Centrale termoelettrica a ciclo combinato

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Una centrale termoelettrica a ciclo combinato è una centrale termoelettrica in cui sono presenti due macchine termiche in serie, aumentando così il rendimento termodinamico rispetto ad entrambi i cicli isolati.

Descrizione[modifica | modifica wikitesto]

illustrazione nel piano T-s di un ciclo combinato

Il primo fluido è un gas, generalmente aria, che percorre un particolare ciclo termodinamico denominato Ciclo di Brayton-Joule, composto da due trasformazioni adiabatiche e da due trasformazioni isobare. Il secondo fluido, invece, è acqua che percorre un ciclo termodinamico denominato Rankine caratterizzato dal cambiamento di stato del fluido in questione: dapprima esso si trova allo stato liquido e nella caldaia a recupero passa poi allo stato di vapor d'acqua. Il ciclo è pertanto composto da due trasformazioni adiabatiche e da due trasformazioni isobare (in corrispondenza del cambiamento di stato le trasformazioni isobare risultano anche isoterme).

Schema di un ciclo combinato.

Il funzionamento di una centrale a ciclo combinato può essere fisicamente interpretato come l'accoppiamento di due centrali più semplici: una centrale a gas e una centrale termoelettrica tradizionale. In una centrale a gas, infatti, il fluido operativo (aria) opera a temperature molto elevate, e quindi anche nella sezione di "scarico" del calore verso l'esterno i prodotti della combustione emessi hanno un contenuto termico ancora considerevole, in quanto si trova ancora a temperatura elevata, e sono quindi potenzialmente e ulteriormente sfruttabili.

In una centrale a ciclo combinato i gas di scarico, emessi dal ciclo Joule, dopo essere passati in turbina a gas ed aver prodotto quindi lavoro meccanico, vengono convogliati all'interno di uno scambiatore di calore e utilizzati quindi per effettuare la fase di riscaldamento (e quindi evaporazione) dell'acqua all'interno del ciclo Rankine, che opera usualmente a temperature decisamente inferiori rispetto ad un ciclo a gas. Il vapore ottenuto da tale ciclo viene poi espanso in una successiva turbina a vapore producendo ulteriore lavoro meccanico. Proprio questa differenza di temperature caratteristiche tra i due cicli termodinamici consente il riutilizzo del calore di scarico del ciclo Joule come calore di evaporazione a favore del ciclo Rankine.

Impianti di questo tipo sono detti unfired, e cioè con caldaia a recupero senza bruciatori ausiliari; in questo caso si ha una netta prevalenza della potenza del turbogas rispetto a quella dell'impianto a vapore. Viceversa si ottiene con impianti di tipo fired, in cui i gas di scarico della turbina sono usati come comburente nei bruciatori della caldaia, che genera vapore di caratteristiche simili a quelle dei grossi impianti a vapore

I vantaggi di questo tipo di tecnologia sono molteplici ma, in particolare, è importante sottolineare il minor consumo di combustibile fossile a parità di energia prodotta, in quanto solo la fase di riscaldamento del ciclo a gas viene effettuata per mezzo della combustione di Gas naturale (o altri combustibili), mentre la parallela fase di evaporazione nel ciclo Rankine avviene per mezzo del recupero del calore disponibile nei gas di scarico della centrale a gas. Impiegando una minor quantità di combustibile aumenta quindi il rendimento dell'impianto e cioè il rapporto tra lavoro ottenuto ed energia consumata (sotto forma di combustibile).

Per una centrale termoelettrica tradizionale, infatti, il rendimento oscilla intorno a valori del 40% mentre in una moderna centrale a ciclo combinato il rendimento supera sempre il 50% con punte del 60%.

Repowering[modifica | modifica wikitesto]

Il repowering è una tecnica che permette di migliorare le prestazioni di impianti a vapore esistenti tramite l'installazione di un gruppo turbogas riutilizzando parte o tutti dei macchinari già operativi.

Il feed water repowering consiste nel preriscaldare l'acqua di alimento dell'impianto a vapore con il recupero dei gas di scarico della turbina a gas utilizzando gli scambiatori rigenerativi e sopprimendo così gli spillamenti di vapore in turbina. Tale tecnica è utilizzabile solo se la turbina a vapore di bassa pressione e il condensatore possono lavorare a portata maggiorata vista la rimozione degli spillamenti. Si tratta di una tecnica non ottimale dal punto di vista termodinamico poiché lo scambio termico avviene a temperature molto differenti. Il rendimento aumenta di circa 2 punti percentuali, tuttavia le modifiche all'impianto sono minime e fanno della brevità e semplicità d'installazione il suo punto di forza.

Nella tecnica detta di heat recovery repowering invece i gas di scarico della turbina a gas vengono usati per produrre il vapore che alimenta la turbina in una caldaia a recupero che sostituisce completamente il generatore di vapore. Si tratta di quindi di una soluzione di tipo unfired utilizzabile solo se la potenza del turbogas risulti adeguatamente maggiorata di quella del gruppo a vapore, quindi principalmente per centrali termoelettriche esistenti di piccola entità (circa 150 MW o meno). A fronte di un incremento di potenza molto elevato (circa il 200%) il rendimento aumenta fino a raggiungere valori del 50% rappresentando così una soluzione molto efficiente dal punto di vista energetico ma che prevede drastiche modifiche all'impianto.

Una tecnica intermedia detta di boiler repowering prevede l'utilizzo dei gas di scarico della turbina a gas (con contenuto di ossigeno di circa il 15%) come comburente nei bruciatori dell'impianto a vapore in sostituzione o in integrazione all'aria primaria. L'apporto entalpico dei gasi di scarico risulta elevato riducendo così la portata di combustibile richiesto a parità di potenzialità della caldaia. L'aumento di potenza è di circa il 40% e questa soluzione risulta la più prestazionale delle tre[1]. Richiede però modifiche all'impianto più rilevati a cui seguono ovviamente maggior costo di installazione e un tempo di fermata maggiore.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Caputo C., Gli impianti convertitori di energia, Masson, 1997.

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