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Impianti di cogenerazione con microturbine a gas con sistema CHPTRANSCRIPT
Impianti di cogenerazione con microturbine a gas con sistema CHP
R. Calabria, F. Chiariello, F. Reale, P. Massoli – CNR Napoli
Area Science Park, Trieste - Istituto Motori CNR, Napoli
Università di Trieste - Università di Udine
CHP: Combined Heat and Power
Ciclo cogenerativo di una MGT
Gas Naturale
Criticità
Variazione potere calorifico combustibile
Variazione condizioni di funzionamento
Qualità di combustione
Rendimento Emissioni
Composizione Gas Combustibili
Composizione Gas Combustibili
Descrizione dell’Impianto
Potenza elettrica 100kW
Rendimento globale 30 %
Pressione in c. di comb. 4.5 bar(a)
TIT 950 °C
TOT 620-650 °C
Velocità Nominale 70000 rpm
NOx @ 15 % O2 < 15 ppm
CO @ 15 % O2 < 15 ppm
Allestimento standard
Layout modificato per
motivi di studio
Sistema Controllo/Monitoraggio
• trasferimento dati tra il PLC della MGT e la stazione di calcolo mediante protocollo di comunicazione seriale Modbus®.
• trasmissione dati è realizzata per mezzo di un convertitore asincrono seriale (SENECA S107USB)
• software dedicato (SENECA Z-NET3) permette di interfacciarsi direttamente al registro dati della microturbina
• frequenza di campionamento massima di 1 Hz.
• Il sistema è configurato per la lettura sincrona di 64 canali analogici
• Possibilità di funzionamento “fuori mappa”
Controllo esterno di alcuni parametri
Flussi di combustibile, vel. di rotazione, etc.
Sicurezza garantita dalla verifica sui parametri di controllo imposti dall’impianto
Funzionamento Multifuel
• Progettato per miscele gassose composte da CH4, H2, N2, CO2
• Centrale di decompressione
–Fino a portata nominale di100 Nm3/h
–Valore di targa (gas naturale) 40 Nm3/h
• Flessibilità
–Stazione di miscelamento ternaria/quaternaria di gas compressi
–Funzionamento per lungo periodo per studio condizioni operative
al variare del combustibile
Stima delle riserve di combustibile disponibili prova sperimentale tipica
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
0 50 100 150 200 250
t [h]
P [bar](g)
100kW
80kW
50kW
60kW
70kW
40kW
30kW
90kW
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
0 50 100 150 200 250
V [N
m3]
P [bar](g)
V (Cond. Normali, 1bar - 0°C) [Nm3]- Pacco bombole x 12 (40l)
CH4
Combustibili Utilizzati
Fuel CH4
[%]
H2 [%]
LHV
[MJ/Nm3]
IW
[MJ/Nm3]
Natural Gas NG 35.73 53.86
CH4 100 0 35.82 53.43
Mix 1 98 2 35.33 53.17
Mix 2 95 5 35.58 52.78
Mix 3 90 10 33.35 52.13
• L’ interscambiabilità di combustibili in macchine reali viene espressa mediante l’indice di Wobbe
• Un identico indice di Wobbe implica lo stesso flusso energetico in ingresso a parità di temperatura, pressione, apertura valvole e perdite di carico. Indice di Wobbe
Rendimento Globale MGT
0.230
0.240
0.250
0.260
0.270
0.280
0.290
0.300
0.310
100 70 50
0.2
88
0.2
83
0.2
62
0.2
96
0.2
92
0.2
64
0.2
95
0.2
92
0.2
65
0.3
00
0.2
96
0.2
710.2
77
0.2
60
0.2
44
Eff
icie
ncy
, η
Power reference [kWe]
GN CH4 Mix 1 Mix 2 Mix 3
Rendimento al variare di carico e combustibile
Emissioni Gassose
1
10
100
1000
50 70 100
218.0
80.2
4.66.3
4.96.8
pp
m
Power [kW]
Mix 1
CO NOx (@ 15% di O2)
1
10
100
1000
50 70 100
152.6
53.6
5.65.94.3
5.5
pp
m
Power reference [kW]
Mix 2
CO NOx (@ 15% di O2)
1
10
100
1000
50 70 100
318.1
29.8
7.7
4.1 4.55.9
pp
m
Power reference [kW]
Mix 3
CO NOx (@ 15% di O2)
1
10
100
1000
50 70 100
293.2
138.3
12.3
6.75.4 5.7
pp
m
Power reference [kW]
CH4
CO NOx (@ 15% di O2)
Modellazione CAD
Modello CAD tridimensionale, realizzato
con SolidWorks®, del collettore
posizionato tra recuperatore primario e
turbina.
Analisi dei flussi nell’elemento (divergente e
collettori) modellato con il CAD 3D. La simulazione
dei flussi è stata effettuata mediante il pacchetto
FlowSimulation® di SolidWorks®.
Modellazione Combustore
Campo di moto Campo Termico
Modellazione CFD
Distribuzione della temperatura • Incremento della zona ad alta temperatura in prossimità del pilot • Leggero incremento di temperatura all’aumentare della % di idrogeno in miscela
90% [CH4]
Modellazione CFD: Pieno Carico
[H2] 10% 20% 30% 50%
Criticità
Variazione potere calorifico combustibile
Variazione condizioni di funzionamento
Qualità di combustione
Rendimento Emissioni
Conclusioni
Grazie