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Documento PDF - Università degli Studi di Padova

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1. PIANI DI CARICO Er Gr 8 4 Vt AP i REGOLAZIONE POCO 3 SECONDARIA kt KAf Y a REGOLATORE PI J gt 04 gt A Ni f BET AA Aq T ap 4 m h F N h G s gt G S RT 4 str L REGOLAZIONI 1 57 CALDAIA Anello di regolazione di frequenza G s Figura 3 4 schema a blocchi della regolazione secondaria 32 3 4 FUNZIONE DI TRASFERIMENTO DELL ANELLO DI REGOLAZIONE DI FREQUENZA CON REGOLATORE OLEODINAMICO Con gli elementi descritti sin ora possibile quantificare l anello di regolazione di frequenza realizzato originariamente con il regolatore oleodinamico riportato in figura l 1 1 4 95 i f e d 5 ER 0 25 11 43 we i Li e T5 1 145 1 0 139 Hz bar bar mm imm mwi Hai Dodi Amplificatore Guadagno Dinamica Rapporto Leva Modello Turbina e Inerzia del P Oleodinamico Servomotore Servomotore Valvola Servomotore Caldaia gruppo Figura 3 5 anello di regolazione di frequenza pre revamping dati contenuti in esso sono stati ricavati dai manuali della turbina in esame e vengono di seguito commentati gt La caratteristica dellimpeller role 2 3 kaaas 2750 3150 S giri min Figura 3 6 caratteristica impeller A commento di tale immagine si deve dire che la caratteristica non lineare ovvero in fase di presa di giri il rapporto tra variazione di velocit e pre
2. AAA Ira ara pannan 26 25 24 Nene animi AAA 23 22 bar 3 9 3 8 3 7 3 6 3 5 15 20 25 Figura 2 14 Risposta a gradino 30 35 40 45 La risposta dinamica si presenta regolare e senza sovra elongazioni significative Il tempo di risposta 10 90 pari a 77ms cui si deve aggiungere un ritardo tra il segnale e l inizio della risposta di 63ms 3 Rilievo della risposta in frequenza del sistema di posizionamento La prova consiste nell applicazione tramite un generatore di forme d onda a frequenza variabile di un segnale sinusoidale di ampiezza 2 e frequenza variabile da 10mHz fino a 5Hz registrando contemporaneamente con un analizzatore di risposta in frequenza i segnali di richiesta e di posizione del servomotore l analizzatore calcola per ogni punto di prova i valori di attenuazione e sfasamento per la costruzione del diagramma di Bode _ VRI Magnitude VRI Argument dB degree 5 5 25 35 180 135 90 45 45 A 90 135 180 1101 Figura 2 15 Risposta in frequenza 1 10 La frequenza di taglio individuata a 3dB pari a 6 0 Hz 38 rad s 22 CAP 3 L ANALISI DINAMICA 3 1 L ANELLO DI REGOLAZIONE DI FREQUENZA La regolazione di frequenza di un gruppo t
3. IPLILZZZ SILLA 4a Z PRIA BLAA ia 7 ECSS YZ GA A VLILIZIGIZIZZZZLISLLLILZLIZZLI PISTONE MOTORE ASS SSS E PZA N N72 au i CASSETTO DISTRIBUTORE CAMICIA MOBILE CKA OLIO MODULATO DAL CONVERTITORE ELETTROIDRAULICO Figura 2 12 Nuova soluzione di comando servomotore 20 2 6 DINAMICA DEL NUOVO SISTEMA DI COMANDO VALVOLE Prima di passare all analisi complessiva della catena di regolazione a conclusione di questo capitolo vengono forniti i risultati delle prove dinamiche effettuate sul sistema elettroconvertitore servomotore realizzato Il confronto diretto con l azionamento oleodinamico sostituito non pu essere fatto in quanto con il sistema precedente non vi era la possibilit di comandare singolarmente il posizionamento dei servomotori servendosi di un segnale di comando variabile in ampiezza e frequenza necessario per valutare le caratteristiche dinamiche infatti a macchina ferma i servomotori venivano aperti 1 agendo manualmente sul dispositivo variagiri riferimento figura 2 3 che mandava in pressione il collettore dell olio modulato 2 agendo sempre sul dispositivo variagiri con un motorino elettrico Le prove di caratterizzazione dinamica effettuate sono state 1 Verifica dell insensibilit del servomotore La prova consiste nell applicazione di un segnale di comando ad onda triangolare di frequenza 20 mHz ampiezza variabile dal 5 e progressiva
4. USCITE DIGITALI DENTATA VOITH SCATTO PROTEZ POSIZIONE Figura 2 7 Architettura di sistema Un altro aspetto fondamentale la diagnostica Con questo sistema possibile analizzare transitori ed eventi avvenuti nel corso del servizio anche a giorni di distanza essendo storicizzate tutte le misure e la gran parte delle variabili interne processate dal sistema Questo permette la continua affinazione delle prestazioni oltre che essere uno strumento fondamentale di ricerca guasto o analisi delle prestazioni 16 Sono state implementate anche molte funzioni che prima non erano assolutamente previste dalla regolazione oleodinamica tra le quali 1 Protezione per sovra velocit in logica 2 3 La misura di velocit viene acquisita dal sistema di controllo attraverso dei Pick Up magnetici e non pi dall impeller i quali inviano un segnale digitale a frequenza variabile con la velocit di rotazione del turbo gruppo Il trasduttore fissato su un supporto che lo orienta verso una ruota dentata solidale all albero L alternanza tra cave e rilievi della ruota genera il segnale ad onda quadra poi processato dal sistema Figura 2 8 Installazione Pick Up Misura velocit 2 Gestione automatica del riscaldamento turbina e presa di giri in avviamento Tutta la fase di riscaldamento della turbina che richiede ore veniva fatta manualmente cos come la presa di giri fino alla velocit di sincronismo Oggi la logica
5. alla regolazione di frequenza mette in gioco una riserva di potenza disponibile molto elevata che agli effetti pratici approssima la condizione di potenza infinita Per controllare i transitori occorre dunque che tutte le unit di produzione contribuiscano a regolare la potenza istantanea E necessario che questa azione sia automatica in quanto se non si reagisce in modo pronto al disturbo le perturbazioni possono portare al distacco di altri generatori e alla smagliatura delle reti forzando le singole unit a funzionare in condizioni inaccettabili e causando il distacco a catena dall interconnessione L azione di regolazione automaticamente coordinata tra le unit di produzione in quanto la perturbazione ovunque si verifichi fa variare la frequenza in tutta la rete interconnessa Il ripristino della frequenza articolato in due interventi 1 il primo mira al ristabilimento dell equilibrio tra potenza generata ed utilizzata contenendo gli scarti di frequenza al minimo valore possibile tale azione regolante viene svolta direttamente ed in maniera automatica dai singoli regolatori di turbina ed per questo detta regolazione primaria in realt nei primissimi istanti del transitorio lo squilibrio di potenza viene parzialmente compensato a spese dell energia cinetica posseduta dai generatori che per questo motivo rallentano In figura 1 4 viene presentato il caso di rete in sottofrequenza dove la coppia resistente m
6. dal sistema di alimentazione olio turbina La sua particolare costruzione consentiva con macchina in rotazione di ottenere sulla sua sezione di uscita una pressione d olio pressoch proporzionale alla velocit di rotazione della turbina Con riferimento alla figura 2 3 partendo dalle condizioni di velocit costante un aumento di velocit provoca gt Un aumento di pressione della camera dell impeller Un aumento della pressione dell olio impeller Una compressione del soffietto C L innalzamento della leva L che allontana la coppetta sottostante dalla sua sede Un aumento della sfuggita di olio dalla camera VV VV V La diminuzione di pressione del collettore olio di regolazione ed una conseguente proporzionale chiusura dei servomotori delle valvole 10 Tale pressione agisce sui servomotori delle valvole chiudendole maggiormente per contrastare l aumento della velocit dell albero che ha prodotto il transitorio Viceversa in caso di diminuzione di velocit Il dispositivo evidenziato in figura come variagiri costituisce l organo regolante il riferimento di carico della turbina A parit di velocit di rotazione un azione sul variagiri tesa a comprimere la molla agente sulla leva L ha l effetto di chiudere la luce di sfioro dell olio di regolazione dei servomotori di conseguenza l innalzamento della pressione nel collettore provoca una apertura dei servomotori e dunque delle valvole se il generato
7. dalla costante di caldaia Al fine della regolazione di frequenza questo contributo verr reso nullo ipotizzando pressione del vapore surriscaldato a livello nominale in condizione di equilibrio gt A valle della caldaia vi la turbina Il flusso di vapore qs si trasforma in flusso di vapore dello stadio di alta pressione qa la cui dinamica dettata dal ritardo introdotto dalle tubazioni di collegamento tra lo stadio di alta pressione e l uscita della caldaia gt coefficienti a e B sono fattori correttivi che determinano l incidenza rispetto la potenza globalmente espressa dalla turbina degli stadi di alta pressione e dallo stadio di media e bassa pressione sebbene la turbina detta bicilindrica per la suddivisione dei corpi di alta media pressione dal corpo di bassa pressione il modello del sistema di adduzione del vapore adottato fa la differenza tra corpo di AP e corpo di BP dove in quest ultimo si considerano gli effetti dello stadio di media pressione gt Lo stadio di bassa pressione caratterizzato a sua volta da un ulteriore ritardo Tg che tiene in considerazione della fase di ri surriscaldamento subito dal vapore Essendo un ciclo Rankine il vapore lavora nello stadio di alta pressione ritorna in caldaia per il ri surriscaldamento per poi ritornare in turbina gt Alla fine abbiamo la potenza meccanica prodotta Pm Per quanto riguarda il sistema di comando valvole cio la dipendenza dell area della s
8. il quale tra le sue utenze ha anche i servomotori in questione Il cassetto ricevitore di pressione riceve lolio modulato dal regolatore oleodinamico par 2 2 la cui pressione esercitata sul pistoncino pilota sposta il cassetto distributore scoprendo le luci di passaggio dell olio di potenza In questo modo il pistone principale del servomotore viene mosso con una velocit dipendente dalla portata d olio che le luci di passaggio permettono Per mezzo dela camma di retroazione il movimento del pistone sposta la posizione della camicia mobile che a posizione raggiunta occlude le luci di passaggio dell olio di potenza completando il posizionamento In riferimento ad un caso di sottofrequenza avviene che 1 L impeller trasforma la variazione di velocit in una variazione di pressione d olio 2 Il regolatore di velocit reagisce aumentando la pressione dell olio modulato 3 La forza esercitata da questo nel cassetto ricevitore di pressione maggiore rispetto l istante precedente 4 Il pistoncino pilota viene spinto verso il basso vincendo la forza della molla antagonista M 5 Il movimento del pistoncino sposta il cassetto distributore che apre le luci di passaggio dell olio di potenza 13 6 L olio di potenza viene immesso alla base del pistone portando in apertura il servomotore L apertura di quest ultimo si traduce in apertura valvola 8 L apertura della valvola permette un flusso maggiore di vapor
9. il 30 35 Come descritto nel libro di R Marconato Sistemi Elettrici di Potenza cap 8 Rappresentazione dei Carichi paragrafo 9 4 2 e l valore del primo polo t 14 s Tr della 22 che corrisponde al ritardo introdotto dalla tubazione del vapore ri surriscaldato anch esso fornito dal manuale del costruttore del generatore di vapore e valore del secondo polo 72 0 13 s quello detto dello steam chest ovvero del ritardo introdotto dalle tubazioni tra l uscita della caldaia e l ingresso della turbina ritardo che in fase di analisi del regolatore turbina si era trascurato gt L inerzia del gruppo deriva dall equazione di bilancio della potenza meccanica Con i parametri della funzione del diagramma di figura 3 5 si ricava la funzione di trasferimento dell anello di regolazione di frequenza ca L 17 laga 24 E s 1 s14 1 50 5 1 50 13 Tuttavia la regolazione di frequenza in cui si considera solo l inerzia del gruppo avviene in rari assetti di impianto ad esempio quando il gruppo distaccato dalla rete si autoalimenta Quando invece il gruppo inserito su rete interconnessa europea l apporto dato alla regolazione primaria di frequenza della rete definito dalla funzione di trasferimento Sela 34 Il diagramma di figura 3 5 diviene 1 4 95 1 145 1 0 139 Figura 3 7 anello di regolazione di frequenza compatto statismo in evidenza dove il primo blocco costituisce
10. l energia regolante esplicitata in quel modo per dare nota immediata del valore dello statismo denominatore Da cui la funzione di trasferimento AP P 1 1 s4 G s slo A __ 25 E 0 062 s 1 s14 1 s0 5 1 s0 13 Ta Diagramma di Bode della 25 Magnitude 08 pu Lote htt y AA EO IR R AE A E A A i N a de H t x TINI TI I e e NI I INN A A E isti A Toto At DS LI PITT TEO SITI 10 10 10 10 10 107 Frequency radisec Figura 3 8 Diagrammi di bode della funzione di trasferimento dell anello di frequenza con regolatore oleodinamico 35 Il margine di fase 30 5 gradi a 3 08 rad sec 0 49 Hz L analisi del sistema di regolazione oleodinamico evidenzia come il valore di statismo calcolato e verificato sperimentalmente prima di iniziare il progetto rende il gruppo non conforme alle prescrizioni del Codice di rete che attualmente prescrive per un valore del 5 per tutti i regolatori di gruppi termoelettrici ed uno degli aspetti che hanno determinato la sostituzione del regolatore 36 3 5 FUNZIONE DI TRASFERIMENTO DELL ANELLO DI REGOLAZIONE DI FREQUENZA CON REGOLATORE ELETTROIDRAULICO Prendendo spunto da quanto descritto nel paragrafo 3 4 si passati alla definizione di un diagramma che riassume il nuovo regolatore turbina Questa parte l idea su cui si fonda tutto l elaborato Infatti per meglio apprendere la regolazione frequenza potenza sta
11. l immunit al guasto del circuito idraulico In precedenza essendo unico l organo di governo dei servomotori e unico anche il collettore dell olio modulato un guasto su uno dei due avrebbe comportato il fuori servizio di tutta l unit di produzione Essendo ora gestite singolarmente la rottura di un elettroconvertitore pregiudica il funzionamento della valvola a cui esso fa capo ma l unit rimane in servizio seppur con sette valvole su otto Le altissime prestazioni dinamiche unite alla precisione dell ordine del millibar della pressione in uscita dalla valvola hanno fatto si che questa soluzione risultasse ottimale per la realizzazione del progetto non dovendo modificare il servomotore Il segnale di comando richiesta apertura valvole turbina processato dal sistema di elaborazione viene trasformato in un segnale elettrico 4 20 mA ed inviato come set point alla valvola regolatrice di pressione che provvede a trasformarlo in una pressione di olio modulato da inviare al cassetto ricevitore di pressione del servomotore esposto nel paragrafo 2 3 In questo modo la funzione idraulica esercitata dal modulatore del variagiri stata sostituita dal regolatore elettroidraulico di pressione con il vantaggio della velocit e precisione con cui viene generato il segnale di posizionamento della valvola garantito dall elettronica di processo La struttura del regolatore elettroidraulico esposto in figura 2 10 4 1 5 S L
12. la relativa spiegazione del valore che essi contengono gt l primo blocco relativo all energia regolante ovvero stabilisce quanta potenza deve regolare il gruppo per unit di variazione di frequenza Questo dato contenuto nel sistema di controllo DCS di fattura Emerson Il sistema acquisisce la velocit di rotazione attraverso i pick up magnetici i cui valori sono messi in media ed entrano in una funzione che restituisce la potenza relativa all azione primaria che deve esercitare il gruppo In altre parole questo blocco stabilisce la partecipazione alla regolazione primaria secondo quanto prescritto dal gestore della rete elettrica gt Tale richiesta di potenza viene convertita in un valore percentuale pertanto il valore del secondo blocco ROLO 0 3125 320 MW gt Una volta elaborata la richiesta di potenza il sistema provvede a suddividere tale richiesta per tutte e otto le valvole di regolazione facendole aprire in modo totale ovvero tutte assieme concorrono a generare la potenza richiesta oppure in modo parziale ovvero la 37 potenza che deve essere prodotta viene generata da un numero di valvole capace di tenere quel carico e solo una di esse si muove per modulare a richiesta di potenza primaria Alla fine viene dunque generato una richiesta apertura valvole che un segnale processato dal DCS con valore 0 10 V 10V _ 100 La richiesta apertura valvole viene trasformata da segn
13. perfettamente rispondenti alla domanda del mercato come dimostra la figura 1 1 tratta dal sito del gestore della rete elettrica nazionale 8 Megawatt x100 T E Previsione MW 43 700 min max 31 300 47 200 Maansuntivo Mw 44 695 19 07 2011 21 15 Figura 1 2 Previsione e consuntivo richiesta di potenza elettrica a livello nazionale Le principali variabili che influenzano il continuo squilibrio tra potenza elettrica e frequenza sono gt La necessit di dover integrare nel parco produzione nazionale generatori azionati da fonti rinnovabili che immettono in rete un potenza non sempre modulabile perch dipendenti da variabili naturali gt Guasti improvvisi dei gruppi di generazione gt Utenze che si connettono o disconnettono dalla rete Se la rete elettrica fosse di potenza infinita sarebbe infinita anche l energia regolante a disposizione e la frequenza non risentirebbe in alcun modo delle variazioni dell utenza o della generazione Per approssimare tale condizione si ricorre all interconnessione tra reti aumentando l insensibilit della frequenza ai disturbi di potenza vedi figura 1 3 RETE ITALIANA ISOLATA RETE EUROPEA INTERCONNESSA e lt lt M 1H2 3000 MW he 0 06 Hz 3000 MW o o eos so os so o P a APe 3000 Figura 1 3 Ripercussioni sulla frequenza della mancanza di 3000MW su scala nazionale ed europea Infatti la partecipazione di tutti i gruppi
14. relative di frequenza e potenza in condizioni di regime Af E 8 ol Ta Dove Pre fn sono rispettivamente potenza nominale e frequenza nominale 3 Energia transitoria i AP dalia 9 4 Statismo transitorio Af IF SL DA La relazione che intercorre tra lo statismo e la relativa energia nel caso di statismo permanente A 1 P E 11 b fa analogamente con lo statismo transitorio A PLEN 12 b n In una rete in cui sono interconnessi pi gruppi regolanti energia regolante la somma delle singole energie regolanti Epi A N N VE PYA p j Dove il pedice i individua la caratteristica di un singolo gruppo Di conseguenza lo statismo di permanente a 1P__P E f sai P n di 1 1 b In condizioni di equilibrio le variazioni delle singole energie regolanti dipendono dalla variazione di frequenza che la rete subisce Af a seguito dei disturbi di potenza utenti che si collegano alla rete o gruppi di generazione che scattano 25 Pi Af AP E Af ns pi n Di conseguenza la variazione di energia regolante di tutta la rete N AP 2AP E Af AP 16 Dove AP la variazione di potenza del carico della rete elettrica Ora se a regime la variazione di frequenza nulla dovrei avere una energia permanente di rete infinita AP E P Af 17 a cui corrisponde uno statismo totale nullo Per avere bp nullo b
15. 3 rad sec 0 85 Hz 40 diagrammi di Bode delle due funzioni di trasferimento a confronto sono evidenziati di seguito 100 A A ZA IL N Magnitude dB 120 Phase deg 150 180L iadt SL III ERE IE PECITE MERSE PAPEREAN 10 10 10 10 3 08 5 33 10 Frequency radisec LEGENDA REGOLATORE OLEODINAMICO REGOLATORE ELETTRO IDRAULICO Figura 3 11 Diagrammi di Bode degli anelli di regolazione pre e post revamping a confronto 10 41 CAP 4 PROVE DI IMPIANTO 4 1 Il Load Rejection LR E una sequenza di manovre riguardante i gruppi termoelettrici attivata dall apertura dell interruttore di gruppo in seguito a disservizi gravi esterni al gruppo stesso La procedura di LR ha lo scopo di ridurre la produzione di vapore e di mantenere auto alimentati i servizi ausiliari del gruppo o della centrale attraverso l alternatore che quindi deve erogare una potenza ridotta Se la procedura ha successo il gruppo che l ha sostenuta in grado di rimanere in condizioni di funzionamento stabili e attendere cos il sopraggiungere della tensione nella rete elettrica esterna per il rientro in servizio dopo la procedura di parallelo La procedura di LR anche denominata di Rifiuto di Carico In questo particolare assetto di impianto il regolatore turbina deve gestire un transitorio particolarmente impegnativo in quanto deve 1 Da un lato contenere la sovra velocit dovuta al distac
16. EF A Collegamento alle utenze uscita T Collegamento di scarico P Collegamento di alimentazione emrata 1 Carcassa magneto di regolazione 2 Asta 3 Potenziometro 4 Comando manuale 5 Collegamento elettrico 6 Parte idraulica 7 Pistone di comando Figure 2 10 Struttura del regolatore elettroidraulico Voith Turbo immagine estratta dal data sheet Voith La pressione in uscita dal dispositivo Voith viene ottenuta tramite un magnete di regolazione alimentato a 24Vcc che genera una forza Fwag L intensit di tale forza proporzionale al segnale di comando proveniente dal sistema di controllo Il range di lavoro in pressione impostabile attraverso due potenziometri X1 e X0 19 La forza sviluppata dal magnete muove il cassetto idraulico della valvola che ammette nel circuito l olio dall ingresso di alimentazione attacco P figura 2 11 o lo sfiora verso lo scarico attacco T figura 2 11 fino a quando la pressione che si sviluppa equilibra nuovamente la forza magnetica o D 8 8 a 8 2 e e p 5 te leg 2 S iO Figura 2 11 Tecnologia di controllo di pressione del regolatore di pressione Voith Turbo immagine estratta dal data sheet Voith La soluzione adottata pertanto la seguente CASSETTO RICEVITORE DI PRESSIONE MOLLA DI RICHIAMO PISTONCINO aiai N PILOTA RETROAZIONE Si DD N l Y MEAN O N 217 A V 4 CA LZ AZ TG
17. UNIVERSIT DEGLI STUDI DI PADOVA FACOLT DI INGEGNERIA Corso di Laurea triennale in Ingegneria Meccatronica ELABORATO FINALE Relazione sul tirocinio svolto presso Enel Produzione S p A Centrale Termoelettrica Andrea Palladio Via dei cantieri 5 Fusina VE ANALISI DEL REVAMPING DI UN REGOLATORE TURBINA DI UN GRUPPO DI PRODUZIONE DA 320MW RELATORE Ch mo Prof Chitarin Giuseppe LAUREANDO Da Lio Federico MATR n 539955 IMC TUTOR AZIENDALE Ing Adriano Scandellari ANNO ACCADEMICO 2010 11 INDICE 1 INTRODUZIONE 1 1 Presentazione dell impianto e del progetto i 1 1 2 Sommario re ae a e E E E E E liceale 3 1 3 Considerazioni economiche 4 1 4 La regolazione di frequenza potenza 5 2 INTERVENTO DI REVAMPING 2 1 Generalit sulla Turbanti 8 2 2 Il sistema di regolazione oleodinamico 10 2 3 Il servomotore di comando valvole 13 2 4 Architettura del sistema di controllo e sensori di Misura 15 2 5 Il nuovo sistema di comando del servomotore 19 2 6 Dinamica del nuovo sistema di comando valvole 21 3 L ANALISI DINAMICA 3 1 L anello di regolazione di frequenza 23 3 2 Sistema di adduzione del vapore e comando valvole 28 3 3 Azione del regolatore turbina 31 3 4 Funzione di trasferimento dell anello di regolazione di freque
18. a valvola portata vapore non lineare a causa del profilo del seggio della valvola Infatti in riferimento alla figura 2 5 si noti come la variazione iniziale di corsa della valvola si traduca in un aumento significativo del flusso di vapore mentre verso la fine corsa il contributo di vapore diminuisca fino ad estinguersi tratto orizzontale della curva 14 2 4 ARCHITETTURA DEL SISTEMA DI CONTROLLO E SENSORI DI MISURA Il progetto realizzato ha introdotto una regolazione a microprocessore con la quale si va a sostituire il complesso di organi meccanici ed idraulici dismessi uno su tutti l impeller vantaggi introdotti dall utilizzo di un controllo elettronico sono sintetizzabili in tre punti 1 Affidabilit sistemistica 2 Interfaccia con operatore e con il sistema di governo del gruppo 3 Diagnostica in real time Il sistema di controllo basato su tecnologia DSC Distributed Control System di costruzione Emerson e nello specifico il nome del prodotto Ovation Figura 2 6 CPU e quattro schede Emerson Ovation L affidabilit sistemistica garantita 1 dalla ridondanza delle CPU In servizio ve ne sempre una master che esegue il controllo del processo e la seconda slave rimane sincronizzata anch essa sulle esecuzioni in corso attraverso un cavo di sincronizzazione diretto tra le due CPU e nello stesso tempo mediante il bus di comunicazione con le schede di interfaccia 2 dalla c
19. aggiore della coppia motrice il che causa una diminuzione Af che porta le unit di generazione a dover incrementare il loro livello di produzione fino a P1 proprio per interrompere la diminuzione di frequenza e questo costituisce la regolazione primaria tratto in rosso Si noti che il nuovo punto di equilibrio B non a frequenza nominale e si rende pertanto necessaria un altra azione 2 il secondo riporta la frequenza al valore nominale annullando le variazioni degli scambi di potenza tra le reti rispetto ai programmi stabiliti tale intervento viene detto regolazione secondaria ed evidenziato dal tratto in blu Dalla figura 1 4 si evince come una volta che le unit produttive siano riuscite a mantenere lo scarto di frequenza debbano aumentare ancora il loro livello di produzione fino a P per riportare la frequenza al valore nominale f Hz A 51 50 49 i i gt Po P P P MW Figura 1 4 Regolazione Primaria e Secondaria in caso di rete in sottofrequenza L azione esercitata automaticamente dai regolatori di velocit in impianto regolazione primaria di tipo puramente proporzionale mentre quella secondaria una regolazione di tipo integrale CAP 2 INTERVENTO DI REVAMPING 2 1 GENERALITA SULLA TURBINA gruppi a carbone della centrale realizzano il ciclo termodinamico Rankine AI fine di rendere pi chiaro l elaborato si forniscono alcune caratteristiche costruttive dell impi
20. ale Gc s la funzione di trasferimento che tiene in considerazione la dipendenza dei carichi presenti nella rete interconnessa dalla frequenza Dato l apporto minore che questo blocco ha sulla catena di regolazione verr di seguito trascurata Gr s la funzione di trasferimento della regolazione di frequenza che quella oggetto di indagine G 5 G s G 5 G s 5 Nel paragrafo 1 3 si evidenziato come a seguito di una variazione di potenza vi siano ripercussioni in termini di frequenza e come questa venga ripristinata ai valori nominali in due fasi attraverso la regolazione primaria e secondaria Vi un motivo preciso perch ci avviene se invece che in due fasi si volesse realizzare un loop di regolazione tale che presenti un errore di velocit frequenza nullo in condizioni di regime permanente occorrerebbe strutturare una funzione di trasferimento come la 6 1 sT S G 5 K T 6 In un sistema in cui pi gruppi generatori sono interconnessi realizzare singoli regolatori che obbediscano ad una funzione di trasferimento con tale struttura sarebbe impossibile e viene di seguito dimostrato definiti 1 Energia regolante o permanente E il rapporto tra la variazione di potenza regolante P e la variazione di errore di frequenza in condizioni di regime AP 2 0 7 A 7 A E G 0 24 2 Statismo permanente di regolazione bp del gruppo il rapporto tra le variazioni
21. ale in tensione a segnale in corrente 4 20 mA 20 4 mA 10 V 0 0016 La richiesta apertura valvole divenuta segnale in corrente viene inviata all elettroconvertitore Voith che provvede a regolare la pressione d olio proveniente dalla pompa principale proporzionalmente al segnale di comando che riceve in ingresso modulando una pressione compresa tra i due estremi tarati con i potenziometri X0 e X1 di figura 2 15 Ciascun servomotore mediamente ha un campo di escursione 0 100 di apertura con circa 4 bar ovvero compie la massima escursione da chiuso a completamente aperto con una pressione modulata dalla valvola regolatrice di pressione che va da 2bar servomotore chiuso e di conseguenza anche la valvola a 6bar servomotore aperto La valvola regolatrice di pressione ha prestazioni dinamiche di molto superiori alla reale dinamica dell attuatore oleodinamico di conseguenza per il campo di frequenze che si sta considerando in questo anello di regolazione di fatto l elettroconvertitore pu essere rappresentato da un guadagno per l appunto 4 bar n 0 0016 mA In termini nominali il servomotore ha una escursione di 120 mm dato fornito dal manuale del costruttore ma tale valore non mai raggiunto specie quando tali attuatori lavorano da qualche decennio e sono stati soggetti a diverse revisioni Di conseguenza il valore di corsa totale mediamente di 112mm valore rilevato sull impianto Tale c
22. anto che si andati ad automatizzare la macchina soggetta a regolazione una turbina a vapore costituita da gt Due valvole di ammissione VA una per ogni lato o bancata che regolano il flusso in fase di presa di giri e di riscaldamento graduale del corpo macchina Esse regolano il flusso del vapore surriscaldato 167 bar e 538C proveniente dalla caldaia e lo immettono nel corpo valvole di regolazione gt Otto valvole di regolazione VR quattro per ogni bancata che regolano il flusso di vapore surriscaldato proveniente dalle valvole di ammissione Ciascuna valvola immette il vapore in un singolo settore dell arco ugelli gt Due valvole di intercettazione VI le quali intercettano il vapore ri surriscaldato ovvero il vapore che dopo aver attraversato lo stadio di alta pressione ritorna in caldaia per essere ri surriscaldato e re immesso in turbina nello stadio di media pressione In fase di esercizio esse non regolano il flusso gt Due valvole di ritegno VS poste a monte delle valvole di intercettazione e che intervengono solo in protezione della macchina REGOLAZIONE PORTATA VAPORE ARRESTO DEL ARRESTO DEL VAPORE VAPORE Figura 2 1 Funzione delle valvole di turbina La gestione delle valvole dipende inoltre dall assetto di esercizio della turbina ed a seconda dell assetto di esercizio che si determina quali siano le valvole che fanno regolazione del flusso di vapore
23. asta che solo uno degli statismi dei singoli gruppi lo sia come si evince dalla 14 ma questo significherebbe che quella unit di generazione dovrebbe essere in grado da sola di far fronte a qualsiasi variazione di carico e di conseguenza potrebbe risultare di potenza insufficiente Ecco che se dovesse avvenire supponiamo un distacco di un generatore o la rottura di una linea di trasmissione che importa energia da paesi confinanti questo gruppo con statismo nullo dovrebbe immettere la totalit di energia richiesta per mantenere il servizio alle utenze senza contare che essendo un impianto critico non gli sarebbe concesso il distacco dalla rete senza che questo comprometta la stabilit di tutto il sistema elettrico E evidente che tale soluzione utopica e per giunta risulterebbe difficile creare pi gruppi con statismo nullo e poi suddividere il carico a regime con gruppi regolanti che non hanno statismo nullo Per queste ragioni il ripristino delle condizioni di frequenza nominale vengono attuate in due tempi il primo teso a contenere lo scarto di frequenza ed il secondo al ripristino della stessa cosa che avviene per mezzo del gestore della rete elettrica il quale conoscendo gli interscambi di potenza tra reti e lo scarto di frequenza totale delle stesse elabora un segnale ovvero un riferimento di potenza che viene inviato al sistema di governo dei gruppi il quale sommato alla potenza elettrica che ciascuno di e
24. ato necessario modificare il servomotore ma l intervento sarebbe stato troppo invasivo ed avrebbe richiesto lavorazioni meccaniche di precisione incompatibili con i tempi a disposizione 2 trasduttori sono installati in una zona dove l irraggiamento termico comporta temperature molto elevate e capita che si guastino proprio per eccessiva temperatura Per questi motivi i trasduttori di posizione fanno solo supervisione ciononostante la loro installazione su ciascun servomotore ha apportato sostanziali vantaggi 1 Tutti i finecorsa vengono realizzati per via elettronica 2 Flessibilit di appostamento delle soglie 3 Riduzione dei tempi di appostamento del servomotore Figura 2 9 trasduttore di posizione 18 2 5 IL NUOVO SISTEMA DI COMANDO DEL SERVOMOTORE Avendo eliminato l impeller e acquisendo la velocit di rotazione dell albero attraverso i pick up magnetici il DCS elabora la richiesta di portata vapore in termini di richiesta apertura valvole ovvero di apertura dei servomotori Come soluzione del nuovo sistema di comando del servomotore stata utilizzata la valvola regolatrice di pressione Voith Turbo modello DSG B10XXX una per ogni servomotore delle valvole di regolazione due ridondate per ciascuna delle valvole di intercetto e due ridondate per l azionamento di entrambe le valvole di ammissione L installazione di una valvola regolatrice di pressione per ogni servomotore ha rafforzato enormemente
25. cazioni di natura ingegneristica la decisione di un nuovo investimento non pu prescindere da considerazioni e valutazioni di natura economica tipicamente mirate a valutarne il periodo di rimborso dell investimento rapporto costi benefici e non ultimo il budget aziendale Pur esulando dallo scopo dell elaborato si ritiene tuttavia di dover dare una breve sintesi delle valutazioni che hanno guidato alcune scelte sul progetto E infatti assodato che sul mercato esistano attualmente soluzioni tecniche che avrebbero consentito di ottenere prestazioni pari o superiori a quelle ottenute ma questo avrebbe comportato 1 La sostituzione di dodici servomotori compresi i leverismi di accoppiamento alle valvole 2 L Installazione di una centrale idraulica separata dalla turbina 3 La modifica dell intero circuito idraulico compresa l eliminazione di alcuni pezzi forgiati che avrebbero richiesto l intervento anche sul circuito di lubrificazione A questo si aggiungono le considerazioni che 1 Le valutazioni meccaniche fatte sui servomotori ancora in fase di progetto hanno evidenziato un sostanziale buono stato degli stessi 2 La sostituzione della parte oleodinamica che stata mantenuta avrebbe di fatto raddoppiato il costo dell investimento Per quanto riguarda la determinazione del periodo di rimborso dell investimento bisogna tener presente che come gi introdotto nel par 1 1 l eventuale sbilanciamento ovvero la di
26. co di carico AI momento del distacco di carico la coppia resistente viene a mancare improvvisamente mentre la coppia motrice no Negli istanti che intercorrono tra l apertura dell interruttore di connessione alla rete elettrica e la chiusura delle valvole di turbina il vapore gi presente in turbina e quello che viene immesso continua a accelera la turbina Essere riusciti a velocizzare l azionamento delle valvole e quindi a ridurre i tempi di chiusura ha consentito di ridurre la quantit di vapore che transita in turbina dopo il distacco di carico quindi l energia introdotta e di conseguenza la sovravelocit a beneficio degli stress sulla turbina 2 Evitare di richiedere in un lasso di tempo breve pi vapore di quanto la caldaia non sia in grado di fornire e di conseguenza provocare un blocco per protezione del generatore di vapore 3 Limitare la sottofrequenza che generalmente di verifica dopo che le valvole di regolazione hanno bloccato l effusso di vapore successivamente al distacco di carico La sottofrequenza deve essere limitata perch in questo frangente il gruppo si sta autoalimentando dunque eventuali variazioni di frequenza si ripercuotono istantaneamente su tutti i motori Con il precedente sistema di regolazione la manovra di LR era affidata ad un motorino elettrico che riportava in posizione di marcia a vuoto il variagiri dispositivo oleodinamico che agiva sulla variazione di carico figura 2 3 Tal
27. complesso deve essere guardato da prospettive diverse non solo tecniche ma anche economico gestionali La struttura di questo elaborato articolata in tre parti principali 1 Con la prima si intende fornire una chiara definizione dei cambiamenti apportati all impianto nonch le caratteristiche attese dal nuovo regolatore 2 Il corpo centrale dell elaborato dedicato all analisi dell anello di regolazione 3 Nella terza ed ultima parte verranno esposte e commentate le prestazioni del regolatore nello specifico un transitorio di Load Rejection che corrisponde ad un particolare caso di funzionamento in cui il regolatore chiamato a ridurre per quanto possibile lo stress a cui viene sottoposto il macchinario rotante e nel contempo atto a riportare l assetto in condizioni di una pronta ripresa in servizio Il principale riferimento bibliografico stato il testo del Professor Giorgio Quazza Controllo dei processi Regolazione delle turbine a vapore che descrive un modello di regolatore turbina basato su tecnologia oleodinamica Il testo stato utilizzato come traccia per rimodellare l anello di regolazione di frequenza alla luce delle modifiche apportate all impianto 1 3 CONSIDERAZIONI ECONOMICHE Come gi indicato nell introduzione di questo elaborato il progetto presentato una tipica applicazione della Meccatronica che ha trovato una sua realizzazione concreta in un azienda industriale Come tutte le appli
28. e e quindi di energia termica immessa in macchina 9 L energia termica sviluppata dal vapore si trasforma in maggior energia elettrica immessa dal generatore primo e permette il raggiungimento di una nuova condizione di equilibrio tra potenza richiesta e potenza erogata ta Dalla descrizione di questo transitorio si capisce come una delle qualsiasi cause di malfunzionamento evidenziate nel paragrafo 2 2 comporti il malfunzionamento del servomotore che a sua volta causa di gt Regolazione imprecisa e o instabile gt Eccessiva usura dei componenti gt Sensibile degrado prestazionale Si noti che la camma di retroazione di posizione viene profilata per ottenere la linearizzazione della portata vapore in funzione della corsa di apertura della valvole che si traduce in una migliore dinamica del gruppo in condizioni di regime perturbato in rete concetto ripreso nel capitolo 3 Il flusso del vapore in turbina non ha infatti un comportamento lineare rispetto all apertura della valvola ma segue una curva che viene di seguito riportata in figura 2 5 A q 6 100 o 20 Apertura Valvole Figura 2 5 Caratteristica portata di vapore apertura valvole Si evince che la variazione di potenza a pari variazione di apertura della valvola pu differire enormemente dal punto di lavoro della valvola in conseguenza della forte non linearit concentrata nei punti di discontinuit della curva La relazione apertur
29. e motorino si fermava per effetto di un finecorsa che tagliava l alimentazione allo stesso In questo modo dunque tutta la procedura di LR era affidata all appostamento di questo finecorsa la cui posizione stimava il carico dovuto agli ausiliari in fase di rifiuto di carico 42 Una tipica manovra di LR con la regolazione oleodinamica e presentata in figura 4 1 Giri Potenza Prees_olio_Variagiri _ Ppress_olio_accelerom Press_olio_impeller Press_olio_Modulato Press_olio_scatto 1078 rpm 3 20 1 00 0 95 0 90 0 85 0 80 0 75 0 70 0 65 0 60 0 55 0 50 0 45 0 40 0 35 0 30 0 25 0 20 0 15 0 10 0 05 0 00 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 so 50 40 30 20 10 bar 3 0 ren 7 0 6 5 6 0 5 5 5 0 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 0 0 5 Figura 4 1 Load Rejection con regolazione oleodinamica A commento di questo transitorio si pu dire che dopo il distacco di carico curva della potenza in verde scuro la velocit salita fino a 3080 rpm curva della velocit di rotazione in rosso qualche istante prima che le valvole si chiudessero e lo si capisce dalla pressione dell olio proveniente dall impeller che si abbassa In questo stesso momento il variagiri dovrebbe essersi scaricato ad un valore tale da riuscire a produrre la potenza richiesta dagli ausiliari a 3000 rp
30. ermoelettrico pu essere ricondotta trascurando le perdite meccaniche allo schema a blocchi di principio SISTEMA INERZIA DEL f COMANDO GRUPPO VALVOLE Figura 3 1 schema di principio loop di regolazione di frequenza gt Il sistema di comando valvole costituito dal servomotore di regolazione e dal regolatore elettroidraulico Voith gt Il sistema di adduzione costituito da caldaia e turbina gt Inerzia del gruppo la legge dinamica che lega la velocit di rotazione del rotore di turbina e del rotore dell alternatore alla differenza delle potenze motrice e resistente applicate all albero Per ciascun blocco viene definita una funzione di trasferimento che lo caratterizza Figura 3 2 funzioni di trasferimento coinvolte nella regolazione di frequenza Dove _ A065 AE 8 G 5 1 F D T in luogo di funzione di trasferimento regolatore di turbina il quale richiede una variazione di apertura del servomotore in funzione dell errore di frequenza 23 _ AA s 2 A6 s l G s F D T sistema di comando valvole rapporto tra variazione di apertura servomotore e area di efflusso del vapore AP s E TAO 3 F D T sistema di adduzione vapore rapporto tra variazione di area di efflusso del vapore e potenza meccanica sviluppata f SORTE A a n F D T inerzia del gruppo fn frequenza nominale della rete Ta tempo di avviamento P potenza meccanica nomin
31. ezione utile all efflusso di vapore e l apertura del servomotore pu essere definita da K G 5 x 19 y 8 at 19 v Dove T definisce il ritardo tra il segnale di comando al regolatore elettroidraulico e la relativa pressione in uscita Essendo la dinamica del regolatore di pressione Voith estremamente rapida il ritardo introdotto praticamente nullo e di conseguenza la precedente funzione di trasferimento viene rivista come 29 G 5 K 20 Conoscendo la struttura che deve avere la funzione di trasferimento dell anello di regolazione di frequenza e conoscendo due su tre dei fattori che la compongono si riesce a stabilire quale sia l azione svolta dal regolatore di turbina ovvero G s 30 3 3 AZIONE DEL REGOLATORE TURBINA Dalle analisi condotte nei precedenti paragrafi abbiamo che 1 sT G s K T FST 18 E dalla 5 G 5 G 5 G 5 G 5 G 5 K K vi Cal cor 21 Eguagliando le due espressioni si ottiene GE RT GK EA 22 Pertanto se si trascurano gli effetti della variazione di pressione ammissione ed il relativo ritardo Tse al regolatore di turbina richiesta un azione puramente proporzionale il cui guadagno i E 1 K K K K K Kb K 23 Ricordando che E l energia regolante e bp lo statismo del gruppo in termini relativi A questa dimostrazione matematica possiamo dare una interpretazione funzionale il regolatore turbina attua pedissequamente un azione d
32. fferenza tra potenza richiesta dai piani di produzione e la potenza effettivamente prodotta comporta un extra costo per il gruppo di produzione e di conseguenza si ha un danno economico Per valutare questo aspetto economico sono stati individuati due periodi di tempo uno precedente e uno successivo al progetto di ammodernamento in cui il gruppo di generazione avesse prodotto la stessa potenza elettrica e si valutato lo sbilanciamento del gruppo in questi periodi di esercizio Dai dati rilevati si evince che lo sbilanciamento stato dimezzato conoscendo il costo del MWh in situazione di sbilanciamento si potuto stimare quindi il tempo di rimborso del progetto che di circa 12 mesi 1 4 LA REGOLAZIONE DI FREQUENZA POTENZA La necessit di dover regolare la velocit dei generatori primi in un sistema elettrico come ben noto un fattore che dipende dal costante squilibrio che esiste tra potenza generata e potenza assorbita In un sistema perfettamente in equilibrio la potenza generata totalmente utilizzata e la frequenza rimane costante Sebbene l evoluzione della richiesta di potenza elettrica nell arco della giornata abbia mediamente un andamento consolidato frutto di considerazioni anche di natura statistica non vi la possibilit istante per istante di conoscere l esatto ammontare della domanda e di conseguenza risulta impossibile redigere gi a livello di gestore della rete elettrica programmi di produzione
33. gestisce in completa autonomia questa fase senza richiedere l intervento dell operatore 3 Linearizzazione della curva di statismo incrementale ovvero la curva variazione di frequenza apertura valvole 4 Limitazione della banda di partecipazione alla regolazione primaria di frequenza 5 Modo di ammissione vapore in arco totale Con il sistema di regolazione oleodinamico le valvole si aprivano in modo sequenziale ovvero una alla volta al bisogno secondo una fasatura meccanica che ne stabiliva le soglie di intervento Queste tarature richiedevano molto tempo ed una capacit di taratura che si acquisiva solo con anni di esperienza A questo si aggiunge il fatto che ogni qual volta anche un solo servomotore venisse revisionato era necessario un controllo ed una taratura di tutta la sequenza di intervento Il funzionamento in arco totale introdotto solo con questo revamping e reso possibile dalla possibilit di comandare singolarmente i servomotori attraverso i rispettivi elettroconvertitori ha apportato due sostanziali vantaggi 1 Nelle variazioni di carico tutte le valvole regolano l efflusso di vapore rendendo la manovra pi stabile 17 2 Possibilit di una migliore regimazione termica del corpo AP di turbina grazie all ammissione di vapore lungo tutto l arco della camera ugelli Il funzionamento in arco parziale non caduto in disuso anzi assetto di funzionamento pi utilizzato ma a carich
34. gt Le valvole di ammissione regolano la fase di riscaldamento e di presa di giri gt Le valvole di intercetto regolano la fase di load rejection gt Le valvole di regolazione regolano la fase di esercizio in rete interconnessa Essendo questo elaborato teso a fornire una valutazione delle prestazioni ottenute a seguito del progetto di ammodernamento ai fini pratici per la determinazione del comportamento dinamico verranno considerate solo le valvole di regolazione in quanto in condizioni normali di funzionamento sono le responsabili della potenza meccanica sviluppata dalla turbina pertanto si devono considerare le valvole di ammissione di intercetto e di stop completamente spalancate 2 2 IL SISTEMA DI REGOLAZIONE OLEODINAMICO Come affrontato nel paragrafo 1 3 qualsiasi squilibrio o perturbazione di carico in rete produce una variazione di frequenza che nel caso di una macchina sincrona si traduce in una variazione di velocit Il cuore del sistema di regolazione oleodinamico originale era costituito da un elemento che trasformava la velocit di rotazione dell albero turbina in una pressione d olio tale dispositivo prendeva nome di impeller POTA PFINOIPALE OLIO S TOZSLER Dati poma principale GIRANTE TACUIMETTIC Figura 2 2 Impeller L impeller o impulsore era costituito da cilindro cavo coassiale all albero turbina con fori di ingresso e di uscita calibrati attraversato dall olio ad alta pressione proveniente
35. i apertura delle valvole tale da ottenere con gruppo inserito su rete il carico previsto e ad ogni variazione di frequenza aprire o chiudere le suddette valvole proporzionalmente all errore di frequenza rilevato Tale azione proporzionale di fatto quantificata dalla 23 Quanto appena descritto de facto l azione primaria atta a contenere lo scarto di frequenza a fronte di variazione di potenza in rete 31 Lo schema a blocchi di figura 3 2 rivisto sulla base di quanto appena scritto diventa Gr s Ka 1 sal a 1 sT ST P a n Sistema comando valvole G s Anello di regolazione di frequenza G s Sistema Adduzione vapore e turbina Ga S Figura 3 3 Anello di regolazione di frequenza semplificato Per quanto concerne l azione secondaria essa viene elaborata a livello gerarchico pi elevato a livello di gestore della rete sulla base degli interscambi di potenza tra reti e delle frequenze di ciascuna di esse Come risultato produce un segnale di riferimento di carico che si somma algebricamente a quanto previsto dai piani di carico e alla partecipazione alla regolazione primaria come evidenziato in dettaglio in figura 3 3 GESTORE RETE ELETTRICA
36. i costanti per una questione di rendimento di tutto il ciclo termodinamico pi valvole in regolazione significa aumento di entropia La fasatura ora impostata a sistema e viene realizzata per via elettronica Ogni qual volta viene revisionato un servomotore vengono su questo eseguite caratterizzazioni dinamiche e statiche tese a valutare se e quanto le caratteristiche dello stesso sono variate In caso vi siano variazioni sostanziali la caratteristica posizione richiesta posizione ottenuta viene reinserita nel progetto del regolatore turbina e costituisce il dato di lavoro fondamentale per poter valutare se anche la curva di intervento sequenziale ovvero della fasatura debba essere rivista Tutta questa attivit che un tempo veniva realizzata per via meccanica direttamente sul campo oggi viene realizzata da remoto inserendo i dati di caratterizzazione nel sistema Molte delle nuove funzioni implementate sono possibili in quanto sono stati installati trasduttori di posizione sui servomotori Questi trasduttori sono installati sul servomotore e restituiscono un segnale 4 20 mA proporzionale alla loro corsa Tali misure non fanno regolazione ovvero non sono le misure che chiudono l anello di posizionamento per i seguenti motivi 1 La chiusura dell anello di regolazione sulla posizione dei servomotori avrebbe messo in discussione la retroazione meccanica che gli stessi hanno al loro interno Di conseguenza sarebbe st
37. ione di portata dello stesso Nel paragrafo 2 3 stato spiegato che in realt la relazione tra portata di vapore e apertura valvola non lineare tuttavia in condizioni di equilibrio essa pu essere approssimata come un guadagno forti dell effetto ottenuto con un opportuno profilo della camma di retroazione vista nel servomotore 28 gt In assetto nominale di impianto la pressione del vapore all ammissione rimane costante a prescindere dall apertura delle valvole In realt questo non avviene mai in quanto le regolazioni di caldaia che sovrintendono alla combustione hanno una dinamica lenta frutto della risposta combinata di e Mulini che provvedono all approvvigionamento del combustibile e Portata aria comburente dei ventilatori prementi e Portata gas dei ventilatori estrattori Queste ed altre considerazioni sono evidenziate nel diagramma dal tratteggio in blu dove l ingresso costituito dalle regolazioni di caldaia q e l uscita la portata di vapore surriscaldato qs che entrando nel blocco sommatore si aggiunge o si sottrae a quanto richiesto dalla turbina La dinamica della regolazione di caldaia determinata dalla costante di tempo T detta appunto costante di caldaia Il blocco con tratteggio in blu definisce che la pressione di vapore in ingresso alla turbina non costante ed frutto di oltre alle perdite di carico delle tubazioni anche della regolazione della combustione la cui dinamica caratterizzata
38. m 50Hz Sta di fatto che questo non avviene e le valvole di regolazione del flusso di vapore in turbina rimangono aperte non solo di quanto basta per auto alimentare il gruppo ma porta la turbina a 3200 rpm Valore particolarmente critico per il macchinario rotante a causa delle vibrazioni che si innescano specie nel corpo di alta pressione L effetto di rimbalzo si ripropone in istanti successivi fino a che il gruppo va in blocco per cause esterne alla turbina Il dato fondamentale della figura 4 1 l andamento della velocit a cui come gi detto corrisponde un elevato stress meccanico 43 Per confronto si propone ora in figura 4 2 una situazione analoga di LR gestita dal regolatore elettroidraulico 1008 0088 CALL ah POTENZA RICHIESTA APERTURA VELOCITA pro DI PRODOTTADAL VALVOLE DI GENERATORE REGOLAZIONE Figura 4 2 Load Rejection con regolazione elettroidraulica In rosso si ha il tracciato della velocit di rotazione la quale ha un picco di 3018 rpm al distacco di carico curva in verde nell istante successivo le valvole di regolazione chiudono il flusso di vapore per contenere la velocit che scende fino ad un minimo di 2960 rpm e viene nel tempo riportata a livello nominale Il dato determinante che la velocit stata contenuta lo stress meccanico di conseguenza diminuito la velocit ha mantenuto un tracciato pulito se
39. mente a dimezzare ed volta a verificare qual il valore minimo di segnale di comando al quale il servomotore in grado di rispondere _ Galibratore Pos_Valvola Press_Olio_Voith 40 50 40 25 A sy ATTRA a 40 00 t m pere i I mel 39 75 39 50 25 50 25 25 W 25 00 ji ha A il Ti i W lg Ria Ki 24 75 LINDO 24 50 tit bar 3 750 TAI dtt pi range PA AA Ig myi 3 725 3 700 Ea i e e TTTT RESI ia e rai 3 675 3 650 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 Figura 2 13 verifica insensibilit servomotore Dalla prova di insensibilit risulta che il servomotore sensibile fino a variazioni del segnale di comando di 0 2 2 Verifica della risposta dinamica ad un disturbo a gradino La prova consiste nell applicazione di un segnale di disturbo a gradino di ampiezza 2 e frequenza 50mHz per la valutazione della risposta dinamica del servomotore ed volta a verificare che la risposta segua il segnale di comando senza 21 overshoot significativi e senza oscillazioni persistenti eventuali oscillazioni in corrispondenza dei fronti di salita e discesa devono essere prontamente smorzate _ Calibratore _ Pos_Valvola _ Press_Olio_Voith 44 42 40 38 36 27 Me
40. mica e del controllo meccanico della sequenza di apertura valvole per i controlli periodici dettati dall obsolescenza dei componenti meccanico idraulici L esercibilit dell impianto specie nelle fasi di rullaggio e di riscaldamento non richiede pi la presenza di un operatore a bordo macchina ma tutte le operazioni vengono gestite da remoto transitori di rifiuto di carico vengono gestiti provocando minor stress al macchinario cap 4 45 RINGRAZIAMENTI Il primo ringraziamento va alla mia fidanzata Ylenia Baroni che mi ha accompagnato ed incoraggiato in questo percorso lungo anni di cui questo elaborato l ultimo atto Desidero ringraziare il mio tutor aziendale Adriano Scandellari per la professionalit la disponibilit e la pazienza con cui mi ha seguito nella redazione di questo scritto Ringrazio l Ingegner Francesco Bertoli l ingegner Stefano Pavanetto e l Ingegner Giuseppe Molina quali responsabili attuali e precedenti della centrale Andrea Palladio nella quale ho acquisito professionalit e competenze nuove che ho cercato di approfondire servendomi delle conoscenze apprese in ambito universitario Ringrazio i signori Marco Petten e Patrizio Peruzzo che assieme a me compongono il team di lavoro che si occupa di regolazione turbina e che in questi anni mi hanno insegnato cos tanto Ringrazio i miei compagni di universit ed amici tutti per il loro continuo aiuto A tutti coloro che con un ge
41. nza con regolatore olcodinamico sari iena 33 3 5 Funzione di trasferimento dell anello di regolazione di frequenza con regolatore eleitroidra lico areeii lie sal 37 4 PROVEDI IMPIANTO 4 1 ilil oad Fejegiionis arenaria ola e ai 42 CONCLUSIONI ne mpera aaa 45 RINGRAZIAMENTI lei aaa 46 BIBLIOGRAFIA ilaele ani 47 1 INTRODUZIONE 1 1 PRESENTAZIONE DELL IMPIANTO E DEL PROGETTO La centrale termoelettrica di Fusina sita in provincia di Venezia un impianto costituito da sei gruppi di generazione Quattro di essi sono a carbone uno a gas metano e l ultimo di nuovissima fattura un impianto sperimentale ad Idrogeno Figura 1 1 Vista aerea dell impianto termoelettrico di Fusina Su scala nazionale e a livello generale i gruppi convenzionali a carbone costituiscono una riserva strategica per la stabilit e affidabilit del sistema elettrico nazionale Tuttavia nel corso di questi ultimi anni alcune caratteristiche di servizio sono cambiate a tal punto da rendere necessari interventi di modifica agli impianti anche di grande rilevanza rispetto a come furono progettati Il mercato dell energia elettrica ha subito cambiamenti sostanziali sia dal punto di vista normativo che dal punto di vista economico introducendo variabili che un tempo non erano considerate I cambiamenti normativi riguardano l introduzione di un nuovo codice di rete redatto da Terna S p A che disciplina le caratteristiche che ogni g
42. nza particolari oscillazioni se non quelle tipiche dettate dalla stessa manovra A questo si sommano altri fattori gt L operatore che gestisce il gruppo conosce perfettamente l assetto dell impianto ed il Modo in cui esso sta rispondendo gt Il sistema di governo del gruppo attua le contromisure necessarie ad esempio richiedendo una produzione maggiore di vapore qualora la velocit nominale venga raggiunta con troppa lentezza 44 CONCLUSIONI Alla luce di quanto analizzato nei precedenti capitoli gli obiettivi raggiunti sono 1 L adeguamento del gruppo di generazione alle norme previste dal codice di rete Il miglioramento della risposta dinamica di tutto l anello di regolazione la cui frequenza di taglio passata da 3 08 rad sec a 5 33 rad sec soprattutto grazie al nuovo sistema di comando valvole realizzato con la valvola regolatrice di pressione Voith Turbo par 2 6 Il sistema risulta non solo pi performante ma anche pi stabile ne dimostrazione il fatto che il margine di fase sia passato da 30 5 gradi a 48 1 cap 3 L affidabilit dell impianto oleodinamico sensibilmente aumentata grazie alla ridondanza dei comandi delle valvole ammissione di vapore surriscaldato e delle valvole intercettatrici del vapore risurriscaldato nonch il comando indipendente delle valvole regolatrici di vapore par 2 5 La manutenzione non richiede pi lo smontaggio della mensola di regolazione oleodina
43. o su tecnologia DCS E proprio l interfacciamento tra elettronica ed impianto uno degli aspetti caratterizzanti il progetto il cui anello di congiunzione tra il passato regolatore e l attuale oltre alla turbina stessa il servomotore idraulico che provvede ad aprire o chiudere le valvole di ammissione e regolazione del flusso di vapore in turbina Tutta la parte di acquisizione delle grandezze di processo l elaborazione dati l interconnessione con gli altri sistemi di governo del gruppo termoelettrico nonch i dispositivi di comando protezione e controllo sono di nuova fattura e realizzati con le pi moderne tecnologie Il progetto che si andr ad esaminare dunque una delle molteplici applicazioni della Meccatronica quale disciplina di collegamento tra un sistema meccanico ben collaudato e le moderne esigenze tecnico economiche 1 2 SOMMARIO Questo elaborato si prefigge l obiettivo di non essere una semplice esposizione del progetto cos come stato sviluppato bens di dimostrare come abbia migliorato le prestazioni del gruppo di generazione motivando dunque l investimento effettuato In questo testo verranno esaminate principalmente le caratteristiche prestazionali che si riescono ad ottenere ora ma deve essere chiaro che altri aspetti quali manutenzione gestione immunit al guasto ed esercibilit hanno contribuito in pari misura se non oltre alla definitiva approvazione del progetto che essendo ampio e
44. ontinuit di servizio in caso di guasto delle schede di interfaccia gt Nessuna misura critica ad esempio quella di velocit o quelle relative alla pressione di comando dei servomotori afferiscono ad un unica scheda gt La sostituzione di una scheda guasta o anche di una CPU pu essere fatta a caldo senza necessit di reboot o ri configurazioni L interfaccia con l operatore e con gli altri sistemi di governo del gruppo avviene nel primo caso servendosi di una applicazione del sistema Ovation che rappresenta attraverso delle pagine grafiche lo stato dell impianto nel secondo caso essa avviene 15 1 con l interscambio di segnali analogici e digitali tra le schede di interfaccia 2 attraverso la rete di processo di cui il gruppo e pi in generale la centrale dotata Questo non solo permette una supervisione che supera le barriere fisiche dell impianto ma consente la diffusione dei dati a livello aziendale in modo che le principali grandezze d impianto siano monitorate da divisioni specialistiche dell azienda offrendo al tempo stesso la possibilit di avere una condivisione dati tra gli impianti L architettura di sistema pertanto schematizzabile Stazione operatore Stazione Sistemsta Stazione bordo macchina Server Tsi S S af RETE DI PROCESSO Busdi comunicazione MISURE AD ALTRI SISTEMI Tripla Misura velocit QUOTA Ecv ELETTROVALVOL TRASD TERMOELEMENTI
45. orsa viene compiuta con l escursione dei 4 bar del dispositivo Voith pertanto il modello del servomotore dato dal guadagno 112 mm La 4 bar Sebbene il regolatore di pressione abbia una frequenza di taglio ben superiore all attuatore oleodinamico bisogna considerare il ritardo introdotto dal sistema di comando valvole che 38 caratterizzato da un polo nell origine con una costante di tempo 1 0 160s come dimostrato dai dati sperimentali presentati nel paragrafo 2 5 gt La catena di regolazione prosegue con lasta che accoppia il servomotore idraulico alla valvola di regolazione il modello turbina e caldaia termica e l inerzia del gruppo tutti elementi che ovviamente non sono stati sostituiti nell ammodernamento del regolatore turbina A fronte di quanto descritto si perviene alla forma compatta dell anello di regolazione di frequenza 1 1 495 1 0 1605 1 145 1 0 135 Figura 3 10 anello di regolazione di frequenza compatto statismo in evidenza dopo il revamping Da cui la funzione di trasferimento AP P 1 1 54 9 Ge boo f 05 s 1 s14 1 s0 160 1 50 13 3 39 Diagramma di Bode della 26 100 T T T TTT T aT TTET T a T TITT T T LR T e T TTI i i i iiij poaae a TTT Frequency radisec Figura 3 11 Diagrammi di bode della funzione di trasferimento dell anello di frequenza con regolatore elettro idraulico Il margine di fase 48 1 gradi a 5 3
46. re collegato alla rete la sua frequenza rimane costante e la portata di vapore in turbina si riflette in aumento della potenza prodotta viceversa quando si fuori rete l azione del variagiri regola la velocit Collettore olio A P filtrato Variagiri Albero turbina lt P OLIO IMPELLER E Collettore olio OLIO MODULATO di regolazione Figura 2 3 Regolazione oleodinamica sostituita Il sistema del tipo intrinsecamente sicuro il massimo incidente credibile la perdita di pressione nel circuito per effetto della rottura di un tubo qualsiasi e la conseguente de pressurizzazione causa la chiusura completa delle valvole portando la macchina in condizioni di sicurezza Da questa breve descrizione si possono evincere le criticit che caratterizzano questo sistema di regolazioni 1 La sensibilit dell impeller risente delle escursioni di temperatura infatti la variazione della temperatura dell olio di 1 corrisponde ad una variazione di 0 05 Hz della frequenza reale 11 La precisione della regolazione affidata al confronto tra le pressioni di soffietti e molle che degradando possono perdere le caratteristiche progettuali e per giunta risultano di difficile taratura Il grado di sporcamento dell olio pu determinare l occlusione sia dei fori dell impeller che della luce di sfioro dell olio sotto la leva L La rottura o sporcamento del dispositivo impeller piuttosto che del collet
47. ruppo di generazione deve possedere per essere interconnesso con la rete elettrica I cambiamenti economici invece riguardano le modalit con cui viene retribuita la produzione di energia elettrica legandola non pi solo alla quantit fornita ma anche alla affidabilit degli impianti e alla loro capacit di attuare precisamente il piano di produzione loro richiesto A queste ragioni se ne sommano altre di natura pi tecnica ovvero 1 Avere una migliore risposta dinamica delle turbine in modo da poter operare anche in regimi perturbati 2 Eliminare i deficit prestazionali della regolazione di velocit a causa dell obsolescenza dei componenti meccanici idraulici degli impianti originali 3 Rendere il sistema pi affidabile ed immune ai guasti In questo elaborato verr esaminato il progetto di ammodernamento dei regolatori di velocit di turbina delle sezioni numero 3 e 4 della centrale che sono gruppi a carbone dotati di turbine a condensazione W27R2 da 320 MW di costruzione Franco Tosi su licenza Westinghouse essi costituiscono gli impianti di punta del sito produttivo essendo i pi competitivi e dunque i primi ad entrare in funzionamento in caso di richiesta Il nuovo regolatore turbina sostituisce il precedente realizzato con tecnologia puramente oleodinamica con una struttura ibrida meccanica idraulica per l attuazione ed elettronica per il controllo del processo realizzato con un sistema a microprocessore basat
48. ssi deve effettivamente produrre costituisce il riferimento di carico che la turbina in quanto da essa dipende la produzione della potenza attiva deve produrre e sulla base di questo aprire o chiudere le valvole di regolazione del vapore del vapore Pertanto la funzione di trasferimento che caratterizza il loop di regolazione oggetto di questo elaborato 1 sT 18 1 sT DE G s K T 26 Costanti di tempo e guadagno dipendono dal tipo di impianto sia esso idroelettrico termico o altro ma la funzione di trasferimento deve essere questa ovviamente per le unit che concorrono alla regolazione primaria e secondaria La regolazione di velocit turbina non una novit nel panorama tecnologico nel senso che con prestazioni diverse viene fatta sin da quando si produce elettricit di conseguenza la funzione di trasferimento precedentemente motivata vale ora come allora Trattandosi di un progetto di revamping le modifiche per quanto importanti apportate all impianto si sono mosse nel rispetto della 18 27 3 2 IL SISTEMA DI ADDUZIONE DEL VAPORE E DI COMANDO VALVOLE Una delle funzioni di trasferimento che contribuisce a definire l anello di regolazione di frequenza Ga s che descrive il sistema di adduzione del vapore In letteratura vi sono gi modelli matematici affermati che definiscono tale sistema Si ritiene pertanto inutile riportare in questo elaborato una dimostrazione complessa ed articolata piut
49. ssione in uscita dall impeller non costante bens presenta andamento quadratico che poi tende a linearizzarsi nell intorno della velocit di rotazione nominale corrispondente alla frequenza di rete quando il gruppo sta erogando Questa approssimazione risulta accettabile in quanto l analisi che si sta conducendo alle piccole variazioni tuttavia si tratta pur sempre di una approssimazione e questo suffraga le considerazioni conclusive fatte al paragrafo 2 2 gt Il guadagno del servomotore il rapporto tra la corsa totale nominale del servomotore 120mm e la pressione necessaria in ingresso per fargli compiere tale corsa 0 8 bar circa gt La dinamica del servomotore caratterizzata da una costante di tempo 1 0 5 s dato ottenuto da prove sperimentali eseguite pre revamping Il polo nell origine deriva dal fatto che l attuatore un pistone idraulico 33 gt Il rapporto della leva che trasmette il moto del servomotore alla valvola anch esso fornito dal costruttore gt Per quanto riguarda il modello turbina e caldaia e ll guadagno frutto della considerazione che la corsa totale della valvola comporta il massimo flusso di vapore in macchina e dunque la massima potenza erogabile Pertanto n P _320 MW _ j q31MW A0 30 mm mm e valore dello zero 7 3 5 s frutto della considerazione che l incidenza dello stadio di AP coefficiente a della 22 sul totale della potenza
50. sto o una parola hanno reso possibile questo va il mio pi sincero Grazie 46 BIBLIOGRAFIA Testi a consultazione Marconato R Sistemi Elettrici di Potenza Machowsky J Janusz W Bialek James R Bumby Power System Dynamics stability and control editore Wiley Quazza G Controllo dei processi Il volume La regolazione delle turbine a vapore Manuali Manuale d uso e manutenzione Franco Tosi per turbina bicilindrica a condensazione W27R2 Manuale d uso e manutenzione Franco Tosi per Generatore di Vapore Siti Internet www terna it http www voithturbo it italy_it service htm http www2 emersonprocess com en US brands ovation Pages index aspx 47
51. ta condotta una ricerca su diversi testi non solo quelli reperibili in letteratura ma anche dispense e materiale di carattere formativo reperito in azienda La prescrizione interna Enel PR 8313 0 riprende parte di un testo redatto da G Quazza La regolazione delle turbine a vapore In esso viene descritto il metodo con cui analizzare il regolatore turbina di un gruppo di produzione L anello di regolazione visto nel paragrafo 3 4 stato interrotto l dove l impianto stato modificato sono stati inseriti blocchi relativi ai nuovi dispositivi ed organi di regolazione e ovviamente eliminati i blocchi delle parti di impianto dismesse Pertanto tutto ci che configura l impianto a partire dalle valvole di regolazione del flusso in turbina in poi ovvero modello turbina e caldaia termica nonch l inerzia del gruppo costituita dall asse turbo alternatore rimasto invariato AP fer amp AP Ay Ay Ay Ap AB AA f 1 4 95 gt 128 0 315 gt 0 1 2 0 0016 250 28 O Ps 0 25 1143 3 01605 1 LC 1 145 1 0 135 EREE Hz Mw 6 mM A bar mm mm mm Mw THz Rapporto Energia Kda Kschedadi K scheda K nale Dinamica Leva Modello Turbina e Inerzia del Regolante MWa uscita VII Voith Servomotore Valvola Caldaia gruppo Servomotore Figura 3 9 anello di regolazione di frequenza post revamping Si procede con l analisi dei singoli blocchi e
52. tore olio di regolazione comporta la chiusura di tutte le valvole e dunque il fuori servizio dell unit per un lungo periodo Difficolt di modulare con precisione la potenza agendo sul motorino elettrico di comando del variagiri 2 3 IL SERVOMOTORE DI COMANDO VALVOLE Il servomotore un attuatore idraulico che comanda l apertura delle valvole di regolazione del flusso del vapore in turbina Questo tipo di attuatore idraulico costituito fondamentalmente da tre parti 1 Un cassetto ricevitore di pressione 2 Un cassetto distributore dotato di camicia mobile 3 Una camma di retroazione di posizione CASSETTO RICEVITORE DI am s e aa MOLLA DI RICHIAMO Lr DI PISTONCINO ti Me PILOTA S sa e T 7 si VALVOLA DI DA jea ua LZ SLA Ci ec d z IS A AAAA aae LE AAG mme 2 GLA ue LLAN 27 ZZZ 8A FEZEAZA LZ SIAT ASILI PAINT z INGRESSO VAPORE ALLA VAPORE TURBINA PISTON MOTORE cy ZA SVEVI A 6A l pA ki 4 g PNG EA Ge AN CASSETTO DISTRIBUTORE CAMICIA MOBILE La OLIO DI POTENZA OLIO MODULATO DALL IMPELLER Figura 2 4 Servomotore comando valvole L olio di potenza che fornisce l energia necessaria all apertura delle valvole turbina proviene con macchina a regime da una pompa coassiale al rotore quindi quando il gruppo sta erogando in rete la rotazione dell albero aziona la pompa che alimenta il circuito idraulico
53. tosto utilizzarne il modello chiave per ampliare lo schema di principio in figura 3 1 e per dare continuit al corpo dell elaborato fornendo nel contempo una descrizione tesa a sintetizzare la ricerca effettuata su altri testi e consentire una chiara interpretazione dello schema e May E ag i Ag 1 Afan Et Af m EA oe G s LL G s De Ka Fo CEA K H SR g yi E L l bretagna Lo l nn I Ut Apa D cla E TI cia ro i i A Kp I F I Ag 1 Ag i I SZ I i I I l K i I I Sistema Adduzione vapore e turbina Ga s Sistema comando valvole G s Sistema regolazione caldaia Anello di regolazione di frequenza G S Figura 3 2 anello di regolazione di frequenza con dettaglio sistema di adduzione del vapore Sostanzialmente con la dicitura sistema di adduzione del vapore si indicano tutte le parti di impianto che contribuiscono alla trasformazione dell energia termica del vapore in energia meccanica sviluppata dalla turbina Il modello adottato qui deriva dallo studio del testo di R Marconato Sistemi Elettrici di Potenza Con riferimento alla figura 3 2 gt Ka il guadagno della valvola di regolazione ovvero il fattore che determina quale sia la relazione tra l area della valvola attraversata dal vapore in ingresso alla turbina e la variaz

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