ITVE20090055A1 - Aumento di efficienza degli impianti termoelettrici - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale avente per TITOLO:

AUMENTO DI EFFICIENZA DEGLI IMPIANTI TERMOELETTRICI,

DESCRIZIONE

a) campo tecnico,

Centrali termoelettriche per la produzione di energia elettrica mediante il ciclo a vapore.

b) stato della tecnica

Il processo di produzione dei gruppi termoelettrici a vapore si basa su un processo termodinamico che utilizza come fluido il vapore d’acqua.

Tale processo è costituito dai seguenti macchinari principali:

- 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.

- Turbina, trasforma in energia meccanica l’energia termica ceduta al vapore dalla caldaia.

- 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.

- 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.

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.

b) problema tecnico da risolvere

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%.

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.

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.

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.

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.

La maggiore efficienza del processo si può realizzare attraverso due tipologie di intervento:

- 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.

- aumentando l’efficienza del processo produttivo e la potenzialità degli impianti.

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.

d) definizione generica dell'invenzione

L'innovazione rende possibile aumentare la potenza e l'efficienza dei gruppi termoelettrici senza superare i limiti progettuali delle macchine.

Questo si può ottenere con un nuovo processo, che si somma a quello esistente, aumentando l’efficienza della caldaia e la potenzialità della turbina.

Con l’innovazione si realizzano le seguenti modifiche del processo produttivo :

• Il recupero in caldaia di una quota parte del calore, che andrebbe perso con fumi, mediante dei nuovi scambiatori fumi-acqua.

- 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.

* 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.

- 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.

e) vantaggi offerti

L’innovazione consente di realizzare i seguenti vantaggi:

Aumento del rendimento della caldaia che può arrivare fino a 5 punti percentuali.

Aumento della potenza generata dalla turbina che può arrivare fino al 4%, rispettando i valori di progetto della caldaia. Vedi fig. n°1

Aumento dell’energia netta che può essere immessa in rete che può superare il 4% nelle ore di punta.

Aumento del margine operativo lordo sull'ordine del 5%.

Miglioramento dell’efficienza complessiva dell impianto la cui entità è sull’ordine del punto di rendimento.

Contenimento del sovraccarico del macchinario entro i valori di progetto, nonostante l’aumento della potenzialità.

Riduzione delle emissioni specifiche di C02 che può arrivare fino ai 2,5%.

I miglioramenti ottenibili e le modifiche da apportare, al processo produttivo, per poterli ottenere, sono mostrati nelle figure allegate.

f) descrizione sintetica delle figure

Figura n°1 MIGLIORAMENTO EFFICIENZA DA BREVETTO.

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.

Figura n°2 PREESSICATORE CARBONE.

La figura mostra una possibile modalità di costruzione degli scambiatori gas-carbone che servono per essiccare il carbone che alimenta i mulini.

Figura n°3 MIGLIORAMENTO PRESTAZIONI CICLO A VAPORE.

Nella figura sono evidenziate in nero le modifiche da apportare all’impianto per realizzare il nuovo processo del brevetto.

g) resoconto di come realizzare l’invenzione.

Il processo innovativo, si basa sui seguenti interventi: vedi 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.

Realizzazione di scambiatori a miscela, gas carbone, da installare su ogni mulino per preessicare il carbone. Vedi 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.

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.

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.

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.

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

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

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.

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.

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).

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.

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.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI Titolo: AUMENTO DI EFFICIENZA DEGLI IMPIANTI TERMOELETTRICI. 1) Modifica del processo produttivo dei gruppi termoelettrici mediante un nuovo circuito gas avente le seguenti funzioni : riscaldamento di una quota parte dell’acqua d’alimento; alimentazione dei gas di ricircolo alla caldaia; preessicamento del carbone ai mulini. Tale circuito è costituito dalle seguenti nuove apparecchiature: 2) - Nuovo scambiatore gas-acqua, con il quale raffreddare i gas in uscita dall’economizzatore della caldaia, (avente la funzione di potenziamento dell economìzzatore della caldaia) cedendo il calore ad una quota parte dell'acqua prelevata sulla mandata delle pompe alimento che poi una volta riscaldata è immessa all’entrata dell'economizzatore della caldaia. 3) - Ventilatori dì ricircolo dei gas ( VRG) o ventilatori appositi impiegati per svolgere le seguenti funzioni: generare il flusso dei gas attraverso il nuovo scambiatore; immettere i gas di ricircolo neH’aria calda ai mulini; spingere i gas negli scambiatori di preessicamento attraverso il carbone. 4) - Nuovi scambiatori a miscela gas-carbone per essiccare il carbone con il calore dei gas di caldaia per eliminare l'umidità superficiale ed intrinseca del carbone sfruttandone la sua permeabilità. 5) - Riscaldamento dell’aria comburente della caldaia con degli scambiatori impieganti come fluido riscaldante il condensato prelevato a monte del degasatore.