ITBS20130184A1

ITBS20130184A1 - Metodo di controllo di un ciclo rankine organico

Info

Publication number: ITBS20130184A1
Application number: IT000184A
Authority: IT
Inventors: Roberto Bini; Davide Colombo; Claudio Pietra
Original assignee: Turboden Srl
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2015-06-20
Also published as: JP6625978B2; CA2927561A1; EP3084151B1; EP3084151A1; JP2017504743A; WO2015092649A1; RU2016115080A; US10247047B2; RU2684689C1; CA2927561C; US20160265391A1

Description

METODO DI CONTROLLO DI UN CICLO RANKINE ORGANICO

DESCRIZIONE

La presente invenzione è relativa ad un metodo di controllo per cicli termodinamici a vapore ed è particolarmente indicato per un ciclo Rankine organico (nel seguito, anche ciclo ORC).

Com’è noto ed in estrema sintesi, si definisce ciclo termodinamico una successione finita di trasformazioni termodinamiche (ad esempio isoterme, isocore, isobare o adiabatiche) al termine delle quali il sistema torna al suo stato iniziale. In particolare, un ciclo di Rankine è un ciclo termodinamico composto da due trasformazioni sostanzialmente adiabatiche e due isobare. Il suo scopo è quello di trasformare il calore in lavoro. È alla base del progetto dei motori a vapore di qualsiasi tipo. Questo ciclo è in genere adottato soprattutto nelle centrali termoelettriche per la produzione di energia elettrica ed utilizza come fluido motore l'acqua, sia in forma liquida che sotto forma di vapore o di gas, con la cosiddetta turbina a vapore.

Sono stati ipotizzati e realizzati cicli Rankine (ORC) che utilizzano fluidi organici ad alta massa molecolare per le applicazioni più diverse, in particolare anche per lo sfruttamento di sorgenti termiche a bassa-media entalpia. Come in altri cicli a vapore, l’impianto per un ciclo ORC comprende una o più pompe per l’alimentazione del fluido organico di lavoro, una serie di scambiatori di calore per realizzare le fasi di preriscaldamento, vaporizzazione ed eventuale surriscaldamento, una turbina a vapore per l’espansione del fluido, un condensatore che riporta il fluido organico allo stato liquido ed un eventuale rigeneratore per recuperare il calore a valle della turbina prima del condensatore.

Uno dei vantaggi dei cicli ORC, rispetto agli altri cicli a vapore, è quello che i fluidi organici ad alta massa molecolare hanno una curva di saturazione, nel diagramma temperatura-entropia (diagramma T-S), con il ramo di destra 12’ con pendenza positiva (Fig.2). Com’è noto, invece la curva di saturazione del vapor d’acqua presenta un ramo di destra 11’ a pendenza negativa (Fig.1).

Una delle conseguenze di questa caratteristica è che anche espandendo in turbina vapore saturo, l’espansione del vapore non avviene all’interno della curva di saturazione ma all’esterno, nella regione del vapore surriscaldato. Durante l’espansione in turbina, non si ha quindi formazione di liquido che potrebbe danneggiare la turbina stessa o per lo meno abbassare significativamente il rendimento della turbina stessa.

Se la pressione di evaporazione si avvicina a quella critica del fluido o è superiore alla pressione critica (ciclo ipercritico, Fig. 3) e contemporaneamente la temperatura del fluido non è sufficientemente elevata, può succedere che la curva di espansione del vapore in turbina nel diagramma T-S “tagli” la curva di saturazione e quindi si abbia formazione di liquido in turbina anche per i cicli ORC, come evidenziato in Fig. 3 con il riferimento 15’.

Questo fenomeno si può presentare nella parte “alta” del ramo di destra della curva di saturazione – per cicli quasi-critici ed ipercritici (Fig. 3) o nella parte “bassa” del ciclo in presenza di fluidi organici con massa molecolare non molto elevata e che quindi hanno il ramo destro della curva di saturazione poco inclinato (in senso positivo), quasi verticale o addirittura poco inclinato in senso negativo.

Pertanto esiste l’esigenza di un nuovo metodo di controllo del ciclo ORC in modo da evitare condizioni nelle quali l’espansione in turbina avviene all’interno della curva limite, ovvero che durante l’espansione si formi una parte di liquido che avrebbe impatto sulla durata e/o sul rendimento della turbina stessa.

Un oggetto della presente invenzione è un metodo di controllo per cicli ORC che in particolare controlla l’alimentazione del liquido che alimenta gli scambiatori sul lato alta pressione di un ciclo ORC in modo da evitare il suddetto rischio.

Un altro oggetto dell’invenzione è un apparato che consente di eseguire il metodo di sopra presentato.

Le rivendicazioni indipendenti delineano particolari e ulteriormente vantaggiosi aspetti dell’invenzione.

Una prima realizzazione del trovato in oggetto è un metodo di controllo di un impianto a ciclo Rankine organico (Figura 7), detto impianto comprendente almeno una pompa di alimentazione, almeno uno scambiatore di calore, una turbina di espansione e un condensatore, detto ciclo Rankine organico comprendente una fase di alimentazione di un fluido organico di lavoro, una fase di riscaldamento e vaporizzazione del medesimo fluido di lavoro, una fase di espansione ed una fase di condensazione dello stesso fluido di lavoro e un’eventuale fase di recupero interno di calore se è previsto un rigeneratore, laddove detto metodo controlla una grandezza regolata, definita nel seguito come “assimilabile ad un surriscaldamento” del fluido organico per mezzo di un controllore che agisce variando una grandezza regolatrice, inerente il fluido organico nella sua fase liquida.

Conseguentemente, è descritto un apparato configurato per realizzare il metodo di cui sopra comprendente mezzi di controllo di detta grandezza regolata, “assimilabile ad un surriscaldamento” del fluido organico che agiscono variando una grandezza regolatrice, inerente il fluido organico nella sua fase liquida.

Un vantaggio di tale realizzazione consiste nel fatto che il controllo di una grandezza regolata, assimilabile ad un surriscaldamento del fluido organico, consente di evitare la possibilità che durante la fase di espansione del vapore del fluido organico in turbina si abbia formazione di liquido con conseguente perdita di rendimento della turbina.

Secondo una realizzazione prefereniale, detta grandezza regolata, assimilabile ad un surriscaldamento del fluido organico è la differenza tra una temperatura corrente del fluido organico in fase di vapore all’ingresso della turbina e una temperatura limite al di sotto della quale la fase di espansione comporta la formazione di una fase liquida del fluido organico.

Conseguentemente detti mezzi di controllo sono configurati per operare qualora detta grandezza regolata, assimilabile ad un surriscaldamento del fluido organico è una differenza tra una temperatura corrente del fluido organico in fase di vapore all’ingresso della turbina e una temperatura limite al di sotto della quale la fase di espansione comporta la formazione di una fase liquida del fluido organico.

Un vantaggio di tale realizzazione è insito nel fatto che la differenza di temperatura tra una temperatura corrente del fluido organico in fase di vapore all’ingresso della turbina e una temperatura limite al di sotto della quale la fase di espansione comporta la formazione di una fase liquida del fluido organico è facilmente determinabile, note le caratteristiche termodinamiche del fluido organico di lavoro, in funzione della pressione di alimentazione del fluido organico stesso e per alcuni fluidi anche in relazione alla pressione di condensazione.

Secondo una realizzazione preferenziale detta grandezza regolatrice è la portata del fluido organico all’ingresso dello scambiatore di calore.

Conseguentemente i mezzi di controllo sono configurati per agire sulla portata del fluido organico all’ingresso dello scambiatore di calore.

Un vantaggio di tale realizzazione è data dalla possibilità della regolazione del ciclo per mantenere la grandezza regolata uguale al set point impostato, attraverso la regolazione della portata, in particolare la portata del liquido in ingresso agli scambiatori.

Secondo una realizzazione alternativa, la variazione della portata del fluido organico all’ingresso dello scambiatore di calore è realizzata per mezzo della variazione di velocità di rotazione della pompa di alimento del fluido organico.

Conseguentemente i mezzi di controllo sono configurati per agire sulla variazione della velocità di rotazione della pompa di alimento del fluido organico.

Un vantaggio di tale realizzazione è insito nella facilità del controllo della velocità di rotazione della pompa di alimento del fluido organico.

Secondo un’ulteriore realizzazione alternativa, la variazione della portata del fluido organico all’ingresso dello scambiatore di calore è realizzata per mezzo della variazione del grado di apertura di una valvola a valle della pompa di alimento del fluido organico.

Conseguentemente i mezzi di controllo sono configurati per agire sulla variazione del grado di apertura di una valvola a valle della pompa di alimento del fluido organico.

Un vantaggio di tale realizzazione consiste nel fatto di ottenere una regolazione alternativa della portata qualora la pompa di alimento del fluido organico sia a giri fissi.

Una realizzazione del presente trovato è un impianto a ciclo Rankine organico, comprendente almeno una pompa di alimentazione, almeno uno scambiatore di calore, una turbina di espansione, un condensatore e un controllore configurato per operare un metodo secondo una delle realizzazioni sopra descritte.

Il metodo, secondo uno dei suoi aspetti, può essere eseguito per mezzo di un programma per computer, comprendente un software per eseguire tutti i passi sopra descritti del metodo, nella forma di prodotto per programmi di computer comprendente il programma di computer.

Il prodotto per programmi di computer può essere configurato come un apparato di controllo per un impianto a ciclo Rankine organico, comprendente una centralina elettronica di controllo, un supporto dati ed un programma per computer memorizzato sul supporto dati, di modo che l’apparato di controllo definisce le realizzazioni dell’invenzione nello stesso modo in cui le definisce il metodo. In questo caso, quando l’apparato di controllo esegue il programma per computer, sono altresì eseguiti tutti gli step del metodo come descritto sopra.

I differenti modi di realizzazione dell’invenzione saranno ora descritti, per mezzo di esempi, con riferimento ai disegni allegati in cui:

La Figura 1 rappresenta un ciclo termico in un diagramma temperatura-entropia di un fluido inorganico a basso peso molecolare.

La Figura 2 rappresenta un ciclo termico in un diagramma T-S di un fluido organico ad alto peso molecolare, tipico dei cicli ORC.

La Figura 3 rappresenta un ciclo termico ipercritico in un diagramma T-S del fluido organico di Fig.2

La Figura 4 rappresenta un ciclo termico ipercritico in un diagramma T-S del fluido organico di Fig. 2, con l’accorgimento di aver definito una grandezza da controllare “assimilabile ad un surriscaldamento”, secondo una realizzazione del presente metodo.

La Figura 5 rappresenta l’andamento della temperatura limite in funzione della pressione di alimentazione del fluido organico delle figure precedenti.

La Figura 6 mostra un diagramma a blocco del controllo della temperatura “assimilabile ad un surriscaldamento” secondo una realizzazione del presente metodo.

La Fig.7 rappresenta schematicamente un impianto ORC per il quale poter adoperare il presente metodo.

Con riferimento alla Fig.7, un impianto ORC tipicamente comprende almeno una pompa di alimentazione 2 per alimentare un fluido organico in fase liquida ad almeno uno scambiatore di calore 3. Nello scambiatore di calore, che può a sua volta comprendere un preriscaldatore, un evaporatore ed un surriscaldatore il fluido organico è riscaldato fino alla sua trasformazione in fase di vapore e ad un suo eventuale surriscaldamento. All’uscita dello scambiatore di calore il vapore attraversa una turbina di espansione 5 producendo il lavoro utile del ciclo ORC ed infine attraversa un condensatore 6 che lo riporta in fase liquida pronto per essere inviato dalla pompa 2 nuovamente allo scambiatore di calore. Vantaggiosamente tra la turbina 5 ed il condensatore 6, può essere inserito un recuperatore di calore 8, ovvero uno scambiatore di calore che scambia calore tra il fluido organico in fase liquida che dalla pompa è sospinto verso lo scambiatore di calore ed il fluido organico in fase di vapore che, per l’appunto dalla turbina è diretto verso il condensatore.

Con riferimento alle Fig. 1-2 che rappresentano un diagramma termodinamico della temperatura in funzione dell’entropia (diagramma T-S), la sostanziale differenza di una curva di saturazione 12, relativa ad un fluido organico a medio o alto peso molecolare, relativamente al peso molecolare dell’acqua, è che il ramo di destra 12’ mostra in tale diagramma una pendenza positiva, laddove in uno stesso piano T-S, il ramo di destra 11’ di una curva di saturazione dell’acqua 11 ha una pendenza negativa. Un tipico ciclo a vapore non ipercritico, ovvero senza fasi di surriscaldamento, o ancora con espansione di vapore saturo, è indicato rispettivamente con 13 (ciclo a vapor d’acqua, Fig. 1) e con 14 (ciclo ORC, Fig. 2). La differenza sostanziale tra i due cicli, dovuta alla diversa forma della curva di saturazione, è che mentre l’espansione 13’ in turbina del vapor d’acqua avviene all’interno della propria curva di saturazione e quindi con formazione di liquido, nel caso del fluido organico l’espansione 14’ in turbina del vapore saturo non avviene all’interno della curva di saturazione ma all’esterno, nella regione del vapore surriscaldato. Durante l’espansione in turbina, non si ha quindi formazione di liquido e quindi si evita il rischio del danneggiamento della turbina.

D’altra parte, questo vantaggio dei fluidi ORC viene meno in alcune situazioni. Per esempio, la Fig.3 mostra un ciclo termodinamico ipercritico 15 di un fluido organico, per semplicità lo stesso di Fig. 2, laddove il termine ipercritico è legato al fatto che la pressione di evaporazione del punto di inizio espansione 16 è superiore alla pressione del punto critico 16’. In questo caso o anche nel caso di cicli subcritici che operano in prossimità del punto critico (ovvero nei casi in cui, pur essendo il ciclo a vapore saturo, la pressione di evaporazione si avvicina a quella critica del fluido) può succedere che la curva di espansione 15’ del vapore in turbina nel diagramma T-S intersechi la curva di saturazione e quindi si abbia formazione di liquido in turbina anche per i cicli ORC.

La presente invenzione parte dalla considerazione che per ogni valore di pressione di alimentazione del vapore in turbina esiste una temperatura limite Tlim al di sotto della quale l’espansione porterebbe ad entrare nella curva limite. Al contrario se viene mantenuta una temperatura superiore a questa temperatura limite, l’espansione avviene in zona sicura, quindi nella regione del vapore surriscaldato e pertanto è scongiurato il pericolo di attraversare la curva limite durante l’espansione del vapore in turbina.

Con riferimento alla Fig. 4, si definisce come “assimilabile ad un surriscaldamento” la differenza ∆T tra la temperatura effettiva del vapore all’ingresso della turbina e detta temperatura limite. In sostanza questo parametro “assimilabile ad un surriscaldamento” rappresenta un margine di sicurezza rispetto alla condizione critica che porterebbe alla formazione di liquido durante l’espansione in turbina. Tale condizione è espressa dalla temperatura limite Tlim, cui corrisponde una fase di espansione Elimtangente alla curva di saturazione. E’ possibile definire una mappa, ovvero una curva teorico-sperimentale che associ ad ogni pressione del vapore in turbina la corrispondente temperatura limite (calcolata, punto per punto, simulando l’espansione del vapore in turbina). E’ da notare che, per un certo tratto, in corrispondenza di cicli sub-critici, questi punti non sono altro che le coppie pressione di saturazione- temperatura di saturazione del fluido perché, come detto, in questo tratto della curva la temperatura di saturazione garantisce già di per sé di non avere espansione all’interno della curva limite.

Ai fini di una più semplice integrazione nel software di controllo della macchina, risulta comodo interpolare questa curva con una funzione algebrica T = f (p), come mostrata in Fig. 5. E’ da osservare che al crescere della pressione è necessario aumentare progressivamente la temperatura del vapore all’ingresso di turbina per scongiurare il pericolo di attraversare la curva di saturazione durante l’espansione del vapore in turbina.

Il sistema di controllo, un esempio di possibile realizzazione è quella mostrata in Fig. 6, attua quindi una regolazione del ciclo (tipicamente agendo sulla regolazione della portata Q di fluido organico in ingresso agli scambiatori che ne effettuano a fase di riscaldamento/vaporizzazione) per mantenere il parametro “assimilabile ad un surriscaldamento” uguale al set point impostato. Più in particolare, il valore di set point impostato �Tsp è confrontato con il parametro “assimilabile ad un surriscaldamento” attuale �Tact (la grandezza da regolare) e l’azione regolatrice è effettuata con un controllore 20, ad esempio un regolatore PID (proporzionale, integrale e derivativo) il cui output è l’azione di controllo 21 della variabile regolatrice, ovvero la portata di fluido in ingresso agli scambiatori. Di solito questo set point è di alcuni gradi o decine di gradi centigradi, per cui non è necessaria una precisione elevata nel calcolo dei punti suindicato o nella interpolazione della stessa.

La mappa che lega la temperatura limite ad ogni pressione del vapore in turbina è predeterminata e costituisce un input del software di controllo.

L’azione di controllo potrebbe riguardare, ad esempio, la velocità V di rotazione della pompa di alimento del fluido organico nel circuito ORC e/o il grado di apertura� di una valvola a valle di detta pompa (se a giri fissi) o altro organo di controllo che ha influenza sul parametro da regolare (ad esempio, la temperatura della sorgente).

Nel caso di fluidi organici che presentano un ramo di destra della curva di saturazione verticale o addirittura con pendenza negativa, l’attraversamento della curva limite durante l’espansione in turbina può presentarsi nella parte bassa del diagramma T-s, in corrispondenza di pressioni di condensazione basse. Per lo stesso fluido e partendo dalla stessa pressione di evaporazione, il fenomeno non si presenta ad una pressione di condensazione più alta. Per questi fluidi può essere conveniente correggere il valore della “temperatura limite” (come definita precedentemente) in funzione della pressione di condensazione.

La presente metodologia, inoltre, può essere vantaggiosamente utilizzata per favorire un avviamento graduale dell’impianto. Infatti, sarà sufficiente incominciare la fase di avviamento con valori sufficientemente elevati della differenza di temperatura�T per imporre dei valori di pressione in turbina sufficientemente bassi: il valore della differenza di temperatura è limitato superiormente dalla temperatura massima della sorgente termica e pertanto al crescere della grandezza�T, decresce il valore massimo di pressione raggiungibile dal ciclo ORC. Successivamente, sarà possibile ridurre gradualmente il valore del�T, sino a quando il ciclo ORC arriverà nelle condizioni di regime (subcritiche o ipercritiche che siano). In questo modo è ad esempio possibile passare con gradualità da un funzionamento sub-critico ad un funzionamento ipercritico del ciclo ORC.

Anche se almeno una realizzazione esemplificativa è stata presentata nella descrizione sommaria ed in quella dettagliata, deve essere compreso che esiste un enorme numero di varianti rientranti nell’ambito di protezione dell’invenzione. Inoltre, deve essere inteso che la realizzazione o le realizzazioni presentate sono solamente esempi che non intendono limitare in alcun modo l’ambito di tutela dell’invenzione o la sua applicazione o le sue configurazioni. Piuttosto, la descrizione sommaria e quella dettagliata forniscono al tecnico esperto del settore una conveniente guida per implementare almeno una realizzazione esemplificativa, essendo ben chiaro che numerose varianti possono essere apportate nella funzione e nell’assemblaggio degli elementi quivi descritti, senza fuoriuscire dall’ambito di protezione dell’invenzione come stabilito dalle rivendicazioni allegate e dai loro equivalenti tecnico-legali.

RIFERIMENTI NUMERICI

11 curva di saturazione acqua-vapore d’acqua

11’ lato di destra curva di saturazione acqua-vapore d’acqua

12 curva di saturazione fluido organico

12’ lato di destra curva di saturazione fluido organico

13 ciclo termodinamico non ipercritico acqua

13’ fase di espansione vapore d’acqua

14 ciclo termodinamico non ipercritico fluido organico

14’ fase di espansione fluido organico

15 ciclo termodinamico ipercritico fluido organico

15’ fase di espansione fluido organico

16 punto di inizio espansione (ipercritico)

16’ punto critico del fluido

20 controllore

21 azione di controllo

X grandezza regolata

Y grandezza regolatrice

Tlim temperatura limite

Elim espansione limite

∆T differenza tra temperatura effettiva del vapore all’ingresso della turbina e temperatura limite.

�Tsp set point ∆T

�Tact ∆T attuale

Q portata di fluido organico in fase di riscaldamento

V velocità di rotazione della pompa di alimento del fluido organico

� grado di apertura di una valvola a valle della pompa di alimento

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo di controllo di un impianto a ciclo Rankine organico, detto impianto comprendente almeno una pompa di alimentazione (2), almeno uno scambiatore di calore (3), una turbina di espansione (5) e un condensatore (6), detto ciclo Rankine organico comprendente una fase di alimentazione di un fluido organico di lavoro, una fase di riscaldamento e vaporizzazione del medesimo fluido di lavoro, una fase di espansione ed una fase di condensazione dello stesso fluido di lavoro, laddove detto metodo controlla una grandezza regolata (X), che è una funzione di un surriscaldamento del fluido organico per mezzo di un controllore (20) che agisce variando una grandezza regolatrice (Y), che è un parametro del fluido organico nella sua fase liquida.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, laddove detta grandezza regolata (X), è una differenza (∆T) tra una temperatura corrente del fluido organico in fase di vapore all’ingresso della turbina e una temperatura limite (Tlim) al di sotto della quale la fase di espansione comporta la formazione di una fase liquida del fluido organico.
3. Metodo secondo la rivendicazione 2, laddove detta temperatura limite (Tlim) è una funzione della pressione del vapore in turbina.
4. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, laddove detta grandezza regolatrice (Y) è la portata (Q) del fluido organico all’ingresso del detto almeno uno scambiatore di calore.
5. Metodo secondo la rivendicazione 4, laddove la variazione della portata (Q) del fluido organico all’ingresso dello scambiatore di calore è realizzata per mezzo della variazione di velocità di rotazione (V) della pompa di alimento del fluido organico.
6. Metodo secondo la rivendicazione 4 o 5, laddove la variazione della portata (Q) del fluido organico all’ingresso dello scambiatore di calore è realizzata per mezzo della variazione del grado di apertura (�) di una valvola a valle della pompa di alimento del fluido organico.
7. Impianto a ciclo Rankine organico, comprendente almeno una pompa di alimentazione (2), almeno uno scambiatore di calore (3), una turbina di espansione (5), un condensatore (6) e un controllore (20) configurato per operare un metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti.
8. Un programma per computer comprendente un software idoneo a realizzare il metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6.
9. Un prodotto per programmi per computer sul quale è memorizzato il programma per computer secondo la rivendicazione 8.
10. Un apparato di controllo per un impianto a ciclo Rankine organico, comprendente un controllore, un supporto dati associato al controllore ed un programma per computer secondo la rivendicazione 8 memorizzato nel supporto dati.