ITMI20110945A1 - Metodo di controllo per controllare l'alimentazione di combustibile in un impianto a turbina a gas e impianto a turbina a gas - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
"METODO DI CONTROLLO PER CONTROLLARE L'ALIMENTAZIONE DI COMBUSTIBILE IN UN IMPIANTO A TURBINA A GAS E IMPIANTO A TURBINA A GAS"
La presente invenzione è relativa ad un metodo di controllo per controllare l'alimentazione di combustibile in un impianto a turbina a gas e ad un impianto a turbina a gas.
Gli impianti a turbina a gas di tipo noto comprendono una camera di combustione, la quale è alimentata con un combustibile, generalmente gas.
La quantità di gas alimentata alla camera di combustione è calcolata da un dispositivo di controllo per l'alimentazione del combustibile.
Negli ultimi anni, la progettazione dei dispositivi di controllo per l'alimentazione del combustibile si è focalizzata sulla riduzione delle emissioni inquinanti mediante il controllo della temperatura di fiamma all'interno della camera di combustione, trascurando talvolta l'efficienza totale dell'impianto.
Infatti, accade spesso, soprattutto in condizioni di potenza generata in regime variabile, che la camera di combustione venga alimentata con una quantità di combustibile superiore alla quantità che effettivamente può essere bruciata. Ciò determina uno spreco di combustibile e di conseguenza un peggioramento dell'efficienza totale dell'impianto .
È pertanto uno scopo della presente invenzione quello di fornire un metodo di controllo per controllare che sia privo degli inconvenienti sopra evidenziati; in particolare è uno scopo della presente invenzione quello di fornire un metodo di controllo in grado di ottimizzare i consumi di combustibile e aumentare l'efficienza complessiva dell'impianto .
In accordo con tali scopi la presente invenzione è relativa ad un metodo di controllo per controllare l'alimentazione di combustibile in un impianto a turbina a gas; l'impianto comprendendo una turbina a gas, una camera di combustione alimentata con una miscela di combustibile e comburente; il metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di:
rilevare allo scarico della turbina a gas almeno un primo parametro correlato alla concentrazione di combustibile incombusto;
rilevare allo scarico della turbina a gas almeno un secondo parametro correlato all'energia specifica sviluppata dalla combustione;
calcolare una portata di combustibile da alimentare alla camera di combustione sulla base del primo parametro e del secondo parametro.
È un ulteriore scopo del trovato quello di realizzare un impianto a turbina a gas efficiente, in cui il consumo di combustibile sia ottimizzato.
In accordo con tali scopi la presente invenzione è relativa ad un impianto a turbina a gas comprendente una turbina a gas, una camera di combustione alimentata con una miscela di combustibile e comburente ed un dispositivo di controllo per controllare l'alimentazione di combustibile all'impianto a turbina a gas; il dispositivo di controllo essendo configurato per:
rilevare allo scarico della turbina a gas almeno un primo parametro correlato alla concentrazione di combustibile incombusto;
rilevare allo scarico della turbina a gas almeno un secondo parametro correlato all'energia specifica sviluppata dalla combustione;
calcolare una portata di combustibile da alimentare alla camera di combustione sulla base del primo parametro e del secondo parametro.
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 vista schematica di un impianto a turbina a gas secondo la presente invenzione;
- la figura 2 è uno schema a blocchi relativo ad un dettaglio dell'impianto di figura 1;
- la figura 3 è uno schema a blocchi relativo ad un dettaglio della figura 2;
- la figura 4 è una vista schematica di un impianto a turbina a gas in accordo ad una seconda forma di realizzazione secondo la presente invenzione;
- la figura 5 è uno schema a blocchi relativo ad un dettaglio dell'impianto di figura 4;
- la figura 6 è uno schema a blocchi relativo ad un dettaglio della figura 5.
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 un compressore 3, una camera di combustione 4, una turbina 6 a gas ed un generatore 7, il quale trasforma la potenza meccanica fornita dalla turbina 6 in potenza elettrica PEL da alimentare ad una rete elettrica 8, collegata al generatore 7 mediante un interruttore 9.
L'impianto 1 comprende, inoltre, un circuito di alimentazione 10 configurato per alimentare il combustibile alla camera di combustione 4, un gruppo di sensori 11 disposti allo scarico 12 della turbina 6 ed un dispositivo di controllo 14 per controllare l'alimentazione del combustibile alla camera di combustione 4 sulla base dei dati rilevati dal gruppo di sensori 11.
In particolare, il circuito di alimentazione 10 è provvisto di almeno una valvola di regolazione 16, la quale è comandata dal dispositivo di controllo 14 attraverso un segnale di comando Ucper alimentare alla camera di combustione 4 una portata QTOTdi combustibile, generalmente gas.
Il gruppo di sensori 11 comprende almeno un primo sensore 18 configurato per rilevare un primo parametro indicativo della quantità di combustibile incombusto ed almeno un secondo sensore 19 configurato per rilevare un parametro indicativo dell'energia specifica sviluppata dalla combustione. Qui e nel seguito per energia specifica sviluppata dalla combustione si intende la quantità di energia sviluppata dall'unità di massa della miscela combustibile-comburente nella camera di combustione 4.
Nell'esempio non limitativo qui descritto ed illustrato, il primo parametro è la concentrazione degli idrocarburi incombusti UHC presenti nel gas allo scarico 12.
Preferibilmente, il primo sensore 18 è un rivelatore a ionizzazione di fiamma (anche detto FID: Flame Ionization Detector) configurato per rilevare la concentrazione di idrocarburi incombusti nel gas analizzato. In particolare, il primo sensore 18 è configurato per rilevare la quantità di UHC (in mg) presente in un normalmetro cubo (in Nm<3>) di gas prelevato allo scarico 12 della turbina 6. Per normalmetro cubo si intende un metro cubo di gas in condizioni normali di pressione (1013 bar) e di temperatura (0° C).
Una variante non illustrata, prevede che il primo sensore 18 sia un sensore ottico in grado di rilevare la concentrazione di UHC mediante una sonda installata sul condotto di scarico della turbina 6 ed in grado di fare una misura "in situ" della concentrazione di UHC.
Nell'esempio non limitativo qui descritto ed illustrato, il secondo parametro è la concentrazione monossido di carbonio CO presente nel gas allo scarico 12 della turbina 6.
Il secondo sensore 19 è preferibilmente un rilevatore a luce infrarossa (comunemente detto NDIR: Non-Dispersive Infrared Sensor), il quale non è altro che uno spettroscopio configurato per rilevare la concentrazione di CO nel gas analizzato. In particolare, il secondo sensore 19 è configurato per rilevare la quantità di CO (in mg) presente in un normalmetro cubo (in Nm<3>) di gas prelevato allo scarico 12 della turbina 6.
Una variante non illustrata, prevede che il secondo sensore 19 sia un sensore ottico in grado di rilevare la concentrazione di CO mediante una sonda installata sul condotto di scarico della turbina 6 ed in grado di fare una misura "in situ" della concentrazione di CO.
Il dispositivo di controllo 14 è configurato per calcolare il segnale di comando Ucsulla base dei parametri rilevati dal gruppo di sensori 11. In particolare il dispositivo di controllo 14 è configurato per calcolare una portata di combustibile QTOT da alimentare alla camera di combustione sulla base del primo parametro correlato alla concentrazione di idrocarburi incombusti (UHC) e del secondo parametro correlato alla concentrazione di monossido di carbonio (CO), rilevati rispettivamente dal primo sensore 19 e dal secondo sensore 19.
Con riferimento alla figura 2, il dispositivo di controllo 14 comprende un blocco di calcolo 20 configurato per calcolare la portata minima di base QM∑NBASE, un blocco di calcolo 21 configurato per calcolare la variazione della portata minima AQMIN, un nodo sottrattone 22, un blocco di calcolo 23 configurato per calcolare un contributo di portata AQ, un nodo sommatore 24 ed un blocco di comando valvola 25 configurato per calcolare il segnale di comando
Ucsulla base di una portata di combustibile QTOT in ingresso.
Il blocco di calcolo 20 è configurato per calcolare la portata minima di base QM∑NBASE da alimentare alla camera di combustione 4 in accordo a logiche di controllo non oggetto del presente brevetto.
Il blocco di calcolo 21 è configurato per calcolare la variazione della portata minima AQMINsulla base dei parametri rilevati dal gruppo di sensori 11.
Con riferimento alla figura 3, il blocco di calcolo 21 comprende un blocco di calcolo primo errore 30, un blocco di calcolo secondo errore 31, un primo blocco di normalizzazione 32, un secondo blocco di normalizzazione 33, un primo nodo moltiplicatore 34, un secondo nodo moltiplicatore 35, un nodo sottrattore 37 ed un modulo di filtraggio 40.
In dettaglio il blocco di calcolo primo errore 30 è configurato per calcolare un primo errore tra il valore del parametro indicativo della quantità di idrocarburi incombusti UHC rilevato dal primo sensore 18 e un primo valore di riferimento UHCREF·
Il primo errore UHCERRè un parametro significativo della quantità di combustibile in eccesso e che non riesce a bruciare in camera di combustione 4.
Il primo valore di riferimento UHCREFvaria a seconda della tipologia e delle dimensioni dell'impianto 1. Nell'esempio non limitativo qui descritto ed illustrato il primo valore di riferimento UHCREFè pari a 0,2 mg/Nm<3>.
Il primo errore UHCERRviene quindi integrato e normalizzato nel primo blocco di normalizzazione 32 in modo da fornire un primo errore normalizzato UHCERR-NORMche possa essere confrontato con altri parametri. Nell'esempio non limitativo qui descritto, il primo blocco di normalizzazione 32 è configurato per convertire il primo errore UHCERRin un valore numerico (UHCERR-NORM)adimensionale compreso tra 0 e 100.
Successivamente, il primo errore normalizzato UHCERR-
NORM è alimentato al primo nodo moltiplicatore 34 per essere moltiplicato con un primo coefficiente KUHCin modo da fornire in uscita un primo errore normalizzato e pesato
UHCERR-NORM-KUHC · Il primo coefficiente KUHC ha un valore predefinito e determinato in base al peso che si intende attribuire al primo errore normalizzato UHCERR-NORM · Nell'esempio non limitativo qui descritto ed illustrato il primo coefficiente KUHCè preferibilmente pari a 1.
Il blocco di calcolo secondo errore 31 è configurato per calcolare un secondo errore COERR tra il valore del parametro indicativo della quantità di monossido di carbonio CO rilevato dal secondo sensore 19 e un secondo valore di riferimento COREF· Il secondo errore COERRè un parametro significativo dell'eccessivo raffreddamento del processo di combustione in camera di combustione 4. Il secondo valore di riferimento COREFvaria a seconda della tipologia e delle dimensioni dell'impianto 1. Preferibilmente il secondo valore di riferimento COREFè pari a 3 mg/Nm<3>.
Il secondo errore COERRviene quindi integrato e normalizzato nel secondo blocco di normalizzazione 33 in modo da fornire un secondo errore normalizzato COERR-NORM che possa essere confrontato con altri parametri. Nell'esempio non limitativo qui descritto, il secondo blocco di normalizzazione 33 è configurato per convertire il secondo errore COERRin un valore numerico (COERR-NORM)adimensionale compreso tra 0 e 100.
Successivamente, il secondo errore normalizzato COERR-
NORM è alimentato al secondo nodo moltiplicatore 35 per essere moltiplicato con un secondo coefficiente KCo in modo da fornire in uscita un secondo errore normalizzato e pesato COERR-NORM-KCO. Il secondo coefficiente KCo ha un valore predefinito e determinato in base al peso che si intende attribuire al secondo errore normalizzato COERR-NORM · Nell'esempio non limitativo qui descritto ed illustrato il secondo coefficiente KCoè preferibilmente pari a 1.
Il primo errore normalizzato e pesato UHCERR-NORM-KUHC e il secondo errore normalizzato e pesato COERR-NORM-KCO vengono alimentati al nodo sottrattore 37, il quale sostanzialmente esegue la seguente operazione:
DIFF= UHCERR-NORM-KUHC<->COERR-NORM-KCO
Il segnale differenza DIFF così ottenuto potrà quindi essere pari a zero quando si equivalgono i contributi dati dall'eccesso di combustibile e dall'eccessivo raffreddamento della combustione; positivo quando si è in presenza di eccesso di combustibile; negativo quando è dominante l'azione di raffreddamento data dall'eccesso di comburente nella miscela comburente-combustibile.
Il segnale differenza DIFF è quindi alimentato al modulo di filtraggio 40, il quale è configurato per eliminare i valori negativi del segnale differenza DIFF e per limitare i valori positivi del segnale differenza DIFF al di sotto di un valore massimo in modo da fornire la variazione della portata minima AQMINche verrà alimentata al nodo sottrattore 22 della figura 2.
Preferibilmente, il valore massimo è pari alla portata minima QMINcalcolata dal blocco di calcolo 20.
In questo modo, se il segnale differenza DIFF è pari a zero (i.e. si equivalgono i contributi dati dall'eccesso di combustibile e dall'eccessivo raffreddamento della combustione) la variazione della portata minima AQMINsarà pari a zero e, pertanto, non sarà apportata nessuna correzione al valore di portata minima QMIN·
Se, invece, il segnale differenza DIFF è negativo, la variazione della portata minima AQMINsarà pari a zero e, pertanto, non sarà apportata nessuna correzione al valore di portata minima QMIN·
Se, invece, il segnale differenza DIFF è positivo (i.e. si è in presenza di eccesso di combustibile) la variazione della portata minima AQMINsarà pari al segnale differenza DIFF se il segnale differenza DIFF è inferiore al valore massimo, mentre sarà pari al valore massimo se il segnale differenza DIFF è superiore al valore massimo.
Con riferimento alla figura 2, la variazione della portata minima AQMINè alimentata al nodo sottrattore 22, il quale esegue sostanzialmente la seguente operazione:
QMIN<=>QMIN BASE<->AQMIN
La portata minima QMINè quindi alimentata al nodo sommatore 24, il quale esegue la somma tra la portata minima QMINe il contributo di portata AQ. Il contributo di portata AQ è calcolato dal blocco di calcolo 23 in accordo a logiche di controllo non oggetto del presente brevetto e basate principalmente sulla richiesta di potenza, di velocità e di temperatura dei gas allo scarico della turbina.
In sostanza, in uscita dal nodo sommatore 24 si ha un portata di combustibile QTOT = QMIN+ AQ, la quale viene alimentata al blocco di comando valvola 25 per calcolare il segnale di comando Ucche regola il grado di apertura della valvola di regolazione 16.
Vantaggiosamente, il dispositivo di controllo 14 è configurato in modo tale da ridurre la portata di combustibile QTOT alimentata alla camera di combustione 4 quando si verifica una condizione di eccesso di combustibile rispetto a quella istantaneamente bruciabile.
In particolare, il dispositivo di controllo 14 è configurato per calcolare la quantità di combustibile che deve essere sottratta (i.e. la variazione della portata minima AQMIN) per evitare l'eccesso di combustibile e ottimizzare le prestazioni complessive dell'impianto 1.
In figura 4 è illustrata una seconda forma di realizzazione della presente invenzione in cui sono mantenuti gli stessi numeri di riferimento utilizzati per le figure 1-3 per indicare elementi simili.
Secondo tale variante, il gruppo di sensori 111 comprende, oltre al primo sensore 18 e al secondo sensore 19, anche un terzo sensore 119 configurato per rilevare un parametro indicativo della quantità di ossigeno 02presente nel gas allo scarico 12 la turbina 6.
Preferibilmente, il terzo sensore 119 è un rilevatore a luce infrarossa (comunemente detto NDIR: Non-Dispersive Infrared Sensor) , il quale non è altro che uno spettroscopio configurato per rilevare la concentrazione di CO nel gas analizzato. In particolare, il terzo sensore 119 è configurato per rilevare la quantità di CO (in mg) presente in un normalmetro cubo (in Nm<3>) di gas prelevato allo scarico 12 della turbina 6.
Con riferimento alla figura 2, il parametro indicativo della quantità di ossigeno 02presente nel gas allo scarico della turbina 6 rilevato dal terzo sensore 120 viene alimentato al dispositivo di controllo 114. Il dispositivo di controllo 114 differisce dal dispositivo di controllo 14 della prima forma di realizzazione esclusivamente per la presenza di un blocco di calcolo 121, il quale è configurato per calcolare la variazione della portata minima AQ MINsulla base dei parametri rilevati dal primo sensore 18, dal secondo sensore 19 e dal terzo sensore 119.
Con riferimento alla figura 3, il blocco di calcolo 121 differisce dal blocco di calcolo 21 sostanzialmente per la presenza, a valle del modulo di filtraggio 40, di un blocco di calcolo terzo errore 125 e di un blocco di saturazione 126.
Inoltre, in questa seconda forma di realizzazione, il valore massimo MAX del modulo di filtraggio 40 non è uguale alla portata minima di base QM∑NBASE, ma è uguale ad un valore stabilito a priori. Nell'esempio non limitativo qui descritto ed illustrato il valore massimo MAX è pari a 21. Tale valore corrisponde alla condizione limite in cui si ha assenza di combustione per eccesso di comburente.
Il blocco di calcolo terzo errore 125 è configurato per calcolare un terzo errore 02ERRtra il valore del parametro indicativo della quantità di 02rilevato dal terzo sensore 119 e il valore del segnale differenza filtrato DIFFFILTin uscita dal modulo di filtraggio 40.
Il terzo errore 02ERR è un parametro significativo dello sbilancio nel rapporto tra combustibile e comburente.
Il terzo errore 02ERR viene quindi integrato e saturato tra 0 e il valore della portata minima di base QM∑NBASE in modo da fornire in uscita la variazione della portata minima AQMINche verrà alimentata al nodo sottrattore 22 della figura 2.
Vantaggiosamente, in questa seconda forma di realizzazione viene controllato anche un parametro indicativo del rapporto combustibile-comburente (i.e. 02)al fine di ottenere una condizione ottimale in cui il processo di combustione viene mantenuto ad una temperatura ottimale e in cui la camera di combustione è alimentata con la sola quantità di combustibile che può effettivamente bruciare.
Iniettando in camera di combustione la quantità di combustibile strettamente necessaria si ottiene un miqlioramento dell'efficienza della macchina termica con risparmio di combustibile, un incremento del qradiente di carico poiché si accelera il processo di combustione del combustibile iniettato, una riduzione delle emissioni di UHC ed una riduzione delle emissioni di CO, soprattutto ai bassi carichi qrazie al controllo del raffreddamento.
Risulta infine evidente che al metodo e all'impianto qui descritti possono essere apportate modifiche e varianti senza uscire dall'ambito delle rivendicazioni alleqate.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Metodo di controllo per controllare l'alimentazione di combustibile ad un impianto a turbina a gas (1); l'impianto (1) comprendendo una turbina a gas (6) provvista di uno scarico (12), una camera di combustione (4) alimentata con una miscela di combustibile e comburente; il metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: rilevare allo scarico (12) della turbina a gas (6) almeno un primo parametro correlato alla concentrazione di combustibile incombusto (UHC) ; rilevare allo scarico (12) della turbina a gas (6) almeno un secondo parametro correlato all'energia specifica sviluppata dalla combustione (CO); calcolare una portata di combustibile (QTOT) da alimentare alla camera di combustione (4) sulla base del primo parametro (UHC) e del secondo parametro (CO).
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, comprendente la fase di calcolare un primo errore (UHCERR) tra un primo valore di riferimento (UHCREF) ed il primo parametro rilevato (UHC) ; calcolare un secondo errore (C0ERR) tra un secondo valore di riferimento (C0REF)ed il secondo parametro rilevato (CO); calcolare la portata di combustibile (QTOT) da alimentare alla camera di combustione (4) sulla base del primo errore ( UHCERR ) e del secondo errore ( COERR ) .
- 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, comprendente le fasi di: rilevare allo scarico (12) della turbina a gas (6) un terzo parametro indicativo della concentrazione di ossigeno (02); calcolare la portata di combustibile (QTOT) da alimentare alla camera di combustione (4) sulla base del terzo parametro (02).
- 4. Metodo secondo la rivendicazione 3, comprendente le fasi di: calcolare un terzo errore ( 02ERR ) tra un terzo valore di riferimento ed il terzo parametro rilevato (02); calcolare la portata di combustibile (QTOT) da alimentare alla camera di combustione (4) sulla base del terzo errore ( 02ERR ) ·
- 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, comprendente la fase di calcolare il terzo valore di riferimento sulla base del primo parametro (UHC) e del secondo parametro (CO).
- 6. Metodo secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui la fase di calcolare il terzo valore di riferimento comprende calcolare il terzo valore di riferimento sulla base del primo errore (UHCERR) e del secondo errore (C0ERR).
- 7. Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il primo parametro correlato alla concentrazione di combustibile incombusto è la concentrazione di idrocarburi incombusti (UHC) presenti nel gas allo scarico (12) della turbina a gas (6).
- 8. Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il secondo parametro correlato all'energia specifica sviluppata dalla combustione è la concentrazione di monossido di carbonio (CO) presente nel gas allo scarico (12) della turbina a gas (6).
- 9. Impianto a turbina a gas comprendente una turbina a gas (6), una camera di combustione (4) alimentata con una miscela di combustibile e comburente ed un dispositivo di controllo (14, 114) per controllare l'alimentazione di combustibile all'impianto a turbina a gas (1); il dispositivo di controllo (14, 114) essendo configurato per rilevare allo scarico (12) della turbina a gas (6) almeno un primo parametro correlato alla concentrazione di idrocarburi incombusti (UHC); rilevare allo scarico (12) della turbina a gas (6) almeno un secondo parametro correlato alla concentrazione di monossido di carbonio (CO); calcolare una portata di combustibile (QTOT) da alimentare alla camera di combustione sulla base del primo parametro (UHC) e del secondo parametro (CO).
- 10. Impianto secondo la rivendicazione 9, in cui il dispositivo di controllo (14, 114) è configurato per: calcolare un primo errore (UHCERR) tra un primo valore di riferimento (UHCREF) ed il primo parametro rilevato (UHC); calcolare un secondo errore (COERR) tra un secondo valore di riferimento (COREF) ed il secondo parametro rilevato (CO); calcolare la portata di combustibile (QTOT) da alimentare alla camera di combustione (4) sulla base del primo errore (UHCERR) e del secondo errore (COERR).
- 11. Impianto secondo la rivendicazione 9 o 10, comprendente un primo sensore (18) configurato per rilevare allo scarico (12) della turbina a gas (6) un terzo parametro indicativo della concentrazione di ossigeno (02); il dispositivo di controllo (14) essendo configurato per calcolare la portata di combustibile (QTOT) da alimentare alla camera di combustione (4) sulla base del terzo parametro (02).
- 12. Impianto secondo la rivendicazione 11, in cui il dispositivo di controllo (14) è configurato per: calcolare un terzo errore (02ERR) tra un terzo valore di riferimento ed il terzo parametro rilevato (02); calcolare la portata di combustibile (QTOT) da alimentare alla camera di combustione (4) sulla base del terzo errore (02ERR)·
- 13. Impianto secondo la rivendicazione 12, in cui il dispositivo di controllo (14) è configurato per calcolare il terzo valore di riferimento sulla base del primo parametro (UHC) e del secondo parametro (CO).
- 14. Impianto secondo la rivendicazione 13, in cui il dispositivo di controllo (14) è configurato per calcolare il terzo valore di riferimento sulla base del primo parametro (UHC) e del secondo parametro (CO).
- 15. Impianto secondo la rivendicazione 13 o 14, in cui il dispositivo di controllo (14) è configurato per calcolare il terzo valore di riferimento sulla base del primo errore (UHCERR) e del secondo errore (COERR).
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