Impianti Innovativi di Turbina a Gas con Iniezione di Vapore - Sviluppo di Modelli per l'Analisi del Funzionamento in Condizioni di Fuori Progetto

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Impianti Innovativi di Turbina a Gas                      
con Iniezione di Vapore 
 
 Sviluppo di Modelli per l’Analisi del Funzionamento                                            
in Condizioni di Fuori Progetto        
 
 
SOMMARIO 
 
La turbina a gas è il motore primo termico più diffuso in tutto il mondo sia per la 
produzione di energia elettrica che per azionamento di macchine operatrici. 
Questo fatto è dovuto ai recenti grandi progressi che sono stati fatti specialmente in 
termini di rendimento, affidabilità e disponibilità. 
La sua versatilità ha permesso di sviluppare soluzioni impiantistiche caratterizzate da 
buoni rendimenti ed elevata flessibilità.   
Inoltre i futuri sviluppi tecnologici sono molto promettenti: infatti, benché siano stati 
fatti grandissimi progressi, vi è ancora il potenziale per notevoli miglioramenti. 
Il presente documento ha lo scopo di presentare una serie di soluzioni progettuali 
basate sull’utilizzo delle turbine a gas. In particolare si andranno a valutare le 
prestazioni di impianti che prevedono l’iniezione di vapore, considerando le 
problematiche di accoppiamento compressore-turbina. 
L’analisi verrà effettuata realizzando dei modelli di simulazione per il funzionamento 
in condizioni di fuori progetto, tramite l’utilizzo di un software previsionale 
sviluppato dalla General Electric, il GateCycle. 
 
 
ABSTRACT 
 
The gas turbine is the most widely used prime mover all over the world for either 
power generation or mechanical drive applications. 
The above fact is due to the recent great improvements that have been done 
especially in terms of efficiency, availability and reliability. 
Its versatility allowed develop system solutions with good efficiency and high 
flexibility. 
Furthermore, future for gas turbine technological developments looks very 
promising: in fact, although tremendous growth has already taken place, there is still 
the potential for dramatic improvements in performance. 
This document aims to present a series of design solutions based on the use of gas 
turbines. In particular it will examine the performance of systems that involve steam 
injections, considering the problems about coupling compressor-turbine. 
The analysis will be done by creating simulation models for operation in off-design 
conditions, using forecasting software developed by General Electric, GateCycle.
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INTRODUZIONE 
 
 
 
Il primo concetto di turbina a gas viene introdotto alla fine del XVIII secolo quando 
John Barber ne propone il principio di funzionamento e lo brevetta; circa un secolo 
dopo (1872) il tedesco Stolze progetta il primo vero motore di turbina a gas 
utilizzando una turbina a più stadi e un compressore di flusso che però non è mai 
stata autosufficiente. Il primo funzionamento con rendimento positivo è dovuto ad  
Holzwarth il quale, tra la fine degli anni ’20 e l’inizio degli anni ’30, progetta una 
macchina a combustione interna, di tipo isocoro, dai notevoli vantaggi teorici ma con 
numerose difficoltà nella realizzazione pratica. Nel 1939 la Brown-Boveri realizza in 
Svizzera il primo impianto per la produzione di energia elettrica che utilizza un 
sistema a combustione esterna come scambiatore superiore e l’aria come fluido di 
lavoro. 
Le prime turbine a gas industriali prendono piede nel 1950 (macchine di prima 
generazione): si tratta di macchine con prestazioni modeste che trovano impiego solo 
a causa del basso costo del combustibile. Negli anni ’60 la tecnologia sviluppata in 
campo aeronautico inizia ad essere trasferita alle applicazioni industriali, con 
conseguente netto miglioramento delle prestazioni rispetto alle macchine precedenti 
(T
MAX
 prossima ai 1000°C e η del 20-22%). 
Negli anni ’70-’80 le macchine per impieghi industriali iniziano a raggiungere 
prestazioni confrontabili, in termini di rendimento e di taglia, con quelle di impianti 
più tradizionali, quali i motori alternativi o i cicli di potenza basati sull’impiego del 
vapore (macchine di seconda generazione). 
La continua rincorsa alla ricerca di prestazioni sempre più elevate, ottenibili solo 
grazie ad un aumento della temperatura in ingresso in turbina ha portato, negli anni
Introduzione 
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’80-’90, a concentrarsi principalmente sui materiali e sul raffreddamento delle 
palettature, con conseguente raggiungimento di temperature massime dell’ordine dei 
1300°C (macchine di terza generazione). 
Soluzioni all’avanguardia che cerchino di incrementare il più possibile la T
MAX
 ed il β 
hanno permesso di raggiungere i valori tipici dei turbogas attuali o di imminente 
commercializzazione (T
MAX
 di 1500°C e rendimenti del 45% ed oltre).  
La presenza di temperature massime del ciclo così elevate comporta altrettanto 
elevate temperature dei fumi allo scarico; di conseguenza se l’impianto è di grosse 
dimensioni e funziona in maniera continua si andrebbe a sprecare una quantità 
eccessiva di energia. 
Per questo motivo la ricerca di sempre migliori soluzioni impiantistiche che vadano 
nella direzione dell’efficienza energetica, economica e del rispetto dell’ambiente, ha 
portato allo sviluppo di sistemi che prevedano il recupero dell’energia termica allo 
scarico della turbina a gas. 
Un tipico esempio di recupero di energia termica è costituito dal ciclo combinato, nel 
quale si ha un impianto a vapore sottoposto all’impianto a gas. Le elevate 
temperature dei fumi della turbina vengono sfruttate da uno scambiatore di calore 
(generatore di vapore a recupero): i gas di scarico cedono calore all’acqua 
dell’impianto a vapore, la quale vaporizza, si surriscalda e va in turbina, mettendo a 
disposizione altro lavoro. Attualmente, grazie all'evoluzione delle turbine a gas, con 
temperature T
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 molto elevate, valori del rendimento utile superiori al 40% e potenze 
superiori a 200 MW, si riescono a realizzare cicli combinati con rendimento utile 
circa pari al 60%. 
Di particolare interesse sono le soluzioni che prevedono un recupero interno 
dell'energia termica allo scarico, senza, cioè, ricorrere ad impianti sottoposti.  
La rigenerazione sfrutta il calore dei fumi inviandolo all’uscita del compressore, 
permettendo così un preriscaldamento dell’aria per mezzo di uno scambiatore 
gas/gas.
Introduzione 
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Vi sono poi i cicli misti gas-vapore che nascono con l’intento di coniugare i vantaggi 
in termini di elevati rendimenti propri dei cicli combinati con i ridotti costi specifici 
tipici dei cicli aperti. In particolare, elemento caratterizzante è l’eliminazione di 
componenti importanti e costosi quali la turbina a vapore, il condensatore e i loro 
sottosistemi. Il grado di maturazione industriale dei cicli misti è completo solo per il 
ciclo più semplice con iniezione a vapore (STIG), la cui configurazione prevede la 
generazione di vapore in una caldaia a recupero e la sua iniezione nella camera di 
combustione della turbina a gas. Per le altre configurazioni, sicuramente più 
efficienti ma piuttosto complesse (ISTIG, RWI, HAT) non esistono ad oggi 
realizzazioni industriali sui cui basare una stima dei reali costi di impianto e quindi 
istituire un confronto completo con il ciclo combinato. 
Lo studio sviluppato nella presente tesi prevede un approfondimento di queste 
opportunità di recupero con particolare riguardo alle problematiche di accoppiamento 
compressore-turbina.  
Per effettuare l’analisi si ricorre all’utilizzo di un software di simulazione, il 
GateCycle della General Electric Company, e all’impiego delle mappe caratteristiche 
del compressore in esso presenti.  
 
La tesi è articolata in cinque capitoli. 
Nel Capitolo 1 vengono introdotte le turbine a gas. Si riportano le caratteristiche 
termodinamiche del ciclo a gas, le caratteristiche degli elementi costituenti la turbina 
e le prestazioni tipiche delle varie turbine. 
Nel Capitolo 2 si descrivono i cicli combinati e i cicli misti gas-vapore, le varie 
tipologie e i parametri che li caratterizzano. 
Nel Capitolo 3 si introduce il GateCycle. In particolare si pone l’attenzione sui 
modelli di turbina a gas in esso presenti e sulle mappe caratteristiche del 
compressore.
Introduzione 
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Nel Capitolo 4 si descrive il modello di turbina a gas sviluppato, si analizzano le 
prestazioni ad esso associate e si determina il punto di funzionamento all’interno 
delle mappe del compressore. Si vede inoltre quali sono gli effetti che si hanno sulle 
prestazioni e sul punto di funzionamento quando ci si trova in condizioni di fuori 
progetto, ossia in caso di variazione delle condizioni ambiente, della temperatura 
massima del ciclo, della composizione del combustibile e in caso di iniezione vapore 
nella camera di combustione. 
Nel Capitolo 5 si descrivono una serie di modelli di simulazione di cicli combinati e 
cicli STIG. Anche in questo caso si analizzano le prestazioni e il punto di 
funzionamento all’interno delle mappe. Inoltre si effettua un confronto tra i vari cicli 
e si pone l’attenzione sui vantaggi che comporta l’utilizzo di una soluzione 
progettuale rispetto ad un’altra.