ITMI20090766A1 - Dispositivo e metodo per controllare la temperatura allo scarico di una turbina a gas di un impianto per la produzione di energia - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“DISPOSITIVO E METODO PER CONTROLLARE LA TEMPERATURA ALLO SCARICO DI UNA TURBINA A GAS DI UN IMPIANTO PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA”
La presente invenzione è relativa ad un dispositivo e ad un metodo per controllare la temperatura allo scarico di una turbina a gas di un impianto per la produzione di energia.
Sono noti impianti per la produzione di energia elettrica comprendenti un compressore, una camera di combustione, una turbina a gas ed un dispositivo per controllare la temperatura allo scarico della turbina a gas.
Il compressore è provvisto di uno stadio di ingresso definito da una pluralità di palette direttrici di ingresso regolabili, la cui posizione regola la portata di aria in ingresso al compressore.
Il dispositivo di controllo della temperatura allo scarico della turbina a gas comprende un modulo per regolare la posizione della pluralità di palette direttrici di ingresso del compressore in modo tale che la temperatura allo scarico della turbina a gas sia pari ad un valore di riferimento, fisso e calcolato a priori, ed un modulo per regolare l’apporto di combustibile alla camera di combustione.
Tuttavia, i dispositivi di controllo della temperatura allo scarico della turbina a gas così configurati non sono in grado di ottimizzare le prestazioni dell’impianto al variare delle condizioni ambientali e del tipo di impianto su cui sono installati e, al contempo, di mantenere i livelli di emissioni di inquinanti al di sotto dei limiti previsti dalla legge.
È pertanto uno scopo della presente invenzione quello di fornire un metodo per controllare la temperatura allo scarico di una turbina a gas di un impianto per la produzione di energia elettrica che sia privo degli inconvenienti qui evidenziati dell’arte nota; in particolare, è uno scopo del trovato quello di fornire un metodo per controllare la temperatura allo scarico di una turbina a gas che sia in grado di ottimizzare le prestazioni dell’impianto.
In accordo con tali scopi, la presente invenzione è relativa ad un metodo per controllare la temperatura allo scarico di una turbina a gas di un impianto per la produzione di energia comprendente la fase di regolare la posizione di una pluralità di palette direttrici di ingresso di un compressore dell’impianto in modo tale che la temperatura allo scarico della turbina a gas sia pari ad un valore di riferimento; il metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di calcolare il valore di riferimento sulla base delle condizioni ambientali attuali, sulla base di una potenza attuale erogata dall’impianto e sulla base di una prima potenza di base di riferimento in condizioni ambientali standard.
È un ulteriore scopo del trovato quello di realizzare un dispositivo per controllare la temperatura allo scarico di una turbina a gas di un impianto per la produzione di energia elettrica che sia semplice, economico ed in grado di ottimizzare le prestazioni dell’impianto.
In accordo con tali scopi, la presente invenzione è relativa ad un dispositivo per controllare la temperatura allo scarico di una turbina a gas di un impianto per la produzione di energia comprendente mezzi di regolazione per regolare la posizione di una pluralità di palette direttrici di ingresso di un compressore dell’impianto in modo tale che la temperatura allo scarico della turbina a gas sia pari ad un valore di riferimento; il dispositivo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di calcolo per calcolare il valore di riferimento sulla base delle condizioni ambientali attuali, sulla base di una potenza attuale erogata dall’impianto e sulla base di una prima potenza di base di riferimento in condizioni ambientali standard.
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 impianto per la produzione di energia elettrica;
– la figura 2 è una rappresentazione schematica del dispositivo per controllare la temperatura allo scarico di una turbina a gas secondo la presente invenzione;
– la figura 3 è un diagramma schematico che illustra l’andamento della temperatura allo scarico della turbina a gas al variare del rapporto tra la potenza attuale erogata dall’impianto e una potenza di base di riferimento nelle condizioni ambientali attuali.
In figura 1 è indicato con il numero di riferimento 1 un impianto per la produzione di energia elettrica comprendente un compressore 3, una camera di combustione 4, una turbina 5 a gas, un generatore 7, il quale è connesso allo stesso albero della turbina 5 e trasforma la potenza meccanica fornita dalla turbina 5 in potenza WACTelettrica, un dispositivo 9 per il controllo della temperatura allo scarico della turbina 5, un modulo di rilevamento 10, ed un attuatore 12.
Una variante non illustrata prevede che l’impianto 1 sia del tipo a ciclo combinato e che comprenda, oltre alla turbina 5 a gas ed al generatore 7, anche un turbogruppo a vapore.
Il compressore 3 è provvisto di uno stadio di ingresso 13 avente geometria variabile. Lo stadio di ingresso 13 comprende una pluralità di palette direttrici di ingresso regolabili (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 3 stesso.
In particolare, l’inclinazione della pluralità di palette direttrici di ingresso è regolata dall’attuatore 12, il quale è comandato dal dispositivo 9 per regolare la temperatura allo scarico della turbina 5 come vedremo in dettaglio più avanti.
Il modulo di rilevamento 10 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 9 per il controllo della temperatura allo scarico della turbina 5; in particolare, il modulo di rilevamento 10 rileva i seguenti parametri:
- temperatura ambientale attuale TACTrilevata all’ingresso del compressore 3;
- pressione ambientale attuale pACTrilevata all’ingresso del compressore 3;
- temperatura TETCACTattuale allo scarico della turbina 5;
- potenza attuale WACTerogata dall’impianto 1, preferibilmente rilevata ai morsetti del generatore 7 mediante un wattmetro.
Il dispositivo 9 per il controllo della temperatura allo scarico della turbina 5 comprende un modulo di regolazione FUEL 14a per regolare l’apporto di combustibile alla camera di combustione 4 ed un modulo di regolazione IGV 14b per regolare la posizione della pluralità di palette direttrici di ingresso del compressore 3.
Il modulo di regolazione FUEL 14a è configurato per fornire segnali di posizione ad una pluralità di attuatori 15 (schematizzati in figura 1 con un unico blocco) di rispettive valvole (non illustrate) per l’alimentazione del combustibile alla camera di combustione 4.
Con riferimento alla figura 2, il modulo di regolazione IGV 14b (indicato schematicamente in figura 2 con una linea a tratto punto) è configurato per regolare la posizione della pluralità di palette direttrici di ingresso del compressore 3 e comprende un primo modulo di calcolo 16 (indicato schematicamente in figura 2 con una linea tratteggiata) per calcolare una potenza di base di riferimento nelle condizioni ambientali attuali WBASE_ACTsulla base di un valore di una potenza di base di riferimento nelle condizioni ambientali standard WBASE_ISOe sulla base dei valori di temperatura ambientale attuale TACTe pressione ambientale attuale pACT, un secondo modulo di calcolo 17 (indicato schematicamente in figura 2 con una linea tratteggiata) per calcolare un valore di riferimento NEWSETTETCdella temperatura allo scarico della turbina a gas 5 sulla base della potenza di base di riferimento nelle condizioni ambientali attuali WBASE_ACTed una potenza attuale WACTerogata, un modulo di controllo 18 configurato per inviare all’attuatore 12 un segnale di posizione SIGVsulla base della temperatura attuale TETCACTallo scarico della turbina 5 e sulla base del valore di riferimento della temperatura NEWSETTETCcalcolato dal secondo modulo di calcolo 17, ed un modulo di definizione parametri 19.
Il primo modulo di calcolo 16 comprende un primo blocco di calcolo 20 per calcolare un fattore di correzione di temperatura α sulla base della temperatura ambientale attuale TACTsecondo una funzione F1, un secondo blocco di calcolo 21 configurato per calcolare un fattore di correzione di pressione β sulla base della pressione ambientale attuale pACTsecondo una funzione F2 ed un nodo moltiplicatore 23 per moltiplicare il fattore di correzione di temperatura α, il fattore di correzione di pressione β, ed il valore della potenza di base di riferimento WBASE_ISOnelle condizioni ambientali standard in modo da ottenere la potenza di base di riferimento WBASE_ACTnelle condizioni ambientali attuali.
La potenza di base di riferimento WBASE_ISOnelle condizioni ambientali standard è un parametro determinato dal modulo di definizione parametri 19 ed è la potenza massima, comunemente detta “base load”, che può essere erogata dall’impianto 1 in condizioni ambientali standard, cioè a 15° C e a 1013 mbar.
La potenza di base di riferimento WBASE_ACTnelle condizioni ambientali attuali è calcolata dal nodo moltiplicatore 23 ed è la potenza massima erogabile dall’impianto 1 nelle condizioni ambientali attuali, cioè a temperatura TACTe pressione pACT.
Le funzioni F1 e F2 sono preferibilmente delle tabelle ricavate attraverso calcoli basati sulla curva caratteristica della turbina 5 a gas.
Nell’esempio qui descritto ed illustrato, la funzione F1 è definita dalla seguente tabella:
Il secondo modulo di calcolo 16 comprende un nodo divisore 24 per calcolare un rapporto di potenza RPtra la potenza attuale WACTerogata dall’impianto 1 e la potenza di base di riferimento WBASE_ACTnelle condizioni ambientali attuali, un terzo modulo di calcolo 26 per calcolare una correzione CTETCdi temperatura ed un quarto modulo di calcolo 27 per calcolare il valore di riferimento NEWSETTETCin accordo alla seguente formula:
NEWSETTETC= SETTETC- ΔT CTETC
dove:
CTETCè la correzione di temperatura calcolata dal terzo modulo di calcolo 26;
SETTETCè un valore di riferimento di base della temperatura allo scarico della turbina 5 alla massima potenza erogabile dall’impianto 1 determinato dal modulo di definizione parametri 19 sulla base di requisiti che devono essere garantiti, come ad esempio i requisiti di potenza, di rendimento, di temperatura allo scarico della turbina 5 e di stabilità della combustione;
ΔT è uno scarto di temperatura atto ad evitare l’insorgere di fenomeni di instabilità all’interno della camera di combustione 4, normalmente indicati con il termine “humming”, ed è determinato dal modulo di definizione parametri 19.
Preferibilmente la potenza attuale WACTè filtrata mediante un filtro 25 prima di essere alimentata al nodo divisore 24 per eliminare i disturbi e le oscillazioni del segnale.
Il rapporto di potenza RPesprime sostanzialmente l’attuale livello di produttività dell’impianto 1. Se il rapporto di potenza RPè pari a 1 l’impianto 1 sta operando al massimo delle proprie potenzialità, cioè la potenza attuale WACTerogata è pari alla potenza di base di riferimento WBASE_ACTnelle condizioni ambientali attuali che coincide con la massima potenza erogabile, mentre se il rapporto di potenza RPè inferiore a 1, l’impianto 1 non sta operando al massimo delle proprie potenzialità.
Il terzo modulo di calcolo 26 è configurato in modo tale da calcolare la correzione CTETCdi temperatura da apportare al valore di riferimento di base SETTETCdella temperatura allo scarico della turbina 5 sulla base del rapporto di potenza RP. In particolare, il terzo modulo di calcolo 26 è configurato per calcolare la correzione CTETCdi temperatura sulla base del rapporto di potenza RPsecondo una funzione F3 determinata sperimentalmente.
Nell’esempio qui descritto ed illustrato, la funzione F3 è definita dalla seguente tabella:
Il modulo di controllo 18 è configurato per inviare all’attuatore 12 il segnale di posizione SIGVsulla base della differenza tra la temperatura TETCACTattuale allo scarico della turbina 5 rilevata dal modulo di rilevamento 10 e il valore di riferimento della temperatura allo scarico NEWSETTETCcalcolato dal secondo modulo di calcolo 16. In particolare, il modulo di controllo 18 è configurato per generare un segnale di posizione SIGVtale da determinare una variazione della posizione delle palette direttrici di ingresso sufficiente ad azzerare la differenza tra la temperatura attuale TETCACTallo scarico della turbina 5 e il valore di riferimento NEWSETTETCdella temperatura allo scarico della turbina 5 a gas.
In figura 3 è illustrato l’andamento della temperatura allo scarico della turbina a gas 5 sotto l’azione di controllo del dispositivo 9 per il controllo della temperatura allo scarico in funzione del rapporto di potenza RP.
In particolare, l’andamento della temperatura allo scarico TETC della turbina a gas 5 è caratterizzato da un innalzamento, rispetto alla configurazione a valore di riferimento costante delle soluzioni note (non illustrata), ai bassi valori di rapporto di potenza RP(circa intorno allo 0,5) in modo da diminuire le emissioni di monossido di carbonio (CO), e da un abbassamento in corrispondenza di un elevato rapporto di potenza RP(circa intorno allo 0,9) in modo da contenere le emissioni degli ossidi di azoto (NOx) e di prevenire l’insorgenza di fenomeni di instabilità di combustione. Pertanto, grazie all’azione di controllo del dispositivo 9, l’efficienza dell’impianto 1 è maggiore, soprattutto ai bassi valori di potenza WACT. Ciò comporta evidenti vantaggi soprattutto durante l’esercizio notturno dell’impianto 1, cioè quando l’impianto lavora a potenza minima.
Nel dettaglio, l’andamento della temperatura allo scarico TETC della turbina a gas 5 è regolato principalmente dal modulo di regolazione IGV 14b per valori del rapporto di potenza RPcompresi tra circa 0,55, a cui corrisponde la posizione di massima chiusura delle palette direttrici di ingresso, e circa 0,95/0,98, a cui corrisponde la posizione di massima apertura delle palette direttrici di ingresso.
Risulta infine evidente che al metodo e al dispositivo qui descritti possono essere apportate modifiche e varianti senza uscire dall’ambito delle rivendicazioni allegate.
Claims (6)
- RIVENDICAZIONI 1. Metodo per controllare la temperatura allo scarico di una turbina a gas (5) di un impianto (1) per la produzione di energia comprendente la fase di regolare la posizione di una pluralità di palette direttrici di ingresso di un compressore (3) dell’impianto (1) in modo tale che una temperatura attuale (TETCACT) allo scarico della turbina a gas (5) sia pari ad un valore di riferimento (NEWSETTETC); il metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di calcolare il valore di riferimento (NEWSETTETC) sulla base di condizioni ambientali attuali (TACT, pACT), sulla base di una potenza attuale (WACT) erogata dall’impianto (1) e sulla base di una prima potenza di base di riferimento (WBASE_ISO) in condizioni ambientali standard.
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la fase di calcolare il valore di riferimento (NEWSETTETC) comprende le fasi di: - calcolare una seconda potenza di base di riferimento (WBASE_ACT) nelle condizioni ambientali attuali; - calcolare il valore di riferimento (NEWSETTETC) sulla base di un rapporto (RP) tra la potenza attuale (WACT) e la seconda potenza di base di riferimento (WBASE_ACT).
- 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui la fase di calcolare la seconda potenza di base di riferimento (WBASE_ACT) comprende le fasi di: - rilevare una temperatura ambientale attuale (TACT); - rilevare una pressione ambientale attuale (pACT); - calcolare la prima potenza di base di riferimento (WBASE_ISO) in condizioni ambientali standard; - calcolare la seconda potenza di base di riferimento (WBASE_ACT) nelle condizioni ambientali attuali sulla base della prima potenza di base di riferimento (WBASE_ISO), della temperatura ambientale attuale (TACT) e della pressione ambientale attuale (pACT).
- 4. Metodo secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui la fase di calcolare il valore di riferimento (NEWSETTETC) comprende le fasi di: - calcolare una correzione di temperatura (CTETC) sulla base del rapporto (RP) tra la potenza attuale (WACT) erogata dall’impianto (1) e la seconda potenza di base di riferimento (WBASE_ACT); - calcolare il valore di riferimento (NEWSETTETC) in accordo alla seguente formula: NEWSETTETC= SETTETC- ΔT CTETC dove: CTETCè la correzione di temperatura; SETTETCè un valore di riferimento di base della temperatura allo scarico della turbina 5 alla massima potenza erogabile dall’impianto 1; ΔT è uno scarto di temperatura.
- 5. Dispositivo per controllare la temperatura allo scarico di una turbina a gas (5) di un impianto (1) per la produzione di energia comprendente mezzi di regolazione (18) per regolare la posizione di una pluralità di palette direttrici di ingresso di un compressore (3) dell’impianto (1) in modo tale che la temperatura (TETCACT) attuale allo scarico della turbina (5) a gas sia pari ad un valore di riferimento (NEWSETTETC); il dispositivo (9) essendo caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di calcolo (16, 17) per calcolare il valore di riferimento (NEWSETTETC) sulla base delle condizioni ambientali attuali (TACT, pACT), sulla base di una potenza attuale (WACT) erogata dall’impianto (1) e sulla base di una prima potenza di base di riferimento (WBASE_ISO) in condizioni ambientali standard.
- 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, in cui i mezzi di calcolo (16, 17) comprendono un primo modulo di calcolo (16) per calcolare una seconda potenza di base di riferimento (WBASE_ACT) nelle condizioni ambientali attuali ed un secondo modulo di calcolo (17) per calcolare il valore di riferimento (NEWSETTETC) sulla base di un rapporto (RP) tra la potenza attuale (WACT) e la seconda potenza di base di riferimento (WBASE_ACT).
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