Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello del 25 febbraio 2016 Tempo a disposizione: 1 ora e 30 min Avvertenze per lo svolgimento del tema d’esame: 1) Indicare chiaramente nome e cognome su tutti i fogli che si intendono consegnare. 2) Rispondere brevemente ma con chiarezza solamente ai quesiti posti. Calcoli e spiegazioni - pur corretti in sé - che non rispondono ai quesiti posti non saranno considerati ai fini della valutazione. 3) Il punteggio dei singoli esercizi si riferisce ad esercizi svolti in modo completo con risultati numerici esatti. Risultati numerici corretti ma non accompagnati dalle relative spiegazioni non saranno presi in considerazione. 4) Parlare con i colleghi e/o copiare prevede l’immediato annullamento del compito. 5) La votazione dell'esame è la somma dei voti riportati nei singoli esercizi e di un bonus (punti 4) assegnato in considerazione del grado di completamento di almeno uno degli esercizi, della com- prensibilità della calligrafia, dell'ordine del testo della risoluzione, del livello delle spiegazioni a cor- redo. Il punteggio finale verrà normalizzato in base ai risultati medi. 6) Il punteggio minimo per l'ammissione all'orale è 16/30. Una votazione da 9 a 15 comporta l'esito "rimandato". Una votazione minore o uguale a 8 comporta l'esito "riprovato". La valutazione "ri- provato" impedisce allo studente di iscriversi ai successivi appelli della stessa sessione. Quesito 1 (6 punti) Una turbina a gas bialbero ha disposizione come riportato nella figura sottostante. Noto che nelle condizioni ambiente all'aspirazione ISO (p=1.013 bar, T=15°C) i parametri operativi della macchina sono i seguenti:  pressione all'ingresso della turbina AP (punto 3) pari a 21 bar;  pressione all'ingresso della turbina BP (punto 4) pari a 5.3 bar;  pressione allo scarico della turbina BP (punto 5) pari alla pressione ambiente  potenza elettrica all'alternatore pari a 25 MW. Noto che alle condizioni ambientali p=1.013 bar, T=30°C:  la pressione all'ingresso della turbina AP (punto 3) risulta pari a 19 bar Si chiede di valutare la potenza elettrica della macchina ipotizzando siano valide le seguenti ipotesi semplificative:  il rapporto =c P/cV dei gas combusti può ritenersi costante al variare della temperatura e pari a 1.33  il rapporto aria / combustibile rimanga invariato rispetto al caso ISO  la TIT rimanga invariata rispetto al caso ISO  i rendimenti isoentropici delle turbomacchine rimangono invariati rispetto al caso ISO  i rendimenti meccanico ed elettrico della turbina BP rimangono invariati rispetto al caso ISO  i flussi di raffreddamento della macchina sono trascurati ~ 123 4 5 c aria Quesito 2 (22 punti) Un ciclo IGCC con cattura pre-combustione della CO 2 è basato su un gassificatore con alimenta- zione a secco e lock-hoppers pressurizzati a CO 2 (questo significa che la portata di C nel carbo- ne non corrisponde a quella nel syngas). Le specifiche di progetto dell'impianto sono le seguenti:  Potenza netta impianto, MW: 380  Rendimento netto impianto, %: 38  PCI del carbone alimentato, MJ/kg: 25  Frazione massica di carbonio, % 62  La composizione del syngas all'uscita del reattore WGS di bassa temperatura è in equilibrio ri- spetto alla reazione WGS. L'equilibrio è esprimibile dalla relazione:  807 . 1 T 1961 p pp p log K log O 2 H CO2 H 2 CO 10 p 10             dove T è espressa in K.  Composizione molare syngas uscente dal reattore WGS di bassa temperatura: Ar: 0.4%, CH 4: 0.3%, CO: 0.8%, CO 2: 30.1%, H 2: 40.7%, H 2O: 26.0%, H 2S: 0.5%, N 2: 1.2%  Si ipotizzi che l'impianto Selexol rimuova completamente H 2S e H 2O mentre l'assorbimento di Ar, CH 4, CO, H 2 e N 2 può ritenersi trascurabile  Portata massica di syngas all'uscita dell'impianto Selexol, kg/s: 17.1  Composizione molare syngas all'uscita dell'unità Selexol: Ar: 0.89%, CH 4: 0.67%, CO: 1.78%, CO 2: 3.63%, H 2: 90.37%, N 2: 2.66%  Massa molare syngas all'uscita dell'unità Selexol, kg/kmol: 5.111  PCI syngas all'uscita dell'unità Selexol, MJ/kg : 44.46  Per limitare la formazione di NO X, il syngas viene diluito dapprima inviandolo a un saturatore da cui esce saturo di acqua alle seguenti condizioni: pressione = 40 bar, temperatura = 170 °C. Successivamente il syngas saturo viene miscelato con N 2 in modo da ridurre il PCI della misce- la finale a 7 MJ/kg. È richiesto di calcolare 1) La temperatura di uscita dell'ultimo reattore WGS 2) La cold gas efficiency del processo (flusso all'uscita del Selexol rispetto all'input di carbone) 3) L'efficienza di rimozione della CO 2 dell'impianto Selexol 4) L'efficienza di cattura della CO 2 della centrale 5) L'emissione specifica di CO 2 (espressa in kg CO2 /MWh EL) della centrale 6) La portata di N 2 miscelato al syngas Condizioni dell'H 2O alla saturazione liquido vapore T, °C p, bar h, kJ/kg s, kJ/kg-K v, m 3/kg h, kJ/kg s, kJ/kg-K v, m 3/kg 170.0 7.920 719.1 2.042 0.001114 2767.1 6.663 0.2426 Dati per la risoluzione del problema: Massa molare, kg/kmol C = 12 CO 2 = 44 H 2O = 18