ITMI20082161A1 - Dispositivo e metodo per il controllo delle emissioni di un impianto per la produzione di energia elettrica - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“DISPOSITIVO E METODO PER IL CONTROLLO DELLE EMISSIONI DI UN IMPIANTO PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICAâ€
La presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo e ad un dispositivo per il controllo delle emissioni di un impianto per la produzione di energia elettrica. In particolare, la presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo e ad un dispositivo per il controllo delle emissioni di un impianto per la produzione di energia elettrica del tipo a turbina a gas.
Un tipo noto di impianto per la produzione di energia a turbina a gas comprende un compressore, una camera di combustione, una turbina a gas ed un dispositivo di iniezione di acqua all’ingresso del compressore. Tale dispositivo di iniezione umidifica l’aria in ingresso al compressore al fine di abbassare le temperature in camera di combustione e, di conseguenza, ridurre le emissioni inquinanti, principalmente determinate dalla presenza di ossidi di azoto (NOx) e ossidi di carbonio (CO).
Un dispositivo per il controllo delle emissioni di un impianto per la produzione di energia elettrica à ̈ descritto nel brevetto statunitense US 6,634,165. Tale brevetto descrive un dispositivo di controllo, il quale calcola una portata di acqua da iniettare all’ingresso del compressore sulla base delle misure di umidità e di temperatura di saturazione (dew point temperature) dell’aria ambientale in ingresso al compressore.
Tale dispositivo di controllo effettua, pertanto, un controllo delle emissioni attraverso una valutazione dei parametri a monte della camera di combustione. Tuttavia, questa tipologia di controllo non risulta essere particolarmente efficace, e determina un abbassamento non controllato dei livelli di emissione di inquinanti.
È uno scopo della presente invenzione quello di fornire un metodo ed un dispositivo per il controllo delle emissioni che sia privo degli inconvenienti qui evidenziati dell’arte nota; in particolare, à ̈ uno scopo del trovato quello di fornire un metodo ed un dispositivo per il controllo delle emissioni in grado di migliorare l’abbassamento dei livelli di emissione di inquinanti rispetto alle soluzioni dell’arte nota.
In accordo con tali scopi, la presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo e ad un dispositivo per il controllo delle emissioni di un impianto per la produzione di energia come rispettivamente rivendicato nelle rivendicazioni 1 e 9.
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 ̈ uno schema a blocchi di un impianto per la produzione di energia comprendente un dispositivo per il controllo delle emissioni secondo la presente invenzione; – la figura 2 à ̈ uno schema a blocchi del dispositivo per il controllo delle emissioni di figura 1;
– la figura 3 à ̈ uno schema a blocchi di un particolare del dispositivo per il controllo delle emissioni di figura 2.
L’impianto 1 comprende sostanzialmente un turbogruppo 3, un generatore 4, il quale trasforma la potenza meccanica fornita dal turbogruppo 3 in potenza elettrica attiva, un dispositivo di iniezione 5 di un fluido di arricchimento, un dispositivo 6 per il controllo delle emissioni, ed un modulo di rilevamento 7.
Il turbogruppo 3 comprende un compressore 9, una camera di combustione 10 ed una turbina 11 a gas.
In particolare, il compressore 9 à ̈ provvisto di un condotto di ingresso aria 13, il quale comprende un filtro 14, una camera di arricchimento 16 ed uno stadio di ingresso 17 a geometria variabile. Lo stadio di ingresso 17 comprende una schiera di palette orientabili (non illustrate per semplicità nelle figure allegate), dette comunemente IGV (Inlet Guide Vane), la cui inclinazione può essere modificata per regolare una portata d’aria aspirata dal compressore 9 stesso.
Il dispositivo di iniezione 5 comprende una pluralità di ugelli nebulizzatori 20, rappresentati in modo schematico in figura 1, ed un gruppo di alimentazione 21 per alimentare il fluido di arricchimento agli ugelli nebulizzatori 20.
Gli ugelli nebulizzatori 20 sono preferibilmente disposti sostanzialmente equispaziati gli uni dagli altri lungo una superficie interna della camera di arricchimento 16 e sono rivolti verso una zona centrale interna della camera di arricchimento 16 in modo tale che il fluido di arricchimento nebulizzato investa uniformemente la portata di aria proveniente dal filtro 14.
Il gruppo di alimentazione 21 comprende un serbatoio 22, contenente un fluido di arricchimento, una pompa 24 collegata al serbatoio 22 tramite un primo condotto di alimentazione 25, una valvola regolante 27 motorizzata, collegata alla pompa 24 tramite un secondo condotto di alimentazione 28, un condotto principale di distribuzione 29 ed una pluralità di condotti secondari di distribuzione 30, ciascuno dei quali à ̈ collegato ad un rispettivo ugello nebulizzatore 20.
Il fluido di arricchimento à ̈ un fluido avente una capacità termica specifica CTSnota. Qui e nel seguito, per capacità termica specifica CTSdi un fluido si intende il rapporto tra il calore fornito al fluido e il corrispondente aumento di temperatura del fluido per unità di massa.
In particolare, il fluido di arricchimento à ̈ un fluido avente capacità termica specifica CTSmaggiore della capacità termica specifica dell’aria, la quale, in condizioni standard, à ̈ pari a 1000 J/Kg°K. L’utilizzo di un fluido di arricchimento avente capacità termica specifica CTSmaggiore della capacità termica specifica dell’aria permette di incrementare in modo significativo la capacità termica specifica del fluido operativo in camera di combustione, migliorando la riduzione delle emissioni di ossidi inquinanti.
Nell’esempio non limitativo qui descritto ed illustrato il fluido di arricchimento impiegato à ̈ ammoniaca, avente una capacità termica specifica CTSdi circa 5000 J/Kg°K.
Resta inteso che si possano utilizzare altri fluidi, quali ad esempio acqua (CTS= 2000 J/Kg°K) o elio (CTS= 5200 J/Kg°K). Possono essere altresì utilizzate miscele di tali fluidi o miscele con liquidi in sospensione come la glicerina (CTS= 2430 J/Kg°K).
Il modulo di rilevamento 7 comprende una pluralità di sensori (non illustrati per semplicità nelle figure allegate) che rilevano una pluralità di parametri relativi all’impianto 1 da alimentare al dispositivo di controllo 6; in particolare, il modulo rilevamento 7 rileva i seguenti parametri:
- velocità di rotazione VCOMPRdel compressore 9;
- grado di apertura delle palette orientabili IGV%; - capacità termica CTERMallo scarico della turbina a gas 11; qui e nel seguito, per capacità termica di un fluido si intende il rapporto tra il calore fornito al fluido e il corrispondente aumento di temperatura del fluido.
Una variante non illustrata prevede che il modulo rilevamento rilevi anche la temperatura e la pressione dell’aria ambientale, e la temperatura e la pressione dell’aria a valle del punto di iniezione del fluido di arricchimento nella camera di arricchimento 16 del compressore 9.
In particolare, il modulo di rilevamento 7 comprende un calorimetro (non illustrato per semplicità nelle figure allegate) per il rilevamento della capacità termica CTERMallo scarico della turbina a gas 11. Resta inteso che un qualsiasi altro sensore o sistema in grado di rilevare o calcolare la capacità termica di un gas possa essere utilizzato per il rilevamento della capacità termica del gas allo scarico della turbina a gas 11.
Il calorimetro impiegato nell’esempio non limitativo qui descritto per il rilevamento della capacità termica CTERMdel gas allo scarico della turbina a gas 11 à ̈ un calorimetro di Regnault.
Con riferimento alla figura 2, il dispositivo 6 per il controllo delle emissioni comprende un primo modulo di calcolo 32, fornente la portata di aria in ingresso QAIR, un secondo modulo di calcolo 33, fornente la portata di fluido di arricchimento QENR1, un terzo modulo di calcolo 35, fornente la portata massima ammissibile QENRMAXdi fluido di arricchimento, un modulo limitatore 36, un modulo di comando valvola 38 ed un modulo di comando pompa 39. Il secondo modulo di calcolo 33, il terzo modulo di calcolo 35 ed il modulo limitatore 36 definiscono i mezzi di elaborazione per determinare la portata di fluido di arricchimento QENRda sommare alla portata di aria in ingresso QAIRper diminuire le emissioni inquinanti, principalmente di NOx.
Il primo modulo di calcolo 32 à ̈ configurato per calcolare la portata di aria QAIRcomburente, cioà ̈ la portata di aria in ingresso al compressore 9. In particolare, il primo modulo di calcolo 32 calcola la portata di aria in ingresso QAIRsulla base del grado di apertura delle palette orientabili (IGV%) dello stadio di ingresso 17, sulla base della velocità di rotazione VCOMPRdel compressore 9 e sulla base della curva caratteristica CCCOMPRdel compressore 9.
Il terzo modulo di calcolo 35 Ã ̈ configurato per calcolare la portata massima ammissibile QENRMAXdi fluido di arricchimento.
Nell’esempio non limitativo qui descritto ed illustrato, il terzo modulo di calcolo 35 à ̈ configurato per calcolare la portata di ammoniaca massima ammissibile QENRMAXsulla base del limite di esplosione dell’ammoniaca, pari a circa 15% vol, e sulla base del volume VCdella camera di arricchimento 16. La portata di ammoniaca massima ammissibile QENRMAXà ̈ calcolata, infatti, sulla base del volume massimo di ammoniaca iniettabile nella camera di arricchimento 16, pari al 15% del volume VCdella camera di arricchimento 16.
Una variante non illustrata della presente invenzione prevede che, nel caso di utilizzo di un fluido di arricchimento di diverso tipo, ad esempio acqua, il terzo modulo di calcolo 35 calcoli la portata massima ammissibile QENRMAXdi fluido di arricchimento sulla base della curva di saturazione dell’aria ambientale e sulla base dei valori di temperatura e pressione dell’aria a valle del punto di iniezione del fluido di arricchimento nella camera di arricchimento 16 del compressore 9. Il fluido di arricchimento non deve, infatti, determinare la saturazione dell’aria in ingresso, in quanto la saturazione determina la formazione di gocce di condensa nell’aria in ingresso al compressore 9, le quali impattano sulle pale del compressore 9 ad altissima velocità erodendole.
Il secondo modulo di calcolo 33 à ̈ configurato per calcolare la portata di fluido di arricchimento QENR1sulla base della portata di aria in ingresso QAIR, e sulla base della differenza ECTERMtra la capacità termica CTERMallo scarico della turbina a gas 11 ed un valore di riferimento di capacità termica CTERM_SETPOINT.
Con riferimento alla figura 3, il secondo modulo di calcolo 33 comprende un nodo sottrattore 44 e un controllore PI 45 (Proporzionale Integrale).
Il nodo sottrattore 44 determina la differenza ECTERMtra la capacità termica CTERMallo scarico della turbina a gas 11 ed un valore di riferimento di capacità termica CTERM_SETPOINT. La differenza ECTERMviene alimentata al controllore PI 45, che calcola una portata di fluido di arricchimento unitaria QEU, ossia la portata di fluido di arricchimento necessaria per unità di portata di aria in ingresso QAIR. Mediante un nodo moltiplicatore 46, la portata di fluido di arricchimento unitaria QEUviene moltiplicata per la portata di aria in ingresso QAIRal compressore 9, per ottenere la portata di fluido di arricchimento QENR1.
Una variante non illustrata prevede che il secondo modulo di calcolo 33 comprenda un controllore PID (Proporzionale Integrale Derivativo) al posto del controllore PI 45.
Con riferimento alla figura 2, il modulo limitatore 36 Ã ̈ configurato per limitare il valore della portata di fluido di arricchimento QENR1al di sotto della portata massima ammissibile QENRMAXdi fluido di arricchimento fornendo in uscita una portata di fluido di arricchimento QENRlimitata.
Il modulo di comando valvola 38 fornisce alla valvola 27 regolante un segnale di comando SVcalcolato sulla base della portata di fluido di arricchimento QENRlimitata, mentre il modulo di comando della pompa 39 Ã ̈ configurato per fornire alla pompa 24 un segnale di comando SPdeterminato sulla base della portata di fluido di arricchimento QENRlimitata e sulla base di una curva caratteristica CCPdella pompa 24 utilizzata.
Vantaggiosamente, il dispositivo 6 per il controllo delle emissioni appena descritto à ̈ in grado di determinare in modo semplice ed efficace la portata di fluido di arricchimento QENRda sommare alla portata di aria in ingresso QAIRbasandosi su rilevazioni effettuate sui prodotti della combustione. Tale metodologia consente un accurato monitoraggio dell’efficienza della combustione ed una rapida e stabile risposta alle variazioni della qualità della combustione.
Risulta infine evidente che al dispositivo e al metodo qui descritti possono essere apportate modifiche e varianti senza uscire dall’ambito delle rivendicazioni allegate.
Claims (9)
- R I V E N D I C A Z I O N I 1. Metodo per il controllo delle emissioni di un impianto (1) per la produzione di energia elettrica provvisto di una turbina (11) a gas comprendente le fasi di: - determinare una portata di aria in ingresso (QAIR); - determinare una portata di fluido di arricchimento (QENR) da sommare alla portata di aria in ingresso (QAIR) per diminuire le emissioni inquinanti; e - sommare alla portata di aria in ingresso (QAIR) la portata di fluido di arricchimento (QENR) calcolata; il metodo essendo caratterizzato dal fatto che la fase di determinare la portata di fluido di arricchimento (QENR) comprende: - rilevare un parametro indicativo della capacità termica (CTERM) del gas allo scarico della turbina (11) a gas; - calcolare la portata di fluido di arricchimento (QENR), sulla base della portata di aria in ingresso (QAIR) e di una differenza (ECTERM) tra il parametro indicativo della capacità termica (CTERM) rilevato ed un valore di riferimento (CTERM_SETPOINT).
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui l’impianto (1) comprende un compressore (9), avente uno stadio di ingresso (17) provvisto di una schiera di palette orientabili, e in cui la fase di determinare una portata di aria in ingresso (QAIR) comprende le fasi di: - rilevare una velocità di rotazione (VCOMPR) del compressore (9); - rilevare un grado di apertura delle palette orientabili (IGV%); - selezionare una curva caratteristica (CCCOMPR) del compressore (9); - determinare la portata di aria in ingresso (QAIR) sulla base della velocità di rotazione (VCOMPR), del grado di apertura delle palette orientabili (IGV%) e della curva caratteristica (CCCOMPR) del compressore (9).
- 3. Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui la fase di determinare la portata di fluido di arricchimento (QENR) da sommare comprende: - calcolare una portata massima ammissibile (QENRMAX) di fluido di arricchimento; - limitare la portata di fluido di arricchimento (QENR) alla portata massima ammissibile (QENRMAX) di fluido di arricchimento.
- 4. Metodo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto di calcolare la portata massima ammissibile (QENRMAX) di fluido di arricchimento sulla base di un limite di esplosione del fluido di arricchimento.
- 5. Metodo secondo la rivendicazione 3, comprendente la fase di calcolare la portata massima ammissibile (QENRMAX) di fluido di arricchimento sulla base di una curva di saturazione dell’aria ambientale e sulla base di misure di temperatura e pressione dell’aria rilevate a valle di un punto di iniezione, in cui la portata di fluido di arricchimento (QENR) viene sommata alla portata di aria in ingresso (QAIR).
- 6. Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui la fase di calcolare una portata di fluido di arricchimento (QENR) da sommare alla portata di aria in ingresso (QAIR) per diminuire le emissioni inquinanti comprende effettuare un controllo proporzionale integrale derivativo basato sulla differenza (ECTERM) tra il parametro indicativo della capacità termica rilevato (CTERM) rilevato ed il valore di riferimento (CTERM_SETPOINT).
- 7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui la fase di calcolare una portata di fluido di arricchimento (QENR) da sommare alla portata di aria in ingresso (QAIR) per diminuire le emissioni inquinanti comprende effettuare un controllo proporzionale integrale basato sulla differenza (ECTERM) tra il parametro indicativo della capacità termica rilevato (CTERM) ed il valore di riferimento (CTERM_SETPOINT).
- 8. Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il fluido di arricchimento ha una capacità termica specifica (CTS) maggiore della capacità termica specifica dell’aria.
- 9. Dispositivo per il controllo delle emissioni di un impianto (1) per la produzione di energia elettrica provvisto di una turbina a gas (11) comprendente: primi mezzi di calcolo (32) per determinare una portata di aria in ingresso (QAIR); mezzi di elaborazione (33, 35, 36) per determinare una portata di fluido di arricchimento (QENR) da sommare alla portata di aria in ingresso (QAIR) per diminuire le emissioni inquinanti; il dispositivo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere: mezzi di rilevamento (7) per rilevare un parametro indicativo della capacità termica (CTERM) del gas allo scarico di una turbina (11) dell’impianto (1); e dal fatto che i mezzi di elaborazione (33, 35, 36) comprendono secondi mezzi di calcolo (33) per calcolare la portata di fluido di arricchimento (QENR), sulla base della portata di aria in ingresso (QAIR) e di una differenza (ECTERM) tra il parametro indicativo della capacità termica (CTERM) rilevato.
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2009
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