ITMI20081514A1 - Metodo per determinare la collocazione di bruciatori in una camera di combustione anulare di una turbina a gas - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“METODO PER DETERMINARE LA COLLOCAZIONE DI BRUCIATORI IN UNA CAMERA DI COMBUSTIONE ANULARE DI UNA TURBINA A GAS â€

La presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo per determinare la collocazione di bruciatori in una camera di combustione anulare di una turbina a gas.

Le sempre più crescenti esigenze di ridurre l’impatto ambientale determinato dalle centrali di potenza hanno indirizzato il settore della combustione in turbine a gas di grande potenza verso l’utilizzo di camere di combustione strutturate secondo la cosiddetta tecnologia “lean premix†. Tale tecnologia prevede sostanzialmente di avere una camera di combustione anulare comprendente una pluralità di assiemi bruciatore equispaziati, ciascuno dei quali comprende un bruciatore premix, detto anche bruciatore primario, ed un bruciatore pilota, detto anche bruciatore secondario. Il bruciatore premix à ̈ alimentato con una miscela aria–combustibile, con forte eccesso d’aria, al fine di generare una fiamma tale da garantire un campo di temperatura uniforme ed evitare possibili picchi di temperatura che possano portare ad elevate emissioni di NOxallo scarico.

Il bruciatore pilota à ̈ invece alimentato con combustibile e provvede a stabilizzare la fiamma generata dal bruciatore premix.

Questa tipologia di camere di combustione à ̈ affetta tuttavia da fenomeni di instabilità termoacustica, comunemente indicati con il termine “humming†, i quali sono determinati dalla fluttuazione dei parametri dei fluidi presenti in camera di combustione. Questi fenomeni di instabilità termoacustica costituiscono a lungo andare un pericolo per la struttura della camera di combustione stessa.

Sono note delle camere di combustione aventi un sistema di iniezione differenziato per ciascun bruciatore premix e/o pilota per ridurre i fenomeni di instabilità termoacustica. Sono note anche camere di combustione aventi dei deviatori di flusso atti a deviare il flusso in uscita dal bruciatore premix in modo tale da ridurre i fenomeni di instabilità termoacustica.

Queste camere di combustione tuttavia, non riescono a soddisfare le sempre più crescenti esigenze di minimizzazione dei fenomeni di instabilità termoacustica.

È uno scopo della presente invenzione quello di fornire un metodo per determinare la collocazione di bruciatori di una camera di combustione anulare di una turbina a gas che sia in grado di risolvere gli inconvenienti qui evidenziati dell’arte nota; in particolare, à ̈ uno scopo del trovato quello di fornire un metodo per determinare la collocazione dei bruciatori di una camera di combustione anulare di una turbina a gas in grado di minimizzare i fenomeni di instabilità termoacustica.

In accordo con tali scopi, la presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo per determinare la collocazione di bruciatori in una camera di combustione anulare di una turbina a gas comprendente le fasi di:

rilevare portate di una pluralità di bruciatori; calcolare una media delle portate rilevate; calcolare uno scostamento di ciascuna portata rilevata rispetto alla media delle portate;

associare almeno una di una pluralità di sedi della camera di combustione anulare disposte lungo un percorso circolare ad almeno un bruciatore sulla base degli scostamenti calcolati.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue di un suo esempio non limitativo di attuazione, con riferimento alle figure dei disegni annessi, in cui:

– la figura 1 à ̈ una vista schematica, con parti in sezione e parti asportate per chiarezza, di una camera di combustione anulare priva di bruciatori;

– la figura 2 à ̈ una vista in sezione, con parti asportate per chiarezza, di un assieme bruciatore;

– la figura 3 à ̈ un diagramma che illustra schematicamente le portate dei bruciatori premix in funzione della posizione dei bruciatori premix all’interno della camera di combustione;

– la figura 4 à ̈ una vista schematica, con parti asportate per chiarezza, di una camera di combustione anulare provvista di bruciatori;

– la figura 5 à ̈ un diagramma che illustra schematicamente le portate dei bruciatori pilota in funzione della posizione dei bruciatori pilota all’interno della camera di combustione.

In figura 1 à ̈ indicata con il numero di riferimento 1 una camera di combustione anulare per una turbina a gas (non illustrata per semplicità nelle figure allegate).

La camera di combustione 1 si estende lungo un asse longitudinale A e comprende una pluralità di sedi 2 ciascuna delle quali à ̈ atta ad essere impegnata da un assieme bruciatore 3 (figura 2). Le sedi 2 sono disposte lungo un percorso circolare in prossimità di un bordo periferico 5 della camera di combustione 1. Nell’esempio non limitativo qui descritto ed illustrato le sedi 2 e gli assiemi bruciatore 3 sono ventiquattro.

Con riferimento alla figura 2, ciascun assieme bruciatore 3 si estende lungo un asse B e comprende un bruciatore pilota 6 disposto lungo l’asse B ed alimentato con combustibile ed un bruciatore premix 7 disposto sostanzialmente attorno al bruciatore pilota 6 ed alimentato con una miscela aria-combustibile.

Il bruciatore premix 7 può essere del tipo provvisto di un elemento cilindrico di uscita 9, comunemente denominato Cylindrical Burner Outlet (e qui di seguito indicato come elemento CBO) oppure del tipo privo di detto elemento CBO 9. L’elemento CBO 9 à ̈ sostanzialmente un prolungamento del canale di uscita del bruciatore premix 7 ed à ̈ atto a stabilizzare la fiamma generata dal bruciatore premix 7.

Nell’esempio non limitativo qui descritto, quattro dei ventiquattro bruciatori premix 7 sono privi dell’elemento CBO 9, mentre i restanti bruciatori premix sono del tipo provvisto dell’elemento CBO 9.

La collocazione dei bruciatori premix 7 e dei bruciatori pilota 6 nelle sedi 2 della camera di combustione 1 Ã ̈ effettuata in accordo con il metodo secondo la presente invenzione.

Il metodo prevede di determinare la collocazione dei bruciatori premix 7 e successivamente determinare la collocazione dei bruciatori pilota 6 nella camera di combustione 1.

Per la determinazione della collocazione dei bruciatori premix 7, il metodo secondo la presente invenzione prevede di:

- rilevare le portate QPXidi tutti i bruciatori premix 7 mediante prove sperimentali che descriveremo in dettaglio più avanti;

- calcolare una media QPXMdelle portate QPXirilevate (vedi linea tratto punto del diagramma di figura 3) escludendo dal calcolo della media le portate QPXidei bruciatori premix 7 privi dell’elemento CBO 9 ;

- calcolare uno scostamento ∆QPXidi ciascuna portata QPXirilevata rispetto alla media QPXM;

- sostituire i bruciatori premix 7 aventi uno scostamento ∆QPXimaggiore di un determinato valore di soglia SPX, preferibilmente pari al 5%, con nuovi bruciatori premix aventi uno scostamento ∆QPXiinferiore a detto valore di soglia SPX;

- associare una sede 2 della camera di combustione 1 a ciascun bruciatore premix 7 sulla base del rispettivo scostamenti ∆QPXicalcolato.

Con riferimento alle figure 3 e 4, la fase di associare una sede 2 della camera di combustione 1 a ciascun bruciatore premix 7 comprende le fasi di:

- associare un primo numero di primi bruciatori premix 7a (figura 4) aventi scostamento ∆QPXi(andamento linea tratto continuo del diagramma di figura 3) inferiore agli scostamenti dei restanti bruciatori premix 7b (figura 4) a rispettive prime sedi 2a (figura 4) della camera di combustione 1 consecutive lungo il percorso circolare (indicate nel diagramma di figura 3 con le posizioni 1-6); i primi bruciatori premix 7a (figura 4) sono del tipo provvisto dell’elemento CBO 9. Nell’esempio non limitativo qui descritto ed illustrato il primo numero di primi bruciatori premix 7a à ̈ sei.

- associare i restanti bruciatori premix 7b (figura 4) alle restanti sedi 2b (figura 4) della camera di combustione 1 (indicate nel diagramma di figura 3 con le posizioni 7-24), alternando restanti bruciatori premix 7b con scostamento ∆QPXipositivo e restanti bruciatori premix 7b con scostamento ∆QPXinegativo lungo il percorso circolare (andamento linea tratto continuo del diagramma di figura 3). In particolare, il metodo prevede di associare i bruciatori premix 7b del tipo provvisto dell’elemento CBO 9 alle restanti sedi 2b successive alle prime sedi 2a e consecutive lungo il percorso circolare (indicate nel diagramma di figura 3 con le posizioni da 7-20) ed infine associare i bruciatori premix 7b del tipo privo dell’elemento CBO 9 alle restanti sedi 2b consecutive lungo il percorso circolare (indicate nel diagramma di figura 3 con le posizioni da 20-24).

Per la determinazione della collocazione dei bruciatori pilota 6, il metodo secondo la presente invenzione prevede di:

- rilevare le portate QPidi tutti i bruciatori pilota 6 mediante prove sperimentali che descriveremo in dettaglio più avanti;

- calcolare una media QPMdelle portate QPirilevate (vedi linea tratto punto del diagramma di figura 5);

- calcolare uno scostamento ∆QPidi ciascuna portata QPirilevata rispetto alla media QPM; - sostituire i bruciatori pilota 6 aventi uno scostamento ∆QPimaggiore di un determinato valore di soglia SP, preferibilmente pari al 3%, con nuovi bruciatori pilota aventi uno scostamento ∆QPiinferiore a detto valore di soglia SP;

- associare una sede 2 della camera di combustione 1 a ciascun bruciatore pilota 6 sulla base del rispettivo scostamento ∆QPicalcolato.

In particolare, la fase di associare una sede 2 della camera di combustione 1 a ciascun bruciatore pilota 6 comprende le fasi di:

- associare un primo numero di primi bruciatori pilota 6a (figura 4) aventi scostamento ∆QPi(andamento linea tratto continuo del diagramma di figura 5) inferiore agli scostamenti dei restanti bruciatori pilota 6b alle sedi 2a della camera di combustione 1 consecutive lungo il percorso circolare (indicate nel diagramma di figura 5 con le posizioni 1-6). Nell’esempio non limitativo qui descritto ed illustrato il primo numero di primi bruciatori pilota 6a à ̈ sei.

- associare i restanti bruciatori pilota 6b (figura 4) alle restanti sedi 2b della camera di combustione 1 (indicate nel diagramma di figura 5 con le posizioni 7-24), alternando restanti bruciatori pilota 6b con scostamento ∆QPipositivo e restanti bruciatori pilota 6b con scostamento ∆QPinegativo lungo il percorso circolare (andamento linea tratto continuo del diagramma di figura 5) in modo tale che una stessa sede 2b alloggi un bruciatore premix 7b ed un bruciatore pilota 6b aventi scostamenti ∆QPi, ∆QPXidello stesso segno (andamenti linea tratto continuo dei diagrammi delle figure 3 e 5). In particolare, nell’associare i restanti bruciatori pilota 6b alle restanti sedi 2b si cerca sostanzialmente di seguire il più possibile lo stesso andamento delle portate QPXidei restanti bruciatori premix 7b.

Come già specificato sopra, le portate QPidi tutti i bruciatori pilota 6 e le portate QPXidi tutti i bruciatori premix 7 sono rilevate sperimentalmente. In particolare, ciascun bruciatore pilota 6 e ciascun bruciatore premix 7 viene collegato ad un dispositivo (non illustrato) comprendente un circuito di alimentazione aria, in cui fluisce aria messa in pressione, collegato all’ingresso della linea gas del bruciatore in prova tramite una apposita tubazione, ed un calcolatore. La portata viene acquisita in continuo attraverso un flussimetro posto in una sezione del circuito di alimentazione aria sostanzialmente all’ingresso del bruciatore in prova. Se il valore della portata acquisita rimane costante per 30 secondi circa il valore della portata viene memorizzato dal calcolatore. Il valore di portata à ̈ calcolato in modo tale da rendere le prove indipendenti da variazioni di pressione e/o di temperatura. Per rendere la misura indipendente dalle variazioni di pressione ambiente, il circuito di alimentazione à ̈ alimentato con aria ad una pressione di alimentazione p tale che il rapporto tra la pressione di alimentazione p e la pressione atmosferica paespresse in mbar, sia pari a:

- p/pa= 1,150 ± 0,001 per i bruciatore premix 7;

- p/pa= 2,000 ± 0,001 per i bruciatori pilota 6;

dove i valori di pressione di alimentazione p e pasono rilevati nei dintorni della zona di rilevamento della portata.

Per rendere il valore di portata rilevato indipendente dal valore di temperatura ambiente, la portata rilevata à ̈ opportunamente normalizzata rispetto al valore di temperatura ambiente (misurato in gradi Kelvin) e pertanto à ̈ misurata in m<3>/s·K<1/2>.

Il metodo secondo la presente invenzione presenta i seguenti vantaggi.

Innanzitutto, l’applicazione del metodo secondo la presente invenzione determina una diminuzione delle instabilità termoacustiche della camera di combustione 1.

Il metodo secondo la presente invenzione, infatti, determina sia per i bruciatori premix 7 che per i bruciatori pilota 6 la migliore configurazione atta a generare un campo di temperatura che limita la propagazione delle onde termoacustiche generate dal fenomeno di humming precedentemente descritto. Inoltre, l’uniformità di andamento tra le portate QPXidei bruciatori premix e le portate QPidei bruciatori pilota permette di limitare al massimo le emissioni NOx prodotte allo scarico.

Inoltre, il metodo secondo la presente invenzione si basa esclusivamente sulla misura delle portate effettive QPXie QPi, cioà ̈ influenzate dalle tolleranze di lavorazione, dei bruciatori premix 7 e pilota 6 evitando di intervenire con modifiche meccaniche sui bruciatori premix 7 e/o pilota 6 e senza intervenire sul dispositivo di controllo della camera di combustione 1.

Un ulteriore vantaggio à ̈ dato dalla possibilità di utilizzare bruciatori premix 7 e bruciatori pilota 6 aventi uno scostamento ∆QPXi, ∆QPisostanzialmente ampio (fino al 5%), che altrimenti dovrebbero essere scartati in quanto non conformi alle specifiche normalmente considerate nella tecnica nota.

Risulta infine evidente che al metodo qui descritto possono essere apportate modifiche e varianti senza uscire dall’ambito delle rivendicazioni allegate.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per determinare la collocazione di bruciatori (6, 7) in una camera di combustione (1) anulare di una turbina a gas comprendente le fasi di: rilevare portate (QPi, QPXi) di una pluralità di bruciatori (6, 7); calcolare una media (QPM, QPXM) delle portate rilevate (QPi, QPXi); calcolare uno scostamento (ΔQPi, ΔQPXi) di ciascuna portata (QPi, QPXi) rilevata rispetto alla media delle portate(QPM, QPXM); associare almeno una di una pluralità di sedi (2) della camera di combustione (1) anulare, le quali sono disposte lungo un percorso circolare, ad almeno un bruciatore (6, 7) sulla base degli scostamenti (ΔQPi, ΔQPXi) calcolati.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la fase di associare comprende la fasi di: associare un primo numero di primi bruciatori (6a, 7a) aventi scostamento (ΔQPi, ΔQPXi) inferiore agli scostamenti dei restanti bruciatori (6b, 7b) a rispettive prime sedi (2a) della camera di combustione (1) consecutive lungo il percorso circolare; associare i restanti bruciatori (6b, 7b) alle restanti sedi (2b) della camera di combustione (1).
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la fase di associare i restanti bruciatori (6b, 7b) comprende la fase di alternare lungo il percorso circolare restanti bruciatori (6b, 7b) con scostamento (ΔQPi, ΔQPXi) positivo e restanti bruciatori (6b, 7b) con scostamento (ΔQPi, ΔQPXi) negativo.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che i bruciatori (6, 7) comprendono bruciatori pilota (6).
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 3 o 4, caratterizzato dal fatto che i bruciatori (6, 7) comprendono bruciatori premix (7).
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che i bruciatori (6, 7) comprendono bruciatori pilota (6) e bruciatori premix (7); la fase di associare i restanti bruciatori (6b, 7b) comprendendo la fase di assegnare ad una stessa sede delle restanti sedi (2b) rispettivamente un bruciatore pilota (6b) ed un bruciatore premix (7b) dei restanti bruciatori (6b, 7b) aventi scostamenti (ΔQPi, ΔQPXi) dello stesso segno.
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che i primi bruciatori (7a) sono bruciatori premix provvisti di un elemento CBO (9).
8. 8. Metodo secondo la rivendicazione 6 o 7, caratterizzato dal fatto che i restanti bruciatori (6b, 7b) comprendono un primo gruppo di bruciatori premix (7b) provvisti di un elemento CBO (9) ed un secondo gruppo di bruciatori premix (7b) privi di detto elemento CBO (9).
9. 9. Metodo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la fase di associare i restanti bruciatori (6b, 7b) comprende le fasi di: associare il primo gruppo di bruciatori premix (7b) a rispettive seconde sedi delle restanti sedi (2b) consecutive lungo il percorso circolare e successive alle prime sedi (2a); associare il secondo gruppo di bruciatori premix (7b) a rispettive terze sedi delle restanti sedi (2b) consecutive lungo il percorso circolare e successive alle seconde sedi.
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 8 o 9, caratterizzato dal fatto che la fase di calcolare una media (QPXM) delle portate (QPXi) rilevate comprende calcolare una media delle portate rilevate dei bruciatori premix (7) provvisti dell’elemento CBO (9).
11. 11. Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di sostituire bruciatori (6,7) aventi uno scostamento (ΔQPi, ΔQPXi) maggiore di un determinato valore di soglia (SP, SPX) con nuovi bruciatori aventi uno scostamento inferiore a detto valore di soglia (SP, SPX).