Appendice 1 Generalità sui turbogas
Appendice A
Generalità sui turbogas
A.1- Turbogas a ciclo semplice (non cogenerativi)
In una centrale turbogas si sfrutta lo stesso principio di propulsione degli aerei a reazione. In un jet i gas in uscita determinano la spinta per il volo; in una centrale turbogas questo getto di aria calda, ad una certa pressione, aziona le palette di una turbina la quale, essendo accoppiata ad un alternatore, genera energia elettrica.
Figura AppA-1 Schema Turbogas
Questo impianto è essenzialmente costituito da: - un compressore,
- una camera di combustione
- un gruppo turboalternatore in asse con il compressore
Appendice 1 Generalità sui turbogas Il compressore aspira, attraverso un filtro silenziatore, l’aria dall’ambiente esterno portandola a pressioni elevate (circa 14 bar). L'aria così compressa viene inviata alla camera di combustione. In camera di combustione confluisce l’aria compressa (che fa da comburente) assieme al
combustibile (costituito da gasolio o da gas naturale), la miscela che si forma (miscela di aria e gas combusti) viene incendiata dando origine a gas ad alta pressione e temperatura (circa 1200 °C), che vengono inviati in turbina.
Nella turbina a gas avviene la conversione dell’energia termica in energia elettrica, infatti i gas provenienti dalla camera di combustione si espandono facendo ruotare le pale della turbina, tale rotazione trascina un alternatore che genera energia elettrica.
Si noti come non tutto il lavoro sviluppato dalla turbina viene convertito dall'alternatore in energia elettrica in quanto una parte serve per l'azionamento del compressore.
Si noti inoltre come i calettamenti della turbina a gas sono molto sollecitati a causa dell’elevata velocità di rotazione e delle alte temperature in gioco.
Per assicurare una lunga durata nelle diverse condizioni di esercizio, tali turbine sono dotate di sofisticati sistemi di raffreddamento per le parti statoriche e rotoriche più sollecitate.
I gas espansi in turbina e ancora molto caldi (circa 600 °C), vengono rilasciati direttamente in atmosfera, cosa che costituisce uno spreco energetico che l’impianto paga in termini di rendimento
Il grande pregio di queste centrali è la grande semplicità e la rapidità con cui vengono messe in servizio, che si riduce a pochi minuti, mentre le centrali convenzionali non turbogas richiedono per essere avviate molte ore ed in qualche caso intere giornate.
Il principale svantaggio è che la potenza unitaria (per gruppo) che esse sono in grado di fornire è abbastanza limitata, fino a poco più di 120 MW, ed inoltre il rendimento è molto basso ,20 - 25%, contro il 40% e più di una centrale termoelettrica e l’80% di una idroelettrica.
Queste centrali sono quindi adatte a coprire punte improvvise di carico, ma non a fornire con continuità energia di base.
Gli impianti con turbine a gas risultano particolarmente utili laddove necessiti una copertura immediata di produzione di energia elettrica, con una utilizzazione annua limitata.
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A.2- Turbogas a ciclo combinato
Gli impianti turbogas a ciclo combinato hanno migliorato notevolmente i rendimenti degli impianti di produzione, cosa che spiega la loro sempre crescente diffusione.
Un tipico esempio di impianto turbogas a ciclo combinato è riportato nella figura sottostante:
Figura AppA-2 Schema turbogas cogenerativo
Negli impianti a ciclo combinato l'energia resa disponibile durante la combustione viene utilizzata in cascata in due differenti cicli termodinamici, uno compiuto da aria e gas naturale (ciclo a gas) e l’altro compiuto da acqua e vapore (ciclo a vapore); ciò consente di raggiungere rendimenti di conversione molto elevati.
Questi impianti sono costituiti da: - un turbogas (TG),
- un generatore di vapore a recupero (GVR) - una turbina a vapore (TV)
- un condensatore con relativo circuito di raffreddamento - un trasformatore aggiuntivo
Appendice 1 Generalità sui turbogas Nel TG l'aria ambiente viene compressa ed utilizzata per la combustione. Vengono così
prodotti gas ad alta pressione e temperatura che espandono nella turbina a gas cedendo energia che l'alternatore del TG trasforma in energia elettrica.
I gas, scaricati dal TG ad una temperatura superiore ai 500° C, vengono inviati nel GVR dove sono raffreddati fino a circa 110° C. L'energia ceduta dai gas nel GVR viene utilizzata per produrre il vapore con cui è alimentata la TV.
L'energia trasferita dal vapore alla TV in fase di espansione, viene convertita dal relativo alternatore in energia elettrica.
Il condensatore permette la condensazione del vapore di uscita dalla turbina a vapore per poter riavviare il ciclo. La condensazione avviene mediante raffreddamento del vapore ad opera del sistema di raffreddamento in cui scorre il fluido refrigerante.
Il sistema di raffreddamento è un ciclo chiuso che fa capo in genere ad una torre di
raffreddamento. Questa può avere dimensioni molto diverse a seconda della tecnica e del fluido di raffreddamento utilizzati ( aria o acqua, tiraggio naturale o forzato)
Con il raffreddamento ad aria (a tiraggio forzato o naturale), si riduce drasticamente il fabbisogno d’acqua della centrale, anche se questo vantaggio si paga con un lieve peggioramento del rendimento del ciclo combinato.
Con una torre di raffreddamento ad aria a tiraggio naturale si sfrutta l’elevazione della torre per creare un "effetto camino" e innescare un flusso d’aria ascensionale che raffredda un "radiatore" posto all’interno della torre entro il quale scorre l’acqua del circuito di refrigerazione.
L'utilizzazione degli impianti a ciclo combinato per la produzione di energia elettrica ha avuto un notevole incremento, su scala mondiale, negli ultimi decenni.
.Queto sistema permette un notevole aumento del rendimento totale, che può arrivare a sfiorare il 50%, ed inoltre permette di creare dei gruppi (definiti in questo caso "moduli") di potenza unitaria molto più elevata, fino a quasi 400 MW, in quanto sono formati da due turbogas ed un gruppo a vapore collegati tra loro come descritto.
