Problemi aperti e prospettive tecniche per una gestione ottimizzata dei sistemi di generazione termoelettrici

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1 Problemi aperti e prospettive tecniche per una gestione ottimizzata dei sistemi di generazione termoelettrici Giancarlo Benelli, Luca Guidi Enel - Ricerca Convegno Centrali di produzione energia: l interazione processo-sistema elettrico Milano, 18 marzo 2003 Torna al programma

2 Sommario Il programma di riconversione di ENEL Problemi su impianti a vapore Problemi su impianti a Ciclo Combinato (CC) Approccio alla Gestione ottimizzata Modellistica termo-fluidodinamica Flessibilizzazione degli impianti Tecniche avanzate di controllo di processo Diagnostica precoce di malfunzionamenti nei CC Bus di Campo: diagnostica e manutenzione predittiva Sala Manovra e interfaccia operatore Simulatori dinamici d impianto Conclusioni 2

3 Il programma di riconversione di ENEL Obiettivi Ridurre i costi di produzione Ridurre significativamente le emissioni La Casella Torre Nord PortoTolle Porto Corsini Pietrafitta Total: over 10,000 MW Termini Imerese A CC già effettuata A carbone/orimulsion in attesa di approvazione Priolo Gargallo 3

4 Impianti termoelettrici a vapore Intervento più significativo dell ultimo ventennio Ambientalizzazione Interventi in caldaia (in furnace NO reduction) Installazione sistemi DeNO, DeSO, PES Impatto negativo su complessità ed efficienza impianto costi di esercizio procedure e costi di manutenzione Il problema: Assicurare ai processi chimici condizioni termo-fluidodinamiche ottimali nelle diverse condizioni di carico 4

5 Il Generatore di Vapore: un componente critico Sintomi Cause Fouling/ slagging Distribuz rilascio di calore Fouling rigeneratore dell aria Ventilatori aria Mulini Eccesso d aria Anomalie Temperatura gas Anomalie Pressione lato gas Aumento incombusti di Temperatura RH Danneggiamenti ai tubi Strumentazione e metodologie di analisi in linea Con il monitoraggio si individuano i sintomi. Ma le cause? 5

6 Impianti a Ciclo Combinato Forte sviluppo tecnologico nell ultimo decennio delle macchine turbogas => Cicli Combinati Vantaggi Compattezza, efficienza, tempi di costruzione ridotti Svantaggi Poca flessibilità nell esercizio a carichi ridotti Scarsa flessibilità sul combustibile Per ottenere maggiori potenze e rendimenti => prestazioni molto spinte, rischi elevati aumento della complessità per aumento T e contenimento emissioni T tra gas e T ammissibile dei metalli => refrigerazione Prima tecniche Low NO con controllo T fiamma, poi combustione premiscelata Instabilità di combustione 6

7 Combustore e palette turbina: i componenti critici Problemi indotti da difetti di progettazione Rotture palette per fatica Usura cuscinetti Eccessive pulsazioni di pressione Tip clang, risonanza delle palette Problemi di montaggio Errori di allineamento Squilibrio assemblato, imperfetto montaggio camera di combustione Problemi di esercizio Sporcamento compressore Perdite efficienza per strisciamento Erosione degli ugelli e delle palette del compressore Turbine FOD/IOD Combustor cracking e Hot corrosion Cooling Air Passage Blockage Manutenzione a intervalli regolari (8000 ore eq.) Costi elevati Rischi 7

8 Ognuno di questi fattori comporta costi diretti e indiretti Flessibilità Manutenzione Emissioni GESTIONE OTTIMIZZATA Degrado prestazioni Guasti catastrofici Affidabilità d esercizio Il concetto di IMPIANTO IDEALE 8

9 Diagnostica Bus di campo Flessibilizzazione Modellistica termo-fluido dinamica Nuove soluzioni di Sala Manovra e HMI Manutenzione Flessibilità GESTIONE OTTIMIZZATA Degrado prestazioni Guasti catastrofici Diagnostica precoce Emissioni Affidabilità d esercizio Tecniche avanzate di controllo Simulatori dinamici PDS, PTS, OTS 9

10 Modellistica termofluidodinamica Problemi complessi È necessario comprendere fino in fondo i processi e l impatto che questi hanno sui componenti Analisi off-line In futuro => esercizio più variabile e discontinuo Aumenterà il range di condizioni operative Gli impianti sono progettati per fornire determinate prestazioni in uno specifico campo operativo (CNC) 10

11 Modellistica termofluidodinamica Fin dagli anni 80: sviluppo di modelli e metodi di simulazione numerica Analisi mirate in particolare ai processi e ai componenti critici: cinetica chimica a caldo (parti calde) cinetica a freddo (sistemi trattamento fumi) Estensione a diverse condizioni di esercizio 11

12 Flessibilizzazione degli impianti Cambiamento nelle modalità di copertura del carico Prevedibili modifiche nella ripartizione dei combustibili usati Cambieranno di conseguenza le modalità di esercizio degli impianti Cicli Combinati in cycling e load following Ripercussioni dell esercizio flessibile su: Rendimento (massimo al CNC) Emissioni per i CC Stress termomeccanici e fatica; vita dell impianto 12

13 Flessibilizzazione degli impianti Analisi del parco impianti Caratterizzazione dei singoli impianti Analisi delle strategie di copertura del carico Riduzione minimo tecnico sui termoelettrici tradizionali Cicli Combinati: retrofit per emissioni (compromesso tra spegnimenti e esercizio a carichi ridotti) Caratteristiche tecniche Tempi di avviamento Da freddo a CNC Da caldo a CNC Rampa (% CNC/min) Minimo tecnico (% del CNC) Diminuzione di efficienza a carico ridotto Ciclo combinato 7-12 ore 2-3 ore %/min (ma 3.5 %) % 0.95 al 70% CNC 0.90 al 50% CNC 0.82 al 30% CNC Impianto Carbone ore ore 0.5 %/min % 0.98 al 70% CNC 0.93 al 50% CNC Variazione % Efficiency (%) TIT ( C) Rendimento CC Compr. Inlet airflow (t/h) TG Load % Ogni fermata/riavvio di un CC equivale a 20 ore di vita (più i costi di avviamento) 13

14 Tecniche avanzate di controllo di processo Centrali termoelettriche tradizionali Vengono riproposti gli schemi di regolazione consolidati (PID) Centrali a Ciclo Combinato Massime prestazioni al carico di base La dinamica veloce del TG guida l impianto (rampe veloci ) Anche la Regolazione e il Controllo sono ottimizzati per uno specifico campo operativo Con un esercizio in un più vasto range operativo Approccio tradizionale non più sufficiente 14

15 Tecniche avanzate di controllo di processo Soluzioni favorite da Cambiamenti tecnologici (hardware, architetture aperte, ecc.) Sviluppo modelli, algoritmi, software commerciale Applicazioni già operative anche in campo termoelettrico Studio per applicare queste tecniche (Model Predictive Control, ottimizzazione) CTE tradizionali (coordinato di caldaia) Sistemi trattamento fumi (es. DeSOX) Ottimizzazione dell esercizio flessibile dei CC I simulatori dinamici d impianto come strumento essenziale per la sperimentazione di queste tecniche 15

16 Diagnostica precoce malfunzionamenti CC I moderni Cicli Combinati propongono problematiche innovative Aumento temperature Aumento delle potenze del TG Rischi di guasti catastrofici Costo della manutenzione La tecnologia ci aiuta Modellistica Strumentazione innovativa Tecniche di Intelligenza Artificiale (es. reti neurali) Occorre sviluppare le applicazioni: obiettivo prevenire 16

17 Diagnostica precoce malfunzionamenti CC Per individuare precocemente derive dal normale funzionamento e segnali premonitori Analisi in linea di migliaia di variabili Correlazioni tra le variabili (reti neurali ecc.) Messaggi di diagnostica (non solo il sintomo), per fornire indicazioni all operatore 17

18 Diagnostica precoce malfunzionamenti CC Per individuare precocemente derive dal normale funzionamento e segnali premonitori Analisi in linea di migliaia di variabili Correlazioni tra le variabili (reti neurali ecc.) Messaggi di diagnostica (non solo il sintomo), per fornire indicazioni all operatore 18

19 Bus di Campo Diagnostica e manutenzione predittiva Una grande occasione: Il Bus di Campo per i nuovi Cicli Combinati La vera innovazione della tecnologia Comunicazione completamente digitale Dispositivi di campo intelligenti Molti vantaggi sono già conseguibili Architettura semplice, riduzione hw e cablaggio Visione estesa del processo, funzioni di controllo decentrate Segnalazione malfunzionamenti in tempo reale Il problema Carenza di algoritmi e funzioni diagnostiche per la manutenzione predittiva/su condizione 19

20 Bus di Campo Diagnostica e manutenzione predittiva Diagnostica della coppia e dell energia spesa nelle manovre di valvole on-off Informazioni per il manutentore. Invio delle segnalazioni anche per Warning: valore coppia diverso da quello di riferimento Num. Manovre: 16 Intervento di manutenzione non eseguito 20

21 Nuove soluzioni di Sala Manovra e HMI Il nuovo contesto competitivo provocherà stress Sull esercizio degli impianti Sugli operatori di esercizio e manutenzione Il progetto dell automazione Sistema di Controllo Principale (SCP) Integrazione sistemi Condivisione servizi Funzioni evolute: Allarmi Controllo prestazioni Diagnostica e manutenzione Ausilio operatori O&M La Sala Manovra nei nuovi CC 21

22 Nuove soluzioni di Sala Manovra e HMI Conduzione impianto economica e sicura Automatizzare il più possibile Fornire una visione d insieme all operatore Informazioni di alto livello Navigabilità rapida e sicura Avviamento assistito (=> automatico?) Graphic Wall con poligono animato 22

23 Simulatori dinamici d impianto La dinamica degli impianti sarà sempre più importante Simulatori = strumenti indispensabili Piena comprensione del processo Analisi dei transitori Analisi e ottimizzazione della regolazione dei processi Addestramento degli operatori ENEL ha una lunga tradizione nello sviluppo di simulatori dinamici d impianto 23

24 Simulatori dinamici d impianto Simulatore di un impianto DeSO di Centrale alimentata a carbone/orimulsion Per effettuare l addestramento del personale ed ottimizzare l esercizio dell impianto Transitorio di variazione del miing di combustibili Attività in corso Sviluppo simulatore di un impianto a letto fluido policombustibile (con CESI) 24

25 Conclusioni Complesse problematiche di esercizio Sistemi di combustione Impianti per il controllo emissioni Rese più complesse dalla pressione tecnica ed economica conseguente alla liberalizzazione Le tecnologie possono aiutare ma da sole non bastano Devono integrarsi con Approccio sistematico Studi teorico-sperimentali per una piena comprensione dei fenomeni Sviluppo di metodi e applicazioni innovative Torna al programma 25