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Cos'è un generatore di vapore a recupero di calore (HRSG)?
Un Generatore di Vapore a Recupero di Calore, comunemente abbreviato come HRSG, è un'apparecchiatura specializzata progettata per recuperare calore dai gas caldi. Questi gas caldi provengono spesso da una turbina a gas come scarico (gas di combustione), o da un processo industriale che genera molto calore. Il calore recuperato viene quindi utilizzato per far bollire l'acqua e produrre vapore, che può essere utilizzato per la generazione di energia o altri processi industriali.
Generatori di Vapore a Recupero di Calore
Perché abbiamo bisogno di generatori di vapore a recupero di calore?
Efficienza e Sostenibilità
Uno dei motivi principali per utilizzare un HRSG è aumentare l'efficienza di un sistema. Ad esempio, recuperando il calore di scarto da un processo di combustione, riduciamo la quantità di calore perso, aumentando così l'efficienza complessiva del sistema. Un aumento dell'efficienza dell'impianto si traduce in costi operativi ridotti e minore impatto ambientale.
Risparmio sui Costi
Sebbene l'investimento iniziale in un HRSG possa essere elevato, i guadagni di efficienza a lungo termine rendono l'investimento conveniente. Durante la vita utile dell'HRSG (potenzialmente >20 anni), si ripagherà molte volte. L'alta affidabilità di un HRSG significa anche che il suo tempo operativo è elevato, garantendo un buon ritorno sull'investimento.
Flessibilità
Gli HRSG possono essere integrati in vari processi industriali, offrendo flessibilità in termini di applicazione. Che si tratti di generazione di energia, teleriscaldamento, o altre applicazioni industriali, un HRSG può aumentare notevolmente l'efficienza del sistema (perché recupera calore che altrimenti andrebbe perso).
Applicazioni degli HRSG
Un HRSG è tipicamente installato a valle di una turbina a gas (turbina a combustione) o di un altro processo di combustione all'interno di una centrale elettrica. Ad esempio, una centrale elettrica a ciclo combinato (CCPP) utilizza una turbina a gas e un HRSG installati in serie. All'interno di una CCPP, una turbina a gas viene utilizzata per generare elettricità, mentre i suoi gas di scarico vengono inviati all'HRSG, che viene utilizzato per generare vapore. Con questa configurazione, le turbine a gas sono tipicamente alimentate a gas naturale anche se è possibile utilizzare molti altri tipi di combustibile.
Il vapore dall'HRSG viene quindi utilizzato per azionare una turbina a vapore, che genera anche elettricità. In ambienti industriali, gli HRSG possono essere trovati ovunque ci sia bisogno di recuperare calore di scarto per la produzione di vapore, come nelle raffinerie o negli impianti chimici.
Parti della Centrale Elettrica a Ciclo Combinato
Quali sono le principali parti di un HRSG?
Nonostante le dimensioni della maggior parte degli HRSG, hanno relativamente poche parti principali e pochi sistemi. Un HRSG tipico avrà un sistema di vapore a alta pressione, pressione intermedia, e bassa pressione. Ogni sistema ha un tamburo del vapore associato, un economizzatore, un evaporatore, e un surriscaldatore. Il flusso attraverso l'HRSG va dall'economizzatore, al tamburo del vapore, all'evaporatore, e poi al surriscaldatore.
Questo flusso avviene prima nel sistema di vapore a bassa pressione (LP), poi a pressione intermedia (IP), e infine nel sistema di vapore a alta pressione (HP). Ogni sistema di vapore ha anche una turbina a vapore corrispondente, cioè turbina a vapore ad alta pressione, turbina a vapore a pressione intermedia, e turbina a vapore a bassa pressione.
L'economizzatore, l'evaporatore, e il surriscaldatore sono costruiti con tubi in modo da avere una grande superficie di contatto con i gas di scarico; questo significa che hanno anche una grande capacità di trasferimento del calore. È meglio pensare a queste parti principali come a scambiatori di calore, poiché questa è la loro funzione principale. Ciascuna di queste tre parti agisce come uno scambiatore di calore per produrre vapore (evaporatore e surriscaldatore), o una miscela acqua/vapore (economizzatore).
Parti del Generatore di Vapore a Recupero di Calore
Le quattro componenti principali di un HRSG sono elencate di seguito.
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Economizzatore – l'acqua di alimentazione viene inviata prima alla base dell'economizzatore. L'economizzatore preriscalda l'acqua di alimentazione. L'acqua della caldaia viene scaricata dall'economizzatore al tamburo del vapore del sistema associato. Il preriscaldamento dell'acqua di alimentazione aumenta l'efficienza del sistema assicurando che l'acqua che entra nel tamburo del vapore sia già calda (nessun rischio di shock termico).
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Tamburo del Vapore – l'acqua della caldaia dall'economizzatore viene scaricata nel rispettivo tamburo del vapore. Il tamburo del vapore separa il vapore dall'acqua. Il vapore sale in cima al tamburo del vapore e viene inviato al surriscaldatore. L'acqua viene scaricata dal fondo del tamburo del vapore all'evaporatore. L'acqua della caldaia viene ricircolata all'interno dell'evaporatore fino a diventare vapore.
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Evaporatore – dove avviene la produzione di vapore. L'acqua scorre attraverso tubi riscaldati dai gas di scarico caldi. L'acqua assorbe calore dai tubi mentre attraversa l'evaporatore, e questo la fa cambiare fase/stato in vapore. Non tutta l'acqua cambia fase in vapore, quindi è una miscela di vapore/acqua (vapore umido) che viene scaricata dall'evaporatore al tamburo del vapore. L'acqua che non ha cambiato stato in vapore viene ricircolata nuovamente attraverso l'evaporatore.
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Surriscaldatore – prende il vapore prodotto nell'evaporatore e ne aumenta ulteriormente la temperatura (e l'energia), assicurando che sia nelle condizioni ottimali per la turbina a vapore o il consumatore industriale. I surriscaldatori aggiungono calore sensibile al vapore, non aggiungono calore latente perché non c'è cambio di fase in questa fase (nessun passaggio da acqua a vapore).
Come funziona un generatore di vapore a recupero di calore?
Per capire come funziona un HRSG, è meglio studiare il diagramma sottostante.
Percorso del Flusso HRSG
Si noti che l'acqua entra nell'HRSG nella parte più fredda (la più lontana dalla fonte di calore) e viene riscaldata gradualmente mentre procede verso la fonte di calore. Si noti anche che c'è un modello di flusso standard, che inizia con l'economizzatore, poi il tamburo del vapore, l'evaporatore, di nuovo il tamburo del vapore, il surriscaldatore, e infine alle turbine a vapore. Se l'HRSG ha un HP, IP, e LP sistema di vapore, il percorso del flusso è lo stesso, poiché ogni sistema ha il proprio economizzatore, evaporatore, e surriscaldatore.
Il principio di funzionamento dell'HRSG è riassunto di seguito.
1. Recupero del Calore – i gas di scarico da una turbina a gas o altra fonte di calore, tipicamente a temperature di 900°F a 1,100°F (482°C a 593°C), vengono diretti nell'HRSG.
2. Preriscaldamento Economizzatore – l'acqua di alimentazione viene preriscaldata nell'economizzatore. Questo processo eleva la temperatura dell'acqua vicino al suo punto di ebollizione, preparandola per l'evaporatore.
3. Tamburo del Vapore – l'acqua dall'economizzatore viene consegnata al tamburo del vapore, spesso passando anche attraverso un deaeratore. Il vapore saturo viene scaricato dai tamburi del vapore.
4. Generazione di Vapore nell'Evaporatore – l'acqua preriscaldata scorre attraverso i tubi dell'evaporatore e viene riscaldata dai gas di scarico caldi. Lo scambio di calore fa sì che l'acqua bolle e cambi stato in vapore. La temperatura nell'evaporatore può variare da 250°F a 600°F (121°C a 315°C), a seconda della pressione del sistema.
5. Surriscaldamento – il vapore generato dall'evaporatore viene diretto al surriscaldatore. Il vapore all'interno del surriscaldatore è esposto a gas di scarico più caldi a causa della sua vicinanza alla fonte di calore. Il surriscaldatore può aumentare la temperatura del vapore fino a 1,022°F (550°C), che è ciò che è richiesto da una tipica turbina ad alta pressione di una centrale elettrica. Le turbine a vapore richiedono vapore surriscaldato a causa del suo alto contenuto energetico e del ridotto contenuto di umidità (il vapore surriscaldato secco è ciò che viene fornito a una turbina a vapore).
La quantità di energia che il vapore contiene corrisponde a quanta energia la turbina a vapore può estrarre, e di conseguenza a quanta potenza elettrica il suo generatore può produrre.
6. Generazione di Energia della Turbina a Vapore – il vapore surriscaldato secco viene scaricato dall'HRSG a una o più turbine a vapore. La turbina a vapore converte l'energia termica del vapore in energia meccanica e la trasmette a un generatore (entrambi sono installati su un albero comune).
Il generatore converte l'energia meccanica in energia elettrica (elettricità).
7. Scarico dei Gas di Scarico – dopo che i gas di scarico hanno trasferito la maggior parte della loro energia termica ai sistemi di acqua e vapore, vengono scaricati nell'atmosfera a una temperatura compresa tra 250°F e 300°F (121°C e 149°C). È importante che il flusso di gas caldo non abbia una temperatura eccessivamente bassa perché altrimenti potrebbe verificarsi condensazione all'interno del camino e si creerebbe un ambiente corrosivo.
Buono a sapersi – un 'camino' è simile a una 'canna fumaria' anche se 'camino' è il termine più comune usato in ingegneria.
HRSG a Pressione Multipla e a Pressione Singola
Se un HRSG opera a un livello di pressione singola, avrà un singolo tamburo del vapore, una singola sezione economizzatore, una singola sezione evaporatore, e una singola sezione surriscaldatore. Se un HRSG opera a livelli di pressione multipla cioè livelli di pressione LP, IP, e HP, avrà anche tamburi del vapore, economizzatori, evaporatori, e surriscaldatori multipli. Un sistema HRSG che opera a un livello di pressione singola è chiamato HRSG a pressione singola. Un sistema HRSG che opera a livelli di pressione multipla è chiamato HRSG a pressione multipla. Le centrali elettriche utilizzano HRSG a pressione multipla mentre gli HRSG a pressione singola sono più probabilmente utilizzati per altre applicazioni industriali.
HRSG Verticali e HRSG Orizzontali
È possibile classificare i generatori di vapore a recupero di calore in base al loro orientamento:
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HRSG di Tipo Verticale - i gas di scarico fluiscono verticalmente sui tubi orizzontali.
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HRSG di Tipo Orizzontale - i gas di scarico fluiscono orizzontalmente sui tubi verticali.
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