Regolazione degli impianti a vapore

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1 Regolazione degli imianti a vaore Ing. A. Paolo Carlucci Nel rogetto di una centrale termoelettrica intervengono numerosi fattori: utilizzazione annua, ovvero quante ore all anno una centrale deve funzionare; otenzialità, ovvero quanti MW devono essere rodotti; costo del combustibile; costo dell oera; interessi del caitale imiegato; costo di esercizio; disonibilità. Sulla base di questo anorama rettamente economico, ossiamo ora oerare le nostre scelte er la realizzazione della centrale. Per quanto riguarda gli arresti (disonibilità), er una centrale se ne considerano essenzialmente di due tii: arresti accidentali e arresti rogrammati. Un arresto o una indisonibilità accidentale comorta l arresto dell imianto in un momento che non uò essere minimamente revisto (es. oma che si rome e si ferma l imianto er aggiustare la oma). L indisonibilità rogrammata corrisonde a veri e rori cicli di controllo della funzionalità della centrale (cicli di manutenzione), in base alla quale doo un numero refissato di ore si rogramma l arresto della centrale e si controlla la funzionalità di determinati comonenti. La funzione di questi arresti rogrammati è, dunque, quella di evitare che l imianto vada in avaria in un momento indeterminato ed è ovvio, inoltre, che la manutenzione rogrammata verrà effettuata nei eriodi in cui la richiesta di energia è su livelli modesti, tali che la messa fuori uso della centrale non incida assolutamente sulla necessità di roduzione di energia. Con questo discorso abbiamo introdotto il concetto di assorbimento di energia dalla rete, che non è costante nel temo; infatti, se rileviamo la otenza assorbita nella giornata, otteniamo un diagramma in cui vediamo due icchi in corrisondenza delle ore e 7; notiamo, inoltre, che vi è

2 un certo fondo di energia che deve essere semre rodotta e che rende il nome di carico di base, mentre c è una seconda aliquota di energia che varia nella giornata. carico base Accanto a questi diagrammi giornalieri ci sono diagrammi che riortano la richiesta di energia in un mese o in un anno; articolare imortanza riveste il fatto che anche questi ultimi hanno l andamento simile a quello in figura (nel mese la gola corrisonde alle domeniche, in cui non si lavora, mentre nell anno la gola corrisonde al mese di agosto). Le centrali che forniscono il carico base non ossono essere arrestate ed inoltre l energia rodotta deve essere necessariamente sfruttata non aena rodotta, altrimenti diventa inservibile. Queste centrali sono: centrali ad acqua fluente, centrali nucleari, centrali termoelettriche convenzionali a iù elevato rendimento, consumando quindi la minor quantità ossibile di combustibile. Prima di elencare le centrali che forniscono il carico di unta, osserviamo che queste centrali devono disorre di un avviamento raidissimo, in modo da erogare il carico aena questo viene richiesto (diciamo in temi dell ordine del minuto o anche meno), dato che non si uò revedere con recisione in che istante avverrà la richiesta che orterà al carico di unta. Esse sono: centrali idroelettriche a serbatoio, che resentano come unico roblema quella della messa in rotazione della girante; centrali di omaggio costituite da un serbatoio ad alta quota e da uno a bassa quota, dalla turbina e da una oma (nei eriodi in cui c è bisogno di energia, l acqua assa dal bacino ad alta quota in quello a bassa quota doo aver attraversato la turbina; nei eriodi morti, quali la notte,

3 invece di rodurre energia ari al carico base, se ne roduce un oco di iù in modo da avere delle fette di energia non richiesta dalla rete, e che ossono essere utilizzate er azionare le ome che mandano l acqua dal bacino a bassa quota al bacino ad alta quota. In questo modo non abbiamo ottenuto una fonte di energia erché il fatto stesso di far venir giù dell acqua e oi omarla su, è un oerazione che costa energia, dato fra l altro che il rendimento non è unitario; d altra arte le centrali di omaggio raresentano sostanzialmente un volano di energia erché immagazzinano sotto forma di energia otenziale dell energia che è in rete in altri momenti e servono a dare energia in quei momenti in cui essa è strettamente necessaria); turbine a gas a ciclo semlice, che resentano dei roblemi termici, ma che in comenso resentano risetto a quelle a vaore il vantaggio della semlicità costruttiva er cui rendono il carico con estrema semlicità; turbogeneratori azionati da grossi motori Diesel, scarsamente utilizzati. Abbiamo detto che le turbine adatte a fare la unta devono essere caaci di rendere il carico in temi dell ordine del minuto ed anche meno, cioè devono avere un avviamento estremamente raido erché non siamo nelle condizioni di oter dire con esattezza l istante in cui è richiesto il carico di unta; d altra arte, mentre tale discorso va bene quando si assume come riferimento il giorno o la settimana, decade un o quando ci riferiamo all anno, erché in questo caso siamo nelle condizioni di oter revedere con una certa sicurezza quando si avrà il carico di unta. Per carico di unta annuale si deve intendere il fatto che in certi mesi dell anno la base del diagramma tende ad alzarsi er un insieme di circostanze, quindi, iù che revedere carichi di unta, si deve revedere una base iù forte risetto agli altri mesi. Aunti rof. Laforgia L imianto motore a vaore è, er sua natura, oco versatile, e questo suo inconveniente è dovuto rincialmente alla massa di liquido in esso resente, che ossiede elevata inerzia termica. Si è cercato in assato di ovviare a tale deficienza riducendo la massa d acqua in circolo, imiegando caldaie leggere (talvolta monotubolari), rovviste di basso volano termico e adottando sofisticati sistemi di regolazione. Negli anni 6, difatti, si riuscì er questa via a limitare i temi dei transitori, anche da ieno carico a carico nullo, all ordine di qualche minuto rimo. Ma ciò era ossibile all eoca, quando le otenze installate sueravano di oco i MW, e, comunque, il rendimento, anche allora, soffriva notevolmente durante e doo il transitorio, a causa della lentezza di ristabilimento di condizioni ortodosse di regime.

4 Attualmente le otenze installate sono circa deculicate e tendono a raddoiarsi ancora nell immediato futuro, esaltando gli inconveniente in argomento. li imianti termo-nucleari, anche erché economicamente validi soltanto er elevate otenze, ne risentono in maggiore misura. Quindi, ur senza escludere che iccoli imianti ossano assolvere, er articolari alicazioni, servizio di emergenza, non v è dubbio che attualmente l imianto motore a vaore vada essenzialmente considerato quale imianto di base. iova comunque recisare che alla sua scarsa versatilità contribuisce oggi in misura imonente un ulteriore circostanza, rima di scarso rilievo. All aumentare della otenza anche i rotori delle turbine hanno acquistato mole semre maggiore ed in essi le tensioni conseguenti alle variazioni di regime termico nel corso del transitorio rovocano in certi organi l instaurazione del regime lastico del materiale, il quale rimane scolito nella storia della macchina. Sta di fatto che ogni transitorio, quando si tratta di grandi imianti, comorta una svalutazione della macchina stimabile in unti ercentuali della vita della macchina stessa, ed elaboratori elettronici installati in centrale calcolano la graduale svalutazione, riducendo rogressivamente a zero la caacità oerativa della macchina, inizialmente osta ari a. Ogni transitorio comorta svalutazioni dell ordine del %, e da ciò si comrende quanto sia imortante, er salvaguardare la vita della macchina nei grandi imianti, mantenerla il iù ossibile a regime. (La svalutazione del rotore di una turbina er ogni ossibile manovra, come detto, viene singolarmente tabellata er ogni grande macchina installata ed è curioso osservare come l imorto della svalutazione corrisondente a certe manovre non sia affatto intuitivo. Ad esemio, il assaggio da ieno carico a mezzo carico è tra i iù onerosi, tanto che conviene, ai fini in discussione, realizzarlo in due fasi: scaricare comletamente la macchina e oi conferirle il mezzo carico, la qual cosa è oggi accertata anche er via teorica. In un recente assato, invece, er scaricare comletamente la macchina era ratica corrente (erché intuitiva) ortarla rima a mezzo carico e, doo una sosta, condurla a carico zero con grave danno er la sua vita. Vi sono comunque due strade er limitare questo genere di inconvenienti: una consiste in un accurato disegno della macchina (orientato verso i roblemi in argomento); l altra riguarda la rogrammazione dei transitori, oiché ovviamente un transitorio ilotato cioè una legge oortunamente rogrammata di variazione di carico nel temo uò minimizzare il derezzamento della macchina.) Le variazioni di carico, cioè, quando indisensabili, vanno rogrammate con manovre che imegnano molte ore. E er seguire le raide variazioni di carico richieste dal sistema utilizzatore è necessario ricorrere ad imianti idraulici o ad imianti termici con turbine a gas. (Cauto, li imianti convertitori di energia, )

5 La costruzione delle centrali termiche ha avuto, negli ultimi anni, uno sviluo raidissimo. Le otenze delle unità monoblocco sono aumentate con una rogressione altissima; conseguentemente l imiego di grossi generatori di vaore a circolazione naturale o forzata ha richiesto l inserzione di sistemi di regolazione automatica che, oltre ad assolvere i comiti richiesti, offrano la maggiore sicurezza di esercizio. Per automazione di un imianto si intende, in senso lato, la sua condotta razionale utilizzando in modo ottimale tutti i mezzi che la tecnica mette a disosizione e riducendo, er quanto ossibile, l intervento dell uomo. In una unità monoblocco con caldaia a coro cilindrico, il sistema di regolazione deve adeguare la roduzione di vaore, con caratteristiche di ressione e temeratura in uscita ben definite, alla richiesta di vaore da arte della turbina o del carico elettrico. Pertanto, al variare delle condizioni di carico elettrico varia la quantità di vaore ammessa in turbina, ed il sistema di regolazione deve intervenire er adeguare le condizioni di combustione (combustibile aria) a queste nuove esigenze. Il comortamento di una regolazione, e di conseguenza il suo intervento, diende da variabili o grandezze atte a controllare il rocesso e da grandezze che raresentano il risultato del rocesso. Tali grandezze sono naturalmente diverse a seconda del tio di caldaia e di turbina. La conoscenza, quindi, dei legami che esistono fra le variabili maniolabili e le grandezze regolate, nelle condizioni di funzionamento a regime e durante i transitori, è il resuosto essenziale er un accurata rogettazione ed esecuzione del sistema di regolazione. Caldaia a coro cilindrico Un sistema di regolazione in una unità monoblocco con caldaia a coro cilindrico è costituito dalle seguenti catene di regolazione: carico elettrico, ressione all ammissione, ortata combustibile, ortata aria, livello coro cilindrico, temeratura vaore surriscaldamento (SH), temeratura vaore risurriscaldamento (RH), deressione in camera di combustione.

6 Considerando che la otenza ai morsetti in uscita dall alternatore è la grandezza rinciale da regolare, si è ortati a considerare la turbina il comonente ilota dell imianto mentre la caldaia il comonente che deve adeguarsi alle sue richieste. E tuttavia ossibile un funzionamento in cui la caldaia è il comonente ilota e la turbina adegua la roria otenza al carico termico da essa rodotto. A tali due sistemi fondamentali di funzionamento se ne aggiunge tuttavia un altro, chiamato coordinato, usato negli imianti moderni. La regolazione del carico in un generatore di vaore a coro cilindrico uò essere: manuale, con il quale i selettori relativi ad aertura valvole turbina, ortata nafta, ortata aria, sono in manuale e l oeratore deve regolare direttamente tali grandezze; automatico, in cui ossiamo individuare tre modi di funzionamento: regolazione caldaia segue (normalmente utilizzata), regolazione turbina segue, regolazione coordinata (usata negli imianti moderni).

7 - dal unto di vista della regolazione, nel modo di funzionamento tradizionale (caldaia segue), il generatore di vaore e la turbina sono considerati due arti searate, in cui la caldaia ed il sistema di regolazione associato devono fornire vaore alla turbina alle condizioni richieste, mentre durante le variazioni di carico, la turbina fornisce subito il carico richiesto e la caldaia si adegua er fornire il nuovo valore di otenza. Per eseguire una resa di carico, l oeratore agisce manualmente sulle valvole turbina aumentando la ortata vaore. La ressione in caldaia tende a scendere, quindi la regolazione agirà sul livello di combustione er riristinare il valore imostato. Le variazioni della ressione vaore roducono semre disturbi nel funzionamento della caldaia, inoltre, con l aumento della otenzialità dei grui, l inerzia termica secifica della caldaia si è notevolmente ridotta con la conseguenza di avere nei transitori escursioni notevoli della ressione vaore; - contrariamente al funzionamento caldaia segue, nel funzionamento turbina segue, la otenza generata dalla turbina corrisonde alla roduzione di vaore (e quindi non viene utilizzato il otere di accumulo di calore della caldaia). Per eseguire qualsiasi variazione di carico, l oeratore o l eventuale automatismo agisce sulla quantità di combustibile ed aria inviata in caldaia e doo un certo temo, quando l aumento o la diminuzione del combustibile si sono tradotte in corrisondenti variazioni di energia sotto forma di vaore, la turbina, risentendo la variazione di ressione, regola di conseguenza le sue valvole; - il sistema di regolazione coordinata deriva dalla constatazione che negli imianti termici è oortuno sfruttare l energia immagazzinata nell imianto er far fronte alle esigenze della rete, ma è bene che tale relievo rimanga entro limiti ragionevoli, oltre i quali si

8 rodurrebbero disturbi eccessivi a tutto il sistema. Il funzionamento in coordinata si basa sull elaborazione a monte di un segnale rinciale richiesta carico ed un comlesso, a valle, di regolatori che agiscono in modo da equilibrare i segnali di richiesta a quelli di generazione mantenendo ressione vaore, temeratura vaore e raorto combustibile-aria ai valori desiderati. Il segnale di carico agisce in arallelo su caldaia e turbina al fine di rodurre la migliore risosta del gruo, tenuto conto della caacità e dei limiti della caldaia e della turbina. Regolazione della combustione La regolazione automatica della combustione si suddivide in due sistemi distinti ma interdiendenti: il rimo rovvede a dosare la quantità di combustibile immesso nella camera di combustione, in modo da mantenere il carico elettrico ad un valore corrisondente; il secondo ha il comito di mantenere il flusso di aria comburente roorzionale al carico, azionando i servomotori delle serrande ingresso dei ventilatori aria. - lo scoo rinciale del circuito regolazione ortata combustibile è quello di adeguare tale ortata all effettiva richiesta er mantenere le condizioni di funzionamento desiderate. Per garantire una richiesta di combustibile mai sueriore alla ortata aria effettiva in camera di combustione, il segnale di richiesta combustibile viene confrontato continuamente con il segnale di misura della ortata aria. Il sistema revede le necessarie limitazioni al segnale di richiesta di ortata combustibile er tener conto delle effettive caacità del sistema di ortata dell aria scegliendo il segnale iù basso. Doo le necessarie limitazioni, il segnale di richiesta combustibile viene confrontato con il combustibile effettivamente bruciato e l errore risultante entra nel regolatore che aziona la valvola di regolazione del combustibile. Per imedire che la ressione del combustibile (se liquido o gassoso) ai bruciatori si abbassi in modo eccessivo, la ressione a valle della valvola di regolazione viene confrontata con un valore minimo refissato durante la messa a unto della combustione; - la realizzazione della regolazione dell aria comburente uò essere effettuata secondo criteri diversi, la scelta del circuito iù adatto diende dal tio e dalla otenzialità del generatore di vaore, nonché dalla natura del combustibile utilizzato. Alcuni circuiti sono basati sul controllo diretto della combustione mediante l analisi continua dei fumi, altri sono basati sul controllo indiretto della combustione mediante la misura della ortata aria ed il

9 mantenimento del raorto aria/combustibile ad un valore restabilito. Quest ultimo metodo è quello iù comunemente imiegato e di maggiore affidabilità, er una caldaia a coro cilindrico. E evidente che lo scoo di una buona regolazione, oltre che di dosare il volume della combustione, è anche quello di realizzare una combustione ottimale nelle diverse condizioni di carico della caldaia. Per questo, oltre a dosare l aria ed il combustibile nel giusto raorto, occorre assicurarne l intima miscelazione, far corrisondere er ogni carico di caldaia un dato numero di bruciatori accesi, realizzare una distribuzione uniforme delle fiamme in camera di combustione. Per avere una buona combustione occorre cioè che ci sia un ben reciso eccesso d aria intorno ai bruciatori accesi. Al variare del carico, infatti, la caldaia funziona con un eccesso d aria variabile e recisamente: sensibile aumento della ortata aria risetto alla quantità stechiometrica a basso carico; valori minimi di eccesso d aria a carichi elevati. L ottenimento di un basso eccesso d aria ha interesse sorattutto er le grandi unità, in quanto esso raresenta una erdita al camino che incide sensibilmente sull economia di esercizio; inoltre, l eccesso d aria influisce anche sulla formazione di SO 3 nei fumi. Migliorando la distribuzione dell aria e sorattutto aumentandone la velocità e la turbolenza si è otuto scendere a valori molto bassi di eccesso d aria. Il fatto che l eccesso d aria sia variabile con il carico fa sì che lo schema di regolazione descritto recedentemente (variazione del combustibile e dell aria roorzionalmente al carico richiesto) necessiti di un settaggio iù accurato; in realtà, nemmeno il combustibile uò essere roorzionale al carico in quanto il rendimento dell imianto (caldaia, turbina e ciclo) è variabile con il carico stesso. Regolazione di livello del coro cilindrico La regolazione del livello del coro cilindrico di una caldaia raresenta un caso tiico di regolazione a iù elementi, e riveste una grande imortanza ratica. E infatti intollerabile che uno squilibrio fra ortata acqua e vaore rovochi trascinamenti di acqua nel surriscaldatore con conseguenti shock termici e trascinamenti di sali nel surriscaldatore e in turbina, oure un eccessivo abbassamento di livello rovochi interruzioni della circolazione d acqua nei tubi bollitori con conseguenti ericolose sovratemerature degli stessi. A questo roosito occorre ricordare che nelle moderne caldaie risulta generalmente molto iccolo il raorto fra la quantità di acqua

10 contenuta nella caldaia e la roduzione normale di vaore. Un ulteriore difficoltà è oi dovuta ad un articolare fenomeno che viene sensibilmente a modificare l andamento della risosta transitoria del rocesso: con riferimento alla figura, è evidente che il livello resterà costante fino a quando la ortata dell acqua di alimento (Q a ) si manterrà uguale alla ortata (Q v ) del vaore, comreso gli surghi eventuali. Se tale condizione di equilibrio venisse imrovvisamente a cessare, il livello comincerebbe a crescere o diminuire con una velocità roorzionale alla differenza delle ortate. Quanto detto, erò, sarebbe valido se nel coro cilindrico ci fosse un liquido omogeneo; in realtà la miscela costituita da acqua e vaore ha un eso secifico medio che uò variare notevolmente in funzione della ressione. Aumentando infatti la richiesta di vaore (Q v ) si determina un abbassamento della ressione in caldaia e le bolle di vaore resenti nella massa d acqua si esandono bruscamente (evaorazione e aumento di bolle di vaore) creando un vero e rorio rigonfiamento della massa d acqua ed il livello, nel rimo transitorio, anziché diminuire, aumenta. Questo fenomeno rovoca inizialmente un azione correttrice sulla ortata dell acqua di alimento contraria a quella richiesta, e solo doo ochi attimi, cessando il transitorio, il livello tornerà al valore normale e la valvola di ortata acqua sarà costretta ad arire non solo er far fronte all aumento della ortata Q v ma anche er comensare la chiusura fatta in recedenza. Tale manovra risulta dannosa ed è da evitare erché oltre a rovocare un inutile e ericolosa deviazione dal livello normale, disturba il sistema di regolazione. Il fenomeno oosto si verifica in occasione di una diminuzione di relievo vaore Q v allorquando l aumento di ressione determina una contrazione delle bolle di vaore e quindi una temoranea diminuzione del livello. L azione regolante sarà oosta a quella in effetti necessaria, la valvola di alimento arirà rorio nel momento in cui la ortata dell acqua dovrebbe cominciare a diminuire.

11 Da queste considerazioni discende che, se la ortata acqua alimento fosse comandata solo in funzione del livello, si avrebbero fenomeni di instabilità dovuti al fatto che la regolazione sarebbe ortata a rodurre correzioni ooste a quelle effettivamente necessarie. Per queste ragioni, il circuito di regolazione iù sicuro, reciso e iù diffusamente usato è quello a tre elementi, comunemente chiamato bilancia acqua-vaore. Le grandezze in gioco sono aunto tre e iù recisamente: il livello, la ortata del vaore e la ortata dell acqua di alimento; lo scoo è di mantenere in ogni istante uguali tra loro la ortata di acqua e di vaore creando una correzione in funzione del valore effettivo del livello. Durante la regolazione, la misura del livello viene confrontata con il valore di setoint e ne deriva un segnale correttivo dell equilibrio dei segnali delle ortate acqua-vaore. Tale segnale viene inserito tramite una catena di ritardo er tener conto dei fenomeni di rigonfiamento e contrazione della massa liquida durante certi transitori. Per variare la ortata di acqua delle ome alimento, si uò agire sulla caratteristica della tubazione di mandata (curva resistente) o sulla caratteristica della oma (numero dei giri). Nel rimo caso si usa una valvola di regolazione sulla mandata, nel secondo caso, er variare la ortata, si uò agire sul variagiri di una turbooma o sul giunto di accoiamento variabile di una elettrooma. Regolazione della temeratura del vaore La regolazione della temeratura del vaore raresenta, come quello della regolazione del livello, un roblema di fondamentale imortanza er la sicurezza di esercizio dell imianto. Il raggiungimento di temerature di valore sueriore a quello di normale funzionamento si rivela senz altro dannoso er i materiali di caldaia, roducendo danni immediati o riducendone sensibilmente la durata. D altro canto, un eccessivo abbassamento della temeratura crea serie conseguenze er la turbina che, in caso di imrovvise forti variazioni, viene sottoosta a shock termici intollerabili, mentre un funzionamento continuo al disotto del valore nominale di temeratura comorta una grave diminuzione del rendimento. Il mantenimento della temeratura del vaore al valore imosto (± 3 C) revede di fornire una quantità di calore roorzionale alla quantità di vaore che attraversa il surriscaldatore, e su questo roblema i costruttori hanno adottato delle soluzioni che rendono in esame le caratteristiche dei due tii fondamentali di surriscaldatori: ad irraggiamento e a convezione.

12 Surriscaldatori ad irraggiamento: er questo tio di surriscaldatore la caratteristica temeratura/carico resenta un andamento tale er cui la temeratura del valore SH in uscita diminuisce all aumentare del carico; con l aumentare del carico diminuisce ercentualmente il calore ceduto in camera di combustione in quanto i gas ermangono minor temo in camera di combustione ed escono iù freddi; Surriscaldatori a convezione: er questo tio di surriscaldatore, la caratteristica temeratura/carico resenta un andamento tale er cui la temeratura del vaore SH in uscita tende ad aumentare con l aumentare del carico; con l aumentare del carico normalmente aumenta la temeratura dell acqua uscita economizzatore, ed occorrono erciò meno calorie er evaorare un kg di acqua; inoltre, un aumento di eccesso d aria fa abbassare la temeratura della fiamma e quindi il calore ceduto er irraggiamento, mentre aumenta il calore disonibile er le suerfici a convezione. In considerazione di queste diverse caratteristiche, nelle caldaie la distribuzione delle suerfici viene effettuata in modo tale da mantenere un raorto il iù ossibile costante tra il valore ceduto nella camera di combustione (irraggiamento) e quello ceduto ai surriscaldatori a convezione, er ottenere quindi una caratteristica lineare con andamento il iù ossibile orizzontale della temeratura vaore al variare del carico. Le considerazioni fatte er i surriscaldatori valgono anche er i risurriscaldatori; bisogna tener resente, erò, che un kg di vaore, er essere ortato dalla temeratura di saturazione a quella di surriscaldamento, richiede una quantità di calore indiendente dal carico, mentre il vaore surriscaldato estratto dalla turbina ha una ressione e temeratura che diendono dal carico (all aumentare del carico diminuisce il calore necessario er risurriscaldare un kg di vaore). I

13 surriscaldatori ed i risurriscaldatori, che si diversificano solo in relazione al tio di materiale e diametro dei tubi, sono in genere costituiti da banchi di serentine costituite da iù sezioni. Le soluzioni adottate er la regolazione della temeratura del vaore sono moltelici, e, nella scelta, influiscono i roblemi costruttivi, i fattori di disturbo, la esigua quantità di energia immagazzinata, i considerevoli temi morti, il costo e l economia di esercizio. I metodi imiegati negli imianti sono normalmente: - iniezione di acqua di desurriscaldamento; - ricircolazione dei gas; - inclinazione dei bruciatori; - raffreddamento con scambiatore; - by-ass dei banchi surriscaldatori. Fra questi sistemi, er la regolazione del vaore SH, il iù usato è quello dell iniezione d acqua. Per la regolazione della temeratura vaore RH si sfrutta revalentemente l inclinazione dei bruciatori o la ricircolazione dei gas, mentre l iniezione dell acqua è usata solo in casi eccezionali, in quanto il vaore corrisondente all acqua iniettata non assa er lo stadio ad alta ressione della turbina, eggiorando così il rendimento del ciclo. Desurriscaldamento: il metodo consiste nel variare la quantità di acqua di iniezione in funzione della temeratura finale del vaore. E certamente il sistema iù imiegato, di iù raida risosta e sovente integra altri sistemi. Poiché si regola la temeratura di uscita del vaore, sarebbe conveniente disorre l attemeratore (iniettore d acqua) all uscita del surriscaldatore finale; questo, erò, orterebbe a costruire l ultima arte del surriscaldatore in materiale seciale, dovendo lavorare ad una temeratura sueriore a quella del vaore a valle dell attemeratore, inoltre otrebbe verificarsi il grave inconveniente di trascinamento di eventuali articelle di acqua, non vaorizzata, in turbina. Per ovviare a questi inconvenienti, è norma suddividere il surriscaldatore in iù banchi, tra i quali si interongono gli attemeratori.

14 Ricircolazione dei gas: il metodo consiste nel relevare una ercentuale dei fumi all uscita dell economizzatore a temeratura di 3 4 C e, tramite un ventilatore (R), rinviarli nella arte bassa della camera di combustione. La temeratura in camera di combustione, e quindi il calore trasmesso er irraggiamento, vengono ridotti, aumentando la ortata e la velocità media dei fumi che escono dalla camera di combustione. I gas giungono iù freddi al surriscaldatore, ma, er la maggior ortata, la quantità di calore disonibile er convezione ai surriscaldatori è maggiore. Inclinazione bruciatori: il metodo consiste nello sostare il centro della fiamma modificando l inclinazione dei bruciatori. Il sistema varia la zona vaorizzante investita dalle fiamme, variando il temo di ermanenza dei gas caldi in camera di combustione e la temeratura di uscita dei gas. Abbassando i bruciatori si ottiene un abbassamento della zona di combustione con conseguente riduzione della temerature di fumi costretti a comiere un tragitto iù lungo in camera di combustione. L effetto si sente articolarmente sulla temeratura del vaore risurriscaldato,

15 essendo i banchi risurriscaldatori osti, generalmente, nella zona a convezione. Questo sistema viene alicato ai soli bruciatori d angolo. Raffreddamento con scambiatore: il metodo consiste nel raffreddamento di una arte del vaore SH in uno scambiatore a suerficie, alimentato con acqua del coro cilindrico; la quantità di vaore è regolata da una valvola a tre vie. E un metodo raramente usato nei grossi imianti, mentre è normalmente imiegato nelle caldaie ausiliarie.

16 Serrande di by-ass: in molte caldaie sono reviste, sul ercorso dei fumi, delle serrande di by-ass che deviano una arte dei fumi che quindi non vengono a contatto con le suerfici dei surriscaldatori a convezione e dei risurriscaldatori; questo sistema è efficace, ma resenta delle difficoltà ratiche er il eso e le dimensioni di ulteriori condotti. Eccesso d aria: l effetto dell aria sulla temeratura di uscita del vaore, diende dalla forma e disosizione delle suerfici surriscaldanti. Per le suerfici esoste a convezione, l eccesso d aria fa aumentare la temeratura del vaore er l aumentata ortata e velocità dei fumi. In genere, erò, non si uò esagerare con questo metodo er non comromettere il rendimento della caldaia a causa di elevate erdite er calore sensibile al camino. Il vaore risurriscaldato, a differenza di quello surriscaldato, è caratterizzato, ove non si effettui nessuna regolazione, da una temeratura crescente con l aumento del carico. Ci troviamo quindi nella necessità di effettuare, sino a circa l 8% del carico, un riscaldamento, e solo oltre, un raffreddamento. Anche er questa regolazione, si ossono avere a disosizione, a seconda del tio di generatore, alcuni elementi di regolazione: - inclinazione bruciatori; - ricircolo gas; - by-ass fumi; - acqua di desurriscaldamento (relevata normalmente dal secondo stadio della oma di alimento). Per aumentare la temeratura, si ricorre alla ricircolazione dei gas relevati a valle dell economizzatore ed introdotti mediante ventilatori alla base della camera di combustione. Quando invece occorre diminuire la temeratura, si uò ridurre la ortata dei gas di ricircolo, si uò

17 variare l inclinazione dei bruciatori, by-assare arte dei gas ed in ultimo agire con acqua di desurriscaldamento. Regolazione deressione in camera di combustione La regolazione esiste solo sui generatori di vaore a tiraggio bilanciato ed ha lo scoo di mantenere ad un valore refissato la deressione in camera di combustione. La deressione creata dal ventilatore indotto e la ressione rodotta dal ventilatore forzato devono essere erfettamente coordinate, in modo da fornire una distribuzione uniforme nei assaggi della caldaia. E usualmente richiesto che nella arte sueriore della camera di combustione sia mantenuta una deressione costante di qualche millimetro d acqua (5 7 mm) er revenire che le fiamme escano all esterno, concentrando la fiamma nel centro della camera di combustione, senza che vi siano rientrate d aria. Nel caso di grandi caldaie, il sistema di correzione usato er influenzare la deressione è generalmente la osizione delle serrande del ventilatore indotto, in funzione del valore di deressione. Un tio iù comleto è il sistema a due comonenti, dove i segnali di riferimento sono forniti dalla deressione in camera di combustione e dalla ortata di aria comburente. Il rimo segnale tende a mantenere la deressione costante, mentre la ortata aria ne varia il valore di setoint con il carico o, iù giustamente, serve come indice della variazione di carico o del regime di combustione. La deressione in camera di combustione, in grandi caldaie, è un roblema che resenta qualche difficoltà, erché lo sviluo del giro fumi, tra il unto di resa della deressione e l ubicazione della serranda di regolazione è notevole; inoltre, le resistenze raresentate rincialmente dai riscaldatori d aria, creano un ritardo abbastanza elevato. Date queste remesse, è evidente che oscillazioni di 3 mm d acqua di deressione in iù o in meno risetto al unto di regolazione sono inevitabili. Caldaia ad attraversamento forzato In una caldaia ad attraversamento forzato l acqua di alimento assa dallo stato fisico di liquido a quello di vaore, attraversando una sola volta il fascio tubero formante le suerfici di scambio; le zone di riscaldamento, di vaorizzazione e di surriscaldamento si succedono in serie

18 senza che vi siano articolari elementi, quali il coro cilindrico delle caldaie a circolazione naturale, atti a delimitarle. In una caldaia ad attraversamento forzato, il unto di evaorazione ed il unto di saturazione non hanno una osizione fissa nel sistema, ma sono definiti dalla ortata dell acqua di alimento e dalla quantità di calore ad essa ceduta lungo il ercorso della caldaia (volume di fuoco). Per una variazione della ortata dell acqua di alimento, mantenendo costante il volume di fuoco della caldaia, il unto di vaorizzazione si sosta verso il surriscaldatore se la variazione è stata in aumento, oure arretra se la variazione è stata in diminuzione; si ha come conseguenza una diminuzione o un aumento del volume di vaore in caldaia ed una inversa variazione della ressione del vaore in uscita. Considerando, ad esemio, un aumento della ortata acqua, con roduzione costante di calore in camera di combustione, si ha dunque una riduzione del volume occuato dal vaore ed un aumento della sua ressione. Inoltre, si ha un aumento del flusso termico nella nuova zona di vaorizzazione che è andata ad investire i fasci tubieri della zona di surriscaldamento i quali, nel transitorio, cedono il calore accumulato. Essendo diminuita la suerficie del surriscaldatore, si ha una caduta della temeratura del vaore finale, da cui deriva un aumento del eso secifico del vaore ed una iccola diminuzione di ressione. Se in tale transitorio, noi oeriamo adeguatamente sul combustibile ed aumentiamo le calorie rodotte dalla caldaia, manterremo costante la temeratura e la ressione del vaore in uscita, ed otterremo l aumento della ortata di vaore rodotto. Se si incrementa invece la ortata del combustibile, con acqua alimento o desurriscaldamento costanti, la quantità di calore trasferito al sistema di tubi aumenta roorzionalmente. Il unto di vaorizzazione e saturazione del vaore si muove verso l ingresso della caldaia e, corrisondentemente, arte del contenuto di acqua della zona di riscaldamento vaorizza. Se la ressione all uscita della caldaia è mantenuta costante con una adeguata resa di carico della turbina, si ottiene un temoraneo aumento della roduzione di vaore; inversamente, se la osizione delle valvole della turbina viene mantenuta costante, si nota un aumento della ressione. In entrambi i casi vi è un aumento della temeratura finale, oiché la suerficie del surriscaldatore è aumentata in grandezza con lo sostamento del unto di saturazione. Rieilogando, variazioni di ortata d acqua in ingresso, senza relative variazioni di combustibile, hanno come conseguenza variazioni nell entalia e nella temeratura in uscita. Una variazione di combustibile ha influenza tanto sulla ressione che sulla temeratura finale del vaore, e di conseguenza sul carico elettrico. Infine, ogni variazione in ingresso della ortata dell acqua e della combustione, fanno variare la temeratura finale del vaore in senso oosto, mentre influenzano la ressione del vaore e l uscita nel medesimo senso. In condizioni transitorie

19 o variazioni di carico, la ortata dell acqua alimento ed il calore fornito devono essere debitamente controllati, tenendo conto di altri fattori imortanti ed interessanti come l immagazzinamento del fluido e del calore. Per esemio, quando aumenta la ortata attraverso un tubo, la ressione nel tubo aumenta a causa dell aumento della caduta di ressione lungo il tubo stesso, causando così l aumento della densità del fluido. Una maggiore densità del fluido nel tubo richiede un maggiore eso di fluido er occuare lo stesso volume; questo sulemento di fluido immagazzinato deve essere ortato dal suo livello di entalia in ingresso al livello del fluido nel tubo. Inoltre, il metallo del tubo usualmente funziona a iù alta temeratura, oiché ai carichi iù alti vi è maggiore trasferimento di calore attraverso il tubo. Dunque, un aumento di carico richiederà una sufficiente ortata di acqua di alimento e di combustibile er soddisfare l aumento d immagazzinamento di calore sia nel metallo che nella maggiore quantità di fluido. In un generatore a circolazione forzata, occorre modificare i concetti base er i modi di funzionamento richiesti, risetto al generatore a circolazione naturale. Mentre la otenza della turbina determina il valore assorbito dall utilizzatore, la ortata del combustibile corrisonde alla roduzione di vaore. Il funzionamento monoblocco richiede che il vaore assorbito dall utilizzatore venga con continuità equilibrato dalla roduzione di vaore del generatore. Il controllo dell equilibrio di queste due grandezze è fatto tramite la ressione del vaore. Regolando la ressione del vaore col combustibile si ottiene quindi un equilibrio continuo. Nei grui termoelettrici, la grandezza rinciale da regolare è la otenza in uscita dall alternatore ed alla richiesta del carico elettrico deve adeguarsi il comlesso caldaia-turbina. Volendo individuare il comortamento dinamico della caldaia, identificheremo con lo schema di figura le variabili indiendenti e quelle diendenti dal sistema stesso.

20 Le variabili indiendenti, cioè le grandezze maniolabili che controllano il sistema sono: ortata acqua; combustibile; aria; grado di arzializzazione; ortata acqua desurriscaldamento vaore SH e RH; ortata del gas di ricircolo. Le variabili diendenti o grandezze regolate sono: carico elettrico, ressione vaore SH o ortata; temeratura vaore SH e RH; eccesso aria. Per la marcia in automatico dei vari sistemi di regolazione, sono revisti diversi modi di funzionamento, selezionabili dall oeratore o automaticamente secondo le esigenze di esercizio. I modi di funzionamento ossono essere: manuale; caldaia segue; turbina segue; coordinata; controllo carico da riartitore; avviamento o fermata. In una caldaia a circolazione forzata, l imiego del funzionamento coordinato è il iù adatto ed il iù utilizzato, mentre il sistema di regolazione caldaia segue e turbina segue vengono resi in considerazione solo in casi eccezionali. Caldaia segue: i comiti della regolazione sono di adattare la roduzione del vaore, tramite la regolazione della ressione del vaore, all assorbimento di vaore. Il combustibile e l aria comburente vengono mantenuti ad un valore corrisondente alla osizione calcolata dal grado di aertura delle valvole di ammissione in turbina. Il raorto acqua/combustibile uò essere variato automaticamente dalla regolazione temeratura SH. La temeratura del vaore SH viene regolata agendo sulla ortata acqua alimento e sulla ortata acqua desurriscaldamento, in alcuni imianti sulla ortata desurriscaldamento e sulla ortata combustibile.

21 Turbina segue: contrariamente al modo di funzionamento caldaia segue, nel funzionamento turbina segue la otenza generata dalla turbina corrisonde alla roduzione di vaore e quindi non viene utilizzato il otere di accumulo della caldaia. La temeratura del vaore viene controllata nello stesso modo revisto er gli altri funzionamenti (acqua alimento o nafta ed acqua desurriscaldamento). La ressione del vaore viene regolata agendo sulla osizione valvole turbina tramite il variagiri, ossia, variando la otenza elettrica rodotta dalla turbina sino ad eguagliare la roduzione di vaore. Coordinata: gli interventi sulla caldaia e sulla turbina sono coordinati senza subordinare il funzionamento dell una a quello dell altra. Azioni di limitazione e rotezione: sotto questa voce sono comresi un certo numero di circuiti che svolgono azioni di rotezione che si traducono in limitazioni. Nelle caldaie ad attraversamento forzato, al di fuori del circuito di avviamento, esistono delle tolleranze iuttosto strette a ciascun carico, negli scarti tra i valori che ossono assumere le ortate acqua, nafta e aria e i valori richiesti. Lo scarto di una grandezza risetto alla domanda indica lo scarto di quella grandezza risetto alle altre e questo scarto deve essere contenuto er evitare condizioni ericolose ai macchinari. Così, ad esemio, se la ortata d acqua alimento è a un certo carico basso mentre le ortate nafta e aria sono ai valori giusti, si avranno in caldaia aumenti di temeratura del metallo dei tubi e viceversa quando la ortata è alta. Una ortata aria bassa quando la ortata nafta è regolare uò invece ortare a condizioni ericolose in camera di combustione. Per revenire queste condizioni ericolose sono stati revisti, nel sistema di regolazione, dei circuiti che intervengono a limitare o ad aumentare altre grandezze quando esiste uno scarto in una di esse. Così, uno scarto in difetto nella ortata d acqua alimento andrà a ridurre roorzionalmente la domanda di combustione e viceversa, uno scarto in difetto nell aria andrà a limitare la nafta e l acqua alimento, uno scarto infine nella nafta andrà ad agire su acqua e aria. Regolazione della ressione Durante il funzionamento in coordinata, la ressione all ammissione diende, oltre che dall aertura delle valvole turbina, anche dal livello di combustione e della ortata acqua alimento. Il sistema di regolazione genera un segnale base di richiesta che viene inviato da una arte al regolatore turbina, dall altra in arallelo ai tre regolatori di ingresso caldaia. Il carico richiesto alla turbina viene confrontato con il carico generato, corretto in funzione della ressione all ammissione

22 turbina e inviato al regolatore della osizione valvole di ammissione in turbina (variagiri). Il segnale di richiesta aertura valvole viene confrontato con il grado di aertura effettivo delle valvole, e l errore conseguente comanda il regolatore valvole turbina. Poiché l errore della ressione ammissione turbina è indice di eventuali squilibri tra la caldaia e la turbina, dovuti ad esemio ad una variazione del rendimento della turbina, nonché della quantità di calorie utilizzate durante una variazione di carico, il segnale carico richiesto, rima di diventare richiesta di caldaia, viene corretto in funzione di detto errore. Regolazione ortata aria Comito della ortata aria totale è di inviare in caldaia in continuazione una ortata aria corrisondente alle ortate dei combustibili, in modo tale che sia assicurato l accesso d aria richiesto (ercentuale O nei fumi). Poiché l eccesso d aria occorrente (ercentuale di O ) è funzione del carico (e diverso con nafta o carbone), è revisto di aggiungere al valore revisto in fase di rogramma MW/O, un quantitativo aggiuntivo in funzione della ortata totale del carbone o della nafta. Tale valore costituisce il valore redeterminato totale er l O che viene confrontato con il valore della misura del % di O nei fumi misurato sull imianto. Per fini di sicurezza i due analizzatori di O, montati nei due circuiti fumi della caldaia, sono normalmente confrontati in un selettore di valore minimo e viene scelto il valore iù iccolo. Il controllo della combustione a artire dalla misura del tenore di ossigeno nei fumi, quale variabile rinciale er realizzare un corretto raorto aria/combustibile e quindi l eccesso d aria migliore, gioca un ruolo imortante nella condotta di un generatore di vaore, er quanto riguarda costo dell energia (risarmio di combustibile) e roblemi ecologici. Regolazione della temeratura vaore SH In base ai comiti assegnati, le temerature del vaore vengono regolate nelle caldaie a circolazione forzata mediante l acqua di desurriscaldamento (azione veloce) e l acqua di alimento o la richiesta di combustione (azione lenta). Ciò significa che, modificando in maniera oortuna il flusso termico o la ortata di alimento, si uò variare, nel senso voluto, la temeratura del vaore all uscita della caldaia.

23 Regolazione temeratura vaore RH Comito di questo circuito di regolazione è di mantenere la temeratura del vaore RH al valore refissato, agendo in sequenza su: quantità di fumi ricircolata (temering-ricircolazione); valvole di desurriscaldamento. Il gas temering ha lo scoo di roteggere il surriscaldatore finale ed il risurriscaldatore nella fase di avviamento, quando il vaore che li attraversa è minimo. Dove è revisto il funzionamento a carbone, il gas temering avrà anche il comito di diminuire la temerature dei gas in ingresso alle zone convettive (riducendo così i fenomeni di deosito di ceneri fuse). La ricircolazione dei gas, con introduzione, nella arte inferiore della camera di combustione, ha lo scoo di roteggere la camera da surriscaldamenti oltre a regolare la temeratura del vaore RH. La ricircolazione dei gas è effettuata da tre ventilatori, la cui ortata è regolata sulla serranda di asirazione. La ortata di ciascun ventilatore è mantenuta ressoché costante al suo valore nominale regolando la serranda di asirazione in base all assorbimento di corrente del motore. Infatti l assorbimento di corrente nei motori dei tre ventilatori è funzione (anche se non lineare) della ortata di gas. Un regolatore confronta la corrente assorbita dal motore del ventilatore relativo con il set oint di corrente e corregge gli errori intervenendo sulla serranda di asirazione. Quando la temeratura del vaore risurriscaldato suera il suo set oint, intervengono le valvole di ottemeramento; essere regolano la ortata di acqua a due attemeratori convenzionali, uno su ciascun ramo, all ingresso del risurriscaldatore. L acqua di ottemeramento è fornita normalmente dallo sillamento del secondo stadio della oma di alimento. Regolazione della ortata acqua alimento Il sistema di regolazione normalmente fa corrisondere la ortata acqua di alimento alla combustione effettiva, sia er ottenere un sistema ottimale nella temeratura, che una massima sicurezza di esercizio. Ciò viene realizzato mediante la regolazione della temeratura vaore SH con l attemeramento e mediante la regolazione del valore medio della differenza di temeratura agli attemeratori con l acqua di alimento. Regolazioni ausiliarie dei sistemi di combustione

24 Aartengono a queste regolazioni tutti gli imianti che rendono il combustibile idoneo ad essere bruciato. Combustibili liquidi: gli aarecchi di utilizzazione dei combustibili liquidi (bruciatori) devono ricevere i combustibili a determinate condizioni di ressione e viscosità, che sono oi quelle stabilite in sede di rogetto dei bruciatori stessi. In un imianto termoelettrico si ossono distinguere i seguenti grui di aarecchiature: serbatoi di stoccaggio; grui di reriscaldamento e sinta nafta; bruciatori. Per i serbatoi di stoccaggio (nafta esante), i roblemi sono circoscritti al riscaldamento del liquido ad una temeratura sueriore al unto di scorrimento e alla misura del livello segnalandone i valori limite. Se esiste il serbatoio giornaliero o di servizio, occorre garantire la ricostituzione della scorta, quando questa scende al valore minimo, mediante il circuito di travaso. Il gruo di sinta nafta resenta invece il roblema di fornire ai bruciatori del combustibile ad una ressione determinata, ed il funzionamento delle ome diende essenzialmente dal tio di bruciatore e quindi dal circuito asservito. A tale roosito, i modi di funzionamento sono essenzialmente due: oma funzionante ermanentemente alla ressione massima con regolazione del combustibile effettuata sulla mandata; oma funzionante ermanentemente a ressione variabile con regolazione del combustibile effettuata sullo sfioro della oma. Il gruo di reriscaldamento resenta invece il roblema di fornire ai bruciatori, del combustibile a viscosità costante. A tale roosito si usa regolarne la temeratura, mantenendo questa al valore corrisondente alla viscosità richiesta. Regolazione della temeratura e della viscosità degli oli combustibili: er ottenere una combustione comleta è necessario ottenere un atomizzazione quanto iù erfetta ossibile al momento della combustione, e er una erfetta atomizzazione l esigenza comune è di mantenere la viscosità della nafta ad un valore ottimo e semre uguale. I sistemi adottati a tale scoo sono: miscelazione di due oli; regolazione della temeratura; regolazione della viscosità. Il rimo sistema non viene adottato sesso negli imianti, in quanto esiste una notevole difficoltà di ottenere una miscelazione semre omogenea oltre alle inevitabili comlicazioni di imianto. Il sistema comunemente adottato er diminuire la viscosità è la regolazione della temeratura in base a diagrammi delle caratteristiche degli oli. Naturalmente ciò resuone che le

25 caratteristiche dell olio combustibile inviato dal fornitore rimangano assolutamente costanti e ciò si verifica difficilmente, secie er successive forniture roveniente da vari fornitori e da fonti diverse di arovvigionamento. Il sistema che introduce la regolazione della temeratura (e quindi della viscosità) tramite viscosimetri inseriti nelle catene di regolazione della temeratura nafta è in via di adozione, in quanto le varietà di rodotto arovvigionato hanno esaltato ultimamente gli inconvenienti già noti. In figura sono raresentate le curve Viscosità/Temeratura nafta.

26 La regolazione della temeratura nafta si ottiene agendo sulla ortata di vaore, e la temeratura refissata uò variare a seconda della qualità del combustibile in relazione alla sua viscosità. Regolazione nafta ai bruciatori Una breve analisi nel camo dei bruciatori deve essere fatta in quanto vi sono delle differenze concettuali nei sistemi di controllo della ressione ai bruciatori. La caratteristica teorica di un bruciatore è caratterizzata dalla funzione ressione/ortata e dalla ressione minima e massima di funzionamento. Sostanzialmente i bruciatori ossono essere classificati in funzione del modo con cui viene olverizzato il combustibile ed il sistema di controllo deve adeguarsi er il mantenimento dei valori ottimi di funzionamento: - a olverizzazione meccanica - con atomizzatore a ressione diretta (camo regolazione :,); - con atomizzatore a ritorno (camo regolazione :8); - a olverizzazione con fluido ausiliario - con atomizzatore a vaore (camo regolazione :6); - con atomizzatore ad aria (camo regolazione :5). Atomizzatori a sinta diretta Atomizzatori a ritorno Con gli atomizzatori a sinta diretta, la variazione di ortata viene ottenuta strozzando la quantità di olio con la valvola osta sulla mandata ai bruciatori. Il bruciatore a olverizzazione meccanica di tio a ritorno è stato sviluato allo scoo di aumentare il camo di regolazione degli atomizzatori a ressione diretta. Il rinciio fondamentale seguito in questi atomizzatori è quello di circolare nella camera terminale (a vortice) dell atomizzatore una ortata di olio costante. A tale scoo la camera terminale è messa in comunicazione, nella arte oosta a quella in cui è ricavato il