Prestazioni delle turbine a gas: consumo specifico, potenza erogata e condizioni del sito

La potenza nominale di una turbina a gas è solo un punto di partenza per valutare un progetto. Il confronto più utile riguarda la quantità di energia elettrica netta che l’impianto può fornire nelle condizioni specifiche del sito, il combustibile necessario per produrla e la capacità di mantenere queste prestazioni nell’intervallo operativo previsto. In una giornata calda, una macchina con una potenza nominale di targa superiore può fornire meno potenza utilizzabile del previsto oppure consumare più combustibile quando opera a carico parziale.

Il consumo specifico di calore, la potenza elettrica e le condizioni del sito devono quindi essere valutati congiuntamente. Ogni valore dipende da un insieme definito di limiti e ipotesi, che devono coincidere prima di poter confrontare le offerte concorrenti.

Cosa indica il consumo specifico di calore sul consumo di combustibile

Il consumo specifico di calore esprime l’energia del combustibile fornita a un impianto per ogni unità di energia elettrica prodotta. È comunemente espresso in kJ/kWh o Btu/kWh. Un valore più basso indica che, nelle condizioni dichiarate, è necessaria una minore quantità di energia del combustibile per generare la stessa potenza elettrica.

La relazione tra consumo specifico di calore e rendimento è diretta quando entrambi sono calcolati sulla stessa base energetica e con gli stessi limiti dell’impianto. In kJ/kWh, il rendimento elettrico è pari a 3.600 diviso per il consumo specifico di calore. Questo calcolo è utile solo se i valori si riferiscono allo stesso apporto di combustibile e allo stesso punto di misurazione della potenza elettrica.

Due distinzioni modificano spesso il confronto:

• Potenza lorda o netta: la potenza lorda è misurata ai morsetti del generatore. La potenza netta si ottiene sottraendo la potenza elettrica assorbita dai servizi ausiliari entro i limiti dell’impianto concordati. Il consumo specifico di calore netto è normalmente superiore a quello lordo, perché al denominatore si utilizza la potenza netta, che è inferiore.
• Potere calorifico inferiore o superiore: il potere calorifico inferiore (LHV) esclude il calore recuperabile associato alla condensazione dell’acqua nei prodotti della combustione; il potere calorifico superiore (HHV) lo include. A parità di portata di combustibile e potenza elettrica, il consumo specifico di calore basato sull’HHV sarà più elevato. Confrontare un valore basato sull’LHV con uno basato sull’HHV senza conversione può far apparire un’offerta più efficiente di quanto sia in realtà.

Verificate inoltre se il valore dichiarato riguarda la sola turbina a gas o l’intero impianto. Un impianto a ciclo combinato utilizza il calore dei gas di scarico della turbina per produrre ulteriore energia; pertanto, il consumo specifico di calore dell’impianto non è direttamente confrontabile con quello di un’unità a ciclo semplice.

La potenza nominale non coincide necessariamente con quella disponibile sul sito

I produttori pubblicano comunemente le prestazioni in condizioni di riferimento specificate. Questi valori sono utili per una prima valutazione, ma non sostituiscono un calcolo delle prestazioni specifico per il sito. Le condizioni dell’aria in ingresso, le perdite di pressione, le caratteristiche del combustibile e i limiti operativi influiscono sulla potenza disponibile nel luogo del progetto.

In caso di obbligo di fornitura di energia elettrica, definite la potenza richiesta nel punto di consegna, non solo ai morsetti del generatore. La differenza può includere i servizi ausiliari dell’impianto, le perdite del trasformatore e gli altri carichi compresi nei limiti concordati. L’offerta dovrebbe specificare quali di questi elementi sono inclusi e quali restano esclusi dal calcolo.

È importante anche il punto di funzionamento considerato. Un impianto progettato sulla base della temperatura media annua potrebbe non raggiungere la potenza richiesta quando la domanda raggiunge il picco durante i periodi più caldi. Al contrario, dimensionare l’impianto solo per la condizione più gravosa può portare a utilizzare per gran parte della sua vita apparecchiature in condizioni di carico parziale poco efficienti. La decisione dipende dalla capacità richiesta, dalle conseguenze di un’insufficienza e dalle ore di funzionamento previste a ciascun carico.

Come le condizioni del sito modificano le prestazioni della turbina a gas

Temperatura ambiente e altitudine

Quando aumenta la temperatura dell’aria in ingresso, la densità dell’aria generalmente diminuisce. A parità di portata volumetrica, il compressore aspira quindi una massa d’aria inferiore, riducendo in genere la potenza disponibile della turbina. Anche il consumo specifico di calore può peggiorare, sebbene l’entità dipenda dalla macchina e dai suoi sistemi di controllo. L’altitudine elevata produce un effetto simile a causa della minore pressione atmosferica: una minore densità dell’aria in ingresso comporta generalmente una portata massica inferiore e una potenza disponibile minore.

Valutate la potenza in base al profilo delle temperature del sito, anziché a un singolo valore nominale di temperatura ambiente. Sono spesso determinanti le condizioni in cui la capacità è richiesta contrattualmente e quelle in cui verrà consumata la maggior parte del combustibile. Potrebbero non coincidere.

Perdite di pressione in ingresso e allo scarico

Filtri dell’aria, silenziatori, condotti e apparecchiature per il raffreddamento dell’aria in ingresso provocano perdite di pressione prima che l’aria raggiunga il compressore. Sul lato dello scarico, silenziatori, condotti e apparecchiature di recupero del calore generano contropressione. Entrambi i fattori possono ridurre la potenza e influire sul consumo specifico di calore.

Le perdite devono essere valutate in condizioni operative realistiche, considerando anche l’effetto dell’intasamento dei filtri e la configurazione di scarico prevista. Un calcolo delle prestazioni basato su un ingresso pulito e con perdite ridotte potrebbe non rappresentare il funzionamento in prossimità del limite di sostituzione del filtro. Allo stesso modo, non si può presumere che una turbina valutata con un semplice camino di scarico mantenga la stessa potenza quando è collegata ad apparecchiature di recupero del calore.

Umidità, combustibile e acqua di raffreddamento

L’umidità può influire sulle proprietà dell’aria in ingresso e sulle prestazioni dei sistemi di raffreddamento evaporativo. La composizione e il potere calorifico del combustibile influiscono sulla portata di combustibile, sul comportamento della combustione e sui sistemi di controllo delle emissioni; le variazioni possono inoltre modificare i limiti operativi. Le specifiche del combustibile utilizzate nel calcolo delle prestazioni dovrebbero rappresentare la fornitura prevista, includendo l’intervallo consentito e non solo una composizione nominale.

Nei progetti a ciclo combinato, la temperatura e la disponibilità dell’acqua di raffreddamento possono influire sul ciclo a vapore e quindi sulla potenza totale dell’impianto. Valutare la sola turbina a gas non consente di cogliere questo effetto.

Il rendimento a pieno carico è solo una parte dei costi operativi

Il consumo specifico di calore a pieno carico è un dato utile quando un’unità opera a lungo vicino alla propria capacità nominale. Tuttavia, negli impianti che seguono la domanda può incidere maggiormente il funzionamento a carico parziale. Al variare della potenza, le impostazioni di controllo e l’energia richiesta dai servizi ausiliari possono modificare il consumo specifico di calore netto. Un’unità con un valore migliore a pieno carico non necessariamente consumerà meno combustibile nell’arco dell’anno.

Richiedete una curva delle prestazioni sull’intero intervallo di carico previsto e associatela alle ore di funzionamento stimate per ciascun punto. Includete avviamenti, arresti e periodi al carico minimo, quando incidono in misura significativa sul consumo di combustibile e sulla disponibilità. In questo modo si ottiene una stima del consumo di combustibile più utile rispetto a quella calcolata moltiplicando un unico valore di consumo specifico di calore per la produzione annuale.

Il raffreddamento dell’aria in ingresso comporta un compromesso analogo. Può recuperare parte della potenza nelle condizioni di caldo riducendo la temperatura dell’aria in ingresso al compressore, ma occorre considerare il costo delle apparecchiature, i consumi ausiliari, le perdite di pressione e, per alcuni sistemi, il consumo d’acqua. La sua convenienza dipende dalla frequenza con cui è necessaria una maggiore capacità in condizioni di alta temperatura e dal fatto che la potenza netta aggiuntiva giustifichi o meno questi costi.

Definire i limiti delle prestazioni e delle prove prima di confrontare le offerte

Una valutazione tecnica solida parte da un insieme comune di condizioni per tutti gli offerenti. Richiedete la potenza garantita e il consumo specifico di calore alle condizioni definite per il sito, insieme alle curve che mostrano come variano le prestazioni al variare della temperatura e del carico. La documentazione dovrebbe specificare chiaramente i seguenti punti:

• Il punto di misurazione elettrica, i carichi ausiliari inclusi e la base lorda o netta.
• La composizione del combustibile, la base del potere calorifico e le condizioni previste della fornitura di combustibile.
• Temperatura ambiente, pressione, umidità e perdite presunte in ingresso e allo scarico.
• La configurazione dell’impianto, incluse eventuali apparecchiature di recupero del calore, raffreddamento dell’aria in ingresso o controllo delle emissioni.
• La condizione operativa a cui si riferisce ciascun valore, ad esempio il carico, la configurazione delle apparecchiature e le condizioni di raffreddamento pertinenti.
• Il metodo di prova delle prestazioni, la strumentazione, le procedure di correzione, l’incertezza di misura e il trattamento degli scostamenti dalle condizioni di prova.

Le norme di prova applicabili e i requisiti contrattuali dovrebbero essere specificati in modo coerente nella richiesta di offerta e concordati prima della definizione finale delle garanzie. Le curve di correzione sono particolarmente importanti quando non è possibile effettuare una prova nelle esatte condizioni di garanzia: stabiliscono come convertire i risultati misurati alla base concordata.

Per una centrale elettrica completa, questi limiti influiscono anche sulle interfacce tra i fornitori delle apparecchiature e le parti responsabili della progettazione, della costruzione e della messa in servizio. SINO-QNP offre servizi EPC per progetti di centrali elettriche, comprendenti ingegneria, sistemi ausiliari e messa in servizio. Per un ambito di questo tipo, il passo successivo utile è allineare le ipotesi sulle prestazioni della turbina alla configurazione effettiva dell’impianto e definire chi è responsabile di ciascuna perdita e di ciascun carico ausiliario.

L’offerta migliore non è semplicemente quella con il consumo specifico di calore dichiarato più basso o la potenza nominale più elevata. È quella che soddisfa la capacità netta richiesta nelle condizioni pertinenti del sito, fornisce un profilo credibile del consumo di combustibile per il regime operativo previsto e definisce prestazioni verificabili mediante prove.