Tecnica aprile 2014 LA TERMOTECNICA Generazione Elettrica di G. Bonvicini 49 Applicazione di cicli ORC per il recupero di potenza in impianti turbogas di piccola taglia Quest’articolo studia l’applicazione di cicli ORC per il recupero di potenza da 1 kg/s di fumi a 250 °C. Utilizzando fluidi organici, si ottengono recuperi di potenza fino al 45%, ed è quindi possibile realizzare un piccolo impianto a biomasse (110 kWe), con rendimento globale del 35%. L’articolo studia anche la variazione del recupero di potenza con la temperatura dei fumi, ed effettua un dimensionamento preliminare del generatore di vapore a recupero. ORGANIC RANKINE CYCLES FOR POWER RECOVERY IN MICRO GAS TURBINE PLANTS This paper focuses on the application of ORC cycles for power recovery from 1 kg/s of exhausts at 250 °C. Using organic fluids, power recoveries up to 45% can be achieved, thus realizing a small (110 kWe) biomass-fired plant with an efficiency of 35%. In this paper the effects of a variation in the exhausts’ temperature on the power recovery are also studied, and the heat recovery vapour generator is preliminary designed. INTRODUZIONE L’applicazione di turbine a gas di piccola taglia (decine-centinaia di kW) è ormai diffusa nella generazione distribuita di potenza. Il rendimento di tali sistemi, a causa dei limitati parametri operativi (rapporto di compressione, temperatura di ingresso in turbina) e della ridotta efficienza degli espansori, supera raramente il 30%. Al fine di incrementarlo, viene spesso introdotto un modulo di cogenerazione, con recupero di calore dai fumi, disponibili a circa 250 °C, e produzione di acqua a circa 80 °C. La cogenerazione, però, non è sempre realizzabile o utile, ad esempio in assenza di utenze termiche nell’impianto o nelle sue immediate vicinanze. Di grande interesse risultano quindi i sistemi per l’incremento della potenza meccanico-elettrica: uno di questi è l’applicazione a valle della turbina a gas di un ciclo Rankine a fluido organico (ORC), che permetta di raggiungere rendimenti globali dell’ordine del 40%. Inoltre, bisogna ricordare che le microturbine a gas sono state studiate [1, 2, 3, 4] per la conversione energetica delle biomasse. Utilizzando una configurazione a combustione esterna, in cui il combustore del turbogas è sostituito da uno scambiatore tra i prodotti della combustione delle biomasse e l’aria del ciclo Brayton, si ottengono rendimenti attorno al 25%. Il ciclo ORC, invece, è una tecnologia consolidata, soprattutto per lo sfruttamento di risorse geotermiche a medio-bassa entalpia. Sfruttando le conoscenze note da queste applicazioni sono stati studiati [5, 6, 7] impianti per il recupero di potenza dai fumi di turbine a gas che utilizzano un fluido termovettore intermedio: olio diatermico o acqua in pressione vengono riscaldati dai fumi e cedono successivamente calore al fluido organico. Non ancora realizzata, ma solo studiata [8, 9, 10, 11], è invece l’applicazione di cicli ORC per il recupero di potenza con scambio termico diretto con fluidi primari gassosi quali i fumi di una microturbina, in cui risulta problematico lo scambio termico tra un gas a temperatura non elevata e un liquido in transizione di fase. Nessuno studio al riguardo è disponibile in letteratura. L’obiettivo di questo articolo è di analizzare l’applicazione di un ciclo ORC a valle di una microturbina a gas, operante sia a combustione interna di gas naturale sia in due configurazioni a combustione esterna di biomasse. L’analisi viene condotta in tre passaggi: inizialmente vengono Dott. Giorgio Bonvicini - BIE.I. Bioenergie Italia individuati i fluidi organici più adatti, considerando lo scambio termico ideale con prodotti della combustione tra 220 e 270 °C, quindi i risultati sono applicati ai tre casi studio e viene effettuato un dimensionamento di massima del GVR. METODOLOGIA Da un punto di vista termodinamico, le caratteristiche del ciclo ORC sono legate a quelle della turbina a gas da portata, temperatura e pressione dei fumi disponibili. Inizialmente lo studio sarà effettuato per unità di portata di fumi (1 kg/s), con temperatura variabile tra 220 e 270 °C. I vincoli imposti al problema sono i seguenti: --la temperatura di evaporazione Tev non può essere eccessivamente vicina a quella critica del fluido considerato (si deve avere un ΔT di almeno 10 °C) per conferire stabilità al ciclo; --nello scambio termico fumi - fluido organico va rispettato il minimo valore della differenza di temperatura al pinch point (anche in questo caso si deve avere un ΔT di almeno 10 °C); -- l'entalpia residua dei gas di scarico non può essere interamente sfruttata per il ciclo ma esiste una temperatura minima Tg,min sotto la quale non è possibile raffreddare i gas per evitare la formazione di condensa. Per quanto riguarda i fluidi organici, quelli utilizzabili in un ciclo ORC devono avere particolari caratteristiche termodinamiche e chimiche: bassa temperatura di saturazione a pressione atmosferica, ridotto calore latente di evaporazione alla temperatura di condensazione, alto peso molecolare ed elevata densità; ridotta tossicità e tendenza alla corrosione, basso potenziale di danneggiamento dell’ozonosfera, eventuale infiammabilità controllabile. In genere i fluidi che rispettano quanto richiesto sopra sono idrocarburi o idrofluorocarburi, e vengono classificati come fluidi “secchi” o “bagnati” secondo che la pendenza della curva limite superiore sul piano T-s sia positiva o negativa e di conseguenza si verifichi o meno condensazione durante l’espansione in turbina. A partire da 11 fluidi rappresentativi delle categorie sopra introdotte, saranno presi in considerazione i seguenti 6, maggiormente ricorrenti in letteratura [8, 12, 13]: n-pentano, isobutano, esano, toluene, R134a Tecnica 50 Generazione Elettrica aprile 2014 LA TERMOTECNICA (1,1,1,2-tetrafluoroetano), R245fa (1,1,1,3,3-pentafluoropropano). Per ciascuno sarà individuata la tipologia di ciclo realizzabile, in maniera da evitare la condensazione in turbina. Infatti, in generale i cicli Hirn possono essere realizzati con tutti i fluidi scelti, invece i Rankine solo con alcuni fluidi “secchi”. Più nel dettaglio, per quanto riguarda i cicli Rankine, è noto in partenza che il ciclo di massima potenza specifica sarà quello con temperatura di evaporazione più prossima a quella critica (nel rispetto dei vincoli imposti): si verificherà quindi quale ciclo consente il massimo recupero di potenza, anche in considerazione della portata di fluido organico che può essere trattata. Per i cicli Hirn, invece, si verificherà fino a quale temperatura il surriscaldamento del vapore porta a incrementi del salto entalpico tali da giustificare la maggiore potenza termica da fornire per il surriscaldamento. Infatti, in alcuni casi, un surriscaldamento più spinto riduce l’entità del recupero di potenza perché limita la portata di fluido organico utilizzata. Da un bilancio di primo principio si può ricavare la portata mf1 di fluido organico. ANALISI CICLI TERMODINAMICI Utilizzando le relazioni descritte nel paragrafo precedente e facendo riferimento al database delle proprietà dei fluidi del NIST [14], sono stati studiati diversi cicli ORC per ciascuno dei fluidi. In particolare, sono state testate temperature di evaporazione tra 90 e 190 °C e di surriscaldamento tra 100 e 210 °C. Cicli Rankine Si possono identificare due casi principali. Nel primo (caso pentano), il massimo recupero di potenza si ottiene per una temperatura di evaporazione prossima a quella critica del fluido: a quella temperatura il salto entalpico è massimo e la portata di fluido organico non risente di eccessive riduzioni. Nel secondo caso (caso esano) la temperatura di evaporazione ottimale è più distante da quella critica, perché deriva da un compromesso tra un salto entalpico elevato e una portata di fluido organico non eccessivamente ridotta. Cicli Hirn Fissata la temperatura di evaporazione, si individua il livello di surriscaldamento ottimale, nel rispetto dei vincoli imposti. In particolare, per basse temperature di surriscaldamento il vincolo prevalente è quello sul massimo raffreddamento dei gas e il recupero di potenza decresce linearmente con la temperatura. Per surriscaldamenti più elevati, invece, pesa maggiormente il vincolo sulla minima differenza di temperatura al pinch point. Riepilogo dei risultati In Tabella 1 sono riportati i risultati dell’ottimizzazione dei cicli Rankine e Hirn, in particolare i valori ottimali di temperature di evaporazione ed eventuale surriscaldamento, la portata di fluido organico, la temperatura di uscita dei fumi dal GVR e la potenza elettrica recuperata. Si calcola quindi la temperatura dei fumi al pinch point. Se la Tg,pinch così ricavata è superiore di almeno 10 °C a quella di evaporazione del fluido organico, è determinata la portata di fluido organico che percorre il ciclo, altrimenti si riduce la portata mf,2 sopra calcolata fino ad un valore mf,2 che rispetti il vincolo sul minimo ΔT al pinch point. Indicando in ogni caso come mf,2 la portata che soddisfa tutti i vincoli, si calcola la potenza prodotta dalla turbina. Dove nisT è il rendimento isoentropico della turbina e nM il suo rendimento meccanico, entrambi supposti costanti. Si possono quindi ricavare l’efficienza della sola microturbina a gas, ηGT, e quella del sistema combinato, ηGT-ORC. L’andamento della potenza elettrica recuperabile in funzione della temperatura dei fumi è rappresentato anche in Figura 1. Dove PCIfuel è il potere calorifico inferiore del combustibile, mfuel è la portata di combustibile, WGT e WORC sono le potenze prodotte dalla turbina a gas e dal ciclo ORC rispettivamente. Si nota che il secondo ηGT-ORC sarà in ogni caso superiore al primo ηGT, in quanto la potenza prodotta è maggiore, a parità di energia apportata con il combustibile. Per quanto riguarda il dimensionamento del GVR, che si è ipotizzato essere di tipo a fascio tubiero, il calcolo del coefficiente di scambio sarà effettuato con la correlazione di Dittus-Boelter per i tubi dell’economizzatore e del surriscaldatore, con quella di Chen per i tubi dell’evaporatore e con le relazioni di Kern per il mantello dello scambiatore. Si identificano tre casi principali: -- per temperature dei fumi tra 230 °C e 270 °C, corrispondenti quasi Tecnica 37 51 aprile 2014 LA TERMOTECNICA Generazione Elettrica all’intero intervallo, il ciclo Rankine a pentano con evaporazione a 180 °C massimizza il recupero di potenza; -- per temperature dei fumi inferiori, attorno a 220 °C, il ciclo Hirn a R245fa con evaporazione a 140 °C e surriscaldamento fino a 170 °C fornisce il massimo recupero di potenza; -- per temperature dei fumi vicine all’estremo superiore, 270 °C, si ottengono buoni risultati anche con un ciclo Rankine a toluene con evaporazione a 160 °C. È stata condotta anche un’analisi di secondo principio, in cui l’efficienza exergetica di ciascun ciclo è calcolata come rapporto tra la potenza ottenuta e l’exergia effettivamente fornita dai gas. Il ciclo Rankine a pentano, con evaporazione a 180 °C è risultato quello con il più elevato rendimento di secondo principio su tutto l’intervallo di temperatura dei fumi considerato. Qualora invece si volesse utilizzare per il recupero non soltanto l’aria pulita in uscita dalla turbina ma una miscela di aria e prodotti della combustione delle biomasse (caso studio 3), si avrebbero a disposizione 0,992 kg/s di miscela, a temperatura di 270 °C. Utilizziamo in questo caso il ciclo Rankine a toluene con evaporazione a 160 °C ottenendo una portata di 0,330 kg/s, che consente un recupero di 36,8 kW pari al 45% di incremento relativo della potenza e del rendimento. Per quanto riguarda il dimensionamento di massima del GVR, nel primo caso l’economizzatore da 47 kW, l’evaporatore da 23 kW e il surriscaldatore da 14 kW sono realizzati in configurazione a fascio tubiero con diametro di 0,35 m e hanno lunghezza complessiva di 2,20 m. Nel secondo caso il GVR, costituito da un economizzatore da 76 kW e da un evaporatore da 110 kW, ha diametro di 0,50 m e lunghezza totale di 4,10 m: il maggiore diametro del mantello è stato scelto anche per garantire le maggiori manutenzione e pulizia richieste. Riepilogo dei casi studio analizzati Confrontando i risultati ottenuti nei tre casi presi in considerazione si nota come i risultati migliori siano quelli ottenuti nel terzo caso, in cui sono stati recuperati 36,8 kW grazie alla più elevata portata di gas caldi e alla temperatura più elevata. In Figura 2 vengono confrontati i rendimenti dell’impianto nei tre casi studio: si nota come la terza soluzione garantisca il massimo incremento relativo di efficienza e anche un rendimento di secondo principio vicino al 60%. CASI STUDIO I risultati dell’analisi effettuata nel paragrafo precedente saranno applicati ai seguenti casi studio: una microturbina alimentata a gas naturale, una alimentata con combustione esterna di biomasse in due sottocasi, con recupero energetico dalla sola aria in uscita dalla turbina o da una miscela tra questa con i prodotti della combustione delle biomasse. La turbina cui si fa riferimento è caratterizzata da un rapporto di compressione di 4,5, da una temperatura di ingresso in turbina di 950 °C e da una di fine espansione di 270 °C. A partire da un input energetico di 333 kW apportati con il combustibile, la turbina fornisce 100 kW di potenza quando alimentata a gas naturale e 80 kW quando la camera di combustione è sostituita dallo scambiatore coi prodotti della combustione delle biomasse: il rendimento è del 30% nel primo caso, del 24% nel secondo. Nel caso a gas naturale (caso studio 1), sono disponibili 0,71 kg/s di prodotti della combustione a temperatura di 270 °C: dai risultati dell’analisi precedente si individua come ottimale il ciclo Rankine a pentano con evaporazione a 180 °C. Da un bilancio di primo principio sul GVR si ricava che la corrispondente portata di pentano è di 0,235 kg/s: questo valore, applicato ai risultati dell’analisi sui cicli, rende il valore della potenza recuperabile, 26,6 kW. L’incremento relativo della potenza prodotta e del rendimento è dunque attorno al 26%. Per il dimensionamento di massima del GVR è stata considerata una configurazione a fascio tubiero per entrambe le sezioni, un economizzatore da 102 kW e un evaporatore da 35 kW, ottenendo una configurazione sufficientemente compatta: un mantello di circa 0,20 m di diametro, con tubi lunghi 3,40 m. Nel caso della combustione esterna di biomasse (caso studio 2) la temperatura di ingresso in turbina dell’aria si riduce a 850 °C e di conseguenza la potenza prodotta è inferiore (80 kW), così come la temperatura allo scarico della turbina (220 °C) e la portata di aria in uscita (0,592 kg/s). Applicando i risultati precedenti si utilizza per il recupero di potenza un ciclo Hirn a R245fa con evaporazione a 140 °C e surriscaldamento a 170 °C. Da un bilancio di primo principio si ottiene che la portata di R245fa che percorre il ciclo ORC è 0,281 kg/s: a questa corrisponde un recupero di 14,3 kW, con un incremento relativo di potenza prodotta e rendimento del 17,5%. Per quanto riguarda invece le caratteristiche del GVR, in Figura 3 vengono confrontate le superfici di scambio delle sezioni dello scambiatore nei tre casi presi in esame. Si nota come la superficie richiesta nel terzo caso studio sia molto più elevata rispetto ai primi due, ma l’ingombro sia in ogni caso Tecnica 52 Generazione Elettrica aprile 2014 LA TERMOTECNICA sufficientemente ridotto da consentire l’installazione in complessi esistenti. Da analizzare più nel dettaglio per valutare la reale fattibilità di questa soluzione sono le questioni pratiche legate alle perdite di carico attraverso le varie sezioni del GVR, gli effetti della variazione della temperatura di disponibilità dei gas caldi, i reali limiti di raffreddamento dei gas per evitare corrosione e sporcamento eccessivi. Da valutare attentamente sono anche le soluzioni innovative e più compatte per la realizzazione del GVR rispetto al fascio tubiero, utilizzato in questo studio solo per un dimensionamento di massima. 110 kW alimentato a biomasse, con un rendimento complessivo del 30 - 35%, valore eccellente per impianti con queste caratteristiche. CONCLUSIONI Questo studio ha preso in considerazione l’applicazione di cicli ORC per il recupero di potenza da una portata inferiore a 1 kg/s di fumi con temperatura tra 220 e 270 °C. A partire da un database di fluidi organici, se ne sono individuati 6 con caratteristiche fisico-chimiche adatte. Il recupero di potenza ottenibile con cicli Rankine e Hirn è stato valutato mediante il metodo della minimizzazione delle perdite energetiche. I migliori risultati si sono ottenuti su quasi tutto l’intervallo di temperature considerato con il ciclo Rankine a pentano con evaporazione a 180 °C, con l’unica eccezione dell’estremo inferiore dell’intervallo, attorno a 220 °C, dove il ciclo Hirn a R245fa con evaporazione a 140 °C e surriscaldamento del vapore a 170 °C dà buoni risultati. Si sono quindi applicati i risultati dell’analisi precedente ai seguenti casi studio: una microturbina a combustione interna di gas naturale, con output elettrico di 100 kW, e la stessa microturbina in configurazione a combustione esterna di biomasse, con output elettrico di 80 kW. In quest’ultimo caso sono stati individuate due possibilità: recupero di potenza dalla sola aria del ciclo a gas (a 220 °C) o da una miscela di questa con i prodotti della combustione delle biomasse (a 270 °C). Utilizzando le comuni correlazioni numeriche, combinate col metodo del salto medio logaritmico di temperatura, è stato effettuato un dimensionamento di massima del GVR ipotizzando una struttura a fascio tubiero. Si sono ottenuti ingombri sufficientemente piccoli, che potrebbero essere ulteriormente ridotti con configurazioni più compatte che garantiscano un più elevato rapporto tra superficie di scambio termico e volume dell’apparecchiatura. Il recupero di potenza ottenibile nei tre casi studio è compreso tra 14,3 e 36,8 kW, corrispondenti a incrementi relativi di rendimento tra 17,5% e 45%. Risulta quindi possibile realizzare un impianto da BIBLIOGRAFIA 1. Cocco D., Deiana P., Cau G. - Performance evaluation of small size externally fired gas turbine (EFGT) power plants integrated with direct biomass dryers - Energy 31, 2006, pp. 1459 - 1471 2. Traverso A., Massardo A, Scarpellini R. - Externally Fired Micro Gas Turbine: modelling and experimental performance - Applied Thermal Engineering 26, 2006, pp 1935 - 1941 3. Barsali S., Giglioli R., Poli D., An externally fired micro gas turbine plant for combined heat and power generation from solid biomass: a practical experience - 18th European Biomass Conference, 2010 4. Kautz M., Hansen U., The externally-fired gas-turbine (EFGT-Cycle) for decentralized use of biomass, Applied Energy 84 (2007) 795 - 805 5. 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