energy systems and turbomachinery
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Giornata di studio sui Sistemi EnergeticiFerrara, 7 febbraio 2018
1
Università degli Studi di Bergamo
Dipartimento di Ingegneria e Scienze Applicate
Energy Systems and TurbomachineryResearch Group
Giornata di studio sui Sistemi EnergeticiFerrara, 7 febbraio 2018
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Gruppo di ricerca
Personale strutturatoProf. Antonio Perdichizzi
Prof. Giovanna Barigozzi
Prof. Giuseppe Franchini
Prof. Silvia Ravelli
Dottorandi / Assegnisti / Borsisti
2-5 PhD students
2-5 Research fellows
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Turbomachinery
Film cooling in Gas Turbine Vanes and Blades
Ambiti di ricerca
Aero-thermal experimental investigations:
Aerodynamic probesLaser Doppler VelocimetryHot Wire AnemometryParticle Image Velocimetry (PIV)Cold Wire ThermometryThermochromic Liquid Crystals (TLC)Infrared ThermometryPressure-Sensitive Paint (PSP)Oil visualizations
CFD & 1-D optimization codes
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Power Systems:
Combined Cycle Power Plants
Cogeneration Plants
Energy Efficiency in industrial process
Waste to Energy Plants
Ambiti di ricerca
Renewable Energy: Concentrated Solar Power Plants
Solar Cooling & Desalination
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Ambiti di ricercaZero Energy Buildings in hot climates:
Off-Grid & Passive Building Design
Renewable Energy integration
Trigeneration systems
Prediction of PV & batteries operation
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PRODUZIONE DI POTENZA ELETTRICA DA RECUPERI TERMICI: DUE CASI STUDIO IN
CEMENTIFICI ITALCEMENTI
Università degli Studi di Bergamo
Dipartimento di Ingegneria e Scienze Applicate
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Oggetto dello studio
Recuperi a valle di forni produzione clinker
Valutazione soluzioni impiantistiche
proposte;
Simulazione soluzioni impiantistiche
e verifica prestazioni;
Definizione ciclo termico;
Analisi di soluzioni con recupero a
vapore o ORC;
Simulazione sistema circolazione
fumi.
Suspension Preheaterboiler (PH or SP)
Air Quenching Cooler boiler
(AQC)
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Caso 1: cementificio di Pukrang (Thailand)
Verifica del progetto WHR&PG
Pel = 21 MW
Qth = 187 MW
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Volume flow rate
Tin pin
Nm3/h °C daPa(G)Line #1
AQC1 203200 360SP1k 160000 340 -500SP1c 210000 345 -700
Line #2AQC2 272600 360SP2k 232000 343 -545
SP2c (OFF) 257000 360 -705SP2c (ON) 191047 360
3 diverse condizioni operative:
Case 1 Normal load (designcondition): Line #1 and Line#2 are ON; raw mill is ON.
Case 2a Minimum load:Line #1 is idle and Line #2 isON; raw mill is ON.
Case 2b Most minimumload: Line #2 is idle and Line#1 is ON; raw mill is ON.
Site Altitude + 10 mAmbient pressure 1.012 bar aAmbient average temperature
29.5°C
Wet bulb temperature 28 °C
Verifica del progetto WHR&PG
Caso 1: cementificio di Pukrang (Thailand)
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AQC boiler 1 AQC boiler 2
SP boiler 1 SP boiler 2
Caso 1: cementificio di Pukrang (Thailand)
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THERMOFLEX Version 21.0 barigozzi Universita Degli Studi Di Bergamo
Linea #1 1461 File = C:\Italcementi\Phukrang\PUKRANG_V3.tfx 12-01-2011 15:30:16
bar C t/h kJ/kg
SP1c SP1k
AQC1
FromCondenser
ToFLUSHER
ToSteam Turbine
PH-1 Circulation Pump
p bar
T C
m t/h
h kJ/kg
8 9 12 13 14 15 16 17 24 25 26 30 35 36 37 38 39 45 47 48 49 50 51 52 64 77 78 79 93 107
1.012 16.4 1.012 8.4 1.013 8.6 1.012 8.4 1.033 1.014 1.025 7.89 7.89 8.6 12 8.4 8.4 8.6 1.022 7.89 1.028 7.89 1.014 7.89 17 8.4 8.6 8.6 8.4 8.4
83.69 167.1 190.5 172.4 199 173.4 202.1 172.4 345 360 340 314.9 324.5 167.2 168.2 167.1 167.1 167.2 320.1 313.1 326.5 317.3 335.9 343 49.05 167.2 167.2 167.2 168.3 167.1
259.1 60.76 218.5 15.22 259.1 17.99 297.5 19.86 297.5 259.1 218.5 35.08 53.08 17.99 35.08 19.86 15.22 7.68 218.5 19.86 297.5 15.22 259.1 17.99 60.76 35.08 60.76 35.08 35.08 35.08
60.79 707 175 2769.3 181.4 2770.3 186.1 2769.3 345.5 354.1 341.3 3089 3109 707 712 707 707 707 318.7 3085 324.5 3094 327.8 3147 206.7 707 707 707 712 707
49
24
17
26
47
13
25
51
15
36
39
38
14
52
30
48 50
16 12
8
9
78
7977
8485
86
3793107
35
45
64
64
45
35
86
85
84
49
24
17
26
47
13
25
51
15
36
39
38
14
52
30
48 50
16 12
8
9
78
7977
8485
86
3793107
35
45
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DESIGN MODE : dimensionamento dei componenti per rispettare le proprietà termodinamiche del PFD
THERMOFLEX®
Caso 1: cementificio di Pukrang (Thailand)
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WHRBs AQC1 SP1k SP1c AQC2 SP2k SP2c Units
Pinch point 27.9 18.1 30.4 16.0 23.7 32.0 °CApproach Temperature 6 °CWaste Gas Exit Temperature 86.6 190.6 202.8 86.5 196.2 204.9 °C
Input Heat transfer rate 25.04 20.43 28.17 33.59 29.95 36.33 MWth.
Recovered Heat transfer rate 20.79 10.08 13.11 27.9 14.41 17.61 MWth.
Feed water mass flow rate 60.75 15.22 19.86 71.36 21.76 26.46 t/h
Feed water temperature at inlet
48.7 167.5 167.5 48.7 167.5 167.5 °C
Superheated steam pressure 7.89 bar a
Superheated steam temperature
343 317.3 313.1 348 316 322.2 °C
Superheated steam mass flow rate
17.99 15.22 19.86 25.8 21.76 26.46 t/h
Thermal Efficiency 83.04 49.36 46.52 83.07 48.10 48.47 %
0 5000 10000 15000 20000 250000
100
200
300
400
Heat Transfer [kW]
Tem
peratu
re [
C]
Mutiple HX T-Q1
E[7]8605
B[10]10303
S[39]1883
THERMOFLEX Version 21.0 Microsoft Universita Degli Studi Di Bergamo
File = 1461 File = C:\Italcementi\Phukrang\Pukrang_v1.tfx 10-19-2011 16:53:14
0 3000 6000 9000 12000150
200
250
300
350
400
Heat Transfer [kW]
Tem
per
atu
re [
C]
Mutiple HX T-Q3
B[9]8712
S[37]1371
THERMOFLEX Version 21.0 Microsoft Universita Degli Studi Di Bergamo
File = 1461 File = C:\Italcementi\Phukrang\Pukrang_v2.tfx 10-19-2011 19:12:54
AQC boiler SP boiler
Diagrams of gas-steam/water temperature profiles vs. heat transfer rate
WHRBs thermal sizing
Caso 1: cementificio di Pukrang (Thailand)
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Steam Surface Condenser sizing
Heat Transfer Rate 80.493 MWth.
Cooling water inlet temperature
32 °C
Cooling water mass flow rate
10678 t/h
Cooling water temperature rise
6.5 °C
UA 8149 kW/°C
SH steam mass flow 125.9 t/hSH steam pressure 6.89 bar aSH steam temperature 323.3 °CHP turbine efficiency 82.6 %Flusher steam mass flow
0.9 t/h
Flusher steam pressure 1.3 bar aFlusher steam temperature
107.1 °C
LP turbine efficiency 80 %Exit steam mass flow 126.9 t/hExit pressure 0.098 bar aExit temperature 45.44 °CExit steam fraction 0.954 -Mechanical efficiency 97.8 %Generator efficiency 97.4 %Power factor 0.8 -
5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.52200
2400
2600
2800
3000
3200
3400
Entropy [kJ/kg-C]
En
tha
lpy
[k
J/k
g]
ST Mollier Chart1
0.95
0.9
0.85
Wilson 0.97
200 C
300 C
400 C6.89 bar
1.301 bar
0.098 bar
THERMOFLEX Version 21.0 barigozzi Universita Degli Studi Di Bergamo
File = 1461 File = C:\ITALCEMENTI\PHUKRANG\PUKRANG_V2.TFX 11-17-2011 16:02:03
Turbine sizing
Caso 1: cementificio di Pukrang (Thailand)
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WHR&PG Plant PFDDESIGN
simulationUnits
Net Power Output 19.42 19.22 MWe
Total Heat Transfer Rate Input 193.20 176.11 MWth
Heat Transfer Rate Recovered 105.11 103.74 MWth
WHRBs Average Thermal Efficiency 54.4 59.6 %Plant Overall Net Thermal Efficiency 10.05 11.04 %
Case 1 Normal load
WHR&PG Plant PFDOFF-DESIGN simulation
Units
Net Power Output 10.91 10.48 MWe
Total Heat Transfer Rate Input 111.00 101.40 MWth
Heat Transfer Rate Recovered 60.70 59.46 MWth
WHRBs Average Thermal Efficiency 54.7 58.7 %Plant Overall Net Thermal Efficiency 9.83 10.19 %
Case 2a Minimum load
Nr. of h/yr
Energy generated (GWh/yr)
Case 1 4287 82.416Case 2a 1741 18.034Case 2b 1723 11.705Overall 7751 112.155
Caso 1: cementificio di Pukrang (Thailand)
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Caso 2: cementificio di Ait-Baha (Marocco)
Simulazione impianto ORC-WHR&PG
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Simulazione impianto ORC-WHR&PG
ProgettoSimulazione “Design”
Unità
Q olio diatermico in ingresso ORC 11245 11246 kWt
T olio diatermico in-out 278/140 278/140 °CT acqua torre a secco al condensatore 26/47 26/47 °CPel netta 1597 1596 kWe
hel netto 14.2 14.2 %
Dimensionamento HXsSimulazione “Design”
Unità
UA scambiatore fumi/olio diatermico 160 kW/KUA economizzatore 64.64 kW/KUA evaporatore 71.74 kW/KUA split 35.55 kW/KUA rigeneratore 719.4 kW/KUA condensatore 576.4 kW/K
Caso 2: cementificio di Ait-Baha (Marocco)
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Simulazione come strumento diagnostico
Attuale funzionamento dell'impianto non ricostruibile mettendo in off-design il modello costruito sulle
condizioni di progetto
Scambiatore fumi /olio diatermico dimensionato per un valore di UA pari
a 85.75 kW/K (53.6% del valore ottenuto in condizioni di design)
Il calcolo di verifica eseguito da Italcementi ha indicato un valore di UA pari a 85.9 kW/K in accordo col
modello
Caso 2: cementificio di Ait-Baha (Marocco)
Dipartimento di Ingegneria e Scienze ApplicateProf. Antonio Perdichizzi
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Università degli Studi di Bergamo
Energy Systems & TurbomachineryResearch Group
Dip. di Ingegneria e Scienze Applicate