CAPITOLO 3 SISTEMA DI COMPRESSIONE DI GAS METANO PER AUTOTRAZIONE

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1 CAPITOLO 3 SISTEMA DI COMPRESSIONE DI GAS METANO PER AUTOTRAZIONE 3.1 Introduzione Negli anni sono state condotte numerose analisi sulle stazioni di rifornimento a gas naturale. Si è visto che uno svantaggio legato all uso del gas naturale come combustibile consiste nel volume richiesto per stoccare una quantità di gas sufficiente a garantire un autonomia di viaggio comparabile a quella degli altri carburanti. Per ottenere ciò, è necessario comprimere il gas fino alla pressione di circa 250 bar, pressione che risulta molto elevata rispetto a quelle che usualmente si trovano sulle linee di aspirazione. Inoltre il tempo di rifornimento delle utenze deve essere comparabile con i tempi impiegati per il rifornimento con gli altri carburanti. Quindi per ovviare ai due problemi sopra elencati, occorre utilizzare un compressore multistadio di grande taglia e molto costoso. Oppure si sono sviluppati sistemi di rifornimento del gas naturale per applicazioni domestiche o on-board. Questi sistemi sono in grado di rifornire gas naturale alla pressione richiesta, ma sono caratterizzati da una portata molto bassa e quindi impiegano molto tempo, spesso un intera notte, per effettuare il rifornimento [20]. Tra i vari sistemi di rifornimento di gas per autotrazione esistenti, il sistema tradizionale più utilizzato è costituito da un grande compressore multistadio per comprimere il gas naturale fino a 250 bar e da uno stoccaggio intermedio per immagazzinare il gas a quella pressione. Durante il rifornimento, il gas naturale fluisce dallo stoccaggio al serbatoio del veicolo, finché quest ultimo non raggiunge la pressione di 220 bar. Dopo il rifornimento, il serbatoio intermedio viene di nuovo riempito di gas fino alla pressione di 250 bar. Questo sistema è molto inefficiente perché occorre riempire il serbatoio intermedio sempre ad un elevatissima pressione, con evidenti sprechi dal punto di vista energetico. Per questo è stato ritenuto di interesse sviluppare un innovativo sistema di compressione di gas metano, in grado di rifornire veicoli CNG fino alle pressioni richieste, ma con contenuti consumi energetici. Il sistema innovativo è stato confrontato con il sistema tradizionale facendo riferimento ad un compressore prototipo fatto lavorare in entrambe le configurazioni. In questo modo, poiché è stata utilizzata la stessa macchina nei due sistemi, è stato possibile evidenziare il risparmio energetico derivante dalla sola introduzione degli stoccaggi a tre livelli di pressione. 64

2 3.2 Il compressore tradizionale Un impianto tradizionale (Figura 3.1) di compressione di metano per autotrazione (CNG) realizza l innalzamento della pressione da quella di prelevamento dalla rete (che può variare da 4 a circa 40 bar) sino a circa 250 bar, richiesti per il rifornimento, tramite un compressore multistadio con interrefrigerazione. Tale sistema comporta la costruzione di un compressore in grado di garantire una portata che sia correlata alla portata di rifornimento normalmente richiesta a regime, quindi comporta la costruzione di sistemi di elevate dimensioni. Sono infatti richiesti compressori pluricilindrici, a semplice o doppio effetto, le cui cilindrate si adeguino perfettamente alla variazione della densità di una portata che deve mantenersi identica nei diversi stadi. Tra uno stadio e l altro è necessario interporre una fase di raffreddamento del metano compresso per ridurre la temperatura di inizio dello stadio successivo, eliminare l aumento di consumo energetico che essa provocherebbe e salvaguardare le parti di tenuta del compressore. Per operare il raffreddamento, quindi, servono sistemi di elevate dimensioni e conseguentemente costosi al punto da incidere fortemente sul costo totale di impianto. Essi infatti raffreddano il gas con l uso prevalentemente di aria. Inoltre il compressore è sottoposto a continui avviamenti e fermate in relazione alla portata assorbita dall utenza (rifornimento di veicoli). Questo fatto è uno dei principali fattori di possibile perdita di affidabilità e richiede una progettazione con opportuni sovradimensionamenti. Le difficoltà di funzionamento di tali sistemi, inoltre, crescono tanto più si innalza la temperatura ambiente ponendo in crisi il sistema di interrefrigerazione. In figura 3.1 è riportato lo schema di un impianto tradizionale, dove le tre macchine rappresentano i tre stadi del compressore interrefrigerato. Figura 3.1 Schema impianto tradizionale Per la presente analisi si consideri un compressore prototipo utilizzato al fine di confrontare sul campo le prestazioni del sistema tradizionale con il nuovo compressore ad alta efficienza. 65

3 Il compressore è costituito da due cilindri con le seguenti caratteristiche: SISTEMA DI COMPRESSIONE Alesaggio - 37 mm Corsa mm Diametro stelo: 30 mm Numero di giri: 750 rpm Il compressore è stato dimensionato per lavorare con pressione in aspirazione pari a 19 bar e comprime il gas con tre stadi di compressione fino a 250 bar. La portata così elaborata è pari a circa 105 kg/h. La potenza richiesta dal sistema di compressione è pari a 25 kw. 3.3 Il sistema innovativo La nuova tipologia di stazione di rifornimento per la compressione di gas metano per autotrazione è costituita da un compressore alternativo, che opera la compressione in tre fasi successive per mezzo dello stesso compressore, accumulando il gas compresso in stoccaggi intermedi a tre livelli di pressione. L accumulo avviene in pacchi bombole contenuti in grandi vasche e raffreddati tramite acqua. La caratteristica innovativa di tale tecnologia risiede nella possibilità di realizzare stazioni di compressione del metano con un costo di impianto e consumi energetici ridotti rispetto alle soluzioni tradizionali. Il progetto si propone di applicare in uno specifico ambito di mercato il brevetto di invenzione industriale dal titolo "Impianto ad alta efficienza energetica per compressione di metano per autotrazione" di proprietà di Strategie srl. Il brevetto sarà la base di un nuovo impianto di erogazione del metano più economico ed efficiente di quelli attualmente presenti sul mercato. In particolare grazie al nuovo sistema di compressione si contribuirà ad abbattere i costi di erogazione del CNG, rendendo tale combustibile sempre più conveniente. L'interesse verso il metano come combustibile per autotrazione deriva dal fatto che esso rientra nella categoria dei combustibili a basso impatto ambientale. Il problema dell inquinamento da traffico, infatti, impone il passaggio a combustibili idonei al contenimento di produzione di gas climalteranti e per far questo occorre renderne sempre più economicamente vantaggioso l utilizzo. Al fine di incentivare il suddetto impiego del metano è necessario favorire la diffusione delle stazioni di rifornimento e contenere i costi di compressione, così da garantire prezzi di vendita competitivi sul mercato. Il CNG è prodotto a partire dal gas naturale del metanodotto, che viene compresso fino alla pressione necessaria per l'alimentazione dei veicoli. La particolarità del nuovo impianto risiede nell utilizzo di un compressore ad un solo stadio ed adeguati sistemi di accumulo intermedio a diversa pressione, posti in ambiente raffreddato. La finalità dell innovazione sta nel risparmio energetico della compressione per la specifica applicazione di riempimento delle bombole a 66

4 bordo di veicoli. Al contrario della versione tradizionale non si porta tutta la massa di gas alla massima pressione necessaria per contenerla in un serbatoio di definito volume. Si opera la compressione in più fasi intermedie ed a questi livelli si conserva in stoccaggi di capacità funzione del carico della stazione di rifornimento. Le peculiarità migliorative rispetto allo stato dell arte sono il minor costo dell impianto in virtù del fatto che si utilizza un compressore più piccolo di quello che servirebbe per l intero ciclo di compressione e si elimina l air-cooler che è sostituito da un gruppo frigorifero tradizionale funzionante con ciclo inverso a compressione. Sono infatti le bombole a fungere da scambiatori di calore. Rispetto alla soluzione tradizionale si ravvisano quindi i seguenti vantaggi: minor costo dell'impianto a parità di prestazioni; minori costi di gestione in virtù del minor consumo di energia elettrica per la compressione Altre ottimizzazioni si intravedono e saranno oggetto delle fasi di sviluppo della ricerca e dell industrializzazione. Esse saranno soprattutto legate alla possibilità di standardizzare la tipologia d impianto che in tal modo potrà avvalersi di riduzioni di costo per effetto scala, più alte di quelle previste nell analisi dei costi di seguito riportata. L innovazione, come anticipato, è stata oggetto di un brevetto di invenzione industriale depositato il 04/12/2007 ed ora è in itinere l estensione internazionale verso le aree di maggiore interesse commerciale. La tecnologia impiegata è stata studiata per risolvere le criticità delle stazioni di compressione per CNG, in particolare: il sovradimensionamento del compressore, l eccessivo numero di avviamenti di motore/compressore dannoso per l affidabilità, la scarsa efficienza dello scambio termico del refrigeratore che porta la macchina a lavorare fuori specifica tecnica in presenza di climi caldi, la necessità di limitare i costi di gestione dell impianto, la configurabilità e standardizzazione dei componenti. Tutte queste problematiche sono legate alla tecnica di compressione tradizionale che, come descritto in precedenza, realizza l innalzamento della pressione da quella di prelevamento dalla rete sino a quella richiesta per il rifornimento, tramite un compressore multistadio con interrefrigerazione di elevate dimensioni. Uno schema di impianto tradizionale confrontato con un impianto a basso consumo è mostrato nella figura seguente. 67

5 Compressore multistadio M el C1 C2 C3 Collegamento alle utenze auto Alimentazione Aircoolers Figura 3.2 Schema impianto tradizionale e schema impianto innovativo Il sistema innovativo opera quindi la compressione in tre fasi successive per mezzo dello stesso compressore accumulando il gas su tre livelli di pressione, in pacchi bombole collocati in un ambiente raffreddato, provvedendo in tal modo alla interrefrigerazione della carica delle fasi di compressione successive. L alimentazione del gas al compressore avviene tramite una centralina alla pressione di 19 bar e le pressioni degli stoccaggi di bassa, media e alta pressione variano rispettivamente tra 36-55, e bar. L'impianto è stato concepito in modo da essere facilmente standardizzato, infatti al variare della pressione del gas proveniente dal metanodotto e dalla portata richiesta dall'utenza, è sufficiente adattare il sistema di stoccaggio con il gruppo frigo ed eventualmente aggiungere un piccolo compressore iniziale che porti il gas di rete alla pressione di alimentazione di progetto per l'impianto. La macchina vera e propria rimane inalterata, permettendo di contenere sia i costi di progettazione, sia i costi di produzione. Il prototipo del banco prova è costituito dai seguenti elementi: Compressore Sistema di stoccaggio gas Utenza Organi di controllo Sistema di misurazione Quadro elettrico e PLC Nelle figure 3.3 e 3.4 è possibile vedere il prototipo realizzato presso il banco prova della G.I.&E. di Porto Recanati. 68

6 Figura 3.3 Impianto prototipo di compressione Figura 3.4 Vasche di raffreddamento bombole La novità rappresentata dal sistema di compressione in oggetto, quindi, non consiste tanto nell'innovazione tecnologica del compressore, quanto soprattutto nella modalità di gestione dello stesso, permettendo di ottimizzare il funzionamento per limitare la taglia necessaria della macchina. 69

7 Figura 3.5 Schema del sistema innovativo di compressione di gas metano per autotrazione Nei paragrafi successivi si analizzeranno più in dettaglio i componenti del sistema. In appendice, invece, vengono riportati i grafici relativi alla rielaborazione dei dati raccolti durante due giorni di prove sperimentali Il compressore Il compressore utilizzato è un compressore alternativo 2AVTN2 con 2 cilindri a doppio effetto che ha le seguenti caratteristiche: Alesaggio - 37 mm Corsa mm Volume spazio morto - 2,15 cm 3 (andata) e 0,74 cm 3 (ritorno) Diametro stelo - 30 mm Rpm utilizzato rpm Rapporto di compressione utilizzato - 2,87 Cilindrata - 161,2 cm 3 (andata) e 55,2 cm 3 (ritorno) Massima pressione di esercizio bar 70

8 Il compressore è abbinato ad un motore elettrico da 90 kw, che aziona il compressore tramite una trasmissione di tipo con pulegge e cinghie, per una velocità del compressore pari a 750 rpm. I cilindri di questo compressore sono full load, in dettaglio comprimono la prima fase nella parte superiore e la seconda fase nella parte inferiore della macchina. Infatti questo tipo di macchina è funzionalmente divisa in due parti: i cilindri, in cui il gas naturale aspirato viene compresso fino alla pressione di distribuzione l incastellatura, in cui è presente il manovellismo che comprende tutti gli organi per la trasmissione del moto agli stantuffi dei cilindri. La separazione fra le due parti è realizzata in modo da evitare penetrazioni di gas naturale e formazione di miscela esplosiva nell incastellatura. La tenuta del gas naturale verso l incastellatura è realizzata con pacchi premistoppa con tenute di tipo flottante che, al contrario di tenute fisse, consentono la tenuta anche in caso di movimenti non perfettamente rettilinei dell asta. Il cilindri sono raffreddati ad olio, quindi il compressore è completato da un circuito di lubrificazione olio dei manovellismi. Questo circuito è composto da: pompa olio refrigerante olio raffreddato ad aria filtro olio a cartuccia valvola di sfioro olio una serie di strumenti di controllo del circuito L olio di lubrificazione utilizzato è il tipo ISO100 (per temperature ambienti superiori a 0 C) oppure il tipo ISO68 (per temperature ambienti inferiori a 0 C). La macchina lavora con lo stesso rapporto di compressione su tutti e tre gli stadi e quindi elabora differenti portate orarie. Le suddette portate sono state misurate attraverso un misuratore di portata e registrate in continuo. Nei grafici sottostanti vengono evidenziati gli andamenti di ogni singolo stadio e le medie complessive. 71

9 [kg/h] SISTEMA DI COMPRESSIONE Tempi Figura 3.6 Portata del compressore durante il caricamento dello stadio di bassa pressione Nella bassa pressione si può notare un andamento contrassegnato da continui picchi dovuti al transitorio di passaggio tra due diversi stoccaggi, come si può vedere dal grafico seguente: Figura 3.7 Passaggio stoccaggio media bassa pressione In tale grafico è mostrata in rosso la portata, e si nota il ritardo di risposta del misuratore di portata rispetto all'apertura delle valvole. Nella media pressione (figura 3.8) l'andamento è lineare decrescente, probabilmente a causa della diminuzione della differenza di pressione tra lo stoccaggio e la mandata del compressore. Anche qui si notano dei picchi, però meno evidenti rispetto a quelli che si delineavano durante il riempimento dello stadio di bassa pressione. 72

10 [kg/h] SISTEMA DI COMPRESSIONE Tempo Figura 3.8 Portata del compressore durante il caricamento dello stadio di media pressione Figura 3.9 Passaggio stoccaggio alta media pressione In figura 3.10 viene mostrato l andamento della portata del compressore mentre si riempie lo stoccaggio di alta pressione. Sono presente notevoli picchi negativi, che rappresentano il ritardo nella risposta. 73

11 [kg/h] SISTEMA DI COMPRESSIONE Tempo Figura 3.10 Portata del compressore durante il caricamento dello stadio di alta pressione In tabella 3.1 si riportano i valori dei risultati delle prove sperimentali, formati da una media dei valori ottenuti durante l intero periodo di prova. Tabella 3.1 Portata media rilevata Portata compressore in mandata (kg/h) Bassa Pressione Media Pressione Alta Pressione Per evidenziare meglio le condizioni di lavoro della macchina sono stati elaborati anche dei grafici che mostrano l andamento della temperatura in ingresso ai singoli stoccaggi rispetto a quella di aspirazione e mandata del compressore stesso. 74

12 [ C] [ C] SISTEMA DI COMPRESSIONE TE100 TE121 TE101 Tempo Figura 3.11 Temperatura compressore stoccaggio bassa pressione Il grafico 3.11 mostra l'andamento della temperatura in ingresso allo stoccaggio di bassa pressione (TE121), rispetto a quella d'aspirazione (TE100) e mandata (TE101) della macchina. Quando il compressore lavora nella fase si raggiungono circa gli 80 C, temperatura che è assimilabile alla temperatura media di fine compressione TE123 TE124 TE101 Tempo Figura 3.12 Temperatura compressore stoccaggio media pressione Nel grafico 3.12 si possono notare gli andamenti della temperatura all uscita dello stoccaggio di bassa pressione (TE123), cioè l aspirazione del compressore, quella in mandata del compressore (TE101) e la temperatura di ingresso nello stoccaggio di media (TE124). L'andamento delle 75

13 [ C] SISTEMA DI COMPRESSIONE temperature sembra asincrono, infatti la temperatura di ingresso dello stoccaggio ha un ritardo lieve rispetto a quella di mandata del compressore TE126 TE101 TE127 Tempo Figura 3.13 Temperatura compressore stoccaggio alta pressione Infine, nel grafico 3.13 si possono notare gli andamenti della temperatura all uscita dello stoccaggio di media pressione (TE126), cioè l aspirazione del compressore, quella in mandata del compressore (TE101) e la temperatura di ingresso nello stoccaggio di alta (TE127) Il sistema di stoccaggio del gas Il sistema di stoccaggio dell impianto di compressione è suddiviso in tre parti: bassa, media ed alta pressione. Ogni stoccaggio è contraddistinto da un livello minimo e da uno massimo di pressione, tra cui oscilla costantemente e che non può mai superare, come specificato nel paragrafo seguente, dove viene mostrata nel dettaglio la logica di funzionamento del sistema. In particolare il prototipo sarà contraddistinto dai valori riportati in tabella 3.2. Tabella 3.2 Stoccaggi del prototipo N. bombole Litri Vol tot [m 3 ] P minima [bar] P massima [bar] Stoccaggio Bassa Pressione , Stoccaggio Media Pressione , Stoccaggio Alta Pressione , Ogni stoccaggio è contenuto in una vasca riempita d acqua, che ha la funzione di raffreddare le bombole. Possono essere utilizzati diversi sistemi di raffreddamento per l acqua delle vasche, come ad esempio un gruppo frigorifero tradizionale funzionante con ciclo inverso a 76

14 compressione di vapore. In particolare, per il prototipo in questione, è stato impiegato un circuito aperto con acqua di pozzo a perdere, scelto per la sua semplicità realizzativa. L acqua fredda è alimentata dal fondo con un sistema di tubi che ne permette una circolazione omogenea in ogni parte della vasca. All interno di ogni stoccaggio il gruppo bombole è frazionato in due parti tra loro collegate in serie, per massimizzare lo scambio termico. Questo sistema di raffreddamento permette l eliminazione dell air-cooler, utilizzato nei sistemi tradizionali, e conseguentemente la diminuzione del costo dell impianto. Nei grafici 3.14, 3.15 e 3.16 è possibile notare la capacità di raffreddamento del sistema di vasche, infatti essi riportano l andamento della temperatura dell acqua nelle vasche e delle temperature del gas in ingresso ed in uscita dalle stesse, nell arco di una giornata lavorativa (8 ore), sulla base delle misure effettuate in campo sul compressore prototipo. I picchi presenti nei grafici si manifestano quando il compressore lavora nello stadio corrispondente allo stoccaggio in cui si manifesta l'incremento di temperatura. Si osserva che questo sistema di raffreddamento ha la condizione di lavoro più critica nello stoccaggio di alta pressione (Figura 3.16). Nell impianto prototipo non c'è un misuratore di portata dedicato al circuito di refrigerazione. Si possono valutare soltanto: l'andamento della temperatura dell acqua delle vasche nel tempo, misurata con termocoppie a contatto poste sul tubo di ingresso e su quello di uscita dell acqua la differenza tra le temperature di ingresso-uscita gas dagli stoccaggi, con termocoppie a pozzetto. Occorre tenere presente che i grafici sono stati tracciati per tutto il giorno, mentre il raffreddamento ha luogo nei momenti in cui vi è flusso di gas nello stoccaggio. Tuttavia è facile ricavare dal grafico i periodi in cui vi è flusso, a causa della elevata temperatura di ingresso del gas. I tre grafici sono sovrapponibili e in tutti e tre si nota facilmente come l'aumento di temperatura dell'acqua sia minimo, leggermente più marcato quando vi è flusso. E da notare, inoltre, che più o meno a metà del grafico vi è un periodo di tempo in cui la temperatura di ingresso è circa pari a 48 C, tuttavia tale valore non è da considerarsi veritiero, poiché corrisponde ad uno stop dell'impianto. 77

15 Figura 3.14 Raffreddamento stoccaggio di bassa pressione Figura 3.15 Raffreddamento stoccaggio di media pressione 78

16 Figura 3.16 Raffreddamento stoccaggio di alta pressione Tabella 3.3 Legenda delle temperatura riportate nei grafici 3.14, 3.15, 3.16 Ingresso acqua Uscita acqua Ingresso gas Uscita gas Alta pressione TE405 TE406 TE127 TE129 Media pressione TE403 TE404 TE124 TE126 Bassa pressione TE401 TE402 TE121 TE123 Per completare la descrizione del compressore, nei grafici 3.17, 3.18 e 3.19 viene riportata anche la potenza assorbita dal sistema durante il riempimento dei tre stoccaggi di bassa, media ed alta pressione. 79

17 Figura 3.17 Potenza assorbita nel riempimento dello stadio di bassa pressione Figura 3.18 Potenza assorbita nel riempimento dello stadio di media pressione 80

18 Figura 3.19 Potenza assorbita nel riempimento dello stadio di alta pressione Logica di funzionamento Il sistema segue una ben precisa logica di riempimento degli stoccaggi. All inizio tutti e tre gli stoccaggi sono vuoti. Si inizia a riempire lo stoccaggio di bassa pressione fino a completamento. Quando il sensore comunica il raggiungimento di tale situazione, si chiude la valvola di ingresso gas a questo stoccaggio e se ne aprono altre due: quella di uscita gas dallo stesso stoccaggio di bassa pressione e quella di ingresso allo stoccaggio di media pressione. Ora il compressore aspira dallo stoccaggio di bassa pressione e comprime gas nello stoccaggio di media pressione fino al suo riempimento. Analogo ragionamento vale per lo stoccaggio di alta pressione. Anche in questo caso, come per il compressore tradizionale, la pressione di aspirazione è pari a 19 bar. Considerato un rapporto di compressione costante ( =2,87), la pressione massima dei tre stoccaggi varia rispettivamente tra le pressioni di soglia minima e massima: bar, bar e bar. La logica di riempimento degli stoccaggi, con i relativi livelli di pressione, è stata schematizzata ed è visibile nello schema a blocchi sottostante (Figura 3.20), mentre in tabella 3.4 è riportata la legenda dello schema. Tabella 3.4 Legenda schema a blocchi Simbolo POV121 POV122 POV123 POV124 Descrizione Valvola d ingresso stoccaggio bassa pressione Valvola d uscita stoccaggio bassa pressione Valvola d ingresso stoccaggio media pressione Valvola d uscita stoccaggio media pressione 81

19 POV125 A C Valvola d ingresso stoccaggio alta pressione Valvola aperta Valvola chiusa CARICO STOCCAGGI POV122 C POV121 A POV124 C POV123 C POV125 C POV122 C POV121 A POV124 C POV123 C POV125 C si si La pressione di STB è P < 37? no o La pressione di STB è 37< P < 55? no o no o La pressione di STB è P >=55? si La pressione di STM è P < 87? no o La pressione di STM è 87< P < 105? no o si si POV122 A POV121 C POV124 C POV123 A POV125 C POV122 A POV121 C POV124 C POV123 A POV125 C no o La pressione di STM è P >=105? no o si La pressione di STA è P <230? no o La pressione di STA è 230< P < 250? no o La pressione di STA è P >=250? si si POV122 C POV121 C POV124 A POV123 C POV125 A POV122 C POV121 C POV124 A POV123 C POV125 A si Figura 3.20 Logica di caricamento degli stoccaggi 82

20 Altro elemento fondamentale per completare la descrizione degli stoccaggi, oltre alla loro configurazione e alla logica di funzionamento, consiste nel tempo che il compressore impiega nel loro riempimento. In tabella 3.5 sono riportati i tempi impiegati per il riempimento iniziale degli stoccaggi. Questa fase, però, durante le prove sperimentali è stata effettuata in più riprese, a causa di varie rotture ed inefficienze del sistema. Si può dunque solo stimare un tempo medio di riempimento iniziale. Tabella 3.5 Tempo medio di riempimento iniziale degli stoccaggi Bassa Pressione Media Pressione Alta Pressione Totale Tempo iniziale caricamento stoccaggi 2 h 21 min 7 sec 2 h 38 min 5 sec 3 h 55 min 78 sec 9 h Come si evince dalla tabella, il tempo di riempimento iniziale è abbastanza lungo, ma per ovviare a tale inconveniente, questa fase sarà effettuata sempre nell orario di chiusura della stazione stessa. Invece, il tempo di riempimento a regime, cioè il tempo con cui il compressore riporta i singoli stoccaggi alla massima pressione, si attesta sempre attorno ai i 10 minuti Le utenze Il sistema è dotato anche di una precisa logica di caricamento utenze. L utenza inizia ad essere caricata dallo stoccaggio di bassa pressione, sino a quando la pressione dello stoccaggio e la pressione dell'utenza non si equilibrano. Quindi passa ad essere caricata dallo stoccaggio di media ed infine da quello di alta pressione, che riempie l utenza fino alla pressione massima di 220 bar. E proprio grazie a questo principio, che permette di non comprimere tutta la massa da rifornire fino alla pressione massima, che si ottiene il risparmio dell energia di compressione. L utenza è simulata da un pacco bombola, costituito da 8 bombole da 50 litri. Il pacco è frazionato in modo da poter utilizzare ogni bombola singolarmente e poter così simulare numeri differenti di utenze. Nella tabella sottostante riportiamo i valori delle portate che il compressore elabora durante il caricamento delle utenze. I risultati provengono dalle prove sperimentali e rappresentano una media dei valori ottenuti durante l intero periodo di prova. Tabella 3.6 Portata media del compressore durante il caricamento utenze Portata compressore verso utenze (kg/h) Bassa Pressione Media Pressione Alta Pressione

21 In tabella 3.7, invece, riportiamo i tempi di caricamento utenze rilevati nelle prove sperimentali. Nella tabella vengono anche mostrate sia la pressione dell utenza sia quella dei singoli stadi nel momento in cui inizia il riempimento. Risulta evidente che il riempimento dell utenza avviene molto rapidamente, in tempi che possono eguagliare il rifornimento di un veicolo con qualsiasi altro carburante tradizionale. Tabella 3.7 Tempi di caricamento delle utenze Tempi carico bombole (min) Pressione Utenza (bar) BP (bar) MP (bar) AP (bar) 1 prova 2, prova 1, prova 0, prova 0, utenza 5 prova 1, utenze 6 prova 2, prova 6, utenze 8 prova 3, Logica di controllo Il controllo di processo per un determinato impianto consiste nel monitoraggio e nel mantenimento entro certo limiti di parametri caratteristici (portate, temperature, pressioni, livelli, ecc..). Il controllo ha come scopo il miglioramento delle condizioni di funzionamento e di sicurezza dell impianto, quello di assicurare la qualità dei prodotti e di massimizzare il rendimento Teoria del controllo Il controllo di base è rappresentato da due tipologie principali di azione, continua (sistema a controllo PID, Proporzionale Integrale-Derivativo) o del tipo on/off. Inoltre il controllo può essere a ciclo aperto o a ciclo chiuso. Nei controlli a ciclo aperto il controllore agisce sull input senza conoscere la variabile di output: 84

22 Figura 3.21 Controllo a ciclo aperto Nei controlli a ciclo chiuso i controllori ricevono, invece, informazioni relative all output e, in funzione di esso, determinano l azione dell attuatore per regolare la variabile di input. E questa la tipologia di controllo più semplice e più utilizzata negli impianti di processo. Figura 3.22 Controllo a ciclo chiuso Il controllo a ciclo chiuso ha come scopo quello di mantenere la variabile di output (PV, Process Variable) ad un valore prefissato (SP, Set Point); le operazioni che il controllo deve compiere ad ogni passo temporale sono le seguenti: misurare l output PV comprare l output PV con il valore prefissato SP e misurare l errore E(t) tra i due valori fornire l errore E(t) all equazione di controllo generale e calcolare la percentuale di apertura desiderata OP% della valvola di controllo passare il valore di OP% all elemento finale di controllo che determina l input U(t) L errore, definito come la differenza tra PV e SP, è diverso a seconda del tipo di azionamento. Azionamento diretto significa che, se l output PV aumenta oltre il set point SP, allora OP% e l avariabile di input devono aumentare anch esse, e viceversa; in tal caso l errore è dato da: E(t) = PV(t) SP(t) (3.1) Si ha invece azionamento inverso nel caso in cui, se l output PV aumenta oltre il set point SP, allora OP% e la variabile di input devono diminuire, e viceversa; l errore è dato da: 85

23 E(t) = SP(t) - PV(t) (3.2) La stabilità di un sistema è un aspetto importantissimo da considerare durante la pianificazione di uno schema di controllo. Spesso l output può presentarsi in forma ondulatoria, a seguito di perturbazioni o cambiamenti nella variabile di input; tale oscillazione può portare a tre casi: l output si riporta a una nuova condizione statica e si stabilizza l output continua ad oscillare con ampiezza costante l oscillazione dell output cresce continuamente e diverge da una possibile nuova condizione statica E fondamentale che la risposta di un controllo a circuito chiuso sia capace di stabilizzarsi: il comportamento della risposta varia sensibilmente al variare dei parametri di settaggio del sistema di controllo (velocità dell attuatore, tipo di risposta, etc..). Tra le tipologie di controllo base c è, come già accennato, il controllo digitale on/off che è uno dei sistemi di controllo e regolazione più semplici: quando la grandezza controllata scende al di sotto del valore prefissato (set point), l elemento di controllo viene azionato; quando supera nuovamente il set point viene spento, e così via. Una caratteristica del controllo On/Off è che la variabile di processo PV oscilla continuamente attorno al valore di set point: PV OP Figura 3.23 Controllo On-Off 86

24 Per far sì che l elemento di controllo (OP) non stacchi e riattacchi continuamente, a volte non si fissa un unico valore di set point, bensì un range delimitato da due valori limite, uno inferiore ed uno superiore, in corrispondenza dei quali il controllo entra in funzione. Il controllo On/Off può essere utilizzato quando l oscillazione della variabile di processo attorno al set point è sufficientemente piccola da non destabilizzare il resto del processo. Invece quando è necessaria una regolazione più fine (nella quasi totalità delle simulazioni ingegneristiche), bisogna passare ad un controllo di tipo continuo (continuous o modulating control), in cui l elemento di controllo ha la capacità di controllare con continuità la variabile di processo, regolandosi non solo su posizioni estreme di on/off, ma anche in posizioni intermedie. Esistono tre tipologie base di controllo continuo: proporzionale proporzionale integrativo proporzionale integrativo derivativo Controllo proporzionale Un controllo di tipo proporzionale permette di smorzare le oscillazioni della variabile di processo viste nel controllo digitale on/off. In questo caso l input fornito all elemento di controllo è dato da [21]: OP(t) = OPss+ KCE(t) (3.3) In cui KC rappresenta il guadagno proporzionale (proportional gain). In questo tipo di controllo il set point viene posto pari al valore corrente della variabile di processo PV, ad ogni passo temporale: in questo modo l errore diventa nullo e OPss pari al valore dell elemento di controllo PO(t) ad ogni intervallo di tempo. Tuttavia, una certa differenza tra la PV e il set point SP è sempre presente in questo tipo di controllo; l errore infatti sarebbe nullo sole se: OPss e OP(t) sono costantemente uguali Kc è infinitamente grande Tuttavia Kc non può essere aumentato all infinito, in quanto andrebbe a compromettere la stabilità del ciclo di controllo. Figura 3.24 Controllo continuo proporzionale 87

25 Un controllo di tipo proporzionale è utilizzabile quando si necessita una risposta veloce del sistema di controllo a seguito di eventuali disturbi nella variabile di ingresso. Quando però un errore continuo tra PV e SP (offset) non è tollerabile, allora bisogna ricorrere a un controllo di tipo proporzionale integrale (PI control) per risolvere il problema. Controllo proporzionale integrale Un controllo proporzionale integrale permette sia di smorzare le oscillazioni della variabile di processo sia di eliminare l offset tra questa e il set point. L azione integrale del controllore aumenta il periodo naturale dell oscillazione, e quindi lo smorzamento avviene in tempi più lunghi, ma così facendo è possibile eliminare l offset costante esistente nel P-control: OP(t) = KCE(t) + (3.4) in cui Ti rappresenta il tempo necessario all uscita del controllore OP(t) per compiere l azione integrale. Figura 3.25 Controllo continuo proporzionale integrale Il controllo proporzionale integrale combina accuratezza (assenza di offset) e tempi di risposta relativamente brevi (seppur maggiori rispetto a un controllo esclusivamente proporzionale); tuttavia l azione integrale costituisce una forza destabilizzante che può provocare ampie oscillazioni nel sistema di controllo: maggiore è l azione integrale più il sistema di controllo diventa instabile. Controllo proporzionale integrale derivativo Un controllo proporzionale integrale derivativo permette di ridurre il periodo naturale dell oscillazione e di aumentare quindi la velocità di risposta del sistema di controllo a eventuali disturbi. Un PID controller, misurando il cambiamento che avviene nell errore E(t), riesce infatti ad anticipare la direzione dell errore e quindi ad agire su OP% prima che l errore si manifesti completamente: OP(t) = KCE(t) + + KcTD (3.5) in cui TD rappresenta il tempo necessario all uscita del controllore OP(t) per compiere l azione derivativa. 88

26 In definitiva i PID controller combinano i vantaggi dei controlli proporzionale e proporzionale - integrale, e nel campo dei sistemi di controllo di base rappresentano una soluzione ottimale. Figura 3.26 Controllo continuo proporzionale integrale derivativo La tabella riassume le diverse tipologie di controllo di base evidenziandone pregi e difetti [22]. Tabella 3.8 Tipologie di controllo base 89

27 3.4.2 Controlli presenti nell impianto L impianto di compressione del gas metano si basa sull innalzamento della pressione da quella di prelevamento della rete fino a circa 250 bar, richiesti per il rifornimento. La compressione avviene in tre stadi successivi per mezzo dello stesso compressore con accumulo intermedio del gas in stoccaggi, a differenti pressioni. Per compiere questa compressione non sono necessari particolari sistemi di controllo del sistema. La logica del sistema deve, però, costantemente garantire il mantenimento di questi differenti livelli di pressione e il mantenimento delle condizioni di set point nei punti critici del processo. I controlli che devono agire sono: controllo della portata in ingresso: garantire l ingresso dalla rete di un flusso di metano che sia il più costante possibile controllo della pressione in mandata del compressore: per garantire una condizione di lavoro pari a quella di progetto sono utilizzate valvole on/off per evitare il riflusso quando si aspira, per esempio, dallo stoccaggio di bassa pressione e si comprime il gas nello stoccaggio successivo, e così via controllo del flusso di gas e della relativa pressione in uscita verso le utenze. La pressione delle utenze non può mai superare i 230 bar come prescritto dalle normative vigenti. Per quanto riguarda la fase di avviamento è molto importante la gestione del riempimento iniziale di tutti e tre gli stoccaggi a differenti pressioni. Questa deve avvenire nel minor tempo possibile e occorre tener sotto controllo le ripetute accensioni e gli stand-by del compressore. Infatti il compressore, per ottimizzare il funzionamento del sistema innovativo, dovrebbe rimanere sempre acceso, ma questo porta ad una sollecitazione massima le valvole che controllano il flusso, con loro conseguente deterioramento. La sequenza di avviamento è determinata dalla logica di funzionamento, spiegata nel dettaglio nel paragrafo successivo, e prevede l accensione progressiva dei componenti secondo un ordine stabilito. Innanzitutto viene avviato il motore elettrico che trascina il compressore. Poi inizia il riempimento dello stoccaggio di bassa pressione, prelevando il gas dalla rete e comprimendolo fino a 55 bar. A questo punto il compressore aspira metano a 55 bar dal primo stoccaggio e lo comprime fino a 105 bar nel secondo stoccaggio e così via fino al riempimento completo dell ultimo stadio. Il punto cruciale che occorre evidenziare consiste nel fatto che per riempire il secondo stoccaggio aspirando gas dal primo sono necessari più passaggi, cioè non tutto il metano contenuto nel primo è sufficiente a riempire il secondo. Quindi il compressore cambia continuamente sia la pressione di aspirazione sia quella di mandata e conseguentemente le valvole si aprono e chiudono con una frequenza alquanto elevata. Si comprende che, per controllare il transitorio di avviamento, è necessario predisporre un codice che gestisca la sequenza di operazioni tramite il pannello di controllo dell impianto. 90

28 Sono inoltre predisposti dei sistemi di sicurezza che scattano a protezione del sistema quando vengono superati i valori massimi di temperatura e pressione ammissibili nei componenti. Nel paragrafo successivo, dove è riportata la descrizione del P&ID dell impianto, vengono mostrati tutti i dispositivi (valvole, sensori, etc..) inseriti per realizzare le operazioni previste nella logica di funzionamento del sistema. 3.5 Il P&ID dell impianto di compressione del metano La stesura del P&ID rappresenta la prima fase della progettazione esecutiva del prototipo dell impianto innovativo di compressione del gas metano per autotrazione. Lo schema P&ID (Process and Instruments Diagram) è il documento che contiene la definizione esatta e dettagliata del processo, più tutta la strumentazione necessaria al controllo e alla regolazione delle condizioni di funzionamento di ogni parte dell impianto. La differenza rispetto al PFD (Process Flow Diagram) consiste nel fatto che quest ultimo rappresenta uno schema di massima del processo, in cui sono indicati i flussi principali e i componenti che intervengono nella realizzazione del ciclo; i dati contenuti sono di tipo prettamente termodinamico. Il P&ID, invece, contiene tutte le connessioni tra i vari componenti fisici che dovranno poi essere realizzate durante la costruzione: fornisce quindi un idea precisa, anche se meno schematica ed immediata, dell andamento dei flussi all interno dell impianto. La base per la costruzione del P&ID è quindi il PFD, a cui si apportano modifiche progressive per renderlo corrispondente al processo effettivo; successivamente si inseriscono la strumentazione necessaria e le valvole. Alla fine, questo schema risulta anche piuttosto complesso, data la grande quantità di informazioni che contiene. Il risultato è uno schema molto articolato, che nel caso in questione è stato suddiviso in tre sezioni: Sezione 1. Sistema di compressione del gas metano Sezione 2. Sistema di raffreddamento delle bombole Sezione 3. Circuito di lubrificazione ad olio dei manovellismi Sezione 1 Sistema di compressione del gas metano Questa sezione comprende tutta la parte principale del sistema, in cui il metano è l unico fluido circolante. Lo schema rappresenta l intero processo, partendo dall aspirazione dal gas dalla rete fino alla sua distribuzione alle utenze. In particolare, le linee gialle rappresentano l aspirazione dalla rete, le linee rosse sono le linee di aspirazione e quelle blu, le linee di mandata del compressore, mentre le linee fucsia rappresentano le linee di distribuzione alle utenze. La progettazione del compressore è stata completamente svolta dalla G.I.&E., data l esperienza e la specializzazione nel settore. Anche lo schema di processo della macchina, nelle linee di base, è stato realizzato dalla stessa azienda e poi successivamente integrato nel progetto complessivo. Come già discusso in precedenza, la macchina opera la compressione in tre fasi successive per mezzo dello stesso compressore, utilizzando lo stesso rapporto di compressione in tutte e tre le fasi. Gli ingressi al compressore sono rappresentati dalla linea di aspirazione 91

29 dalla rete, da quella di aspirazione dallo stadio di bassa pressione e dalla linea di aspirazione dallo stadio di media pressione. Sezione 2 Sistema di raffreddamento delle bombole Questa sezione comprende il sistema di vasche in cui vengono immerse le bombole degli stoccaggi per essere raffreddate. Lo schema rappresenta il circuito aperto con acqua di pozzo a perdere, dove l acqua fredda viene alimentata dal fondo con un sistema di tubi che ne permette una circolazione omogenea in ogni parte della vasca. Sezione 3 Circuito di lubrificazione ad olio dei manovellismi Questa sezione rappresenta il circuito di lubrificazione olio dei manovellismi, poiché i cilindri del compressore sono raffreddati ad olio. Questo circuito è composto da: pompa olio refrigerante olio raffreddato ad aria filtro olio a cartuccia valvola di sfioro olio una serie di strumenti di controllo del circuito L olio di lubrificazione utilizzato è il tipo ISO100 (per temperature ambienti superiori a 0 C) oppure il tipo ISO68 (per temperature ambienti inferiori a 0 C). 92

30 Figura 3.27 Schema P&ID per il sistema di compressione del gas metano 93

31 Figura 3.28 Schema P&ID per il sistema di raffreddamento bombole 94

32 Figura 3.29 Schema P&ID per il circuito di lubrificazione ad olio dei manovellismi 95

33 3.6 Sistema di misurazione Un altra fondamentale categoria di informazioni contenuta nel P&ID dell impianto riguarda la strumentazione utilizzata per monitorare e, se necessario, regolare le condizioni di funzionamento dell impianto stesso. I sensori installati controllano alcune grandezze in punti strategici del sistema e producono un insieme di segnali che devono descrivere, nella maniera più completa ed univoca possibile, la situazione in tempo reale. Le grandezze controllate in questo impianto prototipo sono: Temperatura del gas sia in aspirazione che in mandata del compressore Temperatura del gas contenuto nelle bombole degli stoccaggi Temperatura del gas nell utenza Temperatura dell acqua contenuta nelle vasche di raffreddamento Pressione del gas sia in aspirazione che in mandata del compressore Pressione del gas contenuto negli stoccaggi Pressione del gas nell utenza Portata del flusso di gas in aspirazione e in mandata del compressore. Queste grandezze determinano completamente lo stato di funzionamento dell impianto. Poiché l impianto, però, è ancora in fase sperimentale, è necessario acquisire un insieme di dati sulle condizioni operative reali che sia il più ampio e dettagliato possibile, in modo da poter confrontare il comportamento di ogni componente con quanto previsto dai calcoli. I misuratori della varie grandezze sono stati inseriti con lo scopo di poter conoscere temperature, pressioni e portate in qualsiasi punto dell impianto e poter così aver più informazioni possibili riguardo il funzionamento operativo reale dell impianto da confrontare in seguito con i modelli di simulazione. Gli strumenti che si sono collocati sull impianto prototipo sono: 1 misuratore di portata massico, utilizzato sia per misurare la portata in mandata del compressore, sia la portata in distribuzione all utenza. Questo è stato possibile attraverso un sistema di valvole. termocoppie a contatto, per misurare la temperatura in ingesso e in uscita dell acqua dagli stoccaggi termocoppie a pozzetto, per misurare la temperatura del gas in ingresso e in uscita dagli stoccaggi termocoppie a contatto, per rilevare la temperatura del gas nell utenza finale misuratori di pressione posizionati in mandata e aspirazione del compressore, sugli stoccaggi e sull utenza. Il problemi rilevati durante le prove sperimentali riguardanti il sistema di misurazione sono legati al fatto che il massico, per come è stato realizzato il by-pass, durante la carica utenze può solamente rilevare la portata in distribuzione a queste, quindi in questi momenti non è mai 96

34 stato possibile rilevare la portata in mandata. Quindi i dati relativi sono stati estrapolati grazie a simulazioni. Altri problemi sono scaturiti dall utilizzo di termocoppie a contatto per misurare la temperatura dell acqua, che sono risultate di una tipologia non idonea per fornire risultati precisi. Di seguito riportiamo una breve descrizione delle caratteristiche degli strumenti utilizzati. Misuratori di pressione. I sensori di pressione sono comunemente costituiti da tre elementi comuni: il primo che trasforma la forza o la pressione in uno spostamento; il secondo, che amplifica e trasmette meccanicamente il segnale di spostamento; il terzo, che trasforma il segnale meccanico in segnale elettrico. Su tutti questi elementi agisce la temperatura di esercizio, che causa sia derive di zero, legate alle variazioni dimensionali dei vari componenti della catena, sia derive di sensibilità, dovute alla dipendenza del modulo di Young dalla temperatura. Tali effetti devono essere compensati sia attraverso un opportuno posizionamento del sensore per eliminare la deriva di zero, sia con l uso di compensatori elettrici per ridurre la deriva di sensibilità. Misuratore di portata. Il misuratore di portata installato nell impianto prototipo è un misuratore di portata massico Endress Hauser a effetto Coriolis, il cui funzionamento è mostrato in figura. Il fluido che scorre con una portata massica di G chilogrammi al secondo passa attraverso una tubatura a forma di C supportata da due staffe. Il tubo è mantenuto in vibrazione flessionale stazionaria con un regime sinusoidale (alla sua frequenza propria, tra 50 e 80 Hz, modellandolo come una mensola) da un sistema elettromagnetico retro azionato. Questo è un sistema di controllo auto-alimentato che lavora sempre in corrispondenza della frequenza propria della mensola (e quindi con richiesta di potenza minima) anche quando tale frequenza varia per effetto della densità del fluido. Questo viene realizzato derivando il segnale del motore, che fornisce la forza, da un avvolgimento sensibile alla velocità, avvolto sulla medesima struttura su cui è posto l avvolgimento del motore (condividono lo stesso nucleo magnetico). L ampiezza viene stabilizzata col controllo retro azionato, che confronta la tensione dell avvolgimento sensibile (velocità) con un segnale di riferimento imposto. La configurazione meccanica tipo diapason minimizza la forza di vibrazione che si deve fornire al telaio. I misuratori a effetto Coriolis richiedono che il fluido senta una velocità angolare ω il cui vettore sia perpendicolare alla velocità V del fluido. In questo esempio ω è un movimento oscillatorio prodotto dalla flessione del tubo a C attorno ai suoi supporti. Per l analisi semplificata di figura.. ω è trattata come la rotazione di un corpo rigido attorno ad un asse fisso e la portata del fluido è rappresentata tramite un unica velocità V, invece che attraverso un profilo di velocità. L accelerazione assoluta di un punto individuato da un vettore ρ, che parte dall origine (individuata da un vettore R che esce da un punto di riferimento fisso) di un sistema di coordinate rotante definito da un vettore di velocità angolare ω, è data da: 97

35 = + ω (ω ρ) + ρ + r + 2ω r (3.6) Per il nostro esempio R 0, quindi = 0 e r = V. I sensori di movimento del misuratore di flusso sono sensibili all angolo di torsione θ; dunque si prendono in considerazione solo quelle forze di inerzia che causano torsione. Nell equazione sopra l unico termine di questo tipo è l accelerazione di Coriolis 2ω X V. Un elemento di massa del fluido dm in corrispondenza di ρ causa una forza d inerzia di entità pari a (dm)(2ω X V) e direzione opposta a ω X V. Poiché V cambia segno dal lato destro al lato sinistro del tubo a C, un paio di masse, una posta a destra e l altra a sinistra, generano una coppia torsionale d inerzia dt: dt = 2(2ω V) (dm)d = 2(2ω V) d (3.7) T = = 4ωGd = 4LdωG (3.8) La velocità angolare ω oscilla sinusoidalmente così che la coppia T risulta anch essa sinusoidale. Questa agisce da segnale di controllo tendendo a far torcere il tubo a C; poiché la frequenza propria torsionale del tubo a C è ben sopra questa frequenza d azionamento allora il sistema torsionale massa/molla agisce essenzialmente come una molla di rigidezza Ks, permettendo il calcolo dell angolo di rotazione θ (torsione) da Θ = G (3.9) I trasduttori di spostamento P1 e P2 ( sia di tipo ottico, sia di tipo magnetico) vengono collocati nei pressi della posizione neutra del tubo. Sono solitamente di tipo on-off, dunque non si usano sensori proporzionali, e generano un impulso quando la tubatura passa in corrispondenza della loro posizione. A causa della torsione θ uno dei trasduttori verrà triggerato un intervallo di tempo Δt più tardi dell altro. Se la velocità angolare media in questo Δt è ωav allora Θ = (3.10) dove il valore istantaneo ω ωav, a causa del fatto che il movimento viene rilevato su una piccola frazione del ciclo totale. Combinando otteniamo G = (3.11) che mostra come Δt sia una misura lineare della portata in massa. Nel sistema che si sta considerando la misurazione di Δt è implementata con uno schema di tipo pulse with modulation, avvalendosi di un oscillatore digitale dotato di gate che si interfaccia con un contatore up-down. Viene facilmente ottenuta anche la quantità di fluido transitata su un qualsiasi intervallo di 98