ITVI20110132A1 - Sistema di riscaldamento di un gas in sistemi di riduzione della pressione del gas e metodo atto a realizzare tale riscaldamento. - Google Patents

Sistema di riscaldamento di un gas in sistemi di riduzione della pressione del gas e metodo atto a realizzare tale riscaldamento. Download PDF

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ITVI20110132A1
ITVI20110132A1 IT000132A ITVI20110132A ITVI20110132A1 IT VI20110132 A1 ITVI20110132 A1 IT VI20110132A1 IT 000132 A IT000132 A IT 000132A IT VI20110132 A ITVI20110132 A IT VI20110132A IT VI20110132 A1 ITVI20110132 A1 IT VI20110132A1
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Francesco Jamoletti
Angelo Mapelli
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Francesco Jamoletti
Angelo Mapelli
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Description

DESCRIZIONE
“SISTEMA DI RISCALDAMENTO DI UN GAS IN SISTEMI DI RIDUZIONE DELLA PRESSIONE DEL GAS E METODO ATTO A REALIZZARE TALE RISCALDAMENTO†di
CAMPO TECNICO DELL’INVENZIONE
La presente invenzione riguarda un sistema di riscaldamento di un gas in sistemi di riduzione della pressione del gas in condotta.
La presente invenzione riguarda altresì un metodo di riscaldamento di un gas in sistemi di riduzione della pressione del gas in condotta.
DESCRIZIONE DELLO STATO DELLA TECNICA
E’ noto l’impiego di reti di distribuzione per la distribuzione di gas tra punti geografici remoti, in particolare la distribuzione di gas combustibile da una sorgente erogatrice alle diverse utenze, industriali o civili.
Tali reti vengono realizzate mediante una pluralità di condotte all’interno delle quali scorre il gas da distribuire.
Secondo la tecnica nota, il gas viene erogato a partire da una sorgente all’interno di una linea primaria di trasporto ad una predeterminata pressione, che varia tipicamente tra valori compresi tra i 12 ed i 74 bar.
Lungo la linea di distribuzione vengono poi previste delle unità di regolazione e misura, dette anche cabine di primo salto, con lo scopo di realizzare il collegamento fisico tra la linea primaria di trasporto e la linea che raggiunge l’utenza. Uno scopo primario di tali unità à ̈ quello di effettuare una decompressione del gas, portandolo dalla suddetta pressione di erogazione ad una pressione di valore ridotto per l’utenza, vale a dire a valori di pressione compresi tipicamente tra i 1,5 ed i 5 bar e fino a 12 bar in talune applicazioni.
Tale regolazione avviene tramite appositi regolatori di pressione.
Come noto, poi, all’interno delle suddette unità à ̈ prevista una fase di riscaldamento del gas naturale proveniente dalla linea primaria per evitare che la sua temperatura, a valle della riduzione di pressione e per effetto dell’espansione, scenda a valori inferiori ai 0°C. Il gas naturale, infatti, contiene una piccolissima percentuale di acqua che si ghiaccerebbe creando problemi alla strumentazione ed al regolatore di pressione dell’unità. Pertanto, la temperatura del gas in uscita dalle dette unità à ̈ mantenuto preferibilmente ad un valore ottimale sopra lo zero, e vantaggiosamente intorno ai 6°C.
Durante la fase di riscaldamento, una certa quantità di energia termica viene pertanto ceduta al gas naturale che proviene dalla linea primaria. Tipicamente tale fase di riscaldamento avviene mediante appositi impianti con scambiatori di calore a fascio tubiero acqua/gas alimentati da acqua preriscaldata con caldaie a gas metano.
Gli scambiatori a fascio tubiero acqua/gas cedono energia sotto forma di calore al gas naturale in transito.
Il circuito di preriscaldamento dell’acqua à ̈ costituito preferibilmente da una o più caldaie per la produzione di acqua calda, preferibilmente con sistema di alimentazione a termopila, da una serie di saracinesche per intercettazione, da uno o più vasi di espansione aperti, da uno o più circolatori posti nella mandata del circuito dell’acqua calda, da due o più scambiatori acqua/gas e dalle tubazioni di collegamento. Il gas naturale viene preriscaldato, come detto, prima della riduzione della sua pressione.
A valle dei regolatori di pressione che realizzano la riduzione di pressione viene misurata la temperatura del gas a mezzo di un termostato di condotta. Il termostato di condotta controlla la temperatura del gas in uscita e comanda l’accensione e lo spegnimento delle caldaie o l’accensione e lo spegnimento dei circolatori. La temperatura di preriscaldo del circuito di acqua calda viene impostata in modo manuale tramite i termostati presenti sulle caldaie. Tramite il termostato di condotta, pertanto, si comanda l’accensione e lo spegnimento delle caldaie e/o dei circolatori. La temperatura dell’acqua del circuito di preriscaldo si trova ad un valore fisso che viene impostato manualmente da un operatore agendo in regolazione sui termostati della caldaia. Il valore della temperatura dell’acqua viene impostato pertanto a tale valore fisso indipendentemente dall’effettiva richiesta di energia di riscaldamento del gas.
Il sistema di riscaldamento per le unità di riduzione del gas di tipo noto presenta tuttavia alcuni inconvenienti.
Un primo inconveniente à ̈ costituito dal fatto che questo sistema, pur essendo controllato da un termostato di condotta, genera un continuo innalzamento ed abbassamento della temperatura del gas in uscita dall’unità. Tale temperatura si discosta dal valore ottimale di 6°C tanto più la temperatura dell’acqua delle caldaie differisce, in eccesso, rispetto un valore minimo ottimale e sufficiente al riscaldamento del gas. L’operatore che imposta i termostati delle caldaie, infatti, in base alle proprie esperienze eccede normalmente nell’impostare il valore dell’acqua calda delle caldaie rispetto al valore minimo di temperatura ottimale. Questo per evitare eventuali problemi in condizioni di funzionamento particolarmente gravose, come ad esempio nei periodi invernali. Ciò genera elevati sprechi energetici per l’unità di riduzione della pressione.
Un altro inconveniente della tecnica nota à ̈ legato al rilevamento della temperatura del gas in uscita. Nelle ore di minor consumo e soprattutto durante le ore notturne del periodo invernale quando le portate sono irrisorie, il termostato di condotta misura la temperatura ambiente e non quella del gas in transito, in quanto l’assenza di portata non genera flusso di gas, che à ̈ praticamente fermo all’interno della condotta. Per effetto di quanto sopra descritto il termostato di condotta dà inutilmente il consenso per il riscaldamento dell’acqua delle caldaie, con un ulteriore spreco di energia per l’unità.
E’ scopo della presente invenzione superare almeno in parte gli inconvenienti dell’arte nota.
E’ in particolare uno scopo dell’invenzione quello di realizzare un sistema di riscaldamento del gas in impianti di riduzione della pressione del gas con un rendimento energetico migliore rispetto ai sistemi di tipo noto.
E’ un altro scopo dell’invenzione quello di realizzare un sistema di riscaldamento del gas in un impianto di riduzione della pressione del gas che garantisca un valore di temperatura del gas in uscita più stabile rispetto ai sistemi di tipo noto.
E’ un ulteriore scopo dell’invenzione quello di ottimizzare l’energia termica impiegata nei sistemi di riscaldamento delle cabine di prima ricezione e di riduzione della pressione.
SOMMARIO DELLA PRESENTE INVENZIONE
La presente invenzione si basa sulla considerazione generale di realizzare un sistema di riscaldamento di un gas in un sistema di riduzione della pressione in cui la potenza termica di riscaldamento del gas à ̈ controllata sulla base della portata istantanea rilevata del gas dopo la riduzione della pressione. Secondo una prima forma di realizzazione, la presente invenzione ha per oggetto un sistema di riscaldamento di un gas secondo la rivendicazione 1, vale a dire un sistema di riscaldamento di un gas applicabile ad un gas in transito tra una condotta di ingresso ed una condotta di uscita, in cui la pressione di detto gas in detta condotta di ingresso à ̈ superiore alla pressione di detto gas in detta condotta di uscita, comprendente:
- mezzi di generazione di potenza termica per il riscaldamento di detto gas tra detta condotta di ingresso e detta condotta di uscita;
- mezzi di controllo di detti mezzi di generazione di potenza termica;
detto sistema comprendendo mezzi di rilevazione della portata di detto gas in detta condotta di uscita connessi a detti mezzi di controllo di detti mezzi di generazione di potenza termica.
In una forma preferita di realizzazione il sistema comprende mezzi di rilevazione della temperatura del gas nella condotta di uscita connessi ai mezzi di controllo dei mezzi di generazione di potenza termica.
Preferibilmente i mezzi di generazione di potenza termica comprendono mezzi di riscaldamento di un fluido di riscaldamento e mezzi scambiatori di energia termica tra il fluido di riscaldamento ed il gas.
Vantaggiosamente, i mezzi di controllo comprendono mezzi di controllo della temperatura del fluido di riscaldamento. I mezzi di generazione di potenza termica comprendono, preferibilmente, una linea di mandata del fluido tra i mezzi di riscaldamento ed i mezzi scambiatori ed una linea di ritorno del fluido tra i mezzi scambiatori ed i mezzi di riscaldamento.
In una forma preferita di realizzazione il sistema comprende mezzi di rilevazione della temperatura del fluido in detta linea di mandata.
In un’altra forma preferita di realizzazione il sistema comprende mezzi di rilevazione della temperatura del fluido nella linea di ritorno.
Preferibilmente, i mezzi di riscaldamento comprendono una caldaia di produzione di acqua calda.
I mezzi scambiatori comprendono, preferibilmente, uno scambiatore a fascio tubiero.
Vantaggiosamente, i mezzi di rilevazione della portata del gas comprendono un contatore del gas operativamente connesso ad un correttore di volumi atto a produrre in uscita il valore della portata del gas.
Preferibilmente i mezzi di controllo comprendono una unità PLC
In un suo secondo aspetto la presente invenzione ha per oggetto un impianto secondo la rivendicazione 7, vale a dire un impianto di riduzione della pressione di un gas tra una condotta di ingresso ed una condotta di uscita comprendente mezzi di riduzione della pressione tra detta condotta di ingresso e detta condotta di uscita, rimpianto comprendendo un sistema di riscaldamento come descritto sopra.
In un suo terzo aspetto la presente invenzione ha per oggetto un metodo secondo la rivendicazione 8, vale a dire un metodo di riscaldamento di un gas in transito tra una condotta di ingresso ed una condotta di uscita, in cui la pressione di detto gas in detta condotta di ingresso à ̈ superiore alla pressione di detto gas in detta condotta di uscita, comprendente la fase di riscaldare detto gas tra detta condotta di ingresso e detta condotta di uscita;
in cui detta fase di riscaldare detto gas à ̈ controllata sulla base della portata di detto gas in detta condotta di uscita.
Preferibilmente la fase di riscaldare il gas à ̈ controllata sulla base della temperatura del gas nella condotta di uscita.
In una forma preferita di realizzazione dell’invenzione la fase di riscaldare il gas comprende una fase di riscaldamento di un fluido ed una fase di scambio dell’energia termica del fluido con il gas.
Vantaggiosamente la temperatura del fluido nella fase di riscaldamento à ̈ controllata sulla base della portata del gas nella condotta di uscita.
Preferibilmente la temperatura del fluido nella fase di riscaldamento del fluido à ̈ controllata sulla base della temperatura del gas nella condotta di uscita.
Più preferibilmente, la temperatura del fluido nella fase di riscaldamento del fluido à ̈ controllata sulla base dello scostamento della temperatura del gas nella condotta di uscita rispetto ad una temperatura di riferimento prescelta.
L’energia termica impiegata nella fase di riscaldamento del gas viene calcolata preferibilmente sulla base dell’efficienza del sistema che realizza il riscaldamento.
Preferibilmente il valore di efficienza à ̈ un valore stimato. Vantaggiosamente il metodo comprende fasi di ricalcolo del valore stimato di efficienza verso un valore efficienza reale del sistema di riscaldamento.
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE
Ulteriori vantaggi, obiettivi e caratteristiche nonché forme di realizzazione della presente invenzione sono definiti nelle rivendicazioni e saranno chiariti nel seguito per mezzo della descrizione seguente, nella quale à ̈ fatto riferimento alle tavole di disegno allegate; nei disegni, caratteristiche e/o parti componenti corrispondenti o equivalenti della presente invenzione sono identificate dagli stessi numeri di riferimento. In particolare, nelle figure:
- la figura 1 mostra uno schema di funzionamento di un impianto secondo una preferita forma di realizzazione dell’invenzione;
- la figura 2 rappresenta un impianto secondo una preferita forma di realizzazione dell’invenzione;
- la figura 3 rappresenta uno schema a blocchi semplificato delle operazioni di un metodo secondo una preferita forma di realizzazione dell’invenzione implementato nell’impianto di figura 2;
- la figura 4 mostra in dettaglio alcune operazioni dello schema a blocchi di figura 3;
- la figura 5 mostra in dettaglio alcune operazioni dello schema a blocchi di figura 3;
- la figura 6 mostra una variante realizzativa dell’impianto di figura 2.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLA PRESENTE
INVENZIONE.
Nonostante la presente invenzione venga descritta nel seguito con riferimento alle sue forme di realizzazione rappresentate nelle tavole di disegno, la presente invenzione non à ̈ limitata alle forme di realizzazione descritte nel seguito e rappresentate nelle tavole. Al contrario, le forme di realizzazione descritte e rappresentate chiariscono alcuni aspetti della presente invenzione, lo scopo della quale à ̈ definito dalle rivendicazioni.
L’impianto dell’invenzione descritto nel seguito si à ̈ rivelato particolarmente adatto per la riduzione della pressione del gas nella rete di distribuzione di gas naturale alle utenze di tipo industriale e/o civili.
E’ da intendersi, tuttavia, che il concetto inventivo può essere esteso a qualsiasi tipo di impianto in cui à ̈ prevista la riduzione della pressione di un gas.
In figura 1 à ̈ mostrato lo schema di principio di un impianto 1 di riduzione della pressione del gas, secondo la forma preferita di realizzazione dell’invenzione.
In figura 2 Ã ̈ mostrato un impianto 1 di riduzione della pressione del gas in accordo con quanto rappresentato nello schema di figura 1.
L’impianto 1 à ̈ impiegato nella riduzione del gas naturale proveniente da una condotta principale 2 e distribuito verso una condotta di uscita 3.
L’impianto 1 costituisce sostanzialmente una unità di regolazione e misura, detta anche cabina di primo salto, in cui la condotta principale 2 costituisce la linea primaria di trasporto del gas naturale e la condotta di uscita 3 costituisce la linea verso l’utenza.
La condotta principale 2 e la condotta di uscita 3 sono intercettate da rispettive valvole di apertura/chiusura 2a e 3a. La condotta principale 2 costituisce la linea primaria di trasporto del gas naturale che si trova ad una predeterminata pressione Pi,gas, che varia tipicamente tra i 12 ed i 74 bar, ed ad una predeterminata temperatura Ti,gas, che varia tipicamente tra i 5°C ed i 20°C e con valori medi intorno ai 5°C. La condotta di uscita 3 costituisce la linea verso l’utenza, con valori di pressione Pu,gasdel gas compresi tipicamente tra i 1,5 ed i 5 bar, e fino a 12 bar in talune applicazioni, ed ad una predeterminata temperatura Tu>gas, che varia tipicamente tra i 5°C ed i 15°C. Più preferibilmente, come vedremo anche in seguito, la temperatura Tu,gasin uscita del gas à ̈ mantenuta a valori il più possibile intorno ai 6°C.
Tra la condotta principale 2 e la condotta di uscita 3 si individuano mezzi di riscaldamento del gas 4 e mezzi di riduzione della pressione del gas 5. I mezzi di riscaldamento del gas 4 sono disposti a monte dei mezzi di riduzione della pressione del gas 5.
I mezzi di riduzione della pressione del gas 5 comprendono, preferibilmente, regolatori di pressione a pilotati.
I mezzi di riscaldamento 4, meglio visibili in figura 2, comprendono preferibilmente uno scambiatore a fascio tubiero acqua/gas 6 connesso ad una caldaia 7 per la produzione di acqua calda.
A monte della scambiatore 6 à ̈ disposto un filtro 13, atto a togliere le impurità contenute nel gas naturale per la salvaguardia delle apparecchiature di regolazione e misura. La caldaia 7 preferibilmente à ̈ del tipo a basamento con un sistema di alimentazione a termopila.
La caldaia 7 comprende preferibilmente un termostato 7a di controllo della temperatura dell’acqua riscaldata che à ̈ collegato in serie al termostato digitale presente tipicamente nella caldaia 7.
Tra la caldaia 7 e lo scambiatore 6 à ̈ presente una linea di mandata 8 che porta acqua calda dalla caldaia 7 allo scambiatore 6 ed una linea di ritorno 9 che porta l’acqua raffreddata dallo scambiatore 6 alla caldaia 7.
Alla linea di mandata 8 à ̈ connesso un vaso di espansione 12, atto a compensare le variazioni di volume del circuito di riscaldamento dell’acqua e a mantenere la corretta quantità di acqua di riscaldamento. In una variante realizzativa il vaso di espansione potrebbe essere connesso alla linea di ritorno 9 anziché alla linea di mandata 8.
Lungo la linea di mandata 8 sono inoltre posti dei circolatori 3 0, in numero di due nella forma realizzativa mostrata, che consentono un ricircolo forzato del circuito di riscaldamento dell’acqua a vaso di espansione aperto per ridurre i tempi di isteresi del sistema.
La caldaia 7 à ̈ vantaggiosamente del tipo alimentato a metano e pertanto una opportuna linea di alimentazione 10 collega la caldaia 7 alla condotta di uscita 3 dell’impianto 1.
I mezzi di riscaldamento 4, e più in particolare la caldaia 7, sono connessi opportunamente ad una logica di controllo 14. La logica di controllo 14 fornisce al termostato 7a della caldaia 7 l’indicazione della temperatura T1 ,H2Oa cui portare l’acqua che verrà poi confluita allo scambiatore 6 tramite la linea di mandata 8.
Un primo rilevatore di temperatura 15 rileva la temperatura dell’acqua T1 ,H2Oall’interno della linea di mandata 8 e rende disponibile tale valore alla logica di controllo 14.
Un secondo rilevatore di temperatura 16 rileva la temperatura dell’acqua T2,H2Oall’interno della linea di ritorno 9 e rende disponibile tale valore alla logica di controllo 14.
Un rilevatore della temperatura del gas 17 Ã ̈ associato al condotto di uscita 3 e rileva la temperatura Tu gasalla quale si trova il gas a valle dei mezzi di riduzione della pressione del gas 5.
II rilevatore della temperatura del gas 17 Ã ̈ preferibilmente costituito da una sonda di temperatura.
II valore di temperatura Tu,gasrilevato à ̈ reso disponibile alla logica di controllo 14.
Mezzi di rilevazione 18 della portata istantanea del gas Qu>gassono associati al condotto di uscita 3 e rilevano la portata istantanea del gas a valle dei mezzi di riduzione 5.
II valore della portata istantanea QU,gasrilevato à ̈ reso disponibile alla logica di controllo 14.
In particolare i mezzi di rilevazione 18 della portata istantanea del gas Qu,gascomprendono un contatore del gas 19 che trasmette un segnale impulsivo ad un correttore di volumi 20 atto a produrre in uscita il valore di portata istantanea Qu,gasin forma di metri cubi standard al secondo, cioà ̈ una unità di tempo definita.
In varianti realizzative i mezzi di rilevazione potrebbero essere di tipo differente, come ad esempio un misuratore massico od un venturimetro, atti a fornire in uscita valori indicativi della portata istantanea del gas QU,gas.
La logica di controllo 14 à ̈ preferibilmente costituita da una unità PLC (Programmable Logic Controller) di tipo noto, vale a dire una unità in grado, tra le altre cose, di rilevare differenti segnali provenienti da rispettivi sensori/rilevatori per elaborarne i valori e produrre in uscita opportuni segnali di comando. Nella forma realizzativa qui descritta, la logica di controllo 14 fornisce in uscita un segnale di comando per il termostato 7a della caldaia 7 che indica la temperatura Tì ,H2oa cui deve essere portata l’acqua di riscaldamento. Tale comando bypassa il termostato digitale della caldaia 7 presente in serie al termostato analogico 7a.
Lungo le varie condotte dell’impianto 1 sono presenti, inoltre, una serie di valvole di intercettazione, opportunamente posizionate per consentire interventi di manutenzione o per consentire il controllo dei flussi del circuito di riscaldamento dell’acqua.
In opportuni punti lungo le varie condotte ed in modo di per sé noto sono presenti, inoltre, dei dispositivi di rilevazione della pressione relativa del gas naturale, costituiti ad esempio da manometri a molle Burdon e da eventuali trasduttori di pressione opportunamente cablati con collegamenti elettrici. Secondo l’invenzione la lettura istantanea dei mezzi di rilevazione 18 della portata del gas Qu gas, oltre che della rilevazione della temperatura Tu gasdel gas all’interno della condotta di uscita 3, consente un controllo appropriato dei mezzi di riscaldamento 4 per ottimizzare l’energia necessaria al riscaldamento del gas, come vedremo meglio in seguito durante la descrizione di funzionamento dell’impianto 1.
Per la descrizione del funzionamento dell’impianto 1 di figura 2 faremo riferimento nel seguito ai diagrammi riportati nelle figure da 3 e 5.
La figura 3 mostra schematicamente il principio di funzionamento dell’impianto 1 in una rete di distribuzione di gas metano. Più in particolare vengono descritte le operazioni svolte dalla logica di controllo 14.
In un primo blocco di elaborazione 100 il valore di portata istantanea Qu>gasdel gas in uscita ed il valore della temperatura di ritorno dall’acqua T2,H2Ovengono elaborati per fornire in uscita un primo valore della temperatura di mandata dall’acqua calda T’1 ,H2o·
I calcoli effettuati nel blocco di elaborazione 100, ed implementati operativamente nell’unità logica di controllo 14, sono meglio evidenziati in figura 4.
Per il calcolo sono utilizzati i dati di targa dell’impianto 1 che sono costituititi da:
- la pressione di ingresso Pi,gasdel gas naturale espressa in bar;
- la pressione in uscita Pu,gasdel gas naturale espressa in bar; - la temperatura in ingresso Ti,gasdel gas nella condotta principale 2.
Con questi tre valori Pi,gas, Pu,gase Ti,gassi calcola attraverso il diagramma di entalpia del metano l’energia termica che si deve cedere al gas naturale in ingresso all’impianto 1 per uscire a valle della riduzione di pressione con un valore di temperatura del gas TU,gaspari a 6°C.
Dal diagramma entalpico del metano si otterrà, pertanto, un valore di salto entalpico Ah espresso in J/kg.
Utilizzando il valore della portata istantanea Qu,gasdel gas in uscita, misurata tramite i mezzi di rilevazione 18 ed espresso in metri cubi standard al secondo stm<3>/s, viene calcolato (blocco 101) il valore della potenza termica Cl, espresso in Watt, da fornire al gas in ingresso, cioà ̈:
C l= Qu,gas*PcH4*Δh;
in cui pCH4à ̈ la massa volumica del metano, espressa in kg/m<3>, ed Δh à ̈ il salto entalpico precedentemente calcolato. Nella successiva elaborazione (blocco 102) si tiene conto dell’efficienza E1del sistema di riscaldamento dell’impianto I per calcolare l’effettiva potenza termica C2 che la caldaia 7 dovrà fornire.
II risultato sarà quindi la potenza termica C2 (uscita del blocco 102) da dare all’acqua per garantire la temperatura del gas in uscita pari a 6°C in seguito al salto di pressione, cioà ̈: C2= C 1/ E1
II valore di efficienza Ej del sistema di riscaldamento à ̈ un valore stimato e fissato in base alle conoscenze ed alle esperienze dell’esperto del settore e può dipendere, ad esempio, da vari fattori come la coibentazione del circuito di trasporto dell’acqua, dallo stato di efficienza delle caldaie ecc. In una variante realizzativa del metodo, come vedremo meglio in seguito, tale valore di efficienza verrà ricalcolato di volta in volta dalla logica di controllo 14 mediante l’elaborazione dei valori rilevati nell’impianto 1 stesso. Tale efficienza calcolata tenderà al valore reale ed effettivo di efficienza del sistema di riscaldamento dell’impianto 1 stesso.
Successivamente, il valore di potenza termica C2 precedentemente calcolato (uscita del blocco 102) viene elaborato (blocco 103) per fornire un valore di temperatura ΔΤ (uscita del blocco 103). Tale valore di temperatura ΔΤ rappresenta il salto termico tra la temperatura T2JH2Odella linea di ritorno dell’acqua e la temperatura stimata T’1 JH2Odell’acqua calda della linea di mandata, cioà ̈:
ΔΤ = T’ 1 H20<—>Τ2,Η20<=>C2 / (mH2o *CpH20 )
in cui:
- T’1 ,H2Oe la temperatura stimata dell’acqua calda prodotta dalla caldaia 7 e convogliata allo scambiatore 6 attraverso la linea di mandata 8;
- T2,H2Oà ̈ la temperatura dell’acqua nella linea di ritorno 9 dallo scambiatore 6 alla caldaia 7;
- mH2o à ̈ la portata massica, espressa in kg/s, dell’acqua pompata dalle caldaie;
- CpH2o à ̈ il calore specifico a pressione costante dell’acqua, espresso in J/(kg*°k).
La temperatura di ritorno dell’acqua T2 H2o e rilevata vantaggiosamente dal secondo rilevatore di temperatura 16. Successivamente, la temperatura di mandata dell’acqua T’I,H2Oà ̈ calcolata sommando il valore del salto termico ΔΤ precedentemente calcolato (uscita del blocco 103) alla temperatura rilevata T2,H2Odi ritorno dell’acqua.
Il valore di temperatura T’I ,H2Ocosì calcolato (uscita del blocco 100) rappresenta un primo valore stimato della temperatura T’1 ,H2Oa cui deve essere portata l’acqua calda della caldaia 7.
Tale valore di temperatura T’1,H2o e calcolato senza alcun controllo della temperatura effettiva Tu,gasdel gas nella condotta di uscita 3.
Tale controllo viene effettuato nel successivo blocco di elaborazione 150, come si osserva in figura 3. Il primo valore della temperatura T’1 ,H2o precedentemente calcolato viene elaborato e corretto tenendo conto della temperatura del gas Tu,gaseffettivamente misurata nella condotta di uscita 3 e della temperatura di riferimento desiderata del gas in uscita Tu,gas_rif· All’uscita di tale blocco di elaborazione 150 viene fornito il valore di temperatura finale T1 >H2o,cui deve essere portata l’acqua calda dalla caldaia 7. Tale valore à ̈ inviato dalla logica di controllo 14 al termostato 7a della caldaia 7. La temperatura del gas in uscita Tu gasà ̈ rilevata vantaggiosamente dal rilevatore di temperatura del gas 17 associato alla condotta di uscita 3.
Il valore della temperatura di riferimento desiderata del gas in uscita Tu gas rifviene fissato vantaggiosamente pari a 6°C. Il blocco di elaborazione 150, mostrato in dettaglio in figura 5, rappresenta sostanzialmente un sistema di controllo retroazionato della temperatura finale Τ1,Η2Î ̧cui deve essere portata l’acqua calda dalla caldaia 7 in funzione della temperatura del gas in uscita Tu gas. Tale sistema di controllo può essere di tipo proporzionale, integrale, derivativo o una qualsiasi loro combinazione in base al tipo ed alle condizioni dinamiche dell’impianto.
Di seguito a titolo indicativo à ̈ illustrato un esempio dei possibili metodi di retroazione implementato nel blocco di elaborazione 150.
I calcoli effettuati nel blocco di elaborazione 150 sono implementati operativamente nell’unità logica di controllo 14.
Viene calcolato dapprima lo scostamento S tra il valore della temperatura di riferimento desiderata del gas in uscita Tu,gas_rif,preferibilmente scelta pari a 6°C, ed il valore della temperatura del gas rilevato in uscita Tu gas, cioà ̈:
u,gas_rif u.gas
Tale valore di scostamento S viene utilizzato per calcolare (blocco 151) un coefficiente di errore er(uscita del blocco 151), cioà ̈:
er— S*( Qu,gas* Cpgas/QH20*CpH2o);
in cui:
- Cpgasà ̈ il calore specifico a pressione costante del gas in condizioni standard, espresso in J/(kg*°k);
- QH2OÃ ̈ la portata di acqua dalla caldaia 7 allo scambiatore 6, espressa in kg/s;
- CpH2o à ̈ il calore specifico a pressione costante dell’acqua, espresso in J/(kg*°k).
Tale coefficiente di errore errappresenta il valore da sommare al primo valore della temperatura T’liH2o precedentemente calcolato (uscita del blocco 100), cioà ̈: T 1 ,H20 T’ 1 ,H20 er.
Il valore di temperatura TI ,H2Orappresenta, quindi, il valore di temperatura finale cui deve essere portata l’acqua calda dalla caldaia 7.
Da quanto descritto sopra si à ̈ visto come à ̈ stato possibile calcolare la potenza termica necessaria a garantire una temperatura in uscita del gas ottimale partendo dalla portata istantanea misurata del gas in transito nella condotta di uscita.
Questo sistema ci permette pertanto di valutare la quantità di calore necessario al riscaldamento del gas utilizzando come parametro di controllo la portata istantanea del gas, mentre i sistemi tradizionali utilizzano la sola temperatura in uscita del gas.
Questo permette di limitare l’inerzia del sistema aumentando in tal modo l’efficienza del sistema di regolazione della temperatura del gas in uscita.
Inoltre, tale sistema permette di regolare opportunamente il valore di temperatura dell’acqua calda della caldaia sulla base dell’effettiva energia termica richiesta dal sistema con un miglioramento del rendimento energetico dell’impianto rispetto ai sistemi di tipo noto in cui la temperatura dell’acqua calda à ̈ sostanzialmente fissa.
In una variante realizzativa dell’invenzione, viene introdotta una funzione di autoapprendimento dell’impianto 1 con lo scopo di ottimizzare le prestazioni dell’impianto 1 stesso. Ciò à ̈ ottenuto, come già anticipato precedentemente, calcolando in maniera più accurata il valore di efficienza E1del sistema di riscaldamento dell’impianto 1, che costituisce il parametro utilizzato per il calcolo della potenza termica C2 (blocco 102 di figura 4).
Viene di seguito descritto un possibile calcolo del valore di efficienza E'1da utilizzare nelle suddette formule.
Ad intervalli regolari, viene calcolato il valore medio ermdel coefficiente di errore er, il valore medio C1mdella potenza termica C1 ed il valore medio C2mdella potenza termica C2. Dai valori di ere C2msi calcola un valore di ΔTCcorretta, cioà ̈:
ΔTC— C2m/ ( mH20* CpH20)<e>rm.
In seguito viene calcolata la potenza termica C3 che corrisponde alla potenza termica reale che la caldaia 7 deve fornire, cioà ̈:
C3 — ATC* mH2o * Cpn2o
Infine viene calcolato il nuovo valore di efficienza E’1 ,cioà ̈: E'1 = C1m/ C3.
Nei successivi calcoli verrà pertanto utilizzato tale nuovo valore dell’efficienza E’i del sistema di riscaldamento dell’impianto 1, al posto del valore di efficienza Ei che era stato preventivamente stimato. Nei successivi calcoli l’efficienza E’i tenderà via via al valore reale di efficienza dell’impianto 1.
In figura 6 à ̈ mostrata una variante dell’impianto 1 ’ dell’invenzione che differisce da quella mostrata in figura 1 per il fatto di comprendere due caldaie 7, 7’, anziché una, e di comprendere due linee parallele di passaggio del gas provviste di rispettivi mezzi di riscaldamento del gas 4, 4’ e mezzi di riduzione della pressione del gas 5, 5’.
Le due caldaie 7, 7’ sono opportunamente collegate in parallelo e sono connesse alla medesima linea di mandata 8 ed alla medesima una linea di ritorno 9.
Un termostato 7a sarà associato ad entrambe le caldaie 7 e 7’ e connesse ala logica di controllo 14.
La previsione di due caldaie 7, 7’ consente di garantire continuità di erogazione di calore in caso di spegnimento o manutenzione di una delle due caldaie 7, 7’.
La previsione di due linee parallele del passaggio del gas, con i rispettivi mezzi di riscaldamento del gas 4, 4’ e di riduzione della pressione del gas 5, 5’ consente di garantire la continuità di erogazione e riscaldamento del gas naturale in caso di spegnimento o manutenzione di una delle due caldaie 7, 7’.
Per quanto concerne il principio di funzionamento di tale impianto 1 ’, vale quanto descritto precedentemente con riferimento alla prima forma preferita di realizzazione dell’invenzione.
II sistema di riscaldamento del gas descritto nelle forme realizzative precedenti comprende preferibilmente una caldaia per il riscaldamento di acqua calda ed uno scambiatore a fascio tubiero acqua/gas. In varianti realizzative, tuttavia, il sistema di riscaldamento potrà essere differente, come ad esempio un sistema con pompa di calore e scambiatore a fascio tubiero, oppure caldaie e scambiatore a piastre, oppure ancora pompa di calore e scambiatore a piastre etc.. Anche per tali varianti realizzative la potenza termica ceduta al gas prima della sua espansione sarà vantaggiosamente controllata sulla base della portata rilevata del gas dopo la riduzione di pressione.
Si à ̈ quindi dimostrato che la presente invenzione permette di raggiungere gli scopi prefissati. In particolare permette di realizzare un impianto di riduzione della pressione del gas con un rendimento energetico migliore rispetto ai sistemi di tipo noto.
Mentre la presente invenzione à ̈ stata descritta con riferimento alle forme di realizzazione particolari rappresentate nelle figure, va notato che la presente invenzione non à ̈ limitata alle particolari forme di realizzazione rappresentate e descritte; al contrario, ulteriori varianti delle forme di realizzazione descritte rientrano nello scopo della presente invenzione, scopo definito dalle rivendicazioni.

Claims (15)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di riscaldamento di un gas applicabile ad un gas in transito tra una condotta di ingresso (2) ed una condotta di uscita (3), in cui la pressione di detto gas in detta condotta di ingresso (2) à ̈ superiore alla pressione di detto gas in detta condotta di uscita (3), comprendente: - mezzi di generazione di potenza termica (4; 4’) per il riscaldamento di detto gas tra detta condotta di ingresso (2) e detta condotta di uscita (3); - mezzi di controllo (14) di detti mezzi di generazione di potenza termica (4; 4’); caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di rilevazione (18) della portata (Qu>gas) di detto gas in detta condotta di uscita (3) connessi a detti mezzi di controllo (14) di detti mezzi di generazione di potenza termica (4; 4’).
  2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1), caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di rilevazione della temperatura (17) di detto gas in detta condotta di uscita (3) connessi a detti mezzi di controllo (14) di detti mezzi di generazione di potenza termica (4; 4’).
  3. 3. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di generazione di potenza termica (4; 4’) comprendono mezzi di riscaldamento (7; 7’) di un fluido di riscaldamento e mezzi scambiatori (6; 6’) di energia termica tra detto fluido di riscaldamento e detto gas.
  4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 3), caratterizzato dal fatto che detti mezzi di controllo (14) comprendono mezzi di controllo della temperatura (T1 ,H2O) di detto fluido di riscaldamento.
  5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 3), caratterizzato dal fatto che detti mezzi di generazione di potenza termica (4; 4’) comprendono una linea di mandata (8) di detto fluido tra detti mezzi di riscaldamento (7; 7’) e detti mezzi scambiatori (6; 6’) ed una linea di ritorno (9) di detto fluido tra detti mezzi scambiatori (6; 6’) e detti mezzi di riscaldamento (7; 7’).
  6. 6. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di rilevazione (18) della portata (Qu,gas) di detto gas comprendono un contatore del gas (19) operativamente connesso ad un correttore di volumi (20) atto a produrre in uscita il valore di detta portata (Qu,gas) di detto gas.
  7. 7. Impianto (1 ; 1' ) di riduzione della pressione di un gas tra una condotta di ingresso (2) ed una condotta di uscita (3) comprendente mezzi di riduzione della pressione (5; 5’) tra detta condotta di ingresso (2) e detta condotta di uscita (3); caratterizzato dal fatto di comprendere un sistema di riscaldamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
  8. 8. Metodo di riscaldamento di un gas in transito tra una condotta di ingresso (2) ed una condotta di uscita (3), in cui la pressione di detto gas in detta condotta di ingresso (2) à ̈ superiore alla pressione di detto gas in detta condotta di uscita (3), comprendente la fase di riscaldare detto gas tra detta condotta di ingresso (2) e detta condotta di uscita (3); caratterizzato dal fatto che detta fase di riscaldare detto gas à ̈ controllata sulla base della portata (Qu,gas) di detto gas in detta condotta di uscita (3).
  9. 9. Metodo secondo la rivendicazione 8), caratterizzato dal fatto che detta fase di riscaldare detto gas à ̈ controllata sulla base della temperatura (Tu,gas) di detto gas in detta condotta di uscita (3).
  10. 10. Metodo secondo una delle rivendicazioni 8) o 9), caratterizzato dal fatto che detta fase di riscaldare detto gas comprende una fase di riscaldamento di un fluido ed una fase di scambio dell’energia termica di detto fluido con detto gas.
  11. 11. Metodo secondo la rivendicazione 10), caratterizzato dal fatto che la temperatura (Ti,H2o) di detto fluido in detta fase di riscaldamento del fluido à ̈ controllata sulla base della portata (Qu,gas) di detto gas in detta condotta di uscita (3).
  12. 12. Metodo secondo la rivendicazione 10) o 11), caratterizzato dal fatto che la temperatura (T1 ,H2O) di detto fluido in detta fase di riscaldamento di detto fluido à ̈ controllata sulla base della temperatura (Tu>gas) di detto gas in detta condotta di uscita (3).
  13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 12), caratterizzato dal fatto che la temperatura (T1 ,H2O) di detto fluido in detta fase di riscaldamento di detto fluido à ̈ controllata sulla base dello scostamento (S) della temperatura (Tu,gas) di detto gas in detta condotta di uscita (3) rispetto ad una temperatura di riferimento (Tu,gas rif) prescelta.
  14. 14. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8) a 13), caratterizzato dal fatto che l’energia termica impiegata in detta fase di riscaldamento di detto gas viene calcolata sulla base dell’efficienza (E1;E’1) del sistema che realizza detto riscaldamento.
  15. 15. Metodo secondo la rivendicazione 14), caratterizzato dal fatto che il valore di detta efficienza (E1) Ã ̈ un valore stimato.
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