IT201900012714A1 - Metodi per il ricircolo dei gas di scarico in sistemi basati su turbina a gas per diminuire il minimo carico tecnico ambientale - Google Patents

Description

METODI PER IL RICIRCOLO DEI GAS DI SCARICO IN SISTEMI BASATI SU TURBINA A GAS PER DIMINUIRE IL MINIMO CARICO

TECNICO AMBIENTALE

RIASSUNTO

L’invenzione riguarda l’impiego di un eiettore o altra pompa statica per effettuare il ricircolo dei gas di scarico di una turbina a gas all’aspirazione del compressore della stessa, con finalità non esclusiva di recupero termico, al fine di permettere una riduzione del minimo carico tecnico ambientale ed in generale una migliore efficienza in off-design. Tale eiettore o pompa statica è in comunicazione con un flusso proveniente dal compressore e con un flusso di gas di scarico.

CAMPO TECNICO

La presente invenzione si riferisce al settore delle turbine a gas stazionarie, ed in particolare ai metodi per la riduzione del minimo carico tecnico ambientale e per il miglioramento dell’efficienza in off-design delle stesse.

STATO DELL’ARTE

Il mutato contesto in cui operano gli impianti di produzione dell’energia elettrica (elevata penetrazione delle rinnovabili, richiesta di carico maggiormente variabile), ha spinto i costruttori, e gli operatori a incrementarne la flessibilità attraverso modifiche software e hardware per ottenere: i) l’estensione del campo di funzionamento (soprattutto alle basse potenze); ii) il miglioramento delle performance in condizioni di fuori progetto; iii) l’incremento delle rampe di potenza. La presente invenzione costituisce una soluzione per le prime due esigenze.

I Cicli Combinati, sono gli impianti per la produzione di energia con la maggiore efficienza (superiore al 60%), ed uniscono una Turbina a Gas, in cui avvengono i fenomeni di combustione e la produzione di ca 2/3 dell’energia elettrica complessiva, ed un ciclo a vapore in cui il calore dei fumi viene trasferito al ciclo a vapore attraverso un generatore di vapore a recupero, l’Heat Recovery Steam Generator (HRSG). Il vapore così generato viene espanso in una turbina a vapore che genera il restante 1/3 di potenza elettrica. Diversi metodi sono stati proposti per ridurre il Minimo Carico Tecnico Ambientale, MCTA, dei cicli combinati, ovvero la minima potenza che è possibile produrre rispettando i limiti emissivi. Le emissioni sono principalmente legate al rapporto aria combustibile in camera di combustione e all’interno del campo di normale funzionamento, la regolazione dei cicli combinati infatti opera principalmente sulla potenza prodotta dal TG, attraverso la modulazione della portata d’aria e quella di combustibile cercando di mantenere costante il loro rapporto. Il fattore limitante per il raggiungimento dei bassi carichi è costituito dall’elevato rapporto aria combustibile che si raggiunge in questi casi quando il sistema di controllo della portata d’aria, le Inlet Guide Vanes, IGV, sono alla loro posizione di massima chiusura. Un’ulteriore riduzione del combustibile provocherebbe la diminuzione della temperatura media di combustione e la formazione di Monossido di Carbonio, CO. Per ridurre la potenza prodotta a partire da questa condizione, le tecniche oggigiorno utilizzate si basano su un ulteriore riduzione della portata d’aria che prende parte alla combustione attraverso:

a) la diminuzione della densità all’aspirazione del compressore, b) by-pass della camera di combustione.

La prima soluzione si basa sull’incrementare la temperatura dell’aria all’aspirazione del compressore, riducendo così la densità. Il compressore è una macchina volumetrica, ovvero aspira volumi di fluido proporzionalmente all’apertura delle IGV; quando si trova nelle condizioni di massima chiusura delle IGV elabora quindi la minima portata volumetrica possibile che rimane costante ma, grazie alla riduzione della densità all’aspirazione, una portata massica inferiore. Questo permette di ridurre la quantità di combustibile introdotto e quindi la potenza minima prodotta oltre ad eliminare vari problemi legati al funzionamento ai bassi carichi.

L’introduzione del calore tramite scambiatori è un’operazione nota. Il brevetto EP 2 881 562 A1 copre l’utilizzo di heat pipes allo scopo di introdurre calore all’aspirazione della turbina a gas, grazie alla possibilità di trasferire calore in modo quasi isotermico.

Il brevetto US 7644573 B2 è quello che affronta in maniera più estensiva il problema del condizionamento all’aspirazione di un ciclo combinato, copre infatti tutte le estrazioni di calore dal ciclo a vapore (turbina a vapore o condensatore) a temperatura superiore a quella ambiente, ma non fa riferimento né ad estrazione dal ciclo a gas né a recupero termico dai gas di scarico.

La possibilità di by-passare fisicamente la camera di combustione, evitando che un parte della portata aria elaborata dal compressore prenda parte alla combustione, permette di ridurre il minimo carico tecnico ambientale riducendo la portata di combustibile e mantenendo lo stesso rapporto aria combustibile in camera di combustione. Questi sistemi sfruttano principalmente dispositivi già esistenti all’interno delle macchine, come le valvole di Blow-off che possono essere usate per una riduzione di carico rapida (EP2559862A1) o per il controllo dello stallo del compressore (US 2014/0013765 A1). Per ridurre il minimo tecnico di impianto si posso usare come vie di by-pass sia le valvole di blow-off che il sistema di raffreddamento delle pale della turbina a gas nel caso si adottino valvole controllanti e non orifizi fissi, soluzione adottate tipicamente dai produttori di turbine a gas ed offerte come soluzioni di refit.

Il sistema per contrastare la formazione del ghiaccio all’aspirazione della turbina a gas presentato in EP0962636B1, utilizza aria ad alta pressione proveniente dalla mandata compressore che viene ricircolata all’aspirazione del compressore. Questo sistema utilizza entrambi i metodi presentati, innalzando la temperatura all’aspirazione e deviando parte della portata elaborata dal compressore.

Il US5560195A utilizza uno spillamento dalla mandata del compressore per effettuare un preriscaldo dell’aria all’aspirazione della turbina in funzione antighiaccio, adottando un eiettore (jet blower or eductor) che aspira aria ambiente. Si trova quindi l’utilizzo di un eiettore, ma manca l’utilizzo finalizzato al ricircolo dei gas di scarico che è l’obiettivo della presente invenzione. In questo caso l’energia termica e meccanica sono prelevate dal compressore e l’aria funge da diluente per ridurre la temperatura all’aspirazione. Similmente l’impianto presentato in US2017/0167496 A1 prevede la movimentazione di sola aria ambiente.

Lo stato dell’arte prevede principalmente il ricircolo dei gas di scarico, i.e. i prodotti dalla combustione, prevalentemente in chiave di riduzione del tenore di ossigeno e quindi per la riduzione della formazione degli ossidi di azoto (NOx) e per aumentare la concentrazione della CO2 allo scarico per facilitare il processo di cattura.

In particolare il brevetto US20110289899A1, presenta un ciclo combinato con ricircolo di gas di scarico. In questo caso il ricircolo avverrebbe per mezzo di ventilatori a velocità variabile (variable speed blower).

Il brevetto US 60202400 copre il metodo di controllo di un sistema con ricircolo dei gas di scarico senza identificare lo strumento necessario al ricircolo.

Il brevetto US 6363709 B2 presenta idea analoga introducendo un sistema di spray di liquido all’aspirazione del compressore ed il sistema di controllo associato. Questo brevetto parla di utilizzo per incrementare il campo di funzionamento ai carichi parziali, ma non identifica lo strumento adottato per effettuare il ricircolo dei gas di scarico

SCOPI E DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE

L’invenzione consiste in una turbina a gas in ciclo semplice o combinato, composta da un compressore che comprime l’aria ambiente, da una camera di combustione che brucia il combustibile introdotto, da una turbina a gas che espande i prodotti della combustione per generare lavoro meccanico utile, accoppiata ad eiettore o pompa statica per permettere il ricircolo dei gas di scarico all’aspirazione del compressore, con lo scopo principale di innalzare la temperatura all’aspirazione per effettuare un recupero termico, al fine di ridurre il minimo carico tecnico ambientale ed in generale incrementare l’ efficienza in off-design.

La turbina a gas potrebbe avere altre configurazioni ed usare altri tipi di componenti oppure potrebbe essere usato un numero superiore ad uno di turbine a gas.

Nell’eiettore, il fluido primario (o motore) ad alta pressione viene utilizzato per dare ad un fluido secondario l’energia necessaria alla sua movimentazione. Nell’applicazione proposta a titolo esemplificativo non limitativo, l’aria spillata dopo i primi stadi di compressione, viene estratta attraverso le esistenti tubazioni di Blow-off o destinate all’aria di raffreddamento o da altro sistema posto in essere successivamente, e viene utilizzata per accelerare i fumi e dar loro l’energia necessaria a vincere le perdite di carico della tubazione che collega il punto di presa dei gas di scarico (dopo la turbina o dopo il camino) con l’aspirazione del compressore. La portata ricircolata, formata da una miscela di aria spillata e gas di scarico si miscela all’aria ambiente in aspirazione alla turbina a gas, modificandone temperatura e composizione chimica.

Il punto (14, Fig.1 e 2) di miscelamento della portata movimentata dall’eiettore con l’aria ambiente (non rappresentata), può essere localizzato all’interno o all’esterno della camera filtri all’aspirazione alla turbina a gas. I due flussi possono essere soggetti ad altri trattamenti (filtrazione, scambio termico, miscelamento con altre sostanze) prima o dopo il miscelamento.

Il sistema presentato sfrutta entrambi i metodi utilizzati per ridurre il minimo carico tecnico ambientale presentati nello stato dell’arte: a) la diminuzione della densità all’aspirazione del compressore si ottiene incrementando la temperatura media della miscela che attraversa le IGV, l’organo di controllo della portata, grazie all’energia termica dei fumi ricircolati. b) La portata spillata dal compressore riduce la quantità d’aria che attraversa la camera di combustione, permettendo un’ulteriore riduzione del carico. A differenza di quanto fatto comunemente con la portata spillata, che viene laminata, dissipando l’energia di pressione associata, in questa invenzione tale energia viene sfruttata in un eiettore o altra pompa statica. In particolare, essa, viene utilizzato per il ricircolo dei gas di scarico. La scelta di una macchina statica permette, inoltre, di ottenere un’elevata affidabilità nel tempo e quindi di non impattare la disponibilità dell’impianto.

Come fluido motore dell’eiettore o della pompa statica, può essere impiegata aria compressa dal compressore principale della turbina a gas al livello massimo di pressione (mandata del compressore) o dai livelli intermedi (estrazioni di blow-off o di refrigerazione dell’espansore). Da un punto di vista energetico ed in termini di bilanci di massa, è più conveniente utilizzare il fluido caratterizzato dalla pressione più bassa compatibile con l’input necessario al funzionamento dell’eiettore o pompa statica. I gas di scarico che vengono aspirati al secondario possono essere prelevati dal camino a valle del generatore di vapore, come nella figura 1 o a valle della turbina a gas, come in figura 2. La prima soluzione è da preferire ai fini dell’efficienza in quanto non riduce l’energia disponibile al ciclo a vapore e con riguardo alle temperature in gioco.

Il recupero termico dai gas di scarico può essere utilizzato sia per la riduzione del minimo carico tecnico ambientale sia per combattere la formazione di ghiaccio all’aspirazione della turbina.

Nonostante il fine principale sia quello di recupero termico, l’effetto del ricircolo dei gas di scarico può essere utilizzato anche per la diminuzione del tenore di ossigeno e quindi per la riduzione della formazione degli ossidi di azoto (NOx) in camera di combustione e per aumentare la concentrazione della CO2 allo scarico e quindi incrementare l’efficienza del processo di cattura.

La configurazione presentata ha il vantaggio di poter controllare in maniera indipendente la temperatura e la composizione della portata ricircolata, e quindi aspirata dal compressore. Il controllo agisce sulle valvole presenti, installate a titolo esemplificativo non limitativo, sui condotti primario e secondario. Le misure necessarie per elaborare il controllo possono essere ad esempio quelle relative alla turbina a gas (e.g. potenza, portata combustibile, condizioni termodinamiche e chimiche dall’aspirazione allo scarico), alle condizioni della miscela a monte e a valle dell’eiettore o altra pompa statica e alle condizioni ambientali.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

L’invenzione verrà descritta qui di seguito con riferimento ad esempi non limitativi, forniti a scopo esplicativo e non limitativo nei disegni annessi. Questi disegni illustrano differenti aspetti di realizzazione dell’invenzione e, dove appropriato, numeri di riferimento illustranti strutture, componenti, materiali e/o elementi simili in differenti figure sono indicati da numeri di riferimento similari. Nelle figure allegate:

Figura 1: illustra un ciclo combinato basato su una turbina a gas formata da un compressore (1), una camera di combustione (2), una turbina a gas (3), che produce lavoro per muove un generatore (4) o un’utenza meccanica (e.g. pompa o compressore). Per funzionare la macchina ha bisogno di flussi di raffreddamento ad alta (5), intermedia(6) e bassa pressione (7), che trasferiscono area compressa alle sezioni statoriche della turbina attraverso tubazioni esterne alla cassa e che possono essere dotate di flange e di organi di regolazione (flange tarate) o controllo (valvole). Necessario all’avviamento del compressore è la linea di blow-off (8), che scarica a valle della turbina a gas o negli ultimi stadi dell’espansore, dotata di valvola (9). A valle dello scarico della turbina a gas è installato un generatore di vapore a recupero (o Heat Recovery Steam Generator, HRSG) (10) che trasferisce il calore dei gas di scarico ad un ciclo a vapore con turbina, non rappresentarti. Il calore non recuperato viene scaricato in ambiente tramite un camino, in cui si inserisce un punto di presa dei gas di scarico da ricircolare (11). Le perdite di carico del condotto sono vinte per mezzo dell’eiettore (12), regolato per mezzo di una valvola sul primario (13) che viene alimentato, a titolo di esempio, dalla linea di blow-off per regolare la temperatura all’aspirazione della turbina a gas (14) per mezzo di un sistema di controllo (15) che può agire anche sul dispositivo di modulazione (16) inserito sul secondario.

Figura 2 presenta gli stessi componenti con la differenza che il punto di presa dei gas di scarico è collocato tra la turbina a gas (3) e il generatore di vapore a recupero (10).

Claims (6)

1. METODI PER IL RICIRCOLO DEI GAS DI SCARICO IN SISTEMI BASATI SU TURBINA A GAS PER DIMINUIRE IL MINIMO CARICO TECNICO AMBIENTALE RIVENDICAZIONI 1) L’impiego di un eiettore o altra macchina statica all’interno di cicli basati su turbine a gas allo scopo di ricircolare i gas di scarico.
2. 2) L’impiego di un eiettore o altra macchina statica all’interno di cicli basati su turbine a gas allo scopo di ricircolare i gas di scarico utilizzando come fluido motore un flusso proveniente dal compressore.
3. 3) Un sistema di preriscaldamento dell’aria in ingresso di una turbina a gas che sfrutti l’energia termica dei gas di scarico, attraverso un eiettore o altra macchina statica connesso ad un flusso proveniente dal compressore ed ad un flusso caratterizzato da gas di scarico.
4. 4) Un sistema per ridurre il contenuto di ossigeno dell’aria all’aspirazione di una turbina a gas che sfrutti la composizione chimica dei gas di scarico attraverso un eiettore o altra macchina statica connesso ad un flusso proveniente dal compressore ed ad un flusso caratterizzato da gas di scarico.
5. 5) Un sistema per incrementare la concentrazione di CO2 all’aspirazione di una turbina a gas che sfrutti la composizione chimica dei gas di scarico attraverso un eiettore o altra macchina statica connesso ad un flusso proveniente dal compressore ed ad un flusso caratterizzato da gas di scarico.
6. 6) I sistemi delle rivendicazioni 3 e 4 e 5 in cui il numero di eiettori sia differente da uno. 7) i sistemi della rivendicazione 6 in cui siano presenti valvole di controllo del flusso proveniente dal compressore. 8) i sistemi della rivendicazione 7 in cui siano presenti valvole di controllo del fluido che alimenta flusso caratterizzato da gas di scarico. 9) I sistemi della rivendicazione 8 in cui il sistema di controllo sulla base delle misure acquisite e.g. quelle relative alla turbina a gas (e.g. potenza, portata combustibile, condizioni termodinamiche e chimiche dall’aspirazione allo scarico), alle condizioni della miscela a monte e/o a valle dell’eiettore o altra pompa statica e alle condizioni ambientali, moduli le portate di primario e secondario in modo da regolare la temperatura e/o la composizione chimica all’aspirazione della turbina a gas.