ITVE20090055A1 - INCREASE OF EFFICIENCY OF THERMO-ELECTRIC SYSTEMS - Google Patents
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Description
Descrizione dell'invenzione industriale avente per TITOLO: Description of the industrial invention having as TITLE:
AUMENTO DI EFFICIENZA DEGLI IMPIANTI TERMOELETTRICI, INCREASE IN THE EFFICIENCY OF THERMOELECTRIC SYSTEMS,
DESCRIZIONE DESCRIPTION
a) campo tecnico, a) technical field,
Centrali termoelettriche per la produzione di energia elettrica mediante il ciclo a vapore. Thermoelectric power stations for the production of electricity through the steam cycle.
b) stato della tecnica b) state of the art
Il processo di produzione dei gruppi termoelettrici a vapore si basa su un processo termodinamico che utilizza come fluido il vapore d’acqua. The production process of steam thermoelectric units is based on a thermodynamic process that uses water vapor as a fluid.
Tale processo è costituito dai seguenti macchinari principali: This process consists of the following main machinery:
- Caldaia: trasferisce l’energia termica prodotta dai combustibile all’acqua proveniente dal ciclo rigenerativo per produrre il vapore surriscaldato che alimenta la turbina. I combustibili impiegabili industrialmente per impianti di grossa taglia sono il metano, l’olio combustibile denso, il carbone. - Boiler: transfers the thermal energy produced by the fuel to the water coming from the regenerative cycle to produce the superheated steam that powers the turbine. The fuels that can be used industrially for large plants are methane, heavy fuel oil, coal.
- Turbina, trasforma in energia meccanica l’energia termica ceduta al vapore dalla caldaia. - Turbine, transforms the thermal energy transferred to the steam by the boiler into mechanical energy.
- Condensatore: trasforma in acqua il vapore di scarico della turbina sottraendo il calore di vaporizzazione. Il condensato che si ottiene è inviato tramite la pompa di estrazione condensato al ciclo rigenerativo di Bassa Pressione e con la pompa alimento a quello di Alta pressione. - Ciclo rigenerativo chiude il ciclo termodinamico riportando il condensato in caldaia dopo averlo preriscaldato. Il calore di riscaldamento è fornito dal vapore spillato da opportuni stadi della turbina, aumentando in questo modo il rendimento del processo a scapito della potenza generata dalla turbina. - Condenser: transforms the turbine exhaust vapor into water by subtracting the heat of vaporization. The condensate obtained is sent through the condensate extraction pump to the regenerative low pressure cycle and with the feed pump to the high pressure one. - Regenerative cycle closes the thermodynamic cycle by returning the condensate to the boiler after having preheated it. The heating heat is supplied by the steam tapped from appropriate stages of the turbine, thus increasing the efficiency of the process at the expense of the power generated by the turbine.
- Alternatore trasforma in energia elettrica l’energia meccanica ricevuta dalla turbina cui è accoppiata. L’energia elettrica è poi immessa in rete a tensione più elevata mediante un trasformatore. - Alternator transforms the mechanical energy received from the turbine to which it is coupled into electrical energy. The electricity is then fed into the grid at a higher voltage through a transformer.
Ognuna delle parti principali sopradescritte ha un proprio rendimento di trasformazione dell’energia che insieme agli altri consumi dell’impianto determina il rendimento complessivo del gruppo. Each of the main parts described above has its own energy transformation efficiency which together with the other system consumption determines the overall efficiency of the group.
b) problema tecnico da risolvere b) technical problem to be solved
Il rendimento termodinamico di un gruppo termoelettrico, che comprende il rendimento della turbina e quello del ciclo rigenerativo, si aggira a progetto intorno al 44%. The thermodynamic efficiency of a thermoelectric unit, which includes the efficiency of the turbine and that of the regenerative cycle, is around 44% by design.
Il rendimento netto, calcolato sull’energia immessa in rete, si riduce al 39% per l’aggravio determinato dal rendimento della caldaia e del macchinario elettrico e per l’incidenza dei consumi elettrici interni, necessari, questi ultimi, per il funzionamento del gruppo e degli impianti ambientati. The net yield, calculated on the energy fed into the grid, is reduced to 39% due to the burden determined by the efficiency of the boiler and the electrical machinery and the incidence of internal electricity consumption, the latter necessary for the operation of the group and of the acclimatized systems.
Il sempre maggiore costo dei combustibili e gli impegni internazionali, per la riduzione dei gas serra, spingono ad aumentare l’efficienza dei processi di produzione per diminuire i consumi di materia ed energia. The increasing cost of fuels and international commitments to reduce greenhouse gases push to increase the efficiency of production processes to reduce the consumption of materials and energy.
Su una centrale termoelettrica ciò significa aumentare il rendimento del processo di produzione dell’energia adottando quelle soluzioni che, i maggiori costi dei combustibili e lo sviluppo tecnologico, rendono oggi conveniente utilizzare sui nuovi impianti. On a thermoelectric power plant this means increasing the efficiency of the energy production process by adopting those solutions that, the higher fuel costs and technological development, make it convenient to use on new plants today.
Per gli impianti termoelettrici esistenti, che sono molti e che determinano l’efficienza del sistema di produzione attuale, la nuova realtà economica ambientale favorisce la ricerca di innovazioni che siano in grado di aumentare l’efficienza del processo produttivo. For the existing thermoelectric plants, which are many and which determine the efficiency of the current production system, the new environmental economic reality favors the search for innovations that are able to increase the efficiency of the production process.
La maggiore efficienza del processo si può realizzare attraverso due tipologie di intervento: The greater efficiency of the process can be achieved through two types of intervention:
- riducendo i consumi del processo produttivo, questa è la via del risparmio, che va perseguita ma che è ostacolata dai crescenti consumi energetici imposti dai sempre maggiori vincoli ambientali. - by reducing the consumption of the production process, this is the way of saving, which must be pursued but which is hindered by the growing energy consumption imposed by the ever increasing environmental constraints.
- aumentando l’efficienza del processo produttivo e la potenzialità degli impianti. - increasing the efficiency of the production process and the potential of the plants.
Il presente brevetto di invenzione industriale agisce con la seconda tipologia, modificando il processo produttivo in modo da aumentare la potenzialità dell impianto e nel contempo ridurre l'energia assorbita. The present industrial invention patent operates with the second type, modifying the production process so as to increase the potential of the plant and at the same time reduce the absorbed energy.
d) definizione generica dell'invenzione d) generic definition of the invention
L'innovazione rende possibile aumentare la potenza e l'efficienza dei gruppi termoelettrici senza superare i limiti progettuali delle macchine. The innovation makes it possible to increase the power and efficiency of thermoelectric units without exceeding the design limits of the machines.
Questo si può ottenere con un nuovo processo, che si somma a quello esistente, aumentando l’efficienza della caldaia e la potenzialità della turbina. This can be achieved with a new process, which is added to the existing one, increasing the efficiency of the boiler and the potential of the turbine.
Con l’innovazione si realizzano le seguenti modifiche del processo produttivo : With innovation, the following changes in the production process are achieved:
• Il recupero in caldaia di una quota parte del calore, che andrebbe perso con fumi, mediante dei nuovi scambiatori fumi-acqua. • The recovery in the boiler of a part of the heat, which would be lost with fumes, by means of new fumes-water exchangers.
- La cessione di tale calore alla turbina, aumentandone la potenzialità, mediante l’aumento del flusso di vapore che lavora sui corpi di AP e MP e la riduzione di quello che attraversa i corpi della turbina di BP, contenendo in questo modo le perdite al condensatore. - The transfer of this heat to the turbine, increasing its potential, by increasing the flow of steam that works on the bodies of AP and MP and the reduction of that which passes through the bodies of the turbine of BP, thus limiting the losses to the capacitor.
* La preessicazione del carbone, mediante il calore dei gas di scarico delle caldaie, che consente di togliere l'umidità dal carbone ed alimentare così i mulini con carbone asciutto. * The pre-drying of the coal, by means of the heat of the exhaust gases of the boilers, which allows to remove the humidity from the coal and thus feed the mills with dry coal.
- Il preriscaldamento dell’aria comburente di caldaia, (tramite il potenziamento dei RAV esistenti), mediante il calore fornito dal condensato, prelevato quest'ultimo a monte del degasatore. - The preheating of the combustion air of the boiler, (by upgrading the existing RAVs), by means of the heat supplied by the condensate, taken upstream of the degasser.
e) vantaggi offerti e) advantages offered
L’innovazione consente di realizzare i seguenti vantaggi: Innovation makes it possible to realize the following advantages:
Aumento del rendimento della caldaia che può arrivare fino a 5 punti percentuali. Increase in boiler efficiency which can reach up to 5 percentage points.
Aumento della potenza generata dalla turbina che può arrivare fino al 4%, rispettando i valori di progetto della caldaia. Vedi fig. n°1 Increase in the power generated by the turbine which can reach up to 4%, respecting the design values of the boiler. See fig. n ° 1
Aumento dell’energia netta che può essere immessa in rete che può superare il 4% nelle ore di punta. Increase in the net energy that can be fed into the network which can exceed 4% during peak hours.
Aumento del margine operativo lordo sull'ordine del 5%. Increase in gross operating margin on the order of 5%.
Miglioramento dell’efficienza complessiva dell impianto la cui entità è sull’ordine del punto di rendimento. Improvement of the overall efficiency of the system whose size is on the order of the performance point.
Contenimento del sovraccarico del macchinario entro i valori di progetto, nonostante l’aumento della potenzialità. Containment of the overload of the machinery within the project values, despite the increase in potential.
Riduzione delle emissioni specifiche di C02 che può arrivare fino ai 2,5%. Reduction of specific C02 emissions which can reach up to 2.5%.
I miglioramenti ottenibili e le modifiche da apportare, al processo produttivo, per poterli ottenere, sono mostrati nelle figure allegate. The improvements that can be obtained and the changes to be made to the production process in order to obtain them are shown in the attached figures.
f) descrizione sintetica delle figure f) concise description of the figures
Figura n°1 MIGLIORAMENTO EFFICIENZA DA BREVETTO. Figure n ° 1 IMPROVEMENT EFFICIENCY FROM PATENT.
La figura mostra la maggiore potenzialità ottenibile dall'impianto, espressa in MW e l’aumento dell’efficienza, espressa come riduzione del c.s. del gruppo, espresso in Kcal/Kw. The figure shows the greater potential obtainable from the plant, expressed in MW and the increase in efficiency, expressed as a reduction in the c.s. of the group, expressed in Kcal / Kw.
Figura n°2 PREESSICATORE CARBONE. Figure n ° 2 CARBON PRE-DRYER.
La figura mostra una possibile modalità di costruzione degli scambiatori gas-carbone che servono per essiccare il carbone che alimenta i mulini. The figure shows a possible way of constructing gas-coal exchangers that are used to dry the coal that feeds the mills.
Figura n°3 MIGLIORAMENTO PRESTAZIONI CICLO A VAPORE. Figure n ° 3 IMPROVEMENT OF STEAM CYCLE PERFORMANCE.
Nella figura sono evidenziate in nero le modifiche da apportare all’impianto per realizzare il nuovo processo del brevetto. In the figure, the changes to be made to the system to implement the new patent process are highlighted in black.
g) resoconto di come realizzare l’invenzione. g) report on how to implement the invention.
Il processo innovativo, si basa sui seguenti interventi: vedi fig. 3. The innovative process is based on the following interventions: see fig. 3.
Costruzione di un nuovo scambiatore di calore, da porre tra i fumi di caldaia e l’acqua di alimento e da dimensionare con una superficie di scambio lato fumi equivalente a quella dell’economizzatore di caldaia ma avente dimensioni più contenute lato acqua. Tale scambiatore andrà dimensionato per un quarto della portata nominale di alimento e dotato di aletatura per ottenere una superficie di scambio lato gas uguale a quella dell’economizzatore di cui è dotato il generatore di vapore, vedi fig. 3. Construction of a new heat exchanger, to be placed between the boiler fumes and the feed water and to be sized with an exchange surface on the fumes side equivalent to that of the boiler economizer but with smaller dimensions on the water side. This exchanger will be sized for a quarter of the nominal feed flow rate and equipped with fins to obtain a gas side exchange surface equal to that of the economizer fitted to the steam generator, see fig. 3.
Realizzazione di scambiatori a miscela, gas carbone, da installare su ogni mulino per preessicare il carbone. Vedi fig. n° 3 Construction of gas-coal mixture exchangers to be installed on each mill to pre-dry the coal. See fig. n ° 3
Questi scambiatori sono costruiti come mostrato in fig. 2 . All’interno dei quali i gas caldi attraversano il carbone, realizzando un contatto diretto gas-carbone, e fanno vaporizzare l’acqua e riscaldano il carbone ad una temperatura di almeno 100°C, in modo da poter eliminare anche l’umidità intrinseca. These exchangers are built as shown in fig. 2 . Inside which the hot gases pass through the coal, making direct gas-coal contact, and make the water vaporize and heat the coal to a temperature of at least 100 ° C, in order to also eliminate the intrinsic humidity.
Il carbone all'interno degli scambiatori è contenuto con lamiere forate, permeabili al gas ma non al carbone, e la superficie di contatto gas-carbone deve essere tale da consentire il flusso della necessaria portata di gas , in funzione della quantità di calore da cedere al carbone e compatibilmente con la sua permeabilità. The coal inside the exchangers is contained with perforated sheets, permeable to gas but not to coal, and the gas-coal contact surface must be such as to allow the flow of the necessary gas flow, depending on the amount of heat to be released. to carbon and compatibly with its permeability.
I gas in uscita dagli scambiatori, raffreddati dal carbone e carichi di umidità, vanno fatti rientrare nel circuito fumi della caldaia, immettendoli a monte dei precipitatori elettrostatici, dove possono essere tolte eventuali polveri di carbone o ceneri eventualmente presenti. The gases leaving the exchangers, cooled by coal and loaded with humidity, must be returned to the boiler fumes circuit, introducing them upstream of the electrostatic precipitators, where any coal dust or ash that may be present can be removed.
Realizzazione di un nuovo circuito fumi sul quale porre il nuovo scambiatore, il ventilatore di ricircolo di gas (RG) della caldaia ed il nuovo sistema di preessicamento del carbone. Construction of a new flue gas circuit on which to place the new exchanger, the gas recirculation fan (RG) of the boiler and the new coal pre-drying system.
Il ciclo va alimentato con una quota parte (circa il 30%) dei gas caldi, prelevati in uscita dal denitrificatore mediante il ventilatore di ricircolo, i quali sono poi ritornati freddi sui condotti fumi della caldaia, immettendoli a monte del filtro delle polveri. Vedi fig. n°3 The cycle must be fed with a portion (about 30%) of the hot gases, taken out of the denitrificator by means of the recirculation fan, which are then returned to the cold on the flue pipes of the boiler, introducing them upstream of the dust filter. See fig. n ° 3
Con il calore dei fumi nel nuovo circuito si riscalda l’acqua proveniente dalle pompe alimento. Essa va portata ad una temperatura pari o superiore a quella dell’acqua di alimento all’ingresso economizzatore (avente la temperatura del ciclo rigenerativo); è alimentato il ricircolo gas in caldaia ed essiccato il carbone con i nuovi scambiatori a miscela gas-carbone. Vedi fig. n° 3 With the heat of the fumes in the new circuit, the water coming from the feed pumps is heated. It must be brought to a temperature equal to or higher than that of the feed water at the economizer inlet (having the temperature of the regenerative cycle); the gas recirculation in the boiler is fed and the coal is dried with the new gas-coal mixture exchangers. See fig. n ° 3
Il ventilatore di ricircolo dei gas RG può essere posto a valle dello scambiatore dell’acqua alimento, come è mostrato in fig. 3 o a valle del preessicatore del carbone. Nel primo caso il ventilatore deve essere protetto contro le erosioni, provocate dalle ceneri presenti nei gas di caldaia, inserendo degli opportuni depoi veratori. Nel secondo caso, installando il ricircolatore a valle degli scambiatori gas-carbone, questi ultimi provvedono anche alla funzione di depolveratorì. The RG gas recirculation fan can be placed downstream of the feed water exchanger, as shown in fig. 3 or downstream of the coal pre-drier. In the first case, the fan must be protected against erosion caused by the ashes present in the boiler gases, by inserting suitable depoi verators. In the second case, by installing the recirculator downstream of the gas-coal exchangers, the latter also provide the function of dedusting units.
I gas di ricircolo, richiesti per la regolazione delle temperature vapori in caldaia, spinti dai ventilatori RG sono immessi sui condotti dell'aria calda ai mulini sostituendosi ad una parte dell'aria di trasporto del polverino di carbone. Con questa soluzione è aumentata la portata di aria comburente che va ai bruciatori e recuperata una maggiore quantità di calore dall'aria nei Ijungstrom. I gas di ricircolo, entrando con il polverino sui bruciatori a carbone svolgono inoltre una azione di gas-mixing idonea a ridurre la formazione di NOx in caldaia. The recirculation gases, required for the regulation of the steam temperatures in the boiler, pushed by the RG fans are introduced on the hot air ducts to the mills, replacing a part of the transport air of the coal dust. With this solution, the flow of combustion air that goes to the burners has increased and a greater quantity of heat is recovered from the air in the Ijungstroms. The recirculating gases, entering with the dust on the coal burners, also perform a gas-mixing action suitable for reducing the formation of NOx in the boiler.
Aumento della temperatura dell’aha comburente, mediante il calore sottratto dal condensato con i riscaldatori di B.P. vedi fig. 3. Con questo procedimento si riducono le perdite al condensatore e si aumenta la temperatura dei fumi, (che sono più freddi per effetto del nuovo scambiatore), fino a valori compatibili con il corretto funzionamento dei Ljungstrom. Il calore impiegato ai Riscaldatori Aria Vapore della caldaia in questo modo è a basso costo, (in quanto fornito dai riscaldatori di BP il cui vapore di spillamento ha una dissipazione entalpica al condensatore molto elevata). Increase in the temperature of the comburent aha, by means of the heat subtracted from the condensate with the heaters of B.P. see fig. 3. With this procedure the losses to the condenser are reduced and the temperature of the fumes is increased, (which are colder due to the effect of the new exchanger), up to values compatible with the correct functioning of the Ljungstrom. The heat used in the boiler air-steam heaters in this way is low-cost, (as it is supplied by the BP heaters whose bleed steam has a very high enthalpy dissipation to the condenser).
Modifica dei Riscaldatori Aria Vapore (essendo il condensato ad una temperatura inferiore rispetto a quella del vapore di progetto dei RAV) bisogna collegare in serie le due batterie degli scambiatori dei RAV, al fine di aumentare il recupero di calore dal condensato. Modification of the Air Vapor Heaters (since the condensate is at a lower temperature than the design steam of the RAVs) it is necessary to connect in series the two batteries of the RAV exchangers, in order to increase the heat recovery from the condensate.
Il condensato, che percorre i RAV in controcorrente, va poi scaricato al condensatore e regolato in termini di portata in funzione della temperatura che si vuole ottenere nei fumi. Questa regolazione è fatta mediante un’apposita valvola di regolazione che va inserita su questa linea. The condensate, which flows through the RAVs in counter-current, is then discharged to the condenser and regulated in terms of flow rate according to the temperature to be obtained in the fumes. This adjustment is made by means of a special adjustment valve that must be inserted on this line.
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