque sicuramente inferiori rispetto ai tempi di avviamento, da
freddo, delle centrali termoelettriche tradizionali6
.
Tutto ci`o, permette di affermare, in tranquillit`a, che il N.R.C. sia un impianto di produzione particolarmente adatto ad eseguire la regolazione, e quindi la copertura dei picchi di assorbimento del diagramma di carico.
6.4.1
L’Analisi condotta dalla TOSHIBA
A conferma dell’attendibilit`a dei risultati fin qui ottenuti si riportano conte-stualmente i risultati di un’analisi condotta dalla TOSHIBA (Fonte: [22]), riguardante un impianto molto simile a quello proposto, il cui schema `e il seguente:
5
Valori indicativi, con avviamento da freddo, per potenze da 100 a 500 MW 6
185 6.4. Conclusioni ed Osservazioni sui Risultati
Figura 92 - Schema proposto dalla Toshiba Fonte: [22]
Una sostanziale differenza si riscontra nel livello di temperatura di
com-bustione: 1700◦C contro i 1500 del N.R.C. Nel diagramma di Mollier, il ciclo
si presenta nel seguente modo:
Figura 93 - Diagramma di Mollier Fonte: [22]
6.4. Conclusioni ed Osservazioni sui Risultati 186
Le simulazioni condotte dalla TOSHIBA hanno condotto ai seguenti ri-sultati:
Figura 94 - Risultati Toshiba Fonte: [22]
In particolare, si nota un rendimento elettrico (LHV) pari a 69.4%. La differenza rispetto a quello riscontrato nel N.R.C. (65.1%) potrebbe essere dovuta alla diversit`a delle ipotesi del modello o ai valori assegnati ai vari rendimenti, e comunque tale valore `e influenzato dal fatto che nel ciclo
pre-sentato dalla Toshiba, si operi ad una temperatura massima di 1700◦C e che
non siano tenuti in considerazione gli assorbimenti dei compressori di ossi-geno.
187 6.4. Conclusioni ed Osservazioni sui Risultati
L’aspetto pi`u importante dei risultati ottenuti dalla Toshiba, conciliante con
i risultati ottenuti dal nostro modello, `e quello inerente lo studio di sensibilit`a (Sensitivity Study), ovvero l’analisi della variazione dei parametri principali del ciclo, al variare dell’assetto dell’impianto. Tra i vari test eseguiti spicca quello relativo alla variazione del rendimento:
Figura 95 - Variazione del Rendimento (HHV)
al variare della Temperatura T1
si osservi come per una variazione di temperatura ∆T = 1700 − 1200 =
500◦C si abbia:
∆η ≃ 59.8% − 57.5% ≃ 2.3%
Data l’attendibilit`a dei risultati ottenuti dalla Toshiba, e l’estrema somi-glianza dei cicli termodinamici, non vi `e motivo per non ritenere attendibili i risultati ottenuti tramite la simulazione del N.R.C.
