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Giuseppe Langella » 23.Caldaie a recupero


Generalità

I generatori di vapore a recupero o HRSG (heat recovery steam generator) producono vapore surriscaldato utilizzando il calore recuperato dai gas di scarico di una turbina a gas. Essi sono comunque costituiti da tra sezioni (economizzatore, evaporatore, surriscaldatore) alla stregua dei GV tradizionali, ma con una diversa architettura costruttiva.

La maggior parte degli HRSG è impiegata nei cicli combinati ed ha una disposizione a flusso orizzontale dei gas attraverso tubi disposti in banchi verticali e lambiti in cross flow (flussi incrociati).

La possibilità di preriscaldare l’acqua a spese dell’energia termica, altrimenti non recuperata, del gas uscente dalla sezione di evaporazione rende sconveniente nei cicli a recupero l’utilizzo della tecnica di rigenerazione, diffusamente sfruttata invece nei cicli a vapore tradizionali. L’assenza di fiamme e le temperature dei gas, sicuramente inferiori rispetto alle camere di combustione dei GV tradizionali , impone uno scambio termico di natura prevalentemente convettiva: ciò richiede una disposizione dei banchi ottimizzata rispetto alle differenze di temperatura tra fumi e vapore.

Generalità

L’obiettivo della caldaia a recupero è sempre quello di ottenere tre risultati fondamentali:

  • un alto recupero termico inteso come Q = mgas cp [Tg,in - TSTK], ossia avere la minima temperatura al camino (dove Tg,in è la temperatura di ingresso dei gas e TSTK quella in uscita al camino);
  • il miglior scambio termico espresso da Q = K S ΔTm  (con K coefficiente di scambio termico, S la superficie di scambio e ΔTm la differenza media di temperatura);
  • minimizzare le irreversibilità nella fase di recupero termico che si traducono in perdite di energia meccanica.

Gli ultimi due punti tendono ad andare in conflitto tra loro perché ridurre le irreversibilità significa abbassare i ΔS e cioè i ΔTm ed a parità di Q ciò significa alzare il valore delle superfici di scambio termico S, a discapito dei costi.

Le temperature in gioco

Lo scambio termico tra gas e vapore è caratterizzato da tre differenze di temperatura significative:

  • ΔT al pinch-point (ΔTpp): è la minima differenza di temperatura nell’evaporazione (tra i gas che escono dai banchi evaporatori e la temperatura di evaporazione)
  • ΔT all’approach-point (ΔTap): è la minima differenza di temperatura nel surriscaldamento (tra i gas che entrano nella caldaia a recupero e la massima temperatura del vapore)
  • ΔT di subcooling (ΔTsc): è la differenza di temperatura tra la temperatura di evaporazione e quella dell’acqua in uscita dall’economizzatore

Il ΔT di sottoraffreddamento è necessario per evitare rischi di inizio evaporazione nei tubi dell’economizzatore con conseguenti blocchi temporanei di portata nei tubi, a causa del volume occupato dalle bolle di vapore. Nella pratica progettuale sono frequenti valori di ΔTsc di 10-15°C.

Le temperature in gioco

La determinazione del ΔTpp deriva invece da un problema di ottimizzazione tecnico-economica. Da un lato, al fine di perseguire le migliori prestazioni energetiche, è opportuno ridurre ΔTpp, poiché è vantaggioso avvicinare il più possibile la linea di raffreddamento dei gas a quella del vapore. Dall’altro, per evitare il cospicuo incremento dei costi che deriverebbe dall’adozione di superfici di scambio sempre più grandi, è ragionevole adottare ΔTpp non troppo piccoli. Tipici valori di ΔTpp sono 7-8°C per impianti ad elevate prestazioni e 15-20°C per caldaie economiche.

Valutando le conseguenze dell’aumento dei ΔT citati in termini di variazione di potenza sviluppata dal ciclo a recupero, si ricava che gli effetti più consistenti sono legati al ΔT al pinch point.

La scelta di quest’ultimo risulta dunque particolarmente importante per il rendimento del ciclo del vapore.

Rimane da valutare l’influenza della pressione di evaporazione sul recupero termico. Sicuramente si può affermare che la riduzione della pressione di evaporazione determina un incremento della quantità di calore recuperato dai fumi con connesso aumento della portata di vapore prodotta.

I parametri significativi

D’altro canto aumentano le irreversibilità dovute allo scambio termico. In definitiva, si possono ridurre a quattro i parametri che incidono in modo significativo sul recupero termico:

  • la temperatura di surriscaldamento
  • il ΔT al pinch-point
  • il ΔT di subcooling
  • la pressione di evaporazione.

Se si considerano gli aspetti costruttivi, un generatore di vapore  a recupero è profondamente diverso da una caldaia a combustione. La differenza principale consiste  nel fatto che nella caldaia a recupero i gas combusti non si trovino mai a temperature particolarmente elevate, essendo la temperatura massima dettata dalle condizioni dei gas  all’uscita della turbina a gas (tipicamente < 600°C). In una caldaia a  fiamma, invece, la temperatura nella zona di combustione supera con faciltà i 2000°C e in tali condizioni lo scambio termico per irraggiamento è predominante su quello convettivo.

Peculiarità delle caldaie a recupero

Proprio in ragione delle differenze tra una caldaia a recupero e una a fiamma, nelle prime è possibile:

  • porre il surriscaldatore nella zona più calda, a contatto con i gas a più elevata temperatura e realizzare la disposizione in controcorrente,
  • identificare una zona dedicata all’evaporazione da realizzarsi con semplici fasci tubieri, al posto delle pareti membranate che delimitano la camera di combustione
  • utilizzare tubi alettati che rendono la costruzione assai più compatta ed economica

La adozione dell’alettatura permette di realizzare una più estesa superficie di scambio per il  fluido che in questo caso è affetto da un minore coefficiente globale di scambio convettivo, così da bilanciare il più possibile le resistenze termiche su entrambi i fluidi. L’acqua in fase di evaporazione presenta normalmente dei coefficienti di scambio termico convettivo di almeno 10 kW m-2 K-1, contro valori tipici di poche decine di W m-2 K-1dei gas combusti a velocità normali. La presenza dell’alettatura contribuisce a diminuire notevolmente la resistenza allo scambio termico sul lato esterno: in pratica l’alettatura è necessaria per compensare i ridotti coefficienti di scambio sul lato fumi. Le alette solide, anche se di maggiore costo, sono caratterizzate da una maggiore resistenza alla corrosione in confronto a quelle serrate, il cui utilizzo è circoscritto agli impianti alimentati da gas naturale.

Peculiarità delle caldaie a recupero

Nel dimensionamento del generatore di vapore a recupero un parametro cruciale è la velocità dei fumi. Un valore elevato di tala parametro  comporta due effetti contrastanti: infatti, per un verso  consente una minore estensione della sezione di passaggio (e quindi del costo) e delle superifici di scambio, in quanto il coefficiente di scambio convettivo è maggiore; dall’altro ciò comporta un inevitabile incremento delle perdite di carico nella caldaia.

La determinazione del valore ottimale del coefficiente di scambio termico globale è frutto di un compromesso fra la necessità di favorire lo scambio termico e l’esigenza di mantenere basse le perdite di carico. La valutazione della velocità che consente di addivenire ad  un punto di incontro ottimale  fra i due opposti  fenomeni  porta ad avere perdite di carico  che di solito sono comprese fra 200 e 250 mmH2O.

Un’ultima importante differenza fra la caldaia a fiamma  e quella a recupero è inerente alla temperatura dei fumi al camino, la quale varia fra 130 e 140°C nel primo caso e fra 85 e 110°C nel secondo. In un ciclo a vapore tradizionale si utilizzano solitamente combustibili meno puliti del gas naturale impiegato nelle turbine a gas: lo zolfo in essi contenuto, durante la combustione, si ossida generando SO2 e SO3. Quest’ultima, reagendo con il vapor d’acqua presente nei gas di scarico dà origine all’acido solforico (H2SO4), in base al noto fenomeno delle “condense acide”, le quali risultano dannose per l’integrità dell’economizzatore. Nella caldaia a recupero, invece, l’inconveniente delle condense acide viene risolto a priori in quanto non vi è presenza significativa di zolfo nel combustibile. Inoltre, la quantità di vapor d’acqua nei gas esausti è assai più modesta.

Livelli di pressione del generatore di vapore a recupero

La soluzione ad un solo livello di pressione  è adottata quasi esclusivamente in impianti di piccola taglia e in impianti cogenerativi, nei quali si preferisce la semplificazione d’impianto (con connessa riduzione dei costi di investimento) a fronte di un rendimento del ciclo non ottimale.

Negli impianti di maggiore taglia  i cicli bottomer a vapore sono caratterizzati da più di una fase di evaporazione a diversi livelli di pressione. Con tale architettura è possibile contenere le produzioni entropiche dei gas legate agli scambi termici sotto differenze consistenti di temperatura.

Nelle zone in cui i gas sono più caldi, si scambia con il vapore a pressione più elevata (e ad alta temperatura), mentre in quelle più fredde avviene l’interazione termica con il vapore a pressione e temperatura minore .

Relativamente a ciascun livello di pressione, anche la posizione dei banchi di preriscaldo, evaporazione e surriscaldamento, ed eventuale risurriscaldamento, è ricavata  in modo tale da ridurre al minimo le irreversibilità dello scambio termico. L’eventuale presenza del risurriscaldatore (RH), come nei generatori di vapore tradizionali,  permette di aumentare il livello medio di temperatura alla quale è addotto il calore (il vapore ad alta pressione espande prima  nella sezione di alta pressione della turbina e poi viene riportato in caldaia per un secondo surriscaldamento).

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