ITMI20090153A1

ITMI20090153A1 - Dispositivo e metodo per regolare l'alimentazione di gas ad una camera di combustione e impianto a turbina a gas comprendente tale dispositivo

Info

Publication number: ITMI20090153A1
Application number: IT000153A
Authority: IT
Inventors: Andrea Giuseppe Dodi; Flavio Ferrera; Davide Montanella; Paolo Pesce
Original assignee: Ansaldo Energia Spa
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2010-08-07

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“DISPOSITIVO E METODO PER REGOLARE L'ALIMENTAZIONE DI GAS AD UNA CAMERA DI COMBUSTIONE E IMPIANTO A TURBINA A GAS COMPRENDENTE TALE DISPOSITIVO”

La presente invenzione è relativa ad un metodo e ad un dispositivo per regolare l’alimentazione di gas ad una camera di combustione e ad un impianto a turbina a gas comprendente detto dispositivo.

Le sempre più crescenti esigenze di ridurre l’impatto ambientale determinato dagli impianti a turbina a gas hanno indirizzato il settore della combustione 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 è 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 NOx allo scarico.

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

Questa tipologia di camere di combustione è 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 noti dei dispositivi per regolare l’alimentazione di gas alla camera di combustione, i quali determinano le portate di gas per ciascun bruciatore premix e/o pilota in modo da ridurre i fenomeni di instabilità termoacustica.

I dispositivi di questo tipo si rivelano, tuttavia, inefficienti soprattutto quando vengono utilizzati gas aventi composizione variabile. In questi casi, infatti, i dispositivi del tipo sopra indicato non riescono a ridurre i fenomeni di instabilità termoacustica e al contempo controllare i livelli di emissioni di NOx. Accade spesso, infatti, che tali dispositivi riducano i fenomeni di instabilità, ma non riescano a contenere adeguatamente le emissioni di NOx.

È uno scopo della presente invenzione quello di fornire un metodo e un dispositivo per regolare l’alimentazione di gas ad una camera di combustione di un impianto a turbina a gas che sia in grado di risolvere gli inconvenienti qui evidenziati dell’arte nota; in particolare, è uno scopo del trovato quello di fornire un metodo e un dispositivo per regolare l’alimentazione di gas ad una camera di combustione di un impianto a turbina a gas in grado di minimizzare i fenomeni di instabilità termoacustica e al contempo di mantenere i livelli di emissioni di NOx al di sotto dei limiti consentiti.

In accordo con tali scopi, la presente invenzione è relativa ad un dispositivo e ad un metodo per regolare l’alimentazione di gas ad una camera di combustione di un impianto a turbina a gas come rispettivamente rivendicato nelle rivendicazioni 1 e 8.

È un ulteriore scopo quello di realizzare un impianto a turbina a gas stabile e caratterizzato da emissioni di NOx contenute.

In accordo con tali scopi, la presente invenzione è relativa ad un impianto per la produzione di energia elettrica come rivendicato nella rivendicazione 10.

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 è una rappresentazione schematica di un impianto a turbina a gas secondo la presente invenzione; e – la figura 2 è una rappresentazione schematica a blocchi del dispositivo per regolare l’alimentazione di gas secondo la presente invenzione.

In figura 1 è indicato con il numero di riferimento 1, un impianto a turbina a gas per la produzione di energia elettrica.

L’impianto 1 comprende sostanzialmente un gruppo turbina 3, un generatore 4, il quale trasforma la potenza meccanica fornita dal gruppo turbina 3 in potenza elettrica attiva, qui e di seguito detta semplicemente potenza elettrica corrente PEL, un circuito di alimentazione gas 5 ed un dispositivo 7 per regolare l’alimentazione di gas.

Il gruppo turbina 3 comprende un compressore 9, una camera di combustione 10 e una turbina 11 a gas.

Secondo una forma di realizzazione alternativa della presente invenzione (non illustrata), l’impianto 1 è del tipo a ciclo combinato e comprende, oltre al gruppo turbina 3 a gas ed al generatore 4, anche un gruppo turbina a vapore.

La camera di combustione 10 è preferibilmente del tipo anulare ed è alimentata con gas dal circuito di alimentazione gas 5. In particolare, la camera di combustione 10 comprende una pluralità di assiemi bruciatori (non illustrati per semplicità nelle figure allegate), ad esempio ventiquattro, i quali sono alimentati dal circuito di alimentazione gas 5.

Secondo una forma di realizzazione alternativa della presente invenzione (non illustrata), la camera di combustione 10 è alimentata sia con gas che con gasolio.

Il circuito di alimentazione gas 5 comprende una linea di mandata principale 13, una linea di mandata pilota 14 ed una linea di mandata a premiscelazione 16, qui e di seguito semplicemente detta linea di mandata premix 16.

La linea di mandata principale 13 comprende un condotto di mandata principale 17 in comunicazione con una riserva di gas (non illustrata per semplicità) e con la linea di mandata pilota 14 e la linea di mandata premix 16.

Lungo il condotto di mandata principale 17 è disposta una valvola principale 19, la cui apertura è regolata, come vedremo in dettaglio più avanti, dal dispositivo 7 in modo da alimentare una portata totale QTOT, un rilevatore 20 di dati relativi al gas atto ad inviare i dati rilevati al dispositivo 7, ed un sensore di temperatura 21 atto a rilevare la temperatura T del gas e ad inviarla al dispositivo 7.

Preferibilmente, il sensore di temperatura 21 è disposto a valle del gascromatografo 20.

Nella forma di realizzazione qui descritta ed illustrata, il rilevatore 20 è un gascromatografo, il quale rileva dati relativi alla composizione del gas.

La linea di mandata pilota 14 comprende un condotto di mandata pilota 22 in comunicazione con la camera di combustione 10 e con il condotto di mandata principale 17; lungo il condotto di mandata pilota è disposta una valvola pilota 23, la cui apertura è regolata, come vedremo in dettaglio più avanti, dal dispositivo 7 in modo da alimentare una portata corretta di gas pilota QPalla camera di combustione 10. A monte della valvola pilota 23 è disposto un rilevatore di pressione 25 atto a rilevare una pressione PPe ad inviarla al dispositivo 7.

La linea di mandata premix 16 comprende un condotto di mandata premix 26 in comunicazione con la camera di combustione 10 e con il condotto di mandata principale 17; lungo il condotto di mandata premix 26 è disposta una valvola premix 27, la cui apertura è regolata, come vedremo in dettaglio più avanti, dal dispositivo 7 in modo da alimentare una portata di gas premix QPXalla camera di combustione 10.

Con riferimento alla figura 2, il dispositivo 7 per il controllo dell’alimentazione gas comprende un modulo di calcolo 29 per calcolare parametri del gas, un modulo di calcolo 30 per calcolare una portata corrente di gas pilota QPC, un modulo di calcolo 31 per calcolare una potenza termica corrente PT, un modulo di calcolo 33 per calcolare una differenza ∆PT di potenza termica, un modulo di calcolo 34 per calcolare una correzione di portata di gas pilota ∆QPnecessaria a compensare la differenza di potenza termica ∆PT, un nodo sottrattore 35 ed un modulo di comando 36 per comandare l’apertura della valvola pilota 23 in modo tale che alimenti una portata corretta di gas pilota QPalla camera di combustione 10.

Il dispositivo 7 comprende inoltre una unità di calcolo 38 per calcolare la portata totale QTOTdi gas necessaria a garantire il raggiungimento di una potenza elettrica di riferimento PEL_RIF, una unità di calcolo 39 per calcolare una portata di gas premix QPXda alimentare alla camera di combustione 10, un’unità di comando 40 atta a comandare la valvola principale 19 in modo tale che consenta il passaggio della portata totale QTOT, ed una unità di comando 41 atta a comandare la valvola premix 27 in modo tale che alimenti la portata di gas premix QPXalla camera di combustione 10.

In particolare, il modulo di calcolo 29 è configurato per calcolare la densità ρ (in Kg/m<3>) e il potere calorifico HV del gas a partire dai dati rilevati dal gascromatografo 20 sulla composizione del gas. Qui e nel seguito per potere calorifico HV si intende la quantità di calore sviluppata dalla combustione completa di un’unità di volume di gas. Il potere calorifico è misurato in Kj/m<3>.

Il modulo di calcolo 30 è configurato in modo da calcolare la portata corrente di gas pilota QPC(in Kg/s) lungo il condotto di mandata pilota 22 in accordo alla presente formula:

dove:

KVè un coefficiente di efflusso funzione di un grado di apertura hPdella valvola pilota 23;

T è la temperatura del gas rilevata lungo il condotto di mandata principale 17 a valle del gascromatografo 20 mediante il sensore di temperatura 21;

ρ è la densità del gas calcolata dal modulo di calcolo 29; pCè una pressione rilevata allo scarico del compressore 9; Δp è la differenza tra la pressione pPrilevata dal rilevatore di pressione 25 a monte della valvola pilota 23 e la pressione pCrilevata allo scarico del compressore 9.

Il modulo di calcolo 31 è configurato per calcolare la potenza termica corrente PT determinata dalla combustione della portata corrente di gas pilota QPCsulla base dei parametri calcolati dal modulo di calcolo 29 (densità ρ e potere calorifico HV) e dal modulo di calcolo 30 (portata corrente del gas pilota QPC).

In particolare, il calcolo della potenza termica corrente PT è eseguito in accordo alla presente formula:

In sostanza la potenza termica corrente PT esprime, per unità di tempo, il calore prodotto dalla combustione della portata corrente di gas pilota QPCnella camera di combustione 10. La potenza termica corrente PT è espressa in KJ/s.

Il modulo di calcolo 33 è configurato per calcolare la differenza ∆PT tra la potenza termica corrente PT e una potenza termica di riferimento PTRIF.

La potenza termica di riferimento PTRIFè il valore di potenza termica che garantisce che la combustione del gas pilota non comporti il superamento della soglia limite di emissioni di NOx.

La potenza termica di riferimento PTRIFè determinata in fase di installazione e/o di regolazione del dispositivo 7 sulla base delle caratteristiche del gas e sulla base di valutazioni di comportamento dell’impianto 1 durante eventuali episodi di instabilità termoacustica. Ad esempio la potenza termica di riferimento PTRIFper un gas a composizione standard è di circa 45000 KJ/s.

Il modulo di calcolo 34 è configurato per calcolare la correzione di portata di gas pilota ∆QPnecessaria a compensare la differenza di potenza termica ∆PT calcolata dal modulo di calcolo 33.

In particolare, la correzione di portata di gas pilota ∆QPè ricavata mediante la seguente formula:

Il nodo sottrattore 35 calcola la portata corretta di gas pilota QPsottraendo la correzione di portata di gas pilota ∆QPalla portata corrente di gas pilota QPC.

Infine, il modulo di comando 36 fornisce alla valvola pilota 23 un segnale di comando SPcalcolato sulla base della portata corretta di gas pilota QPin modo tale che la valvola pilota 23 consenta il passaggio di una portata di gas pari alla portata corretta di gas pilota QP.

L’unità di calcolo 38 è configurata per calcolare la portata totale QTOTdi gas necessaria a garantire il raggiungimento di una potenza elettrica di riferimento PEL_RIF. In particolare, l’unità di calcolo 38 calcola la portata totale QTOTdi gas sulla base della differenza tra il valore di potenza elettrica corrente PELe il valore di potenza elettrica di riferimento PEL_RIF.

L’unità di comando 40 fornisce alla valvola principale 19 un segnale di comando STOTcalcolato sulla base della portata di gas totale QTOT, in modo tale che la valvola principale 19 consenta il passaggio di una portata di gas pari alla portata di gas totale QTOT.

L’unità di calcolo 39 è configurata per calcolare la portata di gas premix QPXda alimentare alla camera di combustione 10 sulla base della portata totale QTOTe della portata corretta di gas pilota QP. In particolare, la portata di gas premix QPXè calcolata sulla base della relazione QPX=QTOT-QP.

Infine, l’unità di comando 41 fornisce alla valvola premix 27 un segnale di comando SPXcalcolato sulla base della portata di gas premix QPX, in modo tale che la valvola premix 27 consenta il passaggio di una portata di gas pari alla portata di gas premix QPX.

Vantaggiosamente, il dispositivo 7 per regolare l’alimentazione di gas secondo la presente invenzione consente di ridurre le instabilità della camera di combustione 10 e, al contempo, di mantenere le emissioni di NOx al di sotto dei limiti di legge.

Inoltre, il dispositivo 7 è in grado di ridurre le instabilità nella camera di combustione 10 e di mantenere le emissioni di NOx al di sotto dei limiti di legge in modo semplice, rapido ed efficace.

Risulta infine evidente che al dispositivo e al metodo per regolare l’alimentazione di gas ad una camera di combustione di un impianto a turbina a gas qui descritti possono essere apportate modifiche e varianti senza uscire dall’ambito delle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (7) per regolare l’alimentazione di gas ad una camera di combustione (10) di un impianto (1) a turbina a gas comprendente: primi mezzi di calcolo (29, 30, 31, 33, 34, 35) per calcolare una portata corretta di gas pilota (QP) da alimentare alla camera di combustione (10) tramite una linea di mandata pilota (14); il dispositivo (7) essendo caratterizzato dal fatto che i primi mezzi di calcolo (29, 30, 31, 33, 34, 35) sono configurati per calcolare la portata corretta di gas pilota (QP) sulla base di una potenza termica di riferimento (PTRIF) e di una potenza termica corrente (PT) dovuta alla combustione di una portata corrente di gas pilota (QPC).
2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui i primi mezzi di calcolo (29, 30, 31, 33, 34, 35) comprendono un primo modulo di calcolo (31) per calcolare la potenza termica corrente (PT) in base ad un potere calorifico (HV) del gas, ad una densità (ρ) del gas a monte della linea di mandata pilota (14) e alla portata corrente di gas pilota (QPC).
3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui la potenza termica corrente (PT) è calcolata in accordo alla seguente formula:

dove: HV è il potere calorifico del gas; ρ è la densità del gas a monte della linea di mandata pilota (14); QPCè la portata corrente di gas pilota lungo la linea di mandata pilota (14).
4. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i primi mezzi di calcolo (29, 30, 31, 33, 34, 35) comprendono un secondo modulo di calcolo (33) per calcolare una differenza (∆PT) tra la potenza termica di riferimento (PTRIF) e la potenza termica corrente (PT).
5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui i primi mezzi di calcolo (29, 30, 31, 33, 34, 35) comprendono un terzo modulo di calcolo (34) per calcolare una correzione di portata di gas pilota (∆QP) necessaria a compensare la differenza (∆PT).
6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, in cui la correzione di portata di gas pilota (∆QP) è calcolata in accordo alla seguente formula:

dove ∆PT è la differenza tra la potenza termica di riferimento (PTRIF) e la potenza termica corrente (PT); HV è il potere calorifico del gas; ρ è la densità del gas a monte della linea di mandata pilota (14).
7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente secondi mezzi di calcolo (39) per calcolare una portata di gas premix (QPX) da alimentare alla camera di combustione (10) tramite una linea di mandata premix (16); i secondi mezzi di calcolo (39) essendo configurati per calcolare la portata di gas premix (QPX) sulla base della portata corretta di gas pilota (QP).
8. Metodo per regolare l’alimentazione di gas ad una camera di combustione (10) di un impianto (1) a turbina a gas comprendente la fase di calcolare una portata corretta di gas pilota (QP) da alimentare alla camera di combustione (10) tramite una linea di mandata pilota (14); il metodo essendo caratterizzato dal fatto di calcolare la portata corretta di gas pilota (QP) sulla base di una potenza termica di riferimento (PTRIF) e di una potenza termica corrente (PT) dovuta alla combustione di una portata corrente di gas pilota (QPC).
9. Metodo secondo la rivendicazione 8, in cui la fase di calcolare una portata corretta di gas pilota (QP) comprende la fase di calcolare la potenza termica corrente (PT) in base ad un potere calorifico (HV) del gas, ad una densità (ρ) del gas a monte della linea di mandata pilota (14) e alla portata di gas pilota corrente (QPC).
10. Impianto (1) per la produzione di energia elettrica comprendente: una turbina a gas (11); una camera di combustione (10); un circuito di alimentazione gas (5) per alimentare la camera di combustione (10), il quale comprende una linea di mandata pilota (14) ed una linea di mandata premix (16); l’impianto (1) essendo caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo (7) per regolare l’alimentazione di gas alla camera di combustione (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7.
11. Impianto secondo la rivendicazione 10, comprendente mezzi di rilevamento (20) per rilevare la composizione del gas a monte della linea di mandata pilota (14).
12. Impianto secondo la rivendicazione 11, in cui i mezzi di rilevamento (20) comprendono un gascromatografo.