ITMI20101075A1 - Metodo per il controllo delle emissioni in una macchina termica, in particolare una turbina a gas, e macchina termica - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
"METODO PER IL CONTROLLO DELLE EMISSIONI IN UNA MACCHINA TERMICA, IN PARTICOLARE UNA TURBINA A GAS, E MACCHINA TERMICA"
La presente invenzione è relativa a un metodo per il controllo delle emissioni in una macchina termica, in particolare una turbina a gas, e a una macchina termica.
Come è noto, il controllo delle emissioni inquinanti è un obiettivo di primaria importanza nella realizzazione di qualunque tipo di macchina termica e, in particolare, delle turbine a gas utilizzate per la produzione di energia elettrica. L'accresciuta consapevolezza dei rischi ambientali spinge infatti verso normative che impongono limiti via via più restrittivi.
Il contenimento delle emissioni è particolarmente critico quando le macchine termiche operano in condizioni di basso carico, perché le macchine stesse sono ottimizzate per erogare potenze più elevate. Ad esempio, le turbine a gas vengono esercite in condizioni di minimo tecnico ambientale quando la richiesta di energia è molto bassa (come di notte), ma le normative impongono di mantenere la capacità di rispondere a improvvise richieste della rete.
Uno dei problemi da affrontare per abbattere in modo efficace le emissioni inquinanti è il mantenimento di condizioni di lavoro ottimali che permettano di bilanciare esigenze contrastanti, relative segnatamente alle emissioni di ossidi di azoto (NOx) e di monossido di carbonio (CO). Ad esempio, la temperatura all'interno della camera di combustione influenza le emissioni sia di ossidi di azoto, sia di monossido di carbonio, ma in modo opposto. Elevate temperature consentono di ossidare completamente il carbonio presente nel combustibile, riducendo così la formazione di monossido di carbonio. Allo stesso tempo, però, viene incrementata l'ossidazione dell'azoto presente nell'aria comburente e quindi crescono le emissioni di ossido di azoto. Viceversa, temperature relativamente basse in camera di combustione ostacolano la formazione di ossidi di azoto, ma impediscono la completa ossidazione del carbonio, favorendo la formazione di monossido di carbonio.
Per risolvere questo problema, sono state proposte soluzioni sostanzialmente basate sul controllo della temperatura dell'aria comburente alimentata alla camera di combustione. In pratica, uno scambiatore di calore viene posto lungo il percorso di aspirazione dell'aria e viene controllato in modo da ottenere una temperatura desiderata in camera di combustione, a cui corrisponde un bilancio ritenuto ottimale fra le emissioni di ossidi di azoto e di monossido di carbonio.
Un limite delle soluzioni note è la difficoltà di misurare la temperatura in camera di combustione, che è estremamente elevata. È quindi necessario ricorrere a stime, che però influenzano la qualità del controllo.
In alternativa, lo scambiatore di calore viene controllato in modo che la temperatura dell'aria comburente all'ingresso del compressore sia prossima a un valore di riferimento, a cui teoricamente corrisponde una temperatura ottimale in camera di combustione.
Soluzioni di questo tipo si fondano sulla conoscenza delle condizioni operative reali dell'impianto e non tengono conto delle inevitabili derive dovute all'usura e all'invecchiamento dei componenti. In altre parole, l'analisi preliminare dell'impianto permette di individuare condizioni di funzionamento teoriche a cui corrispondono minimi di emissione. Anche trascurando gli scostamenti e le tolleranze rispetto ai valori teorici, l'evoluzione dello stato dell'impianto non può essere previsto se non con larghissima approssimazione. La conseguenza è che la temperatura dell'aria comburente a cui corrisponde effettivamente il bilancio ottimale delle emissioni tende a discostarsi dalla temperatura obiettivo inizialmente prevista. Se dunque alla messa in opera dell'impianto possono essere ottenuti risultati soddisfacenti, il controllo sui livelli effettivi delle emissioni si degrada con il tempo in modo irrimediabile.
Scopo della presente invenzione è quindi fornire un metodo per il controllo delle emissioni in una macchina termica e una macchina termica che siano privi delle limitazioni descritte.
Secondo la presente invenzione, vengono realizzati un metodo per il controllo delle emissioni in una macchina termica e una macchina termica come definiti rispettivamente nelle rivendicazioni 1 e 8.
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:
- la figura 1 è uno schema a blocchi semplificato di una macchina termica in accordo a una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 2 è uno schema a blocchi più dettagliato di un componente della macchina termica di figura 1;
- la figura 3 è un diagramma di flusso relativo al funzionamento di un elemento del componente di figura 2;
- la figura 4 è uno schema a blocchi semplificato di una macchina termica in accordo a una diversa forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 5 è uno schema a blocchi semplificato di impianto per la produzione di energia elettrica incorporante una macchina termica in accordo a una forma di realizzazione della presente invenzione.
Con riferimento alla figura 1, un impianto per la produzione di energia elettrica, indicato nel suo complesso con il numero 1, comprende un gruppo turbogas 2, un alternatore 3, accoppiati su uno stesso albero 4, e un dispositivo per il controllo delle emissioni 5, in particolare di ossidi di azoto N0Xe di monossido di carbonio CO.
Il gruppo turbogas 2 comprende un compressore 7, che aspira una portata QAdi aria dall'esterno attraverso un condotto di aspirazione 8, una camera di combustione 9 e una turbina 10, accoppiata alla camera di combustione 9 per ricevere ed espandere una portata QEdi gas di scarico. Un gruppo di scarico 11, a valle della turbina 10, riceve ed evacua la portata QEdi gas di scarico prodotta dal gruppo turbogas 2. Il compressore 7 e il condotto di aspirazione 8 definiscono un percorso fluidico di ingresso alla camera di combustione 9 per l'aria.
Il compressore 7 è del tipo assiale multistadio ed è provvisto di uno stadio di pale orientabili di ingresso o stadio IGV (Inlet Guide Vanes) la. L'orientazione delle pale dello stadio IGV la è determinata attraverso un attuatore IGV 12.
La portata QAdi aria aspirata dal compressore 7 viene convogliata attraverso il condotto di aspirazione 8, lungo il quale sono disposti un filtro 13 e una camera di condizionamento 15 ed elaborata dal compressore 7. Dopo eventuali spillamenti di frazioni della portata QA, ad esempio per il raffreddamento delle pale della turbina 10, una portata QA' residua viene immessa nella camera di combustione 9. Qui una portata QFdi combustibile viene aggiunta alla portata QA' di aria, in modo di per sé noto, e la miscela ottenuta viene bruciata. Per semplicità, nel seguito della trattazione gli eventuali spillamenti e perdite saranno trascurati e la portata QA' di aria effettivamente immessa nella camera di combustione sarà considerata uguale alla portata QAaspirata dal compressore 7, senza per questo perdere di generalità. Si osserva comunque che la portata QA' è una frazione della portata QAe che, modificando la portata QA, viene modificata in modo sostanzialmente proporzionale anche la portata QA'.
Il filtro 13 è disposto all'imbocco del condotto di aspirazione 8 e rimuove dal flusso d'aria aspirata particelle solide e impurità.
La camera di condizionamento 15 comprende un primo scambiatore di calore 16 e un secondo scambiatore di calore 17. Il primo scambiatore di calore 16 riceve una portata QHdi un fluido di riscaldamento attraverso una linea di alimentazione 19, lungo la quale è posta una prima valvola di regolazione 20. Il secondo scambiatore di calore 17 riceve una portata Qcdi un fluido di raffreddamento attraverso una linea di alimentazione 21, lungo la quale è posta una seconda valvola di regolazione 22.
Il dispositivo per il controllo delle emissioni 5 comprende un'unità di elaborazione 23, una prima cella di rilevamento 25 e una seconda cella di rilevamento 26, entrambe collocate nel gruppo di scarico 11 della turbina 10, in modo da essere investite dal flusso di gas di scarico.
In una forma di realizzazione, l'unità di elaborazione 23 è un PLC (Programmable Logic Controller) ed è accoppiata alla prima cella di rilevamento 25 e alla seconda cella di rilevamento 26 per ricevere segnali di misura come di seguito descritto. In una diversa forma di realizzazione, l'unità di elaborazione 23 è incorporata in un controllore dell'impianto 1, qui non mostrato nella sua interezza per semplicità.
La prima cella di rilevamento 25 può essere una cella ottica a infrarossi per il rilevamento della concentrazione di monossido di carbonio CO, mentre la seconda cella di rilevamento 26 può essere una cella a chemioluminescenza per la rilevazione della concentrazione di ossidi di azoto N0X. La prima cella di rilevamento 25 e la seconda cella di rilevamento 26 forniscono all'unità di elaborazione 23 rispettivamente un primo segnale di concentrazione Sco, indicativo della concentrazione di monossido di carbonio CO nei gas di scarico della turbina 10, e un secondo segnale di concentrazione SNOX^ indicativo della concentrazione di ossidi di azoto NOxnei gas di scarico della turbina 10.
L'unità di elaborazione 23 è configurata per determinare un primo segnale di regolazione Si, un secondo segnale di regolazione S2e un terzo segnale di regolazione S3in base al primo segnale di concentrazione SCo e al secondo segnale di concentrazione SNOx. La struttura e il funzionamento dell'unità di elaborazione 23 saranno descritti in dettaglio più avanti, con riferimento alla figura 2.
Il primo segnale di regolazione Si viene fornito a un attuatore 27 della prima valvola di regolazione 20 e permette di regolare la portata QHdi fluido di riscaldamento fornita al primo scambiatore di calore 16 della camera di condizionamento 15. Il secondo segnale di regolazione S2viene fornito a un attuatore 28 della seconda valvola di regolazione 22 e permette di regolare la portata Qcdi fluido di raffreddamento fornita al secondo scambiatore di calore 17 della camera di condizionamento 15. Più precisamente, il primo segnale di regolazione Si e il segnale di regolazione S2rappresentano richieste di variazione del grado di apertura rispettivamente della prima valvola di regolazione 20 e della seconda valvola di regolazione 22 (piuttosto che valori di apertura assoluti). Ad esempio, un valore positivo indica al corrispondente attuatore una richiesta di aumentare il grado di apertura della rispettiva valvola, mentre un valore negativo indica una richiesta di ridurre il grado di apertura. Per valori nulli, il grado di apertura delle valvole non viene modificato .
Il terzo segnale di regolazione S3viene fornito all'attuatore 12 dello stadio IGV 7a e permette di modificare l'orientazione delle pale dello stadio IGV la.
L'azione del primo scambiatore di calore 16 e del secondo scambiatore di calore 17 permette di regolare la temperatura dell'aria in ingresso al compressore 7, mentre l'orientazione delle pale dello stadio IGV la determina la portata QAdi aria aspirata dal compressore 7 e immessa nella camera di combustione 9.
La figura 2 mostra la struttura dell'unità di elaborazione 23 secondo una forma di realizzazione dell'invenzione .
L'unità di elaborazione 23 comprende un primo nodo sottrattore 30, un secondo nodo sottrattone 31, un primo modulo di saturazione 33, un secondo modulo di saturazione 34, un primo controllore 36, un secondo controllore 37, un terzo controllore 38 e un modulo di gestione concorrenze 40.
Il primo nodo sottrattore 30 riceve il primo segnale di concentrazione SCo dalla prima cella di rilevamento 25 (qui non mostrata) e un primo segnale di riferimento SREFI e calcola un primo segnale di errore ECo in base alla differenza fra il primo segnale di concentrazione SCo e il primo segnale di riferimento SREEi.
Il secondo nodo sottrattore 31 riceve il secondo segnale di concentrazione SNOx dalla seconda cella di rilevamento 26 (qui non mostrata) e un secondo segnale di riferimento SREE2e calcola un secondo segnale di errore EN0Xin base alla differenza fra il secondo segnale di concentrazione SNox e il secondo segnale di riferimento
SREE2 ■
Il segnale di riferimento SREEie il secondo segnale di riferimento SREE2sono indicativi di rispettive massime concentrazioni ammissibili e sono rispettivamente forniti da un primo modulo generatore di riferimento 41 e da un secondo modulo generatore di riferimento 42, che possono essere ad esempio elementi di memoria programmabili.
Il primo modulo di saturazione 33 e il secondo modulo di saturazione 34 ricevono rispettivamente il primo segnale di errore Ecoe il secondo segnale di errore EN0Xe forniscono rispettivamente un primo segnale di errore saturato Eco' e un secondo segnale di errore ΕΝΟχ'. In particolare, il primo segnale di errore saturato ECo' e il secondo segnale di errore saturato ENOx' coincidono rispettivamente con il primo segnale di errore ECo e con il secondo segnale di errore ENOx, fra un valore di saturazione negativo e un valore di saturazione positivo; sono uguali al valore di saturazione negativo quando rispettivamente il primo segnale di errore ECo e il secondo segnale di errore
ENOX sono minori del valore di saturazione negativo; e sono uguali al valore di saturazione positivo quando rispettivamente il primo segnale di errore ECo e il secondo segnale di errore ENOx sono maggiori del valore di saturazione positivo.
Il primo controllore 36 e il secondo controllore 37, che nella forma di realizzazione descritta sono di tipo proporzionale-integrale, ricevono rispettivamente il primo segnale di errore saturato ECo' e il secondo segnale di errore saturato ΕΝΟχ' e li utilizzano per determinare un primo segnale di regolazione nominale Si' e un secondo segnale di regolazione nominale S2', che vengono forniti al modulo di gestione concorrenze 40.
Il modulo gestione concorrenze 40 determina il primo segnale di regolazione Si e il secondo segnale di regolazione S2in base al primo segnale di regolazione nominale Si', al secondo segnale di regolazione nominale S2', al primo segnale di errore ECo e al secondo segnale di errore ENOx, in modo da evitare la concorrenza di azioni di controllo antagoniste attraverso il primo scambiatore di calore 16 e il secondo scambiatore di calore 17, che tendono rispettivamente a riscaldare e a raffreddare la portata QAdi aria immessa nella camera di combustione 9. Più precisamente, il modulo gestione concorrenze 40 privilegia, in caso di conflitto, la riduzione della concentrazione di monossido di carbonio CO, che è l'azione più appropriata per la stabilizzare la combustione e minimizzare di conseguenza le emissioni inquinanti. In condizioni di combustione stabile, il controllo sulla concentrazione di ossidi di azoto NOxattraverso il secondo scambiatore di calore 17 può essere temporaneamente escluso. In pratica, se si verificano eccessi sia di monossido di carbonio CO, sia di ossidi di azoto NOx, il modulo gestione concorrenze 40 calcola il primo segnale di regolazione Si e il secondo segnale di regolazione S2in modo da aumentare la temperatura all'interno della camera di combustione 9, mentre l'azione di diminuzione della temperatura viene inibita.
Il terzo controllore 38, anch'esso di tipo proporzionale-integrale nella forma di realizzazione descritta, riceve il secondo segnale di errore EN0Xdal secondo nodo sommatore 31 e lo utilizza per determinare il terzo segnale di regolazione S3, che viene fornito all 'attuatore 12 dello stadio IGV 7a del compressore 7 per regolare la portata QAdi aria. In particolare, quando il secondo segnale di errore EN0Xè positivo (concentrazione di ossidi di azoto N0Xsuperiore ai limiti consentiti), il terzo segnale di regolazione S3tende ad aumentare la portata QAdi aria e, viceversa, quando il secondo segnale di errore EN0Xè negativo (concentrazione di ossidi di azoto N0Xinferiore ai limiti consentiti), il terzo segnale di regolazione S3tende a ridurre la portata QAdi aria. In questo modo, la concentrazione di ossidi di azoto N0Xviene mantenuta lievemente al di sotto del limite consentito, perché così facendo migliorano le emissioni di monossido di carbonio CO, che sono un indice diretto di combustione stabile e regolare, migliorativa in termini di rendimento energetico della macchina termica e delle emissioni inquinanti .
In pratica, il dispositivo per il controllo delle emissioni 5 interviene in presenza di un eccesso di emissioni di monossido di carbonio CO o di ossidi di azoto N0X, modificando le condizioni all'interno della camera di combustione 9. Più precisamente, il dispositivo per il controllo delle emissioni 5 modifica la portata QAdi aria e la sua temperatura, modificando di conseguenza la temperatura in camera di combustione 9, in modo da ridurre le concentrazioni in eccesso di monossido di carbonio CO o di ossidi di azoto N0X. Se entrambi i tipi di sostanze sono presenti con concentrazioni in eccesso, il modulo di gestione concorrenze 40 privilegia l'azione di riduzione delle emissioni di monossido di carbonio CO. Così facendo, la temperatura in camera di combustione viene portata a valori che assicurano, in funzione delle condizioni generali dell'impianto 1, il bilancio ottimale fra le emissioni inquinanti.
La soluzione descritta ha il vantaggio di utilizzare direttamente le concentrazioni di inquinanti come variabili controllate. Il dispositivo per il controllo delle emissioni 5 interviene, di fatto, sulla temperatura in camera di combustione, senza però la necessità di disporre di una misura o di una stima di tale temperatura. Le condizioni di combustione vengono automaticamente modificate in modo da contrastare gli eccessi rispetto ai valori di riferimento. In pratica, il controllo agisce direttamente sulla cause chimico-fisiche della generazione di inquinanti e assicura che nella camera di combustione 9 sia raggiunto il valore di energia minimo per l'ossidazione completa del carbonio, senza superare il valore di energia oltre il quale la produzione di ossidi di azoto eccede i limiti consentiti.
La soluzione inoltre pilota l'impianto verso le condizioni di combustione ottimali indipendentemente dalle condizioni generali (parametri specifici dell'impianto, stato di invecchiamento), proprio perché il dispositivo per il controllo delle emissioni 5 opera direttamente sulle concentrazioni di inquinanti. Non è quindi necessario lo studio preliminare delle condizioni di funzionamento di ogni macchina e le condizioni di combustione ottimali, che assicurano il miglior bilancio fra le emissioni di monossido di carbonio e di ossidi di azoto, vengono mantenute nel tempo anche se l'efficienza complessiva dell'impianto tende a degradarsi.
La soluzione descritta è particolarmente efficace nel ridurre le emissioni in condizioni operative di minimo tecnico ambientale. Vantaggiosamente, il valore di potenza di minimo tecnico ambientale può essere ridotto.
La figura 3 illustra una possibile modalità di funzionamento del modulo di gestione conflitti 40.
In condizioni di funzionamento ottimali (blocco 50), le emissioni di monossido di carbonio CO e di ossidi di azoto NOxsi mantengono entro i limiti e non sono richiesti interventi da parte del dispositivo per il controllo delle emissioni 5. In particolare (figura 2), il primo errore di concentrazione ECo e il secondo errore di concentrazione
ENOX sono negativi, per cui il primo errore di concentrazione saturato ECo' e il secondo errore di concentrazione saturato ΕΝΟχ' sono negativi o nulli, così come il primo segnale di regolazione nominale Si' e il secondo segnale di regolazione nominale S2'. In queste condizioni, il modulo di gestione conflitti 40 assegna il valore nullo al primo segnale di regolazione Si e al secondo segnale di regolazione S2(figura 3, blocco 50) e il grado di apertura della prima valvola di regolazione 20 e della seconda valvola di regolazione 22 non viene modificato .
Il modulo di gestione conflitti 40 verifica poi che almeno uno fra il primo segnale di errore ECo e il secondo segnale di errore EN0Xsi mantenga al di sotto rispettivamente di una prima soglia di attivazione THAIe di una seconda soglia di attivazione THA2(figura 3, blocco 55) .
Se la condizione è verificata (blocco 55, uscita SI), al primo segnale di regolazione Si e al secondo segnale di regolazione S2vengono assegnati i valori rispettivamente del primo segnale di regolazione nominale Si' e del secondo segnale di regolazione nominale S2' (blocco 60). Quindi, il test del blocco 55 viene ripetuto. In pratica, la condizione è verificata se le emissioni sono sotto i rispettivi valori di riferimento oppure in presenza di uno sbilanciamento delle emissioni per cui viene richiesto l'intervento solo di uno fra il primo scambiatore di calore 16 e il secondo scambiatore di calore 17. In questo caso, non ci sono conflitti o azioni antagoniste.
Se, al contrario, l'andamento delle emissioni è tale da richiedere azioni di controllo antagoniste, il primo segnale di errore Ecoe il secondo segnale di errore EN0Xsono entrambi sopra le rispettive soglie (blocco 55, uscita NO).
In questo caso, il modulo di gestione conflitti 40 privilegia l'azione di controllo che favorisce il contenimento della concentrazione di monossido di carbonio CO e inibisce il raffreddamento della portata QAdi aria. A questo scopo (blocco 65), al primo segnale di regolazione Si viene assegnato il valore corrente del primo segnale di regolazione nominale Si' e il secondo segnale di regolazione nominale S2' viene posto a un valore di disattivazione S2OFF, che causa la chiusura della seconda valvola di regolazione 22. Pertanto, il secondo scambiatore di calore 17 viene escluso temporaneamente e non partecipa al controllo. In alternativa, in presenza del valore di disattivazione S20FF del secondo segnale di regolazione nominale S2' la valvola 22 viene posta in uno stato di minima apertura il quale, seppure energeticamente sfavorevole, permette al secondo scambiatore di calore 17 di intervenire più rapidamente al venir meno delle condizioni per la sua inibizione.
Il modulo di gestione conflitti 40 confronta poi il primo segnale di errore ECocon una soglia di rilascio THR, minore della prima soglia di attivazione THAI (blocco 70). Fino a quando il primo segnale di regolazione nominale Si' è superiore alla soglia di rilascio THR (blocco 70, uscita NO), il secondo scambiatore di calore 17 rimane escluso (blocco 65). Quando il primo segnale di regolazione nominale Si' scende sotto la soglia di rilascio THR (blocco 70, uscita SI), il vincolo sul controllo della concentrazione di ossidi di azoto NOxattraverso il secondo scambiatore di calore 17 viene rilasciato e al secondo segnale di regolazione S2viene assegnato il valore corrente del secondo segnale di regolazione nominale S2' (blocco 60).
Secondo la forma di realizzazione illustrata in figura 4, dove parti uguali a quelle già mostrate sono indicate con gli stessi numeri di riferimento, un impianto per la produzione di energia elettrica 100 comprende un gruppo turbogas 102 in cui un compressore 107, provvisto di uno stadio IGV 107a, permette lo scambio termico fra il fluido elaborato e l'esterno. In questo caso, il primo scambiatore di calore 16 è disposto lungo i condotto di aspirazione 8, come già descritto in precedenza, mentre un secondo scambiatore 117 è accoppiato al compressore 107. Nell'impianto 100, il raffreddamento della portata QAdi aria per il controllo delle emissioni di ossidi di azoto NOxpuò essere effettuato in modo più efficiente dopo una parziale compressione.
La figura 5 mostra una forma di realizzazione secondo la quale l'invenzione è applicata a un impianto a ciclo combinato 200. L'impianto 200 comprende il gruppo turbogas 2, l'alternatore 3, il dispositivo per il controllo delle emissioni 5 e il condotto di aspirazione 8, lungo il quale sono collocati il primo scambiatore di calore 16 e il secondo scambiatore di calore 17. La prima valvola di regolazione 20 e la seconda valvola di regolazione 22 sono pilotate, attraverso i rispettivi attuatori 27, 28, dal dispositivo per il controllo delle emissioni 5 in modo da controllare le concentrazioni di monossido di carbonio CO e di ossidi di azoto NOxnei gas di scarico come descritto in precedenza.
L'impianto 200 comprende inoltre una turbina a vapore 202, un alternatore 203 accoppiato su uno stesso albero 204 della turbina a vapore 202, una caldaia a recupero 205, un condensatore 206 e un degasatore 207.
Nella forma di realizzazione illustrata, la turbina a vapore 202 comprende uno stadio di alta pressione 202a e uno stadio di medio-bassa pressione 202b.
La portata QEdi gas di scarico fornita dal gruppo turbogas 2 viene convogliata attraverso la caldaia a recupero 205 dove si trova un circuito 210 per la generazione di vapore. Il circuito 210 comprende una pluralità di elementi, tra i quali la figura 5 mostra:
HPSO, HPS1, HPS3: fascio tubiero riscaldatore di alta pressione;
RH1, RH3: risurriscaldatore (alta pressione);
HPB1: corpo cilindrico di alta pressione;
HPE2, HPE3: economizzatore di alta pressione;
IPS1, IPS2: fascio tubiero riscaldatore di media pressione;
IPB: corpo cilindrico di media pressione;
IPE2: economizzatore di media pressione;
LPS: fascio tubiero riscaldatore di bassa pressione; LPB: corpo cilindrico di bassa pressione;
LTE: economizzatore di bassa pressione.
Immediatamente a valle del fascio tubiero riscaldatore di bassa pressione LPS, viene spillata una portata di vapore che viene utilizzata per formare la portata QHdi fluido di riscaldamento per il primo scambiatore di calore 16. Una portata QH' in uscita dal primo scambiatore di calore 16 viene miscelata a una portata Qwdi acqua prelevata dal condensatore 206 mediante una pompa di estrazione del condensato 211. La miscela così ottenuta viene fornita all'economizzatore di bassa pressione LTE e quindi al degasatore 207.
Risulta infine evidente che al metodo e all'impianto descritti possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall'ambito della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
In particolare, l'invenzione può essere sfruttata per qualunque tipo di macchina termica, come i motori a combustione interna (ad esempio motori a ciclo Otto o a ciclo Diesel), permettendo i medesimi vantaggi dell'applicazione qui descritta per le turbine a gas.
Inoltre, il modulo di gestione delle concorrenze potrebbe essere configurato per operare secondo modalità diverse da quella descritta con riferimento alla figura 3. Ad esempio, in applicazioni dove la produzione di ossidi di azoto è particolarmente indesiderata, può essere favorita l'azione di raffreddamento della portata di aria in ingresso alla camera di combustione, rispetto a quella di riscaldamento. In pratica, in caso di conflitto può essere inibita l'azione del primo scambiatore di calore, dedicato al riscaldamento della portata d'aria aspirata, in modo da privilegiare l'abbattimento della concentrazione di ossidi di azoto.
Inoltre, se l'ottimizzazione dei consumi energetici è un obiettivo secondario, è possibile eliminare la gestione delle concorrenza e permettere l'azione contemporanea di riscaldamento e raffreddamento, lasciando che il bilancio sia determinato dalla richiesta prevalente.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Metodo per il controllo di emissioni in una macchina termica comprendente: prelevare aria (QA, QA') dall'esterno; bruciare una miscela includente un combustibile (QF)e almeno una frazione (QA') dell'aria (QA)prelevata, per cui vengono prodotti gas di scarico (QE); rilevare una concentrazione (SCo, SNOx)di almeno una sostanza (CO, N0X)nei gas di scarico (QE); controllare almeno una fra una temperatura e una portata dell'aria (QA)prelevata, in funzione della concentrazione (SCo, SNOx) rilevata.
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui rilevare una concentrazione comprende rilevare una concentrazione di monossido di carbonio (SCo) e in cui controllare almeno una fra la temperatura e la portata dell'aria (QA)prelevata comprende aumentare la temperatura dell'aria (QA)prelevata, quando la concentrazione di monossido di carbonio (SCo) rilevata è superiore a un valore di riferimento per monossido di carbonio (SREEi).
- 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui rilevare una concentrazione comprende rilevare una concentrazione di ossidi di azoto (SNOx)e in cui controllare almeno una fra la temperatura e la portata dell'aria (QA)prelevata comprende diminuire la temperatura dell'aria (QA)prelevata, quando la concentrazione di ossidi di azoto (SNox) rilevata è superiore a un valore di riferimento per ossidi di azoto (SREF2)·
- 4. Metodo secondo la rivendicazione 3, in cui controllare almeno una fra la temperatura e la portata dell'aria (QA)prelevata comprende: calcolare un primo errore di concentrazione (ECo) in base alla differenza fra la concentrazione di monossido di carbonio (SCo) rilevata e il valore di riferimento per monossido di carbonio (SREFi); calcolare un secondo errore di concentrazione (ΕΝΟχ) in base alla differenza fra la concentrazione di ossidi di azoto (SNox) rilevata e il valore di riferimento per ossidi di azoto (SREF2 ); limitare il primo errore di concentrazione (ECo) e il secondo errore di concentrazione (ΕΝΟχ) a valori compresi fra un valore di saturazione negativo e un valore di saturazione positivo; e controllare la temperatura dell'aria (QA)prelevata in funzione del primo errore di concentrazione (ECo) e del secondo errore di concentrazione (EN0X)dopo la fase di limitare.
- 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, comprendente inibire diminuire la temperatura dell'aria (QA)prelevata quando la concentrazione di monossido di carbonio (SCo) rilevata è superiore al valore di riferimento per monossido di carbonio (SREFi)·
- 6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui controllare comprende regolare una portata di fluido di riscaldamento (QH)a un primo scambiatore di calore (16) e una portata di fluido di raffreddamento (Qc)a un secondo scambiatore di calore (17) e in cui il primo scambiatore di calore (16) e il secondo scambiatore di calore (17) sono disposti lungo un percorso (8, 7) dell'aria (QA)prelevata.
- 7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 6, in cui controllare almeno una fra la temperatura e la portata dell'aria (QA)prelevata comprende aumentare la portata dell'aria (QA)prelevata, quando la concentrazione di ossidi di azoto (SNOx)rilevata è superiore al valore di riferimento per ossidi di azoto (SREF2)■
- 8. Macchina termica comprendente: una camera di combustione (9); un condotto di aspirazione (8); mezzi alimentatori di portata (7; 107), per fornire alla camera di combustione (9) una portata (QA, QA') controllata di aria prelevata dall'esterno attraverso il condotto di aspirazione (8); un primo scambiatore di calore (16) e un secondo scambiatore di calore (17), collocati lungo un percorso fluidico definito fra un imbocco (13) del condotto di aspirazione (8) e la camera di combustione (9), per rispettivamente riscaldare e raffreddare la portata (QA, QA') di aria, dove il primo scambiatore di calore (16) e il secondo scambiatore di calore (17) sono provvisti rispettivamente di un primo dispositivo di regolazione (20, 27) e di un secondo dispositivo di regolazione (22, 28); e un dispositivo per il controllo delle emissioni (5); caratterizzato dal fatto che il dispositivo per il controllo delle emissioni (5) comprende: un dispositivo di rilevamento (25, 26) per rilevare una concentrazione (SCo, SNOx) di almeno una sostanza (CO, NOx)in una portata di gas di scarico (QE)uscenti dalla camera di combustione (9); e un'unità di elaborazione (23), accoppiata al dispositivo di rilevamento (25, 26) e configurata per controllare almeno una fra una temperatura e la portata (QA) dell'aria prelevata, in funzione della concentrazione (Sco, SNOx) rilevata.
- 9. Macchina termica secondo la rivendicazione 8, in cui il dispositivo di rilevamento (25, 26) comprende una prima cella di rilevamento (25), accoppiata all'unità di elaborazione (23) per fornire un primo segnale di concentrazione (SCo) indicativo di una concentrazione di monossido di carbonio (CO) nella portata di gas di scarico (QE)■
- 10. Macchina termica secondo la rivendicazione 10, in cui il dispositivo di rilevamento (25, 26) comprende una seconda cella di rilevamento (25), accoppiata all'unità di elaborazione (23) per fornire un secondo segnale di concentrazione (SNox) indicativo di una concentrazione di ossidi di azoto (NOx) nella portata di gas di scarico (QE).
- 11. Macchina termica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8 a 11, comprendente una turbina (10), accoppiata alla camera di combustione (9) per ricevere ed espandere la portata di gas di scarico (QE), e un gruppo di scarico (11), per evacuare la portata di gas di scarico (QE), e in cui il dispositivo di rilevamento (25, 26) è disposto nel gruppo di scarico (11).
- 12. Macchina termica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 11, in cui l'unità di elaborazione (23) è configurata per: calcolare un primo errore di concentrazione (ECo) in base alla differenza fra la concentrazione di monossido di carbonio (SCo) rilevata e un valore di riferimento per monossido di carbonio (SREEi); calcolare un secondo errore di concentrazione (EN0X) in base alla differenza fra la concentrazione di ossidi di azoto (SNox) rilevata e un valore di riferimento per ossidi di azoto (SREF2); limitare il primo errore di concentrazione (ECo) e il secondo errore di concentrazione (ΕΝΟχ) a valori compresi entro un valore di saturazione negativo e un valore di saturazione positivo; determinare un primo segnale di controllo (Si) e un secondo segnale di controllo (S2) rispettivamente per il primo scambiatore di calore (16) e il secondo scambiatore di calore (17) in funzione del primo errore di concentrazione (ECo) e del secondo errore di concentrazione (ENOX) limitati; e applicare il primo segnale di controllo (Si) e il secondo segnale di controllo (S2) rispettivamente al primo dispositivo di regolazione (20, 27) del primo scambiatore di calore (16) e al secondo dispositivo di regolazione (22, 28) del secondo scambiatore di calore (17).
- 13. Macchina termica secondo la rivendicazione 12, in cui l'unità di elaborazione (23) è ulteriormente configurata per assegnare al secondo segnale di controllo (S2) un valore di disattivazione (S20FF), per il quale il secondo scambiatore di calore (17) viene escluso o parzializzato, quando il primo segnale di concentrazione (SCo) è indicativo di una concentrazione di monossido di carbonio (SCo) rilevata superiore al valore di riferimento per monossido di carbonio (SREFi)·
- 14. Macchina termica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8 a 13, comprendente una prima linea di alimentazione (19), per fornire una portata di fluido di riscaldamento (QH)al primo scambiatore di calore (16) e una seconda linea di alimentazione (21), per fornire una portata di fluido di raffreddamento (QF)al secondo scambiatore di calore (17).
- 15. Macchina termica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8 a 14, in cui i mezzi alimentatori di portata (7; 107) comprendono un compressore (7; 107), provvisto di uno stadio di ingresso (7a; 107a) azionabile per controllare la portata (Q3⁄4)
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