ppt patrizio massoli_microturbine_cnr_eos2013

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