ITUB20155317A1 - Impianto e processo geotermico a ciclo binario ORC - Google Patents

Impianto e processo geotermico a ciclo binario ORC Download PDF

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ITUB20155317A1
ITUB20155317A1 ITUB2015A005317A ITUB20155317A ITUB20155317A1 IT UB20155317 A1 ITUB20155317 A1 IT UB20155317A1 IT UB2015A005317 A ITUB2015A005317 A IT UB2015A005317A IT UB20155317 A ITUB20155317 A IT UB20155317A IT UB20155317 A1 ITUB20155317 A1 IT UB20155317A1
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IT
Italy
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geothermal
orc
expander
fluid
ncg
Prior art date
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ITUB2015A005317A
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Inventor
Claudio Spadacini
Dario Rizzi
Luca Giancarlo Xodo
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Exergy Spa
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/04—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using pressure differences or thermal differences occurring in nature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K21/00—Steam engine plants not otherwise provided for
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Description

DESCRIZIONE
“Impianto e processo geotermico a ciclo binario ORC”
Campo del trovato
La presente invenzione ha per oggetto un impianto ed un processo geotermico a ciclo binario ORC (Organic Rankine Cycle). Un impianto/processo geotermico a ciclo binario ORC è un impianto/processo per la generazione di energia elettrica/potenza (power station) che sfrutta fonti geotermiche attraverso l'utilizzo di un fluido secondario a cui il fluido caldo geotermico cede calore in scambiatori di calore. Il fluido secondario è un fluido organico impiegato in un ciclo chiuso ORC che si riscalda, evapora ed espande in turbina prima di essere condensato e nuovamente mandato da una pompa agli scambiatori di calore per ricominciare il ciclo chiuso. Questa configurazione consente la produzione di energia da fonti di minore livello entalpico rispetto ad impianti con sfruttamento diretto del vapore geotermico in turbina (impianti ad espansione diretta di vapore secco o impianti flash), ovvero consente di aumentare l’efficienza degli impianti in combinazione con le tecnologie di sfruttamento diretto.
Background del trovato
Un sistema geotermico è generalmente composto da uno o più pozzi, un sistema di collettamento di uno o più flussi liquidi o bifase ed in alcuni casi da un sistema di separazione e distribuzione da un lato di flussi liquidi e dall’altro di flussi composti da una miscela di vapore e fluidi non condensabili (NCG). Gli NCG sono quasi totalmente composti da anidride carbonica CO2 (es. 70%-98%) e acido solfidrico H2S (es. 0,6%-24%), ed in piccola parte da altri gas (es. azoto N2, idrogeno H2, metano CH4).
Sono noti impianti geotermici a ciclo binario ORC che alimentano in uno 0 più scambiatori sia i flussi liquidi che i flussi composti dalla miscela di vapore e fluidi non condensabili (NCG) dove scambiano calore con un fluido di lavoro organico del ciclo ORC.
Ad esempio, il documento pubblico W02014041417 illustra un metodo ed un apparato per produrre potenza da un fluido geotermico. Il metodo prevede di: separare, in un dispositivo di separazione, il fluido geotermico, proveniente da un pozzo geotermico di produzione, in vapore geotermico e gas non condensabili (NCG), e liquido geotermico (geothermal brine), alimentare il vapore geotermico e i gas non condensabili (NCG) ad un vaporizzatore; vaporizzare nel vaporizzatore un fluido organico di lavoro preriscaldato tramite il calore del vapore geotermico fino a produrre vapore geotermico parzialmente condensato e fluido organico vaporizzato; espandere il fluido organico vaporizzato in una turbina producendo potenza e fluido organico vaporizzato espanso; condensare il fluido organico vaporizzato espanso in un condensatore producendo fluido organico condensato; preriscaldare in un preriscaldatore il fluido organico condensato utilizzando il calore del vapore geotermico condensato e del liquido geotermico (geothermal brine). In alcune forme realizzative illustrate in tale documento, prima di transitare nel vaporizzatore, il vapore geotermico ed i gas non condensabili (NCG) sono espansi in un espansore collegato al generatore associato alla turbina e, dopo essere transitati nel vaporizzatore, i gas non condensabili (NCG) sono compressi in un compressore e re-iniettati in un pozzo geotermico di iniezione assieme al liquido geotermico proveniente dal pre -riscaldatore.
Il documento pubblico WO201 4/140756 illustra un impianto geotermico binario per la produzione di potenza. L'impianto comprende un sistema ORC, un dispositivo di separazione per separare il fluido geotermico in una porzione vapore con gas non condensabili (NCG) ed in una porzione liquida che operano in congiunzione con il sistema ORC ed un sistema per prevenire la perdita di efficienza degli scambiatori di calore dovuta alla precipitazione di solidi contenuti nel liquido geotermico. La porzione vapore e la porzione liquida uscenti dal dispositivo di separazione transitano in un vaporizzatore del sistema ORC, per vaporizzare il fluido organico di lavoro, e successivamente in un secondo dispositivo di separazione configurato per separare gli NCG dal vapore condensato. Gli NCG sono inviati ad una unità di miscelazione (che è parte del sistema per prevenire la perdita di efficienza degli scambiatori di calore) attraverso un compressore, assieme al vapore condensato ed al liquido geotermico (brine). Il fluido geotermico ricostruito neH’unità di miscelazione viene inviato ad un pre-riscaldatore del sistema ORC e poi immesso in un pozzo di re-iniezione. In una forma realizzativa illustrata in tale documento, prima di transitare nel vaporizzatore del sistema ORC, la porzione vapore con gas non condensabili (NCG) uscente dal dispositivo di separazione è alimentata ad una turbina a vapore per produrre potenza addizionale tramite un generatore.
In entrambi i documenti sopra illustrati, la miscela di vapore geotermico e gas incondensabili (NCG) è alimentata direttamente dal dispositivo di separazione all’espansore, nel quale la miscela espande fino ad una certa pressione prima di essere alimentata al ciclo binario ORC.
Sommario
In tale ambito, la Richiedente ha percepito la necessità di migliorare l’efficienza degli impianti binari nel loro complesso in modo, ad esempio, da produrre più potenza a parità di risorsa geotermica disponibile.
La Richiedente ha in particolare percepito la necessità di migliorare lo sfruttamento dei gas non condensabili (NCG) nelfambito degli impianti binari ORC.
La Richiedente ha anche percepito la necessità di semplificare strutturalmente e ridurre i costi di produzione e/o manutenzione degli impianti binari ORC che, come quelli noti sopra descritti, sfruttano in un espansore i gas non condensabili (NCG). In particolare, la Richiedente si è posta i seguenti obiettivi:
<■>ideare un processo ed un impianto binario ORC più efficienti per lo sfruttamento delle risorse geotermiche;
<■>ideare un processo ed un impianto binario ORC per lo sfruttamento delle risorse geotermiche che permettano un impiego migliore dei gas non condensabili NCG contenuti nella risorsa geotermica;
<■>ideare un processo ed un impianto binario ORC per lo sfruttamento delle risorse geotermiche che permettano tale sfruttamento qualunque sia la risorsa geotermica (la cui variabilità non è prevedibile e neppure controllabile), in particolare, in modo quasi indipendente dalla composizione di tali NCG;
<■>ideare un processo ed un impianto binario ORC per lo sfruttamento delle risorse geotermiche che meglio si adattino allo sfruttamento degli NCG in termini di resistenza strutturale ed usura delle parti che interagiscono con detti gas;
<■>ideare un processo ed un impianto binario ORC per lo sfruttamento delle risorse geotermiche che permettano una gestione controllata e sicura degli NCG anche dopo il loro sfruttamento nell’ambito del ciclo;
<■>ideare un processo ed un impianto binario ORC per lo sfruttamento delle risorse geotermiche che siano strutturalmente semplici, in particolare con riferimento alla parte di impianto dedicata all’espansione degli NCG
La Richiedente ha osservato che a valle di un primo raffreddamento della miscela geotermica, comprendente vapore geotermico e gas non condensabili (NCG), utilizzata per alimentare un ciclo binario ORC (ovvero all’uscita degli scambiatori asserviti all’ORC), si avrà una miscela geotermica a cui è stata estratta buona parte del calore sfruttabile, riducendone temperatura e condensandone il vapore, ma ancora a pressione non dissimile da quella di ingresso, grazie alla ridotta perdita di carico rispetto all’ingresso.
La Richiedente ha intuito che facendo espandere detta miscela geotermica dopo detto primo raffreddamento (ovvero all’uscita degli scambiatori asserviti all’ORC), è possibile far lavorare l’espansore con salti entalpici molto più modesti rispetto a quelli tipici degli espansori di NCG della tecnica nota sopra citata che invece ricevono la miscela proveniente direttamente dal pozzo geotermico (separata dal liquido geotermico) e quindi provvista di tutto il calore sfruttabile. Questo è dovuto al fatto che, dopo lo scambio di calore nel ciclo binario la miscela geotermica che entra nell’espansore ha una percentuale molto elevata di NCG (tipicamente 50-70%, ma più in generale compresa fra 30 e 95%) ed una scarsa percentuale di vapore d’acqua, nonché una temperatura generalmente inferiore.
Ciò permette di adottare un espansore con scarico a pressione atmosferica senza perdite di rendimento. Invece le soluzioni della tecnica nota, come quelle sopra descritte, normalmente presentano uno scarico sotto vuoto poiché, se fosse atmosferico, si perderebbe molto vapore d’acqua in atmosfera, il che deteriorerebbe molto il rendimento.
L’espansore può essere inoltre più compatto e strutturalmente più semplice ed economico, poiché il ridotto salto entalpico non necessita di molti stadi di espansore. Essendo compatto, è possibile utilizzare materiali nobili e resistenti alla corrosione per la sua realizzazione, quali l'acciaio inossidabile (ad esempio con %Cr maggiore del 16%), le leghe di Titanio o di Nichel.
La Richiedente ha pertanto trovato che gli obiettivi sopra indicati e altri ancora possono essere raggiunti implementando nell'impianto geotermico a ciclo binario ORC uno o più espansori collocati a valle degli scambiatori asserviti aH’ORC in cui convogliare e far espandere i gas non condensabili (NCG) assieme eventualmente al vapore geotermico provenienti da detti scambiatori.
In particolare, gli obiettivi indicati ed altri ancora sono sostanzialmente raggiunti da un impianto e da un processo geotermico binario ORC del tipo rivendicati nelle annesse rivendicazioni e/o descritti nei seguenti aspetti.
In un aspetto indipendente, la presente invenzione riguarda un impianto geotermico a ciclo binario ORC, comprendente almeno un sistema a ciclo chiuso ORC comprendente almeno: un vaporizzatore; una turbina di espansione; un generatore operativamente collegato alla turbina di espansione (per generare energia elettrica/potenza); un condensatore; una pompa; condutture configurate per collegare il vaporizzatore, la turbina di espansione, il condensatore e la pompa secondo un ciclo chiuso in cui circola un fluido organico di lavoro. L'impianto geotermico a ciclo binario ORC comprende inoltre un sistema geotermico comprendente almeno: una linea di prelievo di un fluido geotermico collegata ad almeno un pozzo di produzione geotermico, in cui il fluido geotermico comprende gas non condensabili; una linea di interfaccia collegata alla linea di prelievo ed operativamente accoppiata a detto almeno un sistema a ciclo chiuso ORC in corrispondenza di una zona di interfaccia, in cui il fluido geotermico scambia calore con il fluido organico di lavoro di detto sistema a ciclo chiuso ORC; una linea di uscita re-iniezione collegata alla linea di interfacciare-iniezione. Il sistema geotermico comprende inoltre: almeno un dispositivo di separazione configurato per separare almeno i gas non condensabili dal fluido geotermico; un espansore operativamente collegato ad un’uscita dei gas non condensabili dal dispositivo di separazione; un generatore ausiliario operativamente collegato all’espansore (per generare energia elettrica/potenza addizionale). L’espansore è collocato a valle della zona di interfaccia con il sistema a ciclo chiuso ORC per ricevere ed espandere almeno i gas non condensabili dopo che hanno scambiato calore con il fluido organico di lavoro. Preferibilmente, la linea di uscita è una linea di re-iniezione Gollegata ad un pozzo di re-iniezione geotermico. In alternativa, la linea di uscita scarica a cielo aperto.
In un aspetto indipendente, la presente invenzione riguarda un processo geotermico a ciclo binario ORC, comprendente: far circolare un fluido organico di lavoro in un ciclo organico Rankine, in cui detto fluido organico di lavoro è riscaldato e vaporizzato, espanso in una turbina asservita ad un generatore, condensato e di nuovo riscaldato e vaporizzato; estrarre un fluido geotermico comprendente gas non condensabili da un pozzo di produzione geotermico, accoppiare operativamente il fluido geotermico al fluido organico di lavoro del ciclo organico Rankine per scambiare calore con detto fluido organico di lavoro e riscaldare e vaporizzare detto fluido organico di lavoro, scaricare il fluido geotermico;
in cui il processo comprende inoltre: separare almeno i gas non condensabili dal fluido geotermico, far espandere detti gas non condensabili in un espansore asservito ad un generatore ausiliario;
in cui l’espansione dei gas non condensabili nell’espansore è eseguita dopo che detti gas non condensabili hanno scambiato calore con il fluido organico di lavoro. In un aspetto in accordo con gli aspetti precedenti, l’espansore riceve ed espande una miscela geotermica comprendente vapore geotermico ed i gas non condensabili. Preferibilmente, scaricare il fluido geotermico comprende: re-iniettare il fluido geotermico in un pozzo di re-iniezione geotermico. In alternativa, scaricare il fluido geotermico comprende: scaricare a cielo aperto.
La Richiedente ha verificato che con concentrazioni tipiche di CO2 (NCG) del 50-70% (ottenibili posizionando l’espansore secondo la presente invenzione) e pressione di scarico atmosferica, la pressione parziale di vapore allo scarico sarà pari a circa il 30 - 50 % e quindi la temperatura di scarico dell'espansore, a pressione atmosferica, corrisponde al saturo di circa 0.3 - 0.5 bar, ossia 50 - 80 °C . Quindi si dimostra che l’energia persa in atmosfera è poca. Se la percentuale di CO2 (NCG) fosse solo 5-10%, come nel caso delle soluzioni della tecnica nota, si avrebbero molte tonnellate di vapore d’acqua perse in atmosfera a circa 95-99 °C, il che deteriorerebbe molto il rendimento.
La Richiedente ha inoltre verificato che il salto entalpico modesto può essere gestito con espansori relativamente semplici e compatti.
La Richiedente ha anche osservato che le condizioni della risorsa geotermica sono molto variabili. La miscela geotermica che attraversa l’espansore può contenere, oltre agli NCG, anche particelle solide e particelle liquide (gocce di H2O, umidità della miscela). Tali particelle hanno un effetto erosivo sulle parti dell’espansore con le quali vengono in contatto. L’effetto dell’erosione è direttamente proporzionale alla velocità del fluido stesso. Inoltre, l’erosione è maggiore negli espansori in cui il campo di forze centrifughe addensa le particelle a densità maggiore (sia che esse siano solide che liquide) in zone limitate, incrementando così tale effetto.
La Richiedente ha intuito che sono da prediligere gli espansori in cui le velocità del fluido, sia assolute che relative, sono basse e nei quali le forze centrifughe sono ininfluenti. La Richiedente ha trovato che le turbine radiali centrifughe, mono 0 contro-rotanti, si abbinano perfettamente all’impiego con miscele geotermiche perché consentono di meglio resistere agli agenti corrosivi di questi ultimi.
Pertanto, in un ulteriore aspetto indipendente, la presente invenzione riguarda un impianto geotermico a ciclo binario ORC, comprendente almeno un sistema a ciclo chiuso ORC comprendente almeno: un vaporizzatore; una turbina di espansione; un generatore operativamente collegato alla turbina di espansione; un condensatore; condutture configurate per collegare il vaporizzatore, la turbina di espansione ed il condensatore secondo un ciclo chiuso in cui circola un fluido organico di lavoro. L’impianto geotermico a ciclo binario ORC comprende inoltre un sistema geotermico comprendente almeno: una linea di prelievo di un fluido geotermico collegata ad almeno un pozzo di produzione geotermico, in cui il fluido geotermico comprende gas non condensabili; una linea di interfaccia collegata alla linea di prelievo ed operativamente accoppiata a detto almeno un sistema a ciclo chiuso ORC in corrispondenza di una zona di interfaccia, in cui il fluido geotermico scambia calore con il fluido organico di lavoro di detto sistema a ciclo chiuso ORC; una linea di re-iniezione uscita collegata alla linea di interfacciare-iniezione. Il sistema geotermico comprende inoltre: almeno un dispositivo di separazione configurato per separare almeno i gas non condensabili dal fluido geotermico; un espansore operativamente collegato ad un’uscita dei gas non condensabili dal dispositivo di separazione; un generatore ausiliario operativamente collegato all’espansore. L’espansore per i gas non condensabili è una turbina radiale centrifuga (outflow), preferibilmente del tipo contro-rotante. Preferibilmente, la linea di uscita è una linea di re-iniezione collegata ad un pozzo di re-iniezione geotermico. In alternativa, la linea di uscita scarica a cielo aperto.
Con il termine “zona di interfaccia" si intende quell’assieme di dispositivi (es. vaporizzatori, pre-riscaldatori) in cui il fluido geotermico ed il fluido organico di lavoro scambiano fra loro calore.
In un aspetto in accordo con uno o più degli aspetti precedenti, detto almeno un dispositivo di separazione è configurato per separare il fluido geotermico in liquido geotermico e miscela geotermica comprendente vapore geotermico e i gas non condensabili.
In un aspetto in accordo con l’aspetto precedente, detto almeno un dispositivo di separazione presenta un ingresso per il fluido geotermico, una prima uscita per la miscela geotermica ed una seconda uscita per il liquido geotermico.
In un aspetto in accordo con l’aspetto precedente, l’espansore è collegato alla prima uscita di detto almeno un dispositivo di separazione per ricevere ed espandere la miscela geotermica comprendente vapore geotermico ed i gas non condensabili. In un aspetto in accordo con uno o più degli aspetti precedenti, anche detto almeno un dispositivo di separazione è collocato a valle della zona di interfaccia. La separazione viene eseguita dopo che la miscela geotermica ha scambiato calore con il ciclo ORC e, in uscita dal dispositivo di separazione, il vapore geotermico e i gas non condensabili sono immessi nell’espansore.
In un aspetto secondo una variante realizzativa, detto almeno un dispositivo di separazione è collocato a monte della zona di interfaccia. La separazione viene eseguita prima che la miscela geotermica scambi calore con il ciclo ORC e, in uscita dallo scambiatore situato nella zona di interfaccia, il vapore geotermico e i gas non condensabili sono immessi nell’espansore.
In un aspetto secondo una ulteriore variante realizzativa, detto almeno un dispositivo di separazione comprende un primo dispositivo di separazione posto a monte della zona di interfaccia ed un secondo dispositivo di separazione posto a valle della zona di interfaccia. Il secondo dispositivo di separazione separa la parte liquida della miscela geotermica uscente dallo scambiatore situato nella zona di interfaccia dal vapore geotermico con i gas non condensabili.
In un aspetto in accordo con gli aspetti precedenti, l’impianto geotermico comprende un sistema a ciclo chiuso ORC ad alta pressione ed un sistema a ciclo chiuso ORC a bassa pressione posto operativamente a valle del sistema a ciclo chiuso ORC ad alta pressione.
In un aspetto in accordo con l’aspetto precedente, una zona di interfaccia del sistema a ciclo chiuso ORC a bassa pressione riceve il fluido geotermico dopo che detto fluido geotermico ha scambiato calore nella zona di interfaccia del sistema a ciclo chiuso ORC ad alta pressione.
In un aspetto in accordo con l’aspetto precedente, l’espansore è collocato a valle della zona di interfaccia del sistema a ciclo chiuso ORC a bassa pressione e/o della zona di interfaccia del sistema a ciclo chiuso ORC ad alta pressione.
In un aspetto in accordo con l’aspetto precedente, detto almeno un dispositivo di separazione è collocato operativamente a valle della zona di interfaccia del sistema a ciclo chiuso ORC a bassa pressione e/o della zona di interfaccia del sistema a ciclo chiuso ORC ad alta pressione.
In un aspetto secondo almeno uno degli aspetti precedenti, la linea di interfaccia comprende almeno una prima linea operativamente accoppiata al vaporizzatore del sistema a ciclo chiuso ORC, in cui, in detto vaporizzatore, la miscela geotermica fluente in detta prima linea scambia calore con il fluido organico di lavoro per vaporizzare detto fluido organico di lavoro.
In un aspetto secondo l’aspetto precedente, il sistema a ciclo chiuso ORC comprende un pre-riscaldatore collocato nella zona di interfaccia.
In un aspetto secondo l’aspetto precedente, la linea di interfaccia comprende almeno una seconda linea operativamente accoppiata al pre-riscaldatore del sistema a ciclo chiuso ORC, in cui, in detto pre-riscaldatore, il fluido geotermico fluente in detta seconda linea scambia calore con il fluido organico di lavoro per preriscaldare detto fluido organico di lavoro prima dell’ingresso nel vaporizzatore. In un aspetto in accordo con l’aspetto precedente, il primo dispositivo di separazione è posto a monte della zona di interfaccia ed è configurato per separare il fluido geotermico in liquido geotermico e miscela geotermica comprendente vapore geotermico e gas non condensabili.
In un aspetto in accordo con l’aspetto precedente, il primo dispositivo di separazione presenta un ingresso per il fluido geotermico, una prima uscita per la miscela geotermica collegata alla prima linea, una seconda uscita per il liquido geotermico collegata alla seconda linea.
In un aspetto in accordo con l’aspetto precedente, un secondo dispositivo di separazione è posto a valle della zona di interfaccia ed è configurato per separare la miscela geotermica in vapore geotermico condensato e gas non condensabili. In un aspetto in accordo con l’aspetto precedente, il secondo dispositivo di separazione presenta un ingresso per la miscela geotermica, una prima uscita per il vapore geotermico condensato ed una seconda uscita per i gas non condensabili collegata all’espansore.
In un aspetto secondo almeno uno degli aspetti precedenti, detto almeno un dispositivo di separazione comprende almeno uno scambiatore di calore a contatto e/o almeno uno scambiatore di calore a superficie.
In un aspetto secondo almeno uno degli aspetti precedenti, una pressione di ingresso nell’espansore è compresa tra circa 2 bar e circa 16 bar.
In un aspetto secondo almeno uno degli aspetti precedenti, una pressione di scarico dall’espansore è compresa tra circa 0,8 e circa 1 ,3 bar. La pressione di scarico è sostanzialmente quella atmosferica.
In un aspetto secondo almeno uno degli aspetti precedenti, una temperatura di ingresso nell’espansore è compresa tra circa 90 °C e circa 160 °C.
In un aspetto secondo almeno uno degli aspetti precedenti, un salto entalpico attraverso l’espansore è compreso tra circa 80 kJ/kg-K e circa 200 kJ/kg-K. Come già precedentemente evidenziato, il salto entalpico modesto può essere gestito con espansori relativamente semplici e compatti.
In un aspetto secondo almeno uno degli aspetti precedenti, una percentuale di gas non condensabili nell’espansore è compresa tra circa il 30% e circa il 95% della portata massica.
In un aspetto secondo almeno uno degli aspetti precedenti, una percentuale di acqua nell’espansore è compresa tra circa il 2% e circa il 25% della portata massica. Il vapore d’acqua perso in atmosfera è minimo e ciò contribuisce a mantenere alto il rendimento.
In un aspetto secondo almeno uno degli aspetti precedenti, una portata massica di ingresso nell’espansore è compresa tra circa 6 Kg/s e circa 20 Kg/s.
In un aspetto secondo almeno uno degli aspetti precedenti, una portata volumetrica di ingresso nell’espansore è compresa tra circa 0,4 m<3>/s e circa 2,5 m<3>/s.
In un aspetto secondo almeno uno degli aspetti precedenti, una portata volumetrica di scarico dall’espansore è compresa tra circa 3 m<3>/s e circa 15 m<3>/s.
In un aspetto secondo almeno uno degli aspetti precedenti, un titolo allo scarico dell’espansore è compreso tra circa 85% e circa 100%.
In un aspetto secondo almeno uno degli aspetti precedenti, una potenza generata dal generatore ausiliario è compresa tra circa 500 kW e circa 4000 kW.
In un aspetto secondo almeno uno degli aspetti precedenti, l’espansore è una turbina radiale centrifuga.
In un aspetto secondo almeno uno degli aspetti precedenti, l’espansore è una turbina radiale centrifuga mono-rotante o controrotante.
In un aspetto secondo almeno uno degli aspetti precedenti, l’espansore è una turbina radiale centrifuga controrotante pluristadio.
In un aspetto secondo almeno uno degli aspetti precedenti, l’espansore è una turbina radiale centrìfuga comprendente: una cassa di contenimento fissa; un disco di supporto presentate una faccia recante almeno uno stadio rotorico radiale formato da una schiera di palette disposte in successione lungo un rispettivo percorso circolare; un albero di rotazione solidale al rispettivo disco; almeno uno stadio statorico radiale fisso rispetto alla cassa di contenimento e formato da una schiera di palette disposte in successione lungo un rispettivo percorso circolare ed in posizione radialmente interna rispetto a detto almeno uno stadio rotorico radiale; in cui un volume di espansione è delimitato tra il disco di supporto e la cassa di contenimento; in cui detto almeno un disco presenta canali di ammissione collocati in posizione radialmente interna a detto almeno uno stadio rotorico radiale; in cui detto almeno un disco è libero di ruotare insieme al rispettivo albero attorno ad un asse di rotazione sotto l’azione del fluido di lavoro entrante attraverso i canali di ammissione.
In un aspetto secondo almeno uno degli aspetti precedenti, l’espansore è una turbina radiale centrifuga controrotante, comprendente: un primo disco di supporto presentate una prima faccia recante almeno uno stadio rotorico radiale formato da una schiera di palette disposte in successione lungo un rispettivo percorso circolare e con un primo orientamento; un primo albero di rotazione solidale al primo disco; un secondo disco di supporto presentate una seconda faccia recante almeno uno stadio rotorico radiale formato da una schiera di palette disposte in successione lungo un rispettivo percorso circolare e con un secondo orientamento, opposto al primo; un secondo albero di rotazione solidale al secondo disco; in cui il primo disco è affacciato al secondo disco per delimitare un volume di espansione e le palette del primo disco sono radialmente alternate alle palette del secondo disco;
in cui ciascuno dei dischi presenta canali di ammissione collocati in posizione radialmente interna alle schiere di palette degli stadi rotorici radiali; in cui il primo ed il secondo disco sono liberi di ruotare insieme ai rispettivi alberi attorno ad un comune asse di rotazione e ruotano in versi opposti sotto l’azione di un fluido di lavoro entrante attraverso i canali di ammissione.
In un aspetto secondo almeno uno dei cinque aspetti precedenti, la turbina radiale centrifuga, in opera, ruota con una velocità angolare compresa tra circa 2000 RPM e circa 4000 RPM.
In un aspetto secondo almeno uno degli aspetti precedenti, il generatore ausiliario è direttamente collegato ad un albero dell’espansore, senza l’interposizione di alcun riduttore. Ciò è permesso dal numero di giri ai quali opera l’espansore stesso. In un aspetto secondo almeno uno degli aspetti precedenti, l’espansore comprende un dispositivo di tenuta operativamente disposto attorno ad un albero di rotazione di detto espansore e configurato per evitare la fuoriuscita dei gas non condensabili o del vapore geotermico con i gas non condensabili verso detto albero.
In un aspetto indipendente, la presente invenzione riguarda anche un espansore, preferibilmente una turbina radiale centrifuga mono o contro-rotante, comprendente almeno un rotore ed almeno un albero di rotazione, comprendente inoltre almeno un dispositivo di tenuta operativamente disposto attorno a detto almeno un albero di rotazione di detto espansore e configurato per evitare la fuoriuscita di gas/vapore verso detto albero.
In un aspetto secondo uno dei due aspetti precedenti, detto dispositivo di tenuta comprende: almeno tre elementi di tenuta delimitanti almeno due camere anulari disposte attorno all’albero di rotazione; almeno un eiettore operativamente collegato a dette due camere anulari.
In un aspetto secondo l’aspetto precedente, l’eiettore comprende un ingresso fluido motore, un ugello collegato all’ingresso fluido motore, un ingresso di aspirazione, un diffusore; in cui una prima camera anulare posta in prossimità di un volume di espansione dell’espansore è in comunicazione di fluido con l’ingresso fluido motore dell’eiettore e in cui una seconda camera anulare confinante con l'ambiente esterno è in comunicazione di fluido con l’ingresso di aspirazione dell'eiettore.
L’eiettore genera una pressione inferiore a quella atmosferica nella seconda camera anulare sfruttando i gas (gas non condensabili o il vapore geotermico con i gas non condensabili) presenti nell’espansore. In particolare l’eiettore sfrutta, come fluido motore, i gas (gas non condensabili o il vapore geotermico con i gas non condensabili) persi da una prima tenuta (e presenti nella prima camera anulare) per aspirare una miscela di gas (gas non condensabili o vapore geotermico con gas non condensabili) presenti, assieme all’aria entrata daH’ambiente esterno, nella seconda camera anulare.
In un aspetto secondo l’aspetto precedente, il diffusore dell’eiettore è in comunicazione di fluido con uno scarico dell’espansore.
In un aspetto secondo l’aspetto precedente, il dispositivo di tenuta comprende almeno una terza camera anulare interposta tra la prima camera anulare e la seconda camera anulare ed in comunicazione di fluido con lo scarico dell’espansore. In questo modo si riesce a migliorare la tenuta limitando la quantità di gas non condensabili aspirati dall’eiettore nella miscela aria e gas non condensabili presente nella seconda camera.
In un aspetto secondo uno dei precedenti quattro aspetti, il dispositivo di tenuta comprende una camera anulare ausiliaria posta tra la seconda camera e l’ambiente esterno, in cui detta camera ausiliaria può essere messa selettivamente in comunicazione di fluido con una sorgente di gas (es. aria) in pressione.
In un aspetto secondo l’aspetto precedente, il dispositivo di tenuta è configurato per operare in due condizioni: se il fluido motore (gas non condensabili) dell’eiettore è ad una pressione tale da riuscire a creare depressione nella seconda camera, allora la camera ausiliaria è disconnessa dalla sorgente di gas in pressione; se il fluido motore (gas non condensabili) dell’eiettore è ad una pressione tale da non riuscire a creare depressione nella seconda camera, allora la camera ausiliaria è connessa alla sorgente di gas in pressione e la camera ausiliaria si trova ad una pressione superiore a quella atmosferica.
Tale soluzione permette di assicurare la tenuta anche in quelle fasi di avviamento dell’espansore (di presa di giri e presa di carico), durante le quali le pressioni all'interno dell’espansore possono essere tali da non garantire la depressione nella seconda camera.
Descrizione dei disegni
Tale descrizione verrà esposta qui di seguito con riferimento agli uniti disegni, forniti a solo scopo indicativo e, pertanto, non limitativo, nei quali:
<■>la figura 1 illustra un impianto geotermico a ciclo binario in accordo con la presente invenzione;
<■>la figura 2 illustra l'impianto di figura 1 , rappresentativa anche di altri impianti secondo la presente invenzione, con una porzione dello stesso schematizzata;
<■>la figura 3 illustra una variante realizzativa deirimpianto di figure 1 e 2;<■>la figura 4 illustra una ulteriore variante realizzativa dell’impianto di figura 2;
<■>la figura 5 illustra una ulteriore variante realizzativa dell’impianto di figura 2;
<■>la figura 6 illustra in sezione un espansore utilizzabile negli impianti delle figure precedenti;
<■>la figura 7 rappresenta schematicamente un elemento dell’espansore di figura 6;
<■>la figura 8 è una rappresentazione schematica di un espansore utilizzabile negli impianti delle figure precedenti associato all’elemento di figura 7;<■>la figura 9 rappresenta schematicamente una variante dell’elemento di figura 7;
<■>la figura 10 è una rappresentazione schematica di un espansore utilizzabile negli impianti delle figure precedenti associato all’elemento di figura 9;
<■>la figura 11 illustra ingrandito un particolare degli espansori di figure 8 e 10;
<■>le figure 12 e 13 rappresentano schematicamente una ulteriore variante dell’elemento di figura 7 in rispettive configurazioni operative;
<■>la figura 14 è una rappresentazione schematica di un espansore utilizzabile negli impianti delle figure precedenti associato all’elemento di figure 11 e 12;
<■>le figure 15 e 16 sono altrettante rappresentazioni schematiche di varianti dell’espansore di figura 14.
Descrizione dettagliata
Con riferimento alle figure citate, con il numero di riferimento 1 è stato complessivamente indicato un impianto geotermico a ciclo binario ORC. Con particolare riferimento alla figura 1 , l'impianto 1 comprende un sistema a ciclo chiuso ORC (Organic Rankine Cycle) 2 ed un sistema geotermico 3.
Il sistema a ciclo chiuso ORC 2 comprende: un vaporizzatore 4, una turbina di espansione 5, un generatore 6 operativamente collegato alla turbina di espansione 5, un condensatore 7, una pompa 8, un pre-riscaldatore 9. Condutture 100 collegano secondo un ciclo chiuso il vaporizzatore 4, la turbina di espansione 5, il condensatore 7, la pompa 8 ed il pre-riscaldatore 9. Un fluido organico di lavoro OWF ad alto peso molecolare è fatto circolare nel ciclo chiuso. Il fluido organico di lavoro OWF è pre-riscaldato, riscaldato e vaporizzato nel pre-riscaldatore 9 e nel vaporizzatore 4. Il fluido organico di lavoro OWF allo stato di vapore uscente dal vaporizzatore 4 entra nella turbina di espansione 5 ove si espande, provocando la rotazione del/i rotore/i della turbina di espansione 5 e del generatore 6 che genera così energia elettrica. Il fluido organico di lavoro OWF espanso entra successivamente nel condensatore 7 dove viene riportato alla fase liquida e qui di nuovo pompato dalla pompa 8 nel pre-riscaldatore 9.
Il riscaldamento e la vaporizzazione del fluido organico di lavoro OWF avvengono per scambio di calore con un fluido geotermico GF proveniente dal sistema geotermico 3.
Il sistema geotermico 3 comprende una linea di prelievo 10 del fluido geotermico GF collegata ad un pozzo di produzione geotermico 11 , una linea di interfaccia 12 collegata alla linea di prelievo 10 ed operativamente accoppiata al sistema a ciclo chiuso ORC 2 in corrispondenza di una zona di interfaccia 13 e una linea di uscita costituita da una linea di re-iniezione 14 collegata alla linea di interfaccia 12 e ad almeno un pozzo di re-iniezione geotermico 15. Nella forma realizzativa di figura 1 , la zona di interfaccia 13 comprende il vaporizzatore 4 ed il pre-riscaldatore 9. Più in generale, nella presente descrizione e nelle allegate rivendicazioni, con il termine “zona di interfaccia" 13 si intende quell’assieme di dispositivi (es. vaporizzatori, preriscaldatori) in cui il fluido geotermico GF ed il fluido organico di lavoro OWF scambiano fra loro calore. In figura 2, il sistema a ciclo chiuso ORC 2 con la zona di interfaccia 13 sono stati schematizzati.
Il fluido geotermico GF comprende liquido geotermico (GB - geothermal brine) e una miscela geotermica GM comprendente vapore geotermico GV (vapore acqueo) e gas non condensabili NCG. Tipicamente, i gas non condensabili NCG sono quasi totalmente composti da anidride carbonica CO2 (es. 70%-98%) e acido solfidrico H2S (es. 0,6%-24%), ed in piccola parte da altri gas (es. azoto N2, idrogeno H2, metano CH4).
A valle della zona di interfaccia 13, rispetto al flusso del fluido geotermico GF, il sistema geotermico 2 rappresentato nelle figure 1 e 2 comprende un dispositivo di separazione 16 configurato per separare il vapore geotermico GV ed i gas non condensabili NCG dal fluido geotermico GF. Tale dispositivo di separazione 16 è, ad esempio, un separatore flash 0 scambiatore di calore a superficie, di per sé noto. Il separatore flash è costituito da un serbatoio in cui viene immessa l’alimentazione liquida (fluido geotermico GF) attraverso un dispositivo di laminazione. Il serbatoio presenta una prima uscita 17 dall’alto per la miscela geotermica GM comprendente il vapore geotermico GV e i gas non condensabili NCG, che viene privata dai trascinamenti di liquido attraverso un demister (separatore di gocce), ed una seconda uscita 18 dal basso per il liquido geotermico GB, raccolto nel fondo del serbatoio.
Il dispositivo di separazione 16 è collocato nella linea di re-iniezione 14 che è quindi composta da un primo tratto 14a, che collega la zona di interfaccia 13 al dispositivo di separazione 16, e da un secondo tratto 14b che collega la seconda uscita 18 al pozzo di re-iniezione 15 per re-iniettare il liquido geotermico GB in detto pozzo 15. L’impianto geotermico 1 comprende inoltre un espansore 19, operativamente collegato alla prima uscita 17 della miscela geotermica GM (comprendente i gas non condensabili NCG ed il vapore GV) dal dispositivo di separazione 16, ed un generatore ausiliario 20 operativamente collegato all’espansore 19. L’espansore 19 è collocato a valle della zona di interfaccia 13 con il sistema a ciclo chiuso ORC 2 e riceve ed espande i gas non condensabili NCG ed il vapore geotermico GV in uscita dal dispositivo di separazione 16, ovvero dopo che la miscela geotermica GM ha già scambiato calore con il fluido organico di lavoro OWF del ciclo ORC.
L'espansore 19 è collegato alla prima uscita 17 del dispositivo di separazione 16 attraverso uno o più condotti di ingresso 21 .
L’espansore 19 è, ad esempio, una turbina radiale centrifuga (out-flow), ad esempio, del tipo contro-rotante, come quella illustrata in figura 6. In varianti realizzative non illustrate, l’espansore 19 può essere un’latra tipologia di turbina (radiale centrifuga mono-rotante, radiale centripeta, assiale, ecc.).
La turbina radiale centrifuga controrotante 19 di figura 6 comprende un primo disco di supporto 22 presentate una prima faccia recante una pluralità di primi stadi rotorici radiali 23a, 23b, ciascuno formato da una schiera di palette disposte in successione lungo un rispettivo percorso circolare e con un primo orientamento. Un primo albero di rotazione 24 è solidale al primo disco 22. Un secondo disco di supporto 25 presenta una seconda faccia recante una pluralità di secondi stadi rotorici radiali 26a, 26b, ciascuno formato da una schiera di palette disposte in successione lungo un rispettivo percorso circolare e con un secondo orientamento, opposto al primo. Un secondo albero di rotazione 27 è solidale al secondo disco 25. Il primo disco 22 è affacciato al secondo disco 25 per delimitare un volume di espansione e le palette del primo disco 22 sono radialmente alternate alle palette del secondo disco 25. Il primo ed il seocndo albero di rotazione 24, 27 sono collegati ad un unico generatore ausiliario 20 oppure ciascuno ad un rispettivo generatore ausiliario 20. Ciascuno dei dischi 22, 25 presenta canali di ammissione 28, 29 collocati in posizione radialmente interna alle schiere di palette degli stadi rotorici radiali 23a, 23b, 26a, 26b. I canali di ammissione 28, 29 sono collegati alla prima uscita 17 del dispositivo di separazione 16 attraverso i condotti di ingresso 21. Il primo ed il secondo disco 22, 25 sono liberi di ruotare insieme ai rispettivi alberi 24, 27 attorno ad un comune asse di rotazione X-X e ruotano in versi opposti sotto l’azione della miscela geotermica GM entrante attraverso i canali di ammissione 28, 29.
Il primo ed il secondo disco di supporto 22, 25 sono alloggiati in una cassa di contenimento fissa 30. Il primo ed il secondo albero 24, 27 sono supportati girevolmente nella cassa 30 tramite cuscinetti 31 .
La turbina radiale centrifuga controrotante 19 comprende inoltre un dispositivo di tenuta 32 (illustrato in modo schematico in figura 6) operativamente disposto attorno a ciascuno degli alberi di rotazione 24, 27 presso il rispettivo disco di supporto 22, 25. Ogni dispositivo di tenuta 32 è configurato per evitare la fuoriuscita dei gas non condensabili NCG o del vapore geotermico GV con i gas non condensabili NCG verso detto albero 24, 27, ovvero nel passaggio delimitato tra l’albero 24, 27 ed un manicotto 33 che lo ospita.
La struttura del dispositivo di tenuta 32 è visibile in figura 7. In tale forma realizzativa, il dispositivo di tenuta 32 comprende: tre elementi di tenuta 34a, 34b, 34c delimitanti due camere anulari 35, 36 disposte attorno all’albero di rotazione 24, 27.
Un primo elemento di tenuta 34a è adiacente al volume interno della turbina radiale centrifuga 19 occupato dai gas. Un terzo elemento di tenuta 34c confina con un ambiente in comunicazione con l’esterno, ovvero alla pressione atmosferica. Un secondo elemento di tenuta 34b separa le due camere 35, 36. Una prima camera anulare 35 è delimitata dal primo e dal secondo elemento di tenuta 34a, 34b. Una seconda camera anulare 36 è delimitata dal secondo e dal terzo elemento di tenuta 34b, 34c.
Un eiettore 37 è operativamente collegato a dette due camere anulari 35, 36.
L’eiettore 37, di per sé noto, comprende (figura 11 ) un ingresso fluido motore 38, un ugello 39 collegato all’ingresso fluido motore 38, un ingresso di aspirazione 40, un diffusore 41 .
La prima camera anulare 35 del dispositivo di tenuta 32 è in comunicazione di fluido con l’ingresso fluido motore 38 dell’eiettore 37 per mezzo di un primo condotto 42. La seconda camera anulare 36 è in comunicazione di fluido con l’ingresso di aspirazione 40 dell’eiettore 37 per mezzo di un secondo condotto 43 (figure 7, 8 e 11). Il diffusore 41 è in comunicazione di fluido con un scarico 44 della turbina radiale centrifuga 19 tramite un terzo condotto 45, come illustrato schematicamente in figura 8 (che per semplicità mostra una turbina radiale centrifuga mono-rotante). L’eiettore 37 genera una pressione inferiore a quella atmosferica nella seconda camera anulare 36 sfruttando i gas non condensabili NCG o il vapore geotermico GV con i gas non condensabili NCG presenti nella turbina radiale centrifuga 19. La depressione nella seconda camera anulare 36 aspira l’aria dall’ambiente esterno impedendo la fuoriuscita dell’aria e dei gas non condensabili NCG che contiene. A tale scopo, l’eiettore 37 sfrutta, come fluido motore, i gas non condensabili NCG o il vapore geotermico GV con i gas non condensabili NCG che attraversano la prima tenuta (e sono quindi presenti nella prima camera anulare 35) per aspirare una miscela di gas presenti, assieme alfaria entrata dalfambiente esterno, nella seconda camera anulare 36. Tale miscela è poi immessa nello scarico 44 della turbina radiale centrifuga 19.
In una variante realizzativa illustrata nelle figure 9 e 10, il dispositivo di tenuta 32 comprende una terza camera anulare 46 assialmente interposta tra la prima camera anulare 35 e la seconda camera anulare 36. In tal caso due secondi elementi di tenuta 34b delimitano detta terza camera anulare 46. La terza camera anulare 46 è in comunicazione di fluido con lo scarico 44 della turbina radiale centrifuga 19 tramite un quarto condotto 47. In questo modo si riesce a migliorare la tenuta limitando la quantità di gas non condensabili aspirati dall’eiettore 37 nella miscela aria e gas non condensabili presente nella seconda camera 36.
In una ulteriore variante realizzativa illustrata nelle figure 12, 13 e 14, il dispositivo di tenuta 32 comprende inoltre una camera anulare ausiliaria 48 posta tra la seconda camera 36 e l’ambiente esterno, ovvero a fianco della seconda camera 36. Detta camera ausiliaria 48 è selettivamente collegabile, tramite un quinto condotto 49 sul quale è posta una valvola proporzionale 50, ad una sorgente 51 di gas in pressione (aria).
Il dispositivo di tenuta 32 di questa ulteriore variante realizzativa è configurato per operare in due condizioni. Se il fluido motore (gas non condensabili NCG o vapore geotermico GV con i gas non condensabili NCG) dell’eiettore 37 è ad una pressione tale da riuscire a creare depressione nella seconda camera 36, allora la camera ausiliaria 48 è disconnessa dalla sorgente di gas in pressione 51 (figura 13, valvola 50 chiusa). Se il fluido motore dell’eiettore 37 è ad una pressione tale da non riuscire a creare depressione nella seconda camera 36, allora la camera ausiliaria 48 è connessa alla sorgente di gas in pressione 51 e si trova in questo modo ad una pressione superiore a quella atmosferica (figura 12).
Per passare in automatico dalla prima condizione all’altra è sufficiente misurare il differenziale di pressione tra la camera ausiliaria 48 in pressione e la seconda camera 36 tramite un sensore di pressione 52 e regolare il differenziale di pressione con la valvola proporzionale 50 controllata da un controllore 53 (PLC). In questo modo, quando la turbina 19 entra in una fase in cui l’eiettore 37 riuscirà a creare un vuoto sufficiente, la valvola proporzionale 51 si chiuderà evitando di consumare inutilmente aria.
La figura 15 illustra schematicamente la turbina centrifuga contro-rotante 19 di figura 6 con i due dispositivi di tenuta 32 configurati come in figure 12 e 13. Nella soluzione di figura 15 sono presenti due iniettori 37 e due sorgenti di gas in pressione 51 (con rispettivi valvola 50, sensore di pressione 52 e controllore 53), una per ogni dispositivo di tenuta 32. Nella variante di figura 16 invece è presente un solo iniettore 37 ed una sola sorgente di gas in pressione 51 (con rispettivi valvola 50, sensore di pressione 52 e controllore 53) asserviti ad entrambi i dispositivi di tenuta 32.
Il dispositivo di tenuta 32 con le sue varianti sopra descritto può essere impiegato anche in espansori/turbine diverse da quella dedicata all’espansione dei gas noncondensabili e formare pertanto oggetto di un’invenzione indipendente.
In uso, in accordo con il processo dell’invenzione e con riferimento alle figure 1 e 2, il fluido geotermico GF estratto dal pozzo di produzione geotermico 11 passa in sequenza nell’evaporatore 4 e nel preriscaldatore 9 dove scambia calore con il fluido organico di lavoro OWF e ne determina il pre-riscaldamento e l’evaporazione. Successivamente, il fluido geotermico GF, che ha ceduto calore al ciclo organico Rankine ORC, è immesso nel dispositivo di separazione 16.
Il dispositivo di separazione 16 separa i gas non condensabili NCG ed il vapore geotermico GV dal fluido geotermico GF. I gas non condensabili NCG ed il vapore geotermico GV escono dall’alto attraverso la prima uscita 17 e sono immessi nell’espansore 19. Il liquido geotermico GB esce dal basso attraverso la seconda uscita 18 e viene re-iniettato nel sottosuolo attraverso il pozzo di re-iniezione 15. L’espansore 19 riceve ed espande la miscela geotermica GM comprendente il vapore geotermico GV ed i gas non condensabili NCG dopo che essa ha ceduto calore al fluido organico di lavoro OWF del ciclo ORC.
Le condizioni termodinamiche tipiche di ingresso nell’espansore 19 sono riportate nella seguente Tabella 1 .
Tabella 1
Min Max
Pressione [bar] 2 16
Temperatura [°C] 90 160 Portata massica [kg/s] 6 20
Portata volumetrica [m<3>/s] 0.4 2.5
H20 [% Portata massica] 2% 25%
Le condizioni tipiche di scarico dell’espansore 19 sono riportate nella seguente Tabella 2.
Tabella 2
Min Max
Pressione [bar] 0.8 1.3
Portala volumetrica [m<3>/s] 3 15
Titolo [%] 85% 100%
Per quanto riguarda salto entalpico specifico e potenza i valori tipici sono riportati nella seguente Tabella 3.
Tabella 3
Min Max
Salto Entalpico [kJ/kg-K] 80 200
Potenza [kW] 500 4000
Adottando come espansore 19 la turbina radiale centrifuga controrotante del tipo sopra descritto, dischi di supporto 22, 25 della stessa ruotano con una velocità angolare compresa tra circa 2000 RPM e circa 4000 RPM. Gli alberi 24, 27 della turbina radiale centrifuga controrotante 19 possono essere pertanto collegati direttamente al/i generatore/i ausiliario/i 20 senza Γ interposizione di alcun riduttore. La variante realizzativa deirimpianto 1 illustrata in figura 3 comprende un primo dispositivo di separazione 16’ posto a monte della zona di interfaccia 13 ed un secondo dispositivo di separazione 16” posto a valle della zona di interfaccia 13. Un espansore ausiliario 54 è inoltre collegato al primo dispositivo di separazione 16’, attraverso un primo ramo 10’ della linea di prelievo 10, ed è meccanicamente collegato ad un ulteriore generatore ausiliario 55. Il primo dispositivo di separazione 16’ separa il fluido geotermico GF proveniente dalla linea di prelievo 10 in vapore geotermico GV con gas non condensabili NCG e liquido geotermico GB.
Il vapore geotermico GV con i gas non condensabili NCG escono dall’alto attraverso una prima uscita 17’ e sono immessi nell’espansore ausiliario 54. Nell’espansore ausiliario 54, il vapore geotermico GV ed i gas non condensabili NCG espandono senza avere prima scambiato calore con il ciclo ORC, ovvero con modalità secondo la tecnica nota. Il liquido geotermico GB esce dal basso attraverso una seconda uscita 18” e fluisce in un secondo ramo 10” della linea di prelievo 10.
11 vapore geotermico GV espanso assieme ai gas non condensabili NCG uscenti dall’espansore ausiliario 54 fluiscono in una prima linea 12’ della linea di interfaccia 12 attraverso il vaporizzatore 4 e poi il p re- riscaldato re 9 del sistema ORC 2 e successivamente sono inviati al secondo dispositivo di separazione 16”, attraverso il primo tratto di un primo ramo 14’a della linea di re-iniezione 14. Il secondo dispositivo di separazione 16” presenta una prima uscita 17” collegata attraverso il condotto di ingresso 21 all’espansore 19. Il secondo dispositivo di separazione 16” presenta una seconda uscita 18” collegata attraverso il secondo tratto del primo ramo 14’b al pozzo di re-iniezione 15. Il secondo dispositivo di separazione 16” separa la miscela di vapore geotermico GF e gas non condensabili NCG proveniente dalla zona di interfaccia 13 (ovvero dopo che ha scambiato calore con il ciclo ORC) in una parte liquida (vapore geotermico GV condensato) e in una parte gassosa (vapore geotermico GV non condensato e gas non condensabili NCG). La parte liquida è immessa nel pozzo di re-iniezione 15. La parte gassosa fuoriesce dalla prima uscita 17’ ed espande nell’espansore 19 secondo le modalità già sopra descritte con riferimento all’espansore 19 delle figure 1 e 2.
11 liquido geotermico GB proveniente dalla seconda uscita 18’ del primo dispositivo di separazione 16’ fluisce attraverso una seconda linea 12” della linea di interfaccia 12 attraverso il pre-riscaldatore 9 del sistema ORC 2 e poi è immesso nel pozzo di re-iniezione 15 attraverso un secondo ramo 14” della linea di re-iniezione 14.
L’ulteriore variante realizzativa dell’impianto 1 illustrata in figura 4 comprende un sistema a ciclo chiuso ORC ad alta pressione 2’ ed un sistema a ciclo chiuso ORC a bassa pressione 2” posto operativamente a valle del sistema a ciclo chiuso ORC ad alta pressione 2’. Il sistema a ciclo chiuso ORC a bassa pressione 2’ riceve il fluido geotermico GF dopo che detto fluido geotermico ha scambiato calore nel sistema a ciclo chiuso ORC ad alta pressione 2”.
Il primo dispositivo di separazione 16’ è posto a monte del sistema a ciclo chiuso ORC ad alta pressione 2’ ma non è presente alcun espansore ausiliario. Il vapore geotermico GV con i gas non condensabili NCG che escono dall’alto attraverso la prima uscita 17’ scambiano direttamente calore con il sistema a ciclo chiuso ORC ad alta pressione 2’ e poi entrano nel secondo dispositivo di separazione 16” (che è un reboiler o scambiatore di calore a contatto) collegato all’espansore 19. Il liquido geotermico GB proveniente dalla seconda uscita 18’ del primo dispositivo di separazione 16’ scambia calore con il sistema a ciclo chiuso ORC ad alta pressione 2’ ed è poi inviato al sistema a ciclo chiuso ORC a bassa pressione 2”. La parte liquida separata nel secondo dispositivo di separazione 16” fluisce nel secondo tratto del primo ramo 14’b che si congiunge al secondo ramo 14" prima di entrare nel sistema a ciclo chiuso ORC a bassa pressione 2”. In uscita dal sistema a ciclo chiuso ORC a bassa pressione 2”, il liquido geotermico GB viene in parte immesso nel pozzo di re-iniezione 15, attraverso la linea di re-iniezione 14, ed in parte ricircolato, attraverso una linea di ricircolo 56, nel secondo scambiatore 16” (reboiler) per estrarre calore dalla miscela di vapore geotermico GV e gas non condensabili NCG.
L’ulteriore variante realizzativa dell’impianto 1 illustrata in figura 5 comprende due sistemi a ciclo chiuso ORC 2’, 2" che operano in parallelo. La prima uscita 17’ del primo dispositivo di separazione 16’ è collegata ad un primo sistema a ciclo chiuso ORC 2’. Il vapore geotermico GV con i gas non condensabili NCG che escono dall’alto attraverso la prima uscita 17’ scambiano direttamente calore con il primo sistema a ciclo chiuso ORC e poi entrano nel secondo dispositivo di separazione 16" (che è uno scambiatore di calore a superficie) collegato all’espansore 19. Il liquido geotermico GB proveniente dalla seconda uscita 18’ del primo dispositivo di separazione 16’ entra in un terzo dispositivo di separazione 16’" attraverso il secondo ramo 10” della linea di prelievo 10 assieme alla parte liquida separata nel secondo dispositivo di separazione 16” attraverso il secondo tratto del primo ramo 14'b della linea di re-iniezione 14. Nel terzo dispositivo di separazione 16”’ avviene una ulteriore separazione. La parte gassosa uscente dalla prima uscita 17’" del terzo separatore 16’" è inviata ad un ulteriore espansore ausiliario 57 collegato ad un rispettivo generatore 58. I gas espansi uscenti dall’ulteriore espansore ausiliario 57 sono condensati in un condensatore ausiliario 59 e immessi nel pozzo di re iniezione 15. La parte liquida uscente dalla seconda uscita 18”' del terzo separatore 16”' entra nel secondo sistema a ciclo chiuso ORC 2” e scambia calore con il rispettivo fluido organico di lavoro OWF per poi essere immessa nel pozzo di reiniezione 15 assieme ai gas condensati provenienti dal condensatore ausiliario 59.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1 . Impianto geotermico a ciclo binario ORC, comprendente: almeno un sistema a ciclo chiuso ORC (2, 2’, 2”) comprendente almeno: un vaporizzatore (4); una turbina di espansione (5); un generatore (6) operativamente collegato alla turbina di espansione (5); un condensatore (7); una pompa (8); condutture (100) configurate per collegare il vaporizzatore (4), la turbina di espansione (5), il condensatore (7) e la pompa (8) secondo un ciclo chiuso in cui circola un fluido organico di lavoro (OWF); un sistema geotermico (3) comprendente almeno: una linea di prelievo (10) di un fluido geotermico (GF) collegata ad almeno un pozzo di produzione geotermico (11), in cui il fluido geotermico (GF) comprende gas non condensabili (NCG); una linea di interfaccia (12) collegata alla linea di prelievo (10) ed operativamente accoppiata a detto almeno un sistema a ciclo chiuso ORC in corrispondenza di una zona di interfaccia (13), in cui il fluido geotermico (GF) scambia calore con il fluido organico di lavoro (OWF) di detto sistema a ciclo chiuso ORC (2, 2’, 2"); una linea di uscita (14) collegata alla linea di interfaccia (12); in cui il sistema geotermico (3) comprende inoltre: almeno un dispositivo di separazione (16, 16’, 16”) configurato per separare almeno i gas non condensabili (NCG) dal fluido geotermico (GF); un espansore (19) operativamente collegato ad un’uscita (17, 17’, 17”) dei gas non condensabili (NCG) dal dispositivo di separazione (16, 16’, 16”); un generatore ausiliario (20) operativamente collegato all’espansore (19); in cui l’espansore (19) è collocato a valle della zona di interfaccia (13) con il sistema a ciclo chiuso ORC (2, 2’, 2”) per ricevere ed espandere almeno i gas non condensabili (NCG) dopo che hanno scambiato calore con il fluido organico di lavoro (OWF).
  2. 2. Impianto secondo la rivendicazione 1 , in cui anche detto almeno un dispositivo di separazione (16, 16”) è collocato a valle della zona di interfaccia (13).
  3. 3. Impianto secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente un sistema a ciclo chiuso ORC ad alta pressione (2’) ed un sistema a ciclo chiuso ORC a bassa pressione (2”) posto operativamente a valle del sistema a ciclo chiuso ORC ad alta pressione (2’), in cui una zona di interfaccia (13) del sistema a ciclo chiuso ORC a bassa pressione (2”) riceve il fluido geotermico (GF) dopo che detto fluido geotermico (GF) ha scambiato calore nella zona di interfaccia (13) del sistema a ciclo chiuso ORC ad alta pressione (2’), in cui l’espansore (19) è collocato a valle della zona di interfaccia (13) del sistema a ciclo chiuso ORC a bassa pressione (2”) e/o della zona di interfaccia (13) del sistema a ciclo chiuso ORC ad alta pressione (2’).
  4. 4. Impianto secondo la rivendicazione precedente, in cui detto almeno un dispositivo di separazione (16”) è collocato operativamente a valle della zona di interfaccia (13) del sistema a ciclo chiuso ORC a bassa pressione (2”) e/o della zona di interfaccia (13) del sistema a ciclo chiuso ORC ad alta pressione (2’).
  5. 5. Impianto secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui una pressione di ingresso (Fin) nell’espansore (19) è compresa tra circa 2 bar e circa 16 bar.
  6. 6. Impianto secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui una pressione di scarico (Pout) dall’espansore (19) è compresa tra circa 0,8 bar e circa 1 ,3 bar.
  7. 7. Impianto secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui un salto entalpico (ΔΗ) attraverso l’espansore (19) è compreso tra circa 80 kJ/kg-K e circa 200 kJ/kg-K.
  8. 8. Impianto secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui una percentuale di acqua (H20%) nell’espansore (19) è compresa tra circa il 2% e circa il 25% della portata massica (MF).
  9. 9. Impianto secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l’espansore (19) è una turbina radiale centrifuga controrotante pluristadio.
  10. 10. Processo geotermico a ciclo binario ORC, comprendente: far circolare un fluido organico di lavoro (OWF) in un ciclo organico Rankine (ORC), in cui detto fluido organico di lavoro (OWF) è riscaldato e vaporizzato, espanso in una turbina (5) asservita ad un generatore (6), condensato e di nuovo riscaldato e vaporizzato; estrarre un fluido geotermico (GF) comprendente gas non condensabili (NCG) da un pozzo di produzione geotermico (11 ); accoppiare operativamente il fluido geotermico (GF) al fluido organico di lavoro (OWF) del ciclo organico Rankine (ORC) per scambiare calore con detto fluido organico di lavoro (OWF) e riscaldare e vaporizzare detto fluido organico di lavoro (OWF); scaricare il fluido geotermico (GF); in cui il processo comprende inoltre: separare almeno i gas non condensabili (NCG) dal fluido geotermico (GF), far espandere detti gas non condensabili (NCG) in un espansore (19) asservito ad un generatore ausiliario (20); in cui l’espansione dei gas non condensabili (NCG) nell’espansore (19) è eseguita dopo che detti gas non condensabili (NCG) hanno scambiato calore con il fluido organico di lavoro (OWF).
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US11808489B2 (en) 2018-02-21 2023-11-07 Me Well Services Petrol Ve Saha Hizmetleri San. Tic. Ltd. Sti. Gas injection system
WO2020026022A1 (en) 2018-07-30 2020-02-06 Ormat Technologies Inc. System and method for increasing power output from an organic vapor turbine
US11480074B1 (en) 2021-04-02 2022-10-25 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
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US11280322B1 (en) 2021-04-02 2022-03-22 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems for generating geothermal power in an organic Rankine cycle operation during hydrocarbon production based on wellhead fluid temperature
US11486370B2 (en) 2021-04-02 2022-11-01 Ice Thermal Harvesting, Llc Modular mobile heat generation unit for generation of geothermal power in organic Rankine cycle operations
CN113754120B (zh) * 2021-09-14 2023-07-25 重庆华捷地热能开发有限公司 一种温泉井上负压强化析垢方法
SI26426A (sl) * 2022-10-28 2024-04-30 Dravske Elektrarne Maribor D.O.O. Metoda in naprava za proizvodnjo toplote in /ali električne energije z geotermično gravitacijsko toplotno cevjo

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE686393C (de) * 1935-06-29 1940-01-09 Asea Ab Radial beaufschlagte Gegenlaufturbine fuer Dampf oder Gas
US5860279A (en) * 1994-02-14 1999-01-19 Bronicki; Lucien Y. Method and apparatus for cooling hot fluids
JP3920365B2 (ja) * 1994-04-28 2007-05-30 オルマット インダストリーズ リミテッド 地熱流体中の非凝縮性ガスを処理するための装置および方法
ITMI20100047A1 (it) * 2010-01-19 2011-07-20 Alstom Technology Ltd Centrale elettrica geotermica multi ciclo
US9388797B2 (en) * 2012-09-14 2016-07-12 Ormat Technologies, Inc. Method and apparatus for producing power from geothermal fluid
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