Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

Corso di SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello dell’8 febbraio 2023 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, utilizzare computer o telefoni cellulari 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 (16 punti) Un ciclo IGCC a carbone con cattura pre-combustione della CO 2 è basato su un gassificatore a letto trascinato a ossigeno con alimentazione a secco e lock-hoppers ad azoto. Le specifiche di progetto dell'impianto sono le seguenti: • Potenza netta impianto, MW: 430 • Rendimento netto impianto, %: 41 • PCI del carbone alimentato, MJ/kg: 25.2 • Frazione massica di carbonio, % 66.5 • Composizione molare del syngas uscente dal reattore WGS di alta temperatura: Ar: 0.4%, CH 4: 0.3%, CO: 5.3%, CO 2: 24.0%, H 2: 35.4%, H 2O: 30.2%, H 2S: 0.2%, N 2: 4.2% • Massa molare syngas uscente dal reattore WGS-AT, kg/kmol: 19.640 • PCI syngas uscente dal reattore WGS-AT, MJ/kg: 5.258 • La composizione del syngas all'uscita del reattore WGS di bassa temperatura è in equilibrio rispetto alla reazione WGS. L'equilibrio è esprimibile dalla relazione: ( ) 807.1 T 1961 p p p p log K log O2H CO 2H 2 CO 10 p 10 − =      ⋅ ⋅ = = dove T � espressa in K.= • Si ipotizzi che l'unità AGR (Acid Gas Removal) basata sul solvente Selexol rimuova completa- mente H 2S e H 2O mentre l'assorbimento di Ar, CH 4, CO, H 2 e N 2 può ritenersi trascurabile • Efficienza di rimozione della CO 2 dell'unità AGR Selexol: 94% • Emissione specifica della centrale, kg CO2 /MWh EL: 80 È richiesto di calcolare: 1) L’efficienza di cattura della CO 2 della centrale 2) La temperatura di uscita del reattore WGS di bassa temperatura allo scopo di raggiungere l’emis- sione specifica di CO 2 della centrale assegnata 3) La cold gas efficiency del processo (flusso di PCI all'uscita dell’unità AGR rispetto all'input di carbone) Dati per la risoluzione del problema: Massa molare, kg/kmol C = 12 CO 2 = 44 H 2O = 18 H 2S = 34.08 PCI H 2S, MJ/kg = 15.20 Calore di reazione WGS a 25°C, MJ/kmol = −41.22 Quesito 2 (12 punti) Si consideri una turbina a gas bialbero avente compressore e turbina di alta pressione equilibrati sull'albero veloce e turbina di potenza collegata all'alternatore come riportato nella figura sottostante. Noto che in condizioni ISO (p AMB =1013 mbar, T AMB =15°C, assenza di perdite di carico in aspirazione e scarico) i parametri operativi della macchina sono i seguenti: • pressione all'ingresso della turbina BP (punto 4) pari a 5.0 bar • potenza elettrica all'alternatore pari a 30 MW • rendimento elettrico pari al 41%. Si chiede di valutare la potenza e rendimento elettrici della macchina alle condizioni ambientali ISO ma in presenza di: • Perdita di carico in aspirazione: 1000 Pa • Perdita di carico allo scarico: 3000 Pa ipotizzando siano valide le seguenti ipotesi semplificative:  il rapporto γ = c P/cV dei gas combusti può ritenersi costante con la temperatura e pari a 1.35  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 ~ ∆P ∆P 0 1 2 3 4 5 6 c