Corso di termofluidodinamica delle macchine Studio del comportamento stazionario e non di micro turbine a gas Ing. Fabrizio Reale Istituto Motori – CNR.

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1 Corso di termofluidodinamica delle macchine Studio del comportamento stazionario e non di micro turbine a gas Ing. Fabrizio Reale Istituto Motori – CNR

2 Il comportamento nel fuori progetto viene analizzato secondo i seguenti passi: – analisi parametrica termodinamica –Analisi di accoppiamento – costruzione del “dominio di funzionamento” –Analisi del transitorio ( modello dinamico )

3 Descrizione dell’impianto Combustor Inlet Temp. X b =0 X b =1 HRSG Inlet Temp. (X b =0) Stack Temp. By-Pass Ratio:

4 Caratteristiche MGT Configurazione Rapporto di compressione Temperatura di ingresso in turbina Potenza all’albero Velocità nominale Compressore, Turbina Temperatura di uscita compressore Temp. in ingresso C.C. (in ciclo rigenerato) Temperatura di uscita Turbina Temperatura gas in uscita dal rigeneratore Rendimento politropico del comp. E turbina Portata d’aria ( caso gas naturale ) Portata di combustibile (GN ) Efficienza del rigeneratore Rendimento globale monoalbero 3,9 1223 K 110 kW 64.000 rpm Flusso radiale 468 K 905 K 951 K 531 K 0.80 e 0.83 0.808 kg/s.00695 kg/s 0.9 0.34

5 Compressore dell’Ansaldo

6 Camera di Combustione Iniettori radiali Main Condotti Di Swirl Aria alla Linea pilot

7 Analisi degli inquinanti Modello termocinetico Analisi inquinanti –Modello Zel’dovich –Legge di distribuzione Main Pilot ( stechiometrico) –Calcolo separato pilot e main in fase primaria

8 Analisi degli inquinanti(2)

9 Sommario Introduzione Descrizione e caratteristiche microturbina Descrizione del modello dinamico Ipotesi di sistemi di controllo Soluzioni impiantistiche per la riduzione degli inquinanti (EGR ): –Analisi termodinamica e di accoppiamento Considerazioni conclusive

10 Mappe caratteristiche

11 Analisi di accoppiamento

12 Analisi di accoppiamento (2) Accoppiamento compressore-turbina Condizione di chiusura (monoalbero) + Perdite di carico

13 Analisi di accoppiamento(3)

14 Massa Mol. [g/mol] LHV [kJ/kg] hof [kJ/kg] fst Tof [K] Comp. [%, molare] CH4 C2H6 C3H8 C4H10 N2 H2 CO CO2 17.34 47182 -4266.9 0.062 2220 92 3.7 1 0.25 2.9 -- 0.15 23.76 21697 -2923.9 0.153 2300 7 -- 18 61 -- Confronto combustibili – gas naturale –Combustibile derivato da RSU –Attenzione su RSU in quanto: Alta % H2 Alta Temperatura in c.c. Maggior prod. NOx

15 Domini di funzionamento ppm NOx  Velocit à Potenz a

16 Domini di funzionamento (2) Combustibile derivato da RSU ppm NOx  I.E. CO2 IRE

17 Domini di funzionamento (3) T uscita rigenerator e 

18 Il modello dinamico Schema del modello Approccio 0 D “filling and empting” – 5 volumi di controllo –Equazioni: bilancio massa bilancio massa energia energia

19 Modello dinamico (2) Due fattori intervengono sul transitorio: –Ritardo indotto da Transitorio meccanico Equilibrio meccanico P el : –Ritardo indotto da presenza dei volumi: –Scambio termico all’interno del rigeneratore Temperatura di parete scambiatore

20 Controllo della velocità Variabile controllata: velocità di rotazione Variabile di controllo: portata di combustibile –:–:–:–:  –Minore stress meccanico ( brusche variazioni ) ( brusche variazioni )  – –Non evita problemi legati allo stallo – –Rischio di temperature elevate

21 Risultati 40% 80% 60% K : gas naturale Xb = 100%

22 Risultati Passaggio da carico totale a parziale 40% 80% 60%

23 Risultati gas naturale N = 64000 giri/min Xb=0.45Xb=0.15Xb=0.65

24 Risultati Xb=0.45 Xb=0.15 Xb=0.65

25 Comportamento del compressore “part to full” – rischio stallo

26 Confronto combustibili diversi RSU Gas naturale ConcentrazioneNOx Rapporto di eq.

27 Controllo temperatura Effettuato aggiungendo la T.I.T. come variabile di controllo: –:–:–:–:  Abbattimento picchi T.I.T. riduzione conc. istantanea NOx  Aumento prod. Totale NOx 

28 Controllo Temperatura (risultati) P < 0.4 –Non converge P > 0.6 –Simile P=1 

29 Controllo Stallo Effettuato definendo un –Parametro di controllo dello stallo: Legge di controllo: – – con z = apertura valvola –   : –   : costante  Allontanamento dalla “surge line”  Tempi dilatati del transitorio Temperature non compatibili con l’impianto 

30 Controllo Stallo (risultati)   < 1e-6 –Nessun vantaggio 

31 Controllo Stallo (2) Primo tratto comune Interviene controllo –Allontana dallo stallo –Range velocità maggiore –Portate in gioco ridotte –Operazione piu’ complessa

32 Considerazioni sul modello dinamico Controllo temperatura: – Abbassa i picchi di temperatura – Rende più lungo il transitorio – Va calibrato in maniera tale da inquinare di meno Controllo stallo: –Effettivamente impedisce l’avvicinamento a condizioni pericolose –Rende troppo lungo il transitorio –Problemi legati a portate troppo basse in c.c. (temperatura eccessiva ) Necessità di utilizzare insieme i due sistemi

33 Considerazioni finali Lo studio del comportamento in fuori progetto ha evidenziato che l’impianto può funzionare in diverse e varie condizioni operative L’analisi del transitorio può far ridurre gli stress per l’impianto in condizioni di passaggio a carico parziale