ITMI20112018A1 - Impianto a turbina a gas per la produzione di energia elettrica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“IMPIANTO A TURBINA A GAS PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICAâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad un impianto a turbina a gas per la produzione di energia elettrica.

Negli ultimi anni, sotto la spinta di una sempre più stringente regolamentazione in fatto di emissioni di sostanze inquinanti, le tecniche di combustione si sono orientate verso l’utilizzo della cosiddetta tecnologia “lean premix†, la quale prevede l’impiego di bruciatori in cui il combustibile viene premiscelato con aria prima di essere bruciato. I bruciatori di questo tipo, quindi, sono configurati per bruciare miscele povere di combustibile.

Nelle camere di combustione di questo tipo, in cui si bruciano miscele povere di combustibile, accade spesso che, alle alte potenze, si inneschino spontaneamente delle oscillazioni acustiche (normalmente identificate con il termine †̃humming’) che si rivelano distruttive per l’integrità strutturale della camera di combustione.

Per sopprimere tali oscillazioni generalmente si provvede all’abbassamento della potenza prodotta.

In alternativa, alcune tecniche prevedono di innalzare il contenuto in percentuale di combustibile. Tale tecnica, tuttavia, ha lo svantaggio di incrementare sensibilmente le emissioni di sostanze inquinanti.

È pertanto uno scopo della presente invenzione quello di sopprimere le oscillazioni acustiche (“humming†) senza incrementare le emissioni di sostanze inquinanti.

Attualmente sono noti sistemi attivi che utilizzano valvole di alimentazione del combustibile ad apertura/chiusura veloce e sincronizzata in modo tale da ridurre le oscillazioni senza incrementare le emissioni inquinanti. Tali sistemi, tuttavia, si sono rivelati molto costosi e scarsamente affidabili per periodi di funzionamento continuato superiore alle diecimila ore.

Sono anche noti sistemi passivi che utilizzano dei risonatori integrati nei bruciatori della camera di combustione (es: risonatori di Helmoltz). Tali sistemi, tuttavia, richiedono una modifica sostanziale del lay-out dei bruciatori. Ciò complica la realizzazione dei bruciatori ed impedisce di applicare questa soluzione durante le attività di manutenzione dell’impianto (“service†).

È pertanto uno scopo della presente invenzione quello di realizzare un impianto a turbina a gas per la produzione di energia elettrica in cui le oscillazioni acustiche in camera di combustione siano ridotte e che, al contempo, sia affidabile, semplice da realizzare e in grado di rispettare i limiti di legge relativi alle emissioni delle sostanze inquinanti.

In accordo con tali scopi la presente invenzione à ̈ relativa ad un impianto a turbina a gas per la produzione di energia elettrica comprendente:

una camera di combustione provvista di una camera interna in cui avviene la combustione e di almeno un gruppo bruciatore affacciato sulla camera interna e alimentato con una miscela di gas e aria;

una sorgente di radiazioni elettromagnetiche a radiofrequenza configurata per irradiare la camera interna con radiazioni elettromagnetiche a radiofrequenza.

Vantaggiosamente, l’irradiamento della camera interna con radiazioni elettromagnetiche a radiofrequenza determina una riduzione delle oscillazioni acustiche (humming) senza incrementare le emissioni di sostanze inquinanti.

Le radiazioni elettromagnetiche a radiofrequenza generate dalla sorgente di radiazioni interagiscono con la fiamma che si estende all’uscita del gruppo bruciatore determinando un aumento della velocità di fiamma. Qui e nel seguito con il termine velocità di fiamma si intende la velocità con cui la fiamma si propagherebbe in un fluido fermo.

Nella fiamma à ̈, infatti, presente un piccolo numero di elettroni liberi. Ciascun elettrone libero assorbe una rispettiva frazione della potenza della radiazione elettromagnetica incidente sulla fiamma. Tale potenza viene poi ceduta dagli elettroni durante le collisioni.

La potenza così dissipata può indurre un riscaldamento della fiamma oppure un cambiamento della cinetica delle reazioni chimiche che avvengono nella fiamma. In entrambi i casi si assiste ad un aumento della velocità della fiamma senza che le emissioni di sostanze inquinanti subiscano un innalzamento.

L’incremento della velocità della fiamma e della temperatura della fiamma ha come effetto principale la riduzione significativa delle oscillazioni acustiche responsabili dell’humming.

Il fenomeno dell’humming, infatti, insorge quando sono in fase le oscillazioni della potenza di combustione e le oscillazioni di pressione della fiamma. Tale fase dipende dalla forma della fiamma, la quale a sua volta dipende dalla velocità di fiamma per un determinato campo di moto del fluido.

Inoltre, la potenza delle oscillazioni acustiche nella camera di combustione à ̈ alimentata dalle reazioni esoenergetiche che avvengono nella combustione.

In accordo al principio di Le Chatelier, qualunque azione volta a riscaldare dall’esterno una fiamma tende a favorire le reazioni endoenergetiche a scapito di quelle esoenergetiche.

Pertanto, l’azione di riscaldamento della fiamma mediante irradiamento con radiazioni elettromagnetiche a radio frequenza tende a sopprimere l’humming.

Inoltre, la potenza della radiazione elettromagnetica a radiofrequenza viene assorbita solamente nella zona più calda del gas presente nella camera di combustione, cioà ̈ proprio sulla fiamma.

Secondo una preferita forma di realizzazione della presente invenzione, l’impianto comprende mezzi di rilevamento configurati per rilevare almeno una prima frequenza delle oscillazioni acustiche che occorrono nella camera interna e mezzi di regolazione configurati per regolare una seconda frequenza delle radiazioni elettromagnetiche a radiofrequenza irradiate dalla sorgente di radiazioni elettromagnetiche sulla base della prima frequenza delle oscillazioni acustiche rilevate.

In questo modo la frequenza delle radiazioni elettromagnetiche che irradiano la camera interna viene regolata in modo da ottimizzare la riduzione dell’humming.

In particolare, i mezzi di regolazione sono configurati per regolare la seconda frequenza in modo tale che la seconda frequenza sia sostanzialmente identica alla prima frequenza.

In questo modo, le radiazioni elettromagnetiche a radio frequenza sono sincronizzate con le oscillazioni acustiche nella camera di combustione in modo da massimizzare l’assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche quando la temperatura di fiamma à ̈ massima.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue di un suo esempio non limitativo di attuazione, con riferimento alle figure dei disegni annessi, in cui:

– la figura 1 à ̈ una vista schematica di un impianto a turbina a gas secondo la presente invenzione;

– la figura 2 à ̈ un diagramma relativo al funzionamento di un dettaglio dell’impianto della figura 1;

– la figura 3 à ̈ una vista laterale, con parti in sezione e parti asportate per chiarezza, di un dettaglio dell’impianto di figura 1.

In figura 1 Ã ̈ 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 da alimentare ad una rete elettrica 8, collegata al generatore 7 mediante un interruttore 9.

L’impianto 1 comprende inoltre un dispositivo di attenuazione humming 10, il quale comprende una sorgente di radiazioni elettromagnetiche 11 a radiofrequenza, un dispositivo di controllo 12 ed un gruppo di sensori 13.

La sorgente di radiazioni elettromagnetiche 11 Ã ̈ configurata per irradiare la camera di combustione 4 con radiazioni elettromagnetiche a radiofrequenza.

In particolare, la sorgente di radiazioni elettromagnetiche 11 comprende un generatore 15 configurato per generare radiazioni elettromagnetiche, almeno una antenna 16 configurata per irradiare radiazioni elettromagnetiche, ed almeno un cavo di alimentazione 17 a radiofrequenza, configurato per alimentare le radiazioni elettromagnetiche generate dal generatore 15 all’antenna 16.

Preferibilmente, il generatore 15 Ã ̈ un tubo a vuoto di tipo a elettroni liberi (generalmente detto klystron) configurato per generare radiazioni elettromagnetiche a radio frequenza (RF).

In particolare, il generatore 15 Ã ̈ configurato per generare radiazioni elettromagnetiche con frequenze comprese tra 3-4 GHz, ed in particolare di 3,7 GHz.

Con riferimento al diagramma di figura 2, il generatore 15 Ã ̈ configurato per generare treni di impulsi ad una determinata frequenza F=1/T.

Come vedremo in dettaglio più avanti, i treni di impulsi sono generati dal generatore 15 con una frequenza F=1/T preferibilmente identica alla frequenza Fhum delle oscillazioni acustiche che occorrono nella camera di combustione 4 in modo da ottimizzare la riduzione dell’humming.

Ciascun treno di impulsi ha una durata totale tD. Preferibilmente, la durata tD Ã ̈ inferiore ad un tempo di attraversamento tA inteso come il tempo che impiega la miscela aria-combustibile ad attraversare la fiamma.

In questo modo si evita che il moto della miscela che attraversa la fiamma trascini al di fuori della fiamma la potenza dissipata all’interno della fiamma a seguito dell’irradiamento con radiazioni elettromagnetiche a radiofrequenza.

Nell’esempio non limitativo qui descritto ed illustrato, il tempo di attraversamento tA à ̈ pari a circa un 1 millisecondo.

Ciascun treno di impulsi può comprendere più di un impulso.

Ciascun impulso ha potenza P e durata t1.

All’interno di uno stesso treno di impulsi, gli impulsi si susseguono a intervalli di tempo regolari aventi durata t2.

Ciascun treno di impulsi à ̈ separato dal successivo da un intervallo di tempo t3 avente una durata tale da soddisfare la seguente relazione:

tD = T – t3

Il numero totale di impulsi N in un treno di impulsi à ̈ calcolabile in accordo alla seguente relazione:

N = (tD+t2)/(t1+t2)

La potenza P di ciascun impulso à ̈ preferibilmente la massima potenza generabile dal generatore 15, compatibilmente con le esigenze di raffreddamento dell’antenna 16.

La potenza media Pm di ciascun treno di impulsi à ̈ calcolabile mediante la seguente relazione:

Pm = P .t1.N/tD

L’entità della riduzione delle oscillazioni acustiche (humming) dipende dalla potenza media Pm di ciascun treno di impulsi. In particolare, la potenza media Pm cresce al crescere dell’ampiezza delle oscillazioni acustiche.

Durante l’irradiamento, la fiamma assorbe solamente una piccola frazione della potenza irradiata dalla sorgente di radiazioni 11. Pertanto, la sorgente di radiazioni 11 dissipa una potenza Pdiss calcolabile, in modo approssimato, in accordo alla seguente relazione:

Pdiss = Pm . tD /(tD+t3)

Preferibilmente, viene definito un valore massimo ammissibile di potenza dissipata Pdiss calcolato in base al sistema di raffreddamento a disposizione per la sorgente di radiazioni elettromagnetiche 11. Minore à ̈ il valore della potenza dissipata Pdiss minore à ̈ la necessità di disporre di sistemi di raffreddamento specifici di difficile e costosa realizzazione.

Per questi motivi la potenza dissipata Pdiss viene preferibilmente controllata al fine di garantire un funzionamento regolare dell’impianto 1.

Con riferimento alla figura 1, il gruppo di sensori 13 à ̈ configurato per rilevare la presenza delle oscillazioni acustiche (humming) e per rilevare l’ampiezza delle oscillazioni acustiche nella camera di combustione 4. In particolare, il gruppo di sensori 13 comprende sensori di pressione.

Il gruppo di sensori 13 raccoglie ed invia i dati di pressione acquisiti al dispositivo di controllo 12.

Il dispositivo di controllo 12 à ̈ configurato per attivare il generatore 15 mediante un segnale di attivazione UATT qualora il gruppo di sensori 13 abbia rilevato valori superiori ad un valore di soglia predeterminato e per determinare i parametri necessari a definire la durata e l’ampiezza degli impulsi che il generatore 15 deve generare per ridurre le oscillazioni acustiche.

In particolare, il dispositivo di controllo 12 à ̈ configurato per calcolare, sulla base dei dati provenienti dal gruppo di sensori 13, la frequenza Fhum e il periodo Thum delle oscillazioni acustiche nella camera di combustione 4 e la potenza media Pm di ciascun treno di impulsi necessaria per ridurre le oscillazioni acustiche (humming). In particolare, la potenza media Pm viene calcolata sulla base dell’ampiezza delle oscillazioni acustiche rilevate.

Sulla base della potenza media Pm così calcolata e sulla base del periodo Thum, il dispositivo di controllo 12 determina i valori di t1, t2 e t3 e del periodo T, il quale à ̈ preferibilmente identico al periodo Thum delle oscillazioni acustiche.

Nell’esempio non limitativo qui descritto ed illustrato, valori dei parametri così calcolati sono: T=10 millisecondi, t1=33 microsecondi, t2=450 microsecondi, t3=9 millisecondi, tD=1 millisecondo, N=3, P=1 MW, Pm=100 kW, Pdiss=10 kW.

Il valore del periodo T, della potenza media Pm e dei tempi t1, t2, t3 determinati dal dispositivo di controllo 12 vengono quindi alimentati alla sorgente di radiazioni elettromagnetiche a radiofrequenza 11.

La sorgente di radiazioni elettromagnetiche a radiofrequenza 11 genera, quindi, i treni di impulsi in accordo ai dati in ingresso Pm, t1, t2, t3 e T in ingresso.

In questo modo, il treno di impulsi generato dal generatore 15 à ̈ sincronizzato con le oscillazioni acustiche nella camera di combustione 4 in modo da massimizzare l’assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche quando la temperatura di fiamma à ̈ massima.

In figura 3 Ã ̈ illustrata una porzione della camera di combustione 4.

Nell’esempio non limitativo qui descritto ed illustrato, la camera di combustione 4 à ̈ provvista di una camera interna 20, in cui avviene la combustione, di una camera esterna 21 (detta anche plenum), in cui fluisce aria compressa proveniente dal compressore 3, e di almeno un gruppo bruciatore 22, il quale affaccia nella camera interna 20 ed à ̈ alimentato con combustibile e con l’aria che fluisce nella camera esterna 21.

Preferibilmente, il gruppo bruciatore 22 Ã ̈ provvisto di un bruciatore premix ed un bruciatore pilota (non visibili nella figura 3 allegata).

La camera interna 20 à ̈ rivestita con una pluralità di mattonelle 24 di forma sostanzialmente rettangolare e disposte in colonne adiacenti. Le mattonelle 24 sono realizzate in materiale refrattario, trasparente alle radiazioni elettromagnetiche a radio frequenza.

L’antenna 16 à ̈ preferibilmente installata dietro ad una della pluralità di mattonelle 24.

In particolare, l’antenna 16 ha sostanzialmente le dimensioni della mattonella 24 a cui à ̈ accoppiata, ed à ̈ pertanto rettangolare.

In tale configurazione, la mattonella 24 a cui à ̈ accoppiata l’antenna 16 e le mattonelle 24 ad essa adiacenti proteggono termicamente l’antenna 16, garantendone la durata nel tempo.

Una seconda forma di realizzazione non illustrata nelle figure allegate, prevede che l’antenna 16 venga posizionata a ridosso del bruciatore pilota del gruppo bruciatore 22.

In uso, se il gruppo di sensori 13 rileva parametri aventi valori superiori al valore di soglia predefinito, il generatore 15 viene attivato dal dispositivo di controllo 12 attraverso il segnale UATT.

Il generatore 15 genera quindi un treno di impulsi ad una frequenza F pari alla frequenza Fhum delle oscillazioni acustiche rilevate nella camera di combustione 4 e in accordo alle durate t1, t2, t3 e alla potenza media Pm definiti dal dispositivo di controllo 12.

L’antenna 16 irradia la camera interna 21 con le radiazioni elettromagnetiche generate dal generatore 15.

Le radiazioni elettromagnetiche interagiscono con la fiamma che si estende all’uscita del gruppo bruciatore 22 determinando un aumento della velocità di fiamma.

Come già detto in precedenza, l’incremento della velocità della fiamma e della temperatura della fiamma ha come effetto principale la riduzione significativa delle oscillazioni acustiche responsabili dell’humming.

Pertanto, nell’impianto realizzato in accordo alla presente invenzione si ha una riduzione significativa dell’humming senza necessariamente richiedere un aumento della percentuale di combustibile da alimentare al gruppo bruciatore 22 e, pertanto, senza incrementare le emissioni di sostanze inquinanti.

La riduzione delle oscillazioni acustiche (humming) determina una riduzione significativa dei costi di manutenzione. Per effettuare le operazioni di riparazione dei danni causati dall’humming, infatti, l’impianto 1 viene spento e la produzione di energia viene interrotta per il tempo necessario ad eseguire le operazioni di riparazione.

Inoltre, le radiazioni elettromagnetiche a radio frequenza impiegate nella presente soluzione hanno intensità tali da non indurre fenomeni elettrici pericolosi, quali gli archi elettrici o gli effetti corona all’interno della camera di combustione 4.

Un ulteriore vantaggio della presente invenzione risiede nel fatto che l’alimentazione dell’antenna 16 à ̈ pulsata.

Innanzitutto, l’alimentazione pulsata consente di regolare la frequenza delle radiazioni elettromagnetiche a radio frequenza in modo tale da massimizzarne l’assorbimento nella fiamma.

L’alimentazione pulsata consente inoltre di erogare valori di picco della potenza a radiofrequenza molto alti, con conseguente maggior effetto stabilizzante sulla fiamma, e mantenendo al contempo un livello di potenza media sufficientemente basso da non richiedere l’impiego di sistemi di raffreddamento del generatore 15 e dell’antenna 16 di difficile e costosa realizzazione.

Oltretutto, i valori relativamente modesti della potenza richiesta dal generatore non alterano significativamente il bilancio energetico dell’impianto.

Infine, la compattezza del dispositivo di attenuazione humming 10 consente l’installazione anche su impianti già esistenti. Le dimensioni lineari dell’antenna 16 e del generatore 15 sono infatti circa di 20 cm e 1 m rispettivamente ed il generatore 15 può essere installato all’esterno della camera di combustione 4.

Risulta infine evidente che all’apparato e al metodo qui descritti possono essere apportate modifiche e varianti senza uscire dall’ambito delle rivendicazioni allegate.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Impianto a turbina a gas per la produzione di energia elettrica comprendente: - una camera di combustione (4) provvista di una camera interna (20) in cui avviene la combustione e di almeno un gruppo bruciatore (22) affacciato sulla camera interna (21) e alimentato con una miscela di gas e aria; - una sorgente di radiazioni elettromagnetiche (11) a radiofrequenza configurata per irradiare la camera interna (21) con radiazioni elettromagnetiche a radiofrequenza.
2. 2. Impianto secondo la rivendicazione 1, comprendente mezzi di rilevamento (13) configurati per rilevare almeno una prima frequenza (Fhum) di oscillazioni acustiche che occorrono nella camera interna (21) e mezzi di regolazione (12) configurati per regolare una seconda frequenza (F) delle radiazioni elettromagnetiche a radiofrequenza irradiate dalla sorgente di radiazioni elettromagnetiche (11) sulla base della prima frequenza (Fhum) delle oscillazioni acustiche rilevate.
3. 3. Impianto secondo la rivendicazione 2, in cui i mezzi di regolazione (12) sono configurati per regolare la secradiazione frequenza (F) in modo tale che la seconda frequenza (F) sia sostanzialmente identica alla prima frequenza (Fhum).
4. 4. Impianto secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui i mezzi di rilevamento (13) sono configurati per rilevare almeno una ampiezza delle oscillazioni acustiche che occorrono nella camera interna (21) ed i mezzi di regolazione (12) sono configurati per regolare una potenza media (Pm) associata alle radiazioni elettromagnetiche a radiofrequenza sulla base dell’ampiezza delle oscillazioni acustiche rilevate.
5. 5. Impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 4, in cui la sorgente di radiazioni elettromagnetiche (11) a radiofrequenza comprende un generatore (15) configurato per generare treni di impulsi alla seconda frequenza (F); i treni di impulsi essendo associati ad una potenza media (Pm); ciascun impulso del treno di impulsi essendo associato ad una potenza (P).
6. 6. Impianto secondo la rivendicazione 5, in cui ciascun treno di impulsi comprende un numero di impulsi (N) determinato in base alla potenza media (Pm) e alla potenza (P) associata a ciascun impulso.
7. 7. Impianto secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui ciascun treno di impulsi comprende una pluralità di impulsi aventi una prima durata (t1); i mezzi di regolazione (12) essendo configurati per determinare la prima durata (t1) di ciascun impulso sulla base della potenza media (Pm).
8. 8. Impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 7, in cui ciascun treno di impulsi comprende una pluralità di impulsi che si susseguono ad intervalli di tempo regolari aventi una seconda durata (t2); i mezzi di regolazione (12) essendo configurati per determinare la seconda durata (t2) sulla base della potenza media (Pm).
9. 9. Impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 8, in cui ciascun treno di impulsi à ̈ separato dal treno di impulsi successivo da un intervallo di tempo avente una terza durata (t3); i mezzi di regolazione (12) essendo configurati per determinare la terza durata (t3) sulla base della potenza media (Pm).
10. 10. Impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 9, in cui ciascun treno di impulsi ha una durata totale (tD); la durata totale (tD) essendo inferiore al tempo di attraversamento (tA) inteso come il tempo che impiega la miscela aria-combustibile ad attraversare la fiamma.
11. 11. Impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 10, in cui la sorgente di radiazioni elettromagnetiche (11) comprende un’antenna (16) collegata al generatore (15) e disposta in modo tale da irradiare la camera interna (21).
12. 12. Impianto secondo la rivendicazione 11, in cui l’antenna (16) à ̈ accoppiata ad una mattonella (24) di una pluralità di mattonelle (24) che rivestono la camera interna (21).
13. 13. Impianto secondo la rivendicazione 12, in cui l’antenna (16) ha sostanzialmente le dimensioni della mattonella (24) a cui à ̈ accoppiata.
14. 14. Impianto secondo la rivendicazione 11, in cui l’antenna (16) à ̈ accoppiata ad un bruciatore pilota del gruppo bruciatore (22) della camera di combustione (4).