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1. 5 l i N H D Zn PL A A ML PS S LA GAS DALLA RETE T 4 GAS D i T COSTANTE E STABIIZZATA II e FE POO NY X ps A NAY Bus y S PILOTA t I sq Ja ALOT L Fig 2 1 Linea di alimentazione del combustibile x La portata di metano viene letta dalla flangia tarata FE ed il segnale inviato tramite il trasmettitore FT ed utilizzato come variabile di processo dall SRC per la regolazione La pressione del gas a monte e a valle delle valvole di blocco e della valvole di regolazione osservabile per mezzo di due manometri installati sulla linea di alimentazione mentre un pressostato di massima ed uno di minima pressione PSHH e PSLL verificano che la pressione del gas di alimentazione e del gas in ingresso al bruciatore sia contenuta all interno del range impostato sul pannello di controllo Se tale pressione esce dal range operativo del generatore interviene la condizione di blocco e viene visualizzato il relativo allarme a pannello Le elettrovalvole di blocco BV sono controllate dal BMS sia durante la fase di controllo di tenuta vedi par 2 3 2 sia per intervento di una condizione di blocco che determini l arresto del bruciatore mentre la portata regolata dall SRC per mezzo di una valvola pneumatica FV del tipo normalmente ch
2. VASO ESPANSIONE GAS METANO Fig 2 3 Schema di processo generatore e linea acqua surriscaldata 39 Capitolo 2 2 3 Burner Management System BMS 2 3 1 Sequenza di lavaggio E importante notare che a monte dell avviamento della sequenza di lavaggio l operatore deve rimuovere tutte le cause di blocco presenti Affinch la sequenza di lavaggio abbia inizio devono essere verificate le seguenti condizioni e Bruciatore spento e Serranda aria al minimo finecorsa di minimo attivo e Assenza di shut down e Valvola di regolazione del gas al minimo finecorsa di minimo attivo Se tali controlli danno esito positivo il sistema fornisce il Consenso alla marcia ed inizia la sequenza di accensione Quando l operatore impartisce il comando di marcia il BMS questo recepisce il comando ed effettua la Richiesta marcia ventilatore aria di combustione quindi resta in attesa 15 secondi che dal quadro MCC arrivi la segnalazione di Ventilatore aria di combustione in marcia e in caso di esito positivo il BMS e Effettua la Richiesta di lavaggio aria di combustione e Avvia il test di tenuta delle valvole di b
3. 42 2 3 3 Sequenza di ACCENSIONE hapalo knee olor 42 2 3 4 Sequenza di post lavaggio sees 46 2 4 Sistema di regolazione della combustione SRC suus 47 2 4 1 Controllo di combustione Master di temperatura 48 2 4 2 Portata Merano O ET dta o SUSO 50 2 4 3 Portata arid comburente A Mee d 53 2 4 4 Ricircolo nad EE 61 2 4 5 Controllo portata acqua surriscaldata ii 63 CAPITOLO sx Suna ki E aaa 65 ANALISI DELLE PRESTAZIONI DEL GENERATORE cc cirie 65 3 1 Elementi di regolazione di sistemi dinamici eese 65 3 2 Dati di funzionamento del generatore eese 68 3 3 Diminuzione di carico 100 75 69 3 4 Aumento di carico 75 100406 eese eene 73 CONCLUSION AA A 77 APPENDICE A A A Kos IA KIN eS nle AKA 79 UNITS 11325 3 SORVEGLIANZA DEI GENERATORI DI VAPORE E O ACQUA SURRISCALDATA 50 ai E TTTTTIKTTEETETEI TET 79 ELENCO DEGLI ACRONIMI 83 Indice delle figure Fig I 1 Assetto di un impianto di teleriscaldamento i 10 Fe dl Collettore ASCIO MI DIETO semata SSR siii 13 Fig 1 2 Preriscaldatore dell aria comburente eee 14 Fig 13 Br ciatore TONO sa o 16 Fig 1 4 Dispositivo di misurazione della portata ad air foil 19 Fig 1 5 Espansione del getto generata dal mo
4. zo ayovzznvny N 1 7 Fig 2 10 Controllo percentuale di ossigeno nei fumi 58 OIHOSLS 4 4 dS XYM u eis AO al Or O Ipn on 3 UDO ANOILSNENO Hey vIVIMOd N 13 LS Buona DEI Lo Fig 2 11 a Controllo portata aria 59 Capitolo 2 AYOLV ILLN4A TT TE JH Y v ole Sg la Om A No la i Fig 2 11 b Controllo portata aria 60 2 4 4 Ricircolo fumi Obiettivo di questa regolazione quello di regolare la velocit del ventilatore e l apertura della serranda di ricircolo fumi in split range provenienti dalla caldaia L utilizzo del ricircolo fumi indispensabile per l abbattimento delle emissioni inquinanti NOx La regolazione del ricircolo fumi avviene tuttavia in modo diverso rispetto a quanto visto per la portata di combustibile e di aria comburente in quanto non essendovi alcun misuratore istantaneo della portata di ricircolo non si ha un segnale di feedback tramite il quale effettuare la regolazione Si procede pertanto ad una regolazione di tipo posizionatrice ossia associando alla potenza termica misurata tramite la lettura della portata di met
5. Analisi delle prestazioni del generatore particolare prontezza ed accuratezza si presentino spesso in antitesi tra loro ed pertanto necessario ricercare una soluzione di compromesso Industrialmente i regolatori pi utilizzati di presentano sotto il nome di PID vale a dire con un azione di controllo proporzionale derivativa integrale Il controllore PID genera un uscita che si presenta come la somma dei tre contributi sopra citati proporzionali rispettivamente all errore tra segnale di riferimento e lo stato retro azionato del sistema alla sua derivata ed al suo integrale nel tempo Le tre azioni vengono calcolate separatamente e sommate fra loro algebricamente u t u t u t u 1 L azione proporzionale ottenuta moltiplicando l errore e per un opportuna costante u t K e E possibile regolare un processo con un simile controllore che risulta anche in grado di stabilizzare processi instabili Tuttavia non possibile garantire che l errore e converga a zero proprio perch un azione possibile solo in presenza dell errore stesso Per ovviare a questo inconveniente si introduce una parte integrativa la cui azione proporzionale all integrale nel tempo del segnale d errore e u t K ect Quest azione fa si che il controllore abbia memoria dei valori passati del segnale d errore in particolare il valore dell azione integrale non necessariamente nulla se nullo l errore Ci co
6. Durante il funzionamento la persona addetta deve accertare le buone condizioni dell impianto della caldaia Questo deve essere fatto entro un ora da ogni accensione e riaccensione e almeno una volta entro ogni prevista periodicit di sorveglianza senza assistenza continua ogni 24h oppure ogni 72h In caso di guasto dei dispositivi di regolazione e controllo il generatore pu essere gestito in condizioni di sicurezza con sorveglianza continua manuale se il funzionamento con tale tipo di sorveglianza conforme a una procedura d emergenza scritta e chiaramente definita nel manuale d uso La sorveglianza continua manuale deve essere prevista fino a che il guasto non stato riparato ed trascorso un adeguato periodo di tempo per garantire attraverso un controllo del dispositivo riparato che il generatore e i suoi dispositivi funzionino correttamente 4 Sorveglianza senza assistenza continua fino a 24h Durante l esercizio del generatore entro le 24h devono essere effettuati i seguenti controlli e Controllo dell efficienza dei livellostati di sicurezza I livellostati di sicurezza di tipo auto controllato devono essere controllati secondo le seguenti modalita l o provocando le reali condizioni di intervento 2 per simulazione elettrica Per i generatori d acqua surriscaldata nel caso in cui non sia possibile provocare le reali condizioni di intervento accettabile il controllo per simulazione elettrica C
7. 30 secondi quindi rimuove i segnali di richiesta di lavaggio aria e ricircolo fumi A questo punto il DCS dovrebbe e portare l apertura della serranda dell aria di combustione al valore minimo per l accensione e portare la velocit del ventilatore dell aria di combustione al valore minimo per l accensione e portare la velocit del ventilatore di ricircolo fumi al valore minimo per l accensione Il DCS attende che il finecorsa di minimo della serranda dell aria sia attivo e che la velocit di rotazione del ventilatore di ricircolo fumi sia inferiore ad una soglia impostata quindi rimuove i segnali di richiesta marcia dei ventilatori Se le verifiche non danno esito positivo il BMS attende comunque 45 secondi dopodich emette una segnalazione di allarme e rimuove i segnali quindi arresta i ventilatori terminando la sequenza di post lavaggio 2 4 Sistema di regolazione della combustione SRC x Il Sistema di Regolazione della combustione responsabile delle seguenti regolazioni e Regolazione della miscela aria combustibile e Regolazione del ricircolo fumi e Regolazione della percentuale di ossigeno nei fumi e Regolazione della temperatura dell acqua surriscaldata in uscita dalla caldaia Regolazione della portata d acqua nel circuito caldaia Avviamento arresto dei generatori 47 Capitolo 2 2 4 1 Controllo di combustione Master di temperatura Obiettivo di questa regolazione quello di man
8. 49123 kJ kg La portata di aria comburente ricavata nota la portata di combustibile dal valore dell eccesso d aria riportato in tab 2 1 Tali valori possono essere modificati da parte dell operatore intervenendo sui dati di set point impostati nel pannello operatore in modo da raggiungere la condizioni di ottimo tra temperatura dei fumi e formazioni di inquinanti Allo stesso modo pu essere modificata la percentuale di ossigeno nei fumi che interviene nella regolazione dell aria tramite il parametro SCoxy con un influenza pari al 30 vedi par 2 4 3 68 Analisi delle prestazioni del generatore La portata dei fumi di ricircolo nota e determinata in base all esperienza derivata dall esercizio di generatori di costruzione precedente a quella trattata nella tesi Il ricircolo fumi consente di ridurre la formazione di ossidi di azoto aumentando la portata massica elaborata dal bruciatore e riducendo in tal modo la temperatura di fiamma compensando l effetto del preriscaldatore dell aria che determinerebbe da solo un aumento delle emissioni Carico termico 20 50 75 100 Potenza termica MW 2 7 6 7 10 0 13 3 Delta T C 5 13 19 25 Portata combustibile kg h 212 528 792 1057 Portata aria kg h 4571 10397 14910 19645 Eccesso d aria 25 0 14 2 9 396 7 896 Portata ricircolo kg h 360 1411 3069 4137 Percentuale ricircolo 96 7 596 12 9 19 5 20 0 Rendimento 89 91 92 91 Tab 3 1 Condizi
9. calore acqua acqua o vapore acqua generalmente a piastre l acqua dell impianto di riscaldamento dell abitazione sostituendo in pratica le caldaia delle utenze La sorgente termica pu essere ricavata da un combustibile fossile per esempio il metano oppure da una materia prima a costo zero come la termovalorizzazione dei rifiuti Altre volte il calore viene generato con materiale ligneo derivante da scarti con effetto benefico perch viene recuperato materiale altrimenti destinato alla distruzione L acqua per teleriscaldamento viene generalmente prodotta tramite cogenerazione ossia in centrali elettriche che attuano un recupero di calore dall acqua calda o dal vapore di processo e o fumi prodotti da un motore primo alimentato a combustibile fossile gas naturale olio combustibile biomasse biogas o altro si ottiene cosi un significativo risparmio di energia rispetto alla produzione separata dell energia elettrica e dell energia termica Il pi comune esempio di impianto cogenerativo quello realizzato con turbogas motore alternativo e caldaia a recupero I fumi del turbogas o del motore alternativo vengono convogliati attraverso un condotto fumi nella caldaia a recupero che pu essere di tipo semplice o con post combustione I fumi in caldaia permettono di produrre acqua calda vapore saturo o vapore surriscaldato utilizzati rispettivamente per scopi di riscaldamento per utenze industriali o per turbine a vapore In
10. controllo del bruciatore e delle variabili di regolazione avviene tramite un sistema di controllo a PLC che consente l esercizio senza sorveglianza continua 24h con Capitolo 1 gestione automatica degli allarmi e interfaccia al sistema di controllo da remoto di cui sar dotato l impianto Ogni generatore ha una potenzialit al massimo carico continuo M C R pari a 13 3 MW modulabile dal 20 al 100 con un volume d acqua elaborato pari a 470 m h L acqua surriscaldata viene mandata all anello di teleriscaldamento ad una temperatura di 120 C e ritorna all impianto ad una temperatura di 90 95 C con una pressione minima di 5 barg e massima di 12 barg 1 2 Componenti 1 2 1 Collettore e fascio tubiero L alimentazione dell acqua al fascio tubiero avviene attraverso un collettore avente diametro 12 montato verticalmente con ingresso nella parte bassa e uscita dell acqua surriscaldata nella parte alta La camera di combustione e la zona convettiva di caldaia sono disposte l una sopra l altra in modo che i fumi prodotti dalla combustione dopo aver percorso la camera superiore vengano deviati verso il basso per attraversare il fascio convettivo fluendo in senso contrario per raggiungere infine il preriscaldatore dell aria integrato nella parte anteriore del generatore L acqua entrante nel collettore canalizzata attraverso un percorso a setti lungo il fascio tubiero attraversando in sequenza il fascio convettivo p
11. d aria e96 rappresenta pertanto l eccesso d aria corretto rispetto alla percentuale di ossigeno nei fumi desiderata Inizialmente poich le condizioni sono stazionarie si avr pertanto edo e uu 1 996 Fattore di correzione SCoxy 1 3 8 1 0 7 0 50 100 uscita Fig 3 3 Effetto del fattore di correzione SCoxy La portata d aria misurata viene finalmente elaborata nella portata di gas metano stechiometrica nel seguente modo O armstechio O ati Bon 1 8223 kg l e actual 7 s 8 h 14 1 100 100 kg Q NGstechio Ah 1057 Il filtro passa basso confronta quest ultimo valore con la portata di gas metano richiesta a carico ridotto lasciando passare come set point il minore dei valori entranti ossia la portata di gas naturale richiesta 71 Per quanto riguarda la regolazione dell aria la portata di gas naturale richiesta ONGrich Viene confrontata nel filtro passa alto con il valore misurato dal dispositivo di misurazione del combustibile Q NGmis 1057 Quest ultimo diventa pertanto il set point per il regolatore dell aria opportunamente moltiplicato per 1l rapporto stechiometrico k O restechio cinis gt A 18223 valore che dev essere riscalato per l eccesso d aria e9ogemal O am sp Q unsech Cor 19645 Ci significa che inizialmente la portata d aria di set point e misurata sono le medesime mentre il set point al regolatore
12. essere almeno uguale alla massima potenzialit continua della caldaia In particolare devono essere progettati in modo che il flusso di vapore corrispondente alla portata termica consentita possa essere scaricato senza che la pressione massima del generatore ecceda del 10 7 Riferimento normativo UNI EN 12952 10 2005 Caldaie a tubi d acqua e installazioni ausiliarie Requisiti per la protezione dagli eccessi di pressione 32 L impianto dotato di un vaso di espansione in grado di compensare le variazioni di volume dipendenti dalla temperatura nel generatore di acqua surriscaldata per garantire che il sistema rimanga entro 1 limiti di progetto AI fine di poter operare in modalit di esercizio in assenza del conduttore in completa sicurezza il generatore dotato di opportuni dispositivi di protezione Una termoresistenza TE che invia un segnale ad un termostato autocontrollato TSHH per la verifica di superamento della soglia massima prestabilita di temperatura dell acqua surriscaldata Una termostato per la verifica di superamento della soglia massima prestabilita di temperatura dell acqua surriscaldata TSHH Un pressostato per la verifica del superamento della soglia di pressione massima prestabilita dell acqua surriscaldata PSHH Un trasmettitore di pressione PT per la verifica del raggiungimento della soglia di pressione massima impostata PSHH Un pressostato per la verifica del raggiungimento della s
13. il raffreddamento L interno della cabina rivestito con un apposito materiale fonoassorbente in modo da contenere il livello di rumorosit a 75 dB A ad una distanza di 1 m nell intorno della macchina La portata di aria comburente determinata per mezzo di un misuratore ad airfoil Quest ultimo particolarmente adatto a condotti rettangolari in quanto richiedono una minore restrizione del condotto per ottenere una pressione differenziale rispetto ad un orifizio o ad un venturi e grazie alla sua forma determina minori perdite di carico La lunghezza del condotto richiesta per l airfoil circa la medesima di quella richiesta da un orifizio e la met per il venturi Il profilo dell airfoil consiste di un cerchio avente una coda formata da due tratti rettilinei tangenti al cerchio e intersecanti in un punto posto a 2 5 diametri dal centro del cerchio Ci significa che la massima profondit dell airfoil pari al diametro del cerchio mentre la massima profondit pari a 3 volte il diametro del cerchio Ogni profilo ha tre prese di pressione posizionate all interno sul fronte posizionata la presa di pressione di ristagno sull asse di simmetria rispetto al flusso d aria Le altre due prese di pressione sono posizionate ai bordi esterni del profilo nel punto di massimo profondit Misurando la differenza di pressione fra il punto di ristagno posto sul fronte ed il punto posto alla periferia il misuratore in gra
14. in materiale resistente al calore che ha lo scopo di fornire l aria comburente alla fiamma attraverso una serie di aperture evitando che la questa venga trascinata dall aria stessa Il combustibile viene convogliato radialmente al diffusore attraverso una serie di lance terminanti con ugelli che formano un getto ad elevata velocit il quale miscelandosi localmente con l aria comburente crea le condizioni di miscela ottimali per poter generare la reazione di combustione La fiamma nella sua parte iniziale contenuta da un cono in calcestruzzo refrattario avente temperatura di impiego superiore ai 1500 C che ha lo scopo di mantenere l aria nelle strette vicinanze della fiamma e favorire la combustione per effetto radiante L avviamento del bruciatore consentito da un pilota di accensione costituito fondamentalmente da un tubo di alimentazione del gas ed un elettrodo di accensione Una volta che il dispositivo di comando fornisce il consenso all avviamento l elettrodo scocca una scintilla che comporta l accensione della fiamma pilota la quale nella seconda fase innesca la fiamma principale dando il via alla reazione di combustione 15 Capitolo 1 Fig 1 3 Bruciatore low NO L alimentazione del combustibile avviene tramite una rampa gas realizzata in conformit alla norma UNI EN 12952 la quale prevede 16 Valvola manuale di intercettazione che deve essere posta in posizione sicura e deve interromper
15. portata dell aria letta tramite l apposito trasmettitore sia al di sopra di una soglia minima impostata per il lavaggio Se la condizione precedente non soddisfatta a partire da questo punto e per tutta la fase di lavaggio il BMS emette la segnalazione di blocco Bassa portata aria di combustione durante lavaggio rimuove i segnali di richiesta lavaggio e marcia del ventilatore e torna al punto iniziale della sequenza Se viceversa la condizione soddisfatta il BMS attende il tempo di lavaggio del circuito aria pari ad un minuto e poi se la serranda di ricircolo dei fumi posizionata all apertura minima attiva il segnale Richiesta marcia ventilatore ricircolo fumi Il BMS attende 10 secondi dell emissione del segnale e verifica la presenza della segnalazione proveniente dall MCC di Ventilatore ricircolo fumi in marcia Se tale segnale non arriva esso emette il blocco Ventilatore ricircolo fumi non in marcia rimuove i segnali di richiesta lavaggio e marcia dei ventilatori e ritorna al punto iniziale della sequenza Se il segnale proveniente dall MCC presente e stabile entro i 10 secondi il BMS attiva il segnale Richiesta lavaggio ricircolo fumi A questo punto il DCS deve 37 Capitolo 2 comandare la velocit del ventilatore di ricircolo fumi e l apertura della serranda alla soglia di lavaggio impostata tipicamente pari all 80 Il BMS attende 45 secondi dall emissione del segnale di
16. punto il combustore applicato sul generatore di acqua surriscaldata oggetto della tesi sfrutta due tecniche di abbattimento della formazione di NO per riduzione della temperatura di fiamma 1 3 2 Generazione di un moto rotatorio swirl questa tecnica consente un buon miscelamento fra i reagenti e di conseguenza realizza un campo di temperatura pressoch uniforme oltrech favorire un ricircolo interno dei gas combusti nella zona di reazione con conseguente diluizione della miscela e riduzione della formazione di ossidi di azoto Ricircolo esterno dei gas combusti con tale metodo i prodotti di combustione vengono miscelati con l aria di combustione prima che questa arrivi nella zona di reazione con un doppio effetto utile in quanto questi formano una massa di diluizione che consente la riduzione della temperatura di fiamma con conseguente riduzione della formazione di NO Ulteriormente il ricircolo consente il completamento delle reazione che non erano terminate durante la prima fase di combustione Processo di combustione nei bruciatori Bono Energia Il bruciatore di produzione Bono Energia installato sul generatore di acqua surriscaldata oggetto della tesi realizza una combustione di tipo diffusivo ossia il 23 Capitolo 1 combustibile e l aria comburente vengono alimentati separatamente e intimamente mescolati in prossimit della fiamma realizzando la miscela infiammabile Nelle fiamme diffusive la turbolenza gioc
17. richiesta di lavaggio e verifica che la velocit di rotazione del ventilatore di ricircolo sia maggiore di una soglia impostata sul pannello operatore e che il finecorsa di massimo sia attivo Se tali condizioni non sono verificata a partire da questo momento e per tutta la durata della fase di lavaggio il BMS genera la segnalazione di blocco per incongruenza di una delle condizioni sopracitate rimuove 1 segnali di richiesta di lavaggio e marcia dei ventilatori e torna al punto iniziale della sequenza Se viceversa la condizione verificata i1 BMS attende il tempo di lavaggio del ricircolo fumi fissato a 30 secondi A questo punto il BMS pronto ad ultimare la sequenza di lavaggio quindi e Rimuove il segnale di richiesta di lavaggio dell aria di combustione e Rimuove il segnale di richiesta di lavaggio del ricircolo fumi A questo punto il DCS deve e Portare l apertura della serranda dell aria di combustione al valore minimo per l accensione e Portare la velocit del ventilatore dell aria di combustione al valore minimo per l accensione e Portare la velocit del ventilatore di ricircolo fumi al valore minimo per l accensione Il BMS attende 45 secondi e poi verifica che le condizioni sopra citate siano effettuate ossia che i finecorsa di minimo siano attivi e si predispone automaticamente alla sequenza di accensione light off del bruciatore Se ci non avviene il BMS emette il blocco per incongruenza di una della condizioni soprac
18. sono idonei per esercizio senza sorveglianza continua 24h Essi sono destinati a rientrare nel progetto di realizzazione dell impianto di termovalorizzazione cogenerativo a Parma che prevede la realizzazione di due nuove linee per il recupero energetico dei rifiuti solidi complete di depurazione e recupero termico Ciascun generatore costituito da una camera di combustione completamente schermata a tubi tangenti all interno dei quali circola l acqua alimentata da un collettore di distribuzione e da un fascio tubiero convettivo nel quale si completa il raffreddamento dei prodotti di combustione Questi sono poi ulteriormente raffreddati da un preriscaldatore dell aria comburente a tubi verticali che consentono un incremento del rendimento globale del generatore Tubi e collettori sono realizzati in acciaio al carbonio per utilizzo ad alta pressione mentre il preriscaldatore dimensionato per un regime termico tale da evitare a tutti i carichi anche parziali la formazione di condense acide I bruciatori sono di produzione Bono Energia a basso NO con ricircolo esterno parziale dei gas combusti tramite un apposito ventilatore centrifugo di estrazione dal camino e regolazione per mezzo di inverter L aria comburente fornita per mezzo di un ventilatore centrifugo a bassa rumorosit con regolazione dell aria per mezzo di variazione dell apertura della serranda e variazione del regime di rotazione per mezzo di inverter Il
19. E 168097 edo actua kg Q ar sp Qarstech d gm Essendo la portata d aria misurata pari a circa 14000 kg h il regolatore FIC della portata d aria interviene aumentando il segnale in uscita e tramite la curva di split range aumenta la velocit di rotazione del ventilatore e l apertura della serranda finch la portata misurata non corrisponde a quella richiesta La portata di combustibile aumenta di conseguenza fino al valore richiesto mantenendo una combustione con forte eccesso d aria e limitando durante il transitorio la formazione di ossidi di azoto 75 Conclusioni Durante il periodo di stage svolto presso la societ Bono Energia SpA si avuta la possibilit di analizzare nel dettaglio i principi di funzionamento fondamentali di generatori di vapore e ad acqua surriscaldata di varia taglia per utilizzo prevalentemente industriale Scopo del lavoro era di rappresentare materialmente le conoscenze acquisite applicandole su un prodotto esistente e avente caratteristiche tali da sintetizzare le conoscenze acquisite I generatori ad acqua surriscaldata destinati all integrazione presso il Polo Ambientale Integrato di Parma possiedono le caratteristiche sopracitate In particolare si dimostrato come una regolazione di tipo misuratrice quale quella applicata al generatore oggetto del lavoro consente intrinsecamente di mantenere in sicurezza il funzionamento della caldaia stessa La strumentazione montata a bordo in
20. LC PSHH PSLL PSV PT SIC SRC TE Analysis Element Analysis Indicating Controller Burner Management System Burner Valve Burner Final Element Distributed Control System Flow Primary Element Flow Indicating Controller Flow Switch Low Low Flow Transmitter Flow Valve Level Switch Low Low Motor Control Center Maximum Continuous Rating Polo Ambientale Integrato Proportional Integrative Derivative controller Pressure Control Valve Pressure Differential Switch Low Low Programmable Logic Controller Pressure Switch High High Pressure Switch Low Low Pressure Safety Valve Pressure Transmitter Speed Indicating Controller Sistema di Regolazione della Combustione Temperature primary Element 83 Elenco degli acronimi TIC Temperature Indicating Controller TSH Temperature Switch High TSHH Temperature Switch High High ZSH Position Switch High ZSL Position Switch Low ZT Position Transmitter 84
21. POLITECNICO DI MILANO Facolt di Ingegneria Industriale Corso di Laurea in Ingegneria Energetica GESTIONE E REGOLAZIONE DI UN GENERATORE AD ACQUA SURRISCALDATA Relatore Prof Matteo ROMANO Tesi di Laurea di Diego ROCCA Matr 735694 Anno Accademico 2010 2011 Indice generale SOMMARIO glia aaa 7 INTRODUZIONE ina P 9 SAI A ka KM akada aka ov sa oko 11 CALDAIE A TUBI D ACQUA BONO ENERGIA ecce sees eene enean 11 koko uod eI 11 1 2 QCompoOtnehll ise elc ior A 12 1 2 1 Coll ttoree fascro DIO eee ake Sees 12 1 2 2 Prerscaldatore aran sce yos eeu A a 13 lv BU 14 1 2 4 A aso ER TA OO E E as 17 1 2 5 Quadro MCC e di controllo 1n reor ee tribe ons 19 1 3 Processo di combustione rat t e tq a Fett ea 21 1 3 1 Formazione di inquinanti nel processo di combustione 21 1 3 2 Processo di combustione nei bruciatori Bono Energia 23 CAPITOLO eet 27 SISTEMI DI REGOLAZIONE DEL GENERATORE ssssesccsssesesecs 27 2d Desenzone generales eee dias 27 22 Shema di PTOCESSO AI EA A de EK A a ia 28 2 2 1 Alimentazione combustibile eese eene 28 2 22 Aria COImIDUEETILO laico einen 30 2 2 3 Generatore e linea acqua surriscaldata sess 32 2 3 Burner Management System BMS ii 36 2 3 1 sequenza di lavaggio SAEED RALE 36 2 3 2 Sequenza test di tenuta valvole combustibile
22. a un ruolo fondamentale nello sviluppo della combustione in quanto essa governa il tempo di mescolamento fluidodinamico Essendo questo molto inferiore al tempo di reazione chimica la reazione in realt controllata dallo stadio lento pertanto si rende necessario ricorrere alla turbolenza per incrementare il mescolamento dei reagenti garantendo cos una maggiore stabilit di fiamma e riducendo la formazione di prodotti inquinanti Le tecniche industrialmente applicate per incrementare la turbolenza sono svariate in particolare il combustore Bono Energia utilizza il registro di vorticosit per imprimere un moto rotatorio alla aria comburente vedi par 1 2 3 La rotazione del getto d aria swirl ha l effetto di incrementare l ampiezza del getto facendolo espandere e quindi riducendo la velocit in direzione assiale Tale effetto ovviamente cresce all incrementare del grado di rotazione da parte del registro provocando inoltre un effetto di richiamo dell aria circostante Fig 1 5 Espansione del getto generata dal movimento rotario swirl 24 Caldaie a tubi d acqua Bono Energia La forza centrifuga causata dal moto rotatorio genera una distribuzione di pressione in direzione radiale descritto dall equazione di equilibrio dp _ PV dr r per la quale la pressione deve essere crescente con il raggio In contemporanea la dissipazione viscosa determina una graduale diminuzione di velocita in direzione assiale pertant
23. ano vedi fig 2 7 una determinata velocit del ventilatore di ricircolo e apertura della serranda in mandata secondo la curve dello split range impostate nel pannello operatore Tale regolazione deve tuttavia rispettare il vincolo della percentuale di ossigeno nei fumi in quanto se tale valore scende al di sotto di una soglia di minimo viene generata una segnalazione di blocco Anche per quanto riguarda la regolazione del ricircolo fumi sono presenti alcune forzature in base all attuale condizione operativa dell impianto Se il segnale proveniente da BMS di Consenso alla modulazione disattivato il regolatore SIC della velocit di rotazione si trova in tracking e la sua uscita forzata alla minima velocit di accensione quando i segnali provenienti dal BMS Richiesta lavaggio ricircolo fumi e Richiesta marcia ventilatore ricircolo fumi sono attivi contemporaneamente l uscita del regolatore viene forzata al valore Uscita per lavaggio mentre la serranda forzata all apertura massima Lo schema di regolazione del ricircolo fumi rappresentato in fig 2 10 61 Capitolo 2 07094191 MA JYOLVILLUNGA m A AJ A NYX LII RO IVA Hj JVAV ddd LOW VLIOSN un 0 09 1191 1 227 npjnsiuj Fig 2 12 Controllo portata r
24. azione che descrive la velocit di formazione massima dell ossido di azoto la seguente ANO 145 107 e o Dv T t che mostra chiaramente la fortissima dipendenza della formazione di NO dalla temperatura dei gas combusti Pi debole ma significativa la dipendenza dalla concentrazione di ossigeno mentre la concentrazione di azoto un parametro influente ma di scarsa importanza applicativa essendo questo comunque largamente presente nella combustione con aria Sebbene le normative si riferiscano genericamente agli NOx come NO gli ossidi di azoto vengono prodotti dal processo di combustione quasi esclusivamente come NO che vengono poi ossidati in parte con lentezza rispetto alle velocit di reazione della combustione a NO Espressione ottenuta dalla formulazione di Zel dovich a tre reazioni nell ipotesi di concentrazione iniziale nulla dell ossido di zoto 22 Caldaie a tubi d acqua Bono Energia L equazione sopracitata permette di trarre le seguenti raccomandazioni per ridurre la formazioni di ossidi di azoto Riduzione dei picchi di temperatura in camera di combustione sufficiente infatti una riduzione di temperatura della fiamma di 200 C per abbassare di un ordine di grandezza la formazione di NO Riduzione del tempo di residenza compatibilmente per con il completamento dell ossidazione del monossido di carbonio CO Riduzione dell eccesso d aria Per quanto riguarda il primo
25. co L avviamento possibile solo manualmente dopo che sono state eliminate le cause che hanno determinato l azione di blocco Sorveglianza Per i generatori a funzionamento automatico il controllo da parte della persona addetta per accertarsi che il generatore e tutti i suoi dispositivi siano nelle normali condizioni di funzionamento Per i generatori a funzionamento non automatico la conduzione del generatore da parte della persona addetta e il controllo per accertarsi che esso e tutti i suoi dispositivi siano nelle normali condizioni di funzionamento La sorveglianza pu essere con assistenza continua o senza assistenza continua Sorveglianza con assistenza continua Sorveglianza con la presenza continua in centrale termica o in sala controllo di persona addetta durante il funzionamento del generatore fino alla sua messa in sicurezza Sorveglianza senza assistenza continua Sorveglianza con la presenza saltuaria in centrale termica o in sala controllo di persona addetta durante il funzionamento del generatore 3 Sorveglianza senza assistenza continua La sorveglianza senza assistenza continua richiede nella centrale termica la presenza di persona addetta In fase di accensione e riaccensione del generatore 80 UNITS 11325 3 Sorveglianza dei generatori di vapore e o acqua surriscaldata e Durante i sopralluoghi periodici per la verifica del funzionamento dei dispositivi di controllo regolazione e sicurezza
26. conformit alla normativa UNI TS 11325 3 consente di gestire il funzionamento del generatore con esenzione della presenza dell operatore il cui unico compito consiste nell avviare la sequenza di accensione del generatore autogestita dal sistema BMS e nello svolgere allo scadere del periodo di esenzione 24h i test di verifica del corretto funzionamento dei dispositivi di controllo Il feedback dei parametri di regolazione misurati in tempo reale consente di portare rapidamente il funzionamento del generatore al carico richiesto consentendo di mantenere in ogni istante il rapporto aria combustibile in condizioni tali da mantenere la formazione di inquinanti al di sotto dei valori richiesti Se le variabili di processo superano i limiti minimo e massimo imposti tramite il pannello di controllo l intervento dei sistemi di blocco interrompe il funzionamento del generatore e l operatore viene richiamato per verificare le cause del blocco e riavviare la sequenza di accensione Conclusioni In definitiva il generatore si adatta all inserimento in un impianto complesso con gestione di tipo DCS nella quale i vari componenti del processo sono gestiti localmente e connessi ad un sistema centrale di monitoraggio e controllo delle principali grandezze di lavoro mantenendo in ogni istante le condizioni ottimali del processo 78 Appendice 1 UNI TS 11325 3 Sorveglianza dei generatori di vapore e o acqua surriscaldata A titolo inf
27. d aria calcolata in base alla formula precedente va a determinare il set point del regolatore FIC Per il funzionamento della regolazione della portata dell aria di combustione previsto uno split range tra l apertura della serranda FV e la velocit del ventilatore VE In base alle richieste di apertura chiusura del regolatore FIC ed in base a soglie di intervento dello split range vengono generate 2 uscite distinte per comandare in sincrono la serranda FV ed il variatore di frequenza del ventilatore VE Il regolatore della portata di aria di combustione e le utenze collegate serranda e ventilatore subiscono delle forzature a seconda delle condizioni operative in cui si trova l impianto Il regolatore FIC risulta essere in tracking in assenza del segnale proveniente dal BMS Consenso alla modulazione quando in questa situazione l uscita del regolatore forzata al minimo di accensione La serranda ed il ventilatore vengono invece forzati ad un determinato valore di apertura e velocit rispettivamente in presenza del segnale proveniente da BMS di Richiesta lavaggio principale Lo schema di regolazione della portata d aria rappresentato nelle figure seguenti 57 Capitolo 2 OLVLIIBV C cO V1VZZ3dS ONINI CN e 9IHY OIHY VIHY VIHY Ad 9IHV Va
28. di combustibile e inferiore rispetto al valore misurato Mentre il filtro passa basso consente alla portata di combustibile di diminuire seguendo la richiesta di carico la portata d aria vincolata dal filtro passa alto alla portata di gas combustibile misurata e le di fatto impedito di diminuire finch la portata di combustibile non stata ridotta L effetto ottenuto quello di ritardare la diminuzione dell aria comburente rispetto alla diminuzione della portata di combustibile con un conseguente beneficio dal punto di vista della formazione di ossidi di azoto dal momento che si mantiene costantemente una miscela magra contenendo pertanto la temperatura di fiamma e mantenendo elevata la concentrazione di ossigeno nei fumi Poich la regolazione avviene gradualmente secondo quanto imposto dal limitatore di velocit le portate di metano ed aria comburente vengono ridotte strozzando la valvola pneumatica del gas naturale e intervenendo sulla serranda dell aria ed il variatore di frequenza del ventilatore secondo quanto imposto dalla curva di split range Una curva d esempio riportata in figura 3 4 72 Analisi delle prestazioni del generatore Regolazione split range 100 80 e o 60 o serranda E A N 40 m inverter o a 2090 0 0 20 40 60 80 100 Carico Fig 3 4 Curve di regolazione della portata d aria Essendo la portata d aria propor
29. diventa l esecuzione secondo determinati comandi di certe funzioni in modo da ottenere gli andamenti richiesti delle principali grandezze caratterizzanti il funzionamento della macchina stessa Una prima suddivisione tra due diversi tipi di intervento di regolazione o controllo pu essere definita fra sistemi di controllo ad anello aperto e sistemi ad anello chiuso Nei sistemi di controllo in anello aperto Fig 3 1 l ingresso di riferimento z t che rappresenta l obiettivo desiderato viene passato al controllore che in funzione di esso definisce una forza di controllo f t Tale forza si combina con un eventuale azione di disturbo o con altre azioni non direttamente controllate f t a dare la forza totale che agisce sul sistema La risposta del sistema alla forza complessiva f t fa t la grandezza z t che assume il ruolo di variabile controllata La regolazione in anello aperto implica che bisogna conoscere con accuratezza la dinamica del sistema o attraverso un modello matematico o attraverso misure sperimentale in modo da definire con precisione l esatta correlazione fra ingresso ed uscita In tale sistema la forza di controllo f t non dipende dallo stato effettivo del sistema ma da quello di riferimento imposto come ingresso pertanto un eventuale azione di disturbo non controllata f t o incertezze sul modello fanno si che lo stato del sistema possa deviare da quello desiderato senza avere la possibilit di corregge
30. do di determinare la portata d aria elaborata dal ventilatore L airfoil pu inoltre essere utilizzato per miscelare la portata di gas di ricircolo con il flusso d aria principale mantenendo invariata la capacit di misurazione del dispositivo fintanto che la portata di ricircolo non supera il 25 della portata d aria 18 Caldaie a tubi d acqua Bono Energia elaborata Tuttavia le perdite di carico aumentano in proporzione al quadrato del rapporto fra la portata totale aria e ricircolo e la portata d aria I fumi di ricircolo vengono introdotti all interno dell airfoil e iniettati o aspirati all interno del flusso d aria attraverso porte rettangolari uniformemente spaziate posizionate a valle del punto di massima profondit del profilo Fig 1 4 Dispositivo di misurazione della portata ad airfoil 1 2 5 Quadro MCC e di controllo Il quadro MCC Motor Control Center consente il comando centralizzato dei motori e degli inverter Il quadro MCC interfacciato al sistema DCS per mezzo di dispositivi Profibus DP Decentralized Peripherals che consente lo scambio di dati tra periferiche remote fino ad una distanza di 300 metri Distributed Control System si riferisce ad un sistema di controllo del processo nel quale gli elementi di controllo non sono localizzati centralmente ma distribuiti attraverso il sistema L intero sistema connesso da una rete di comunicazione e monitoraggio 19 Capito
31. e analogici provenienti dai sensori e diretti agli attuatori presenti in un impianto industriale Involucro protetto contro i corpi solidi di dimensioni superiori ad 1 mm contro l accesso con un filo e contro gli spruzzi d acqua 20 Caldaie a tubi d acqua Bono Energia 1 3 Processo di combustione In questo paragrafo verranno descritti brevemente i dettagli relativi al processo di combustione realizzato dai bruciatori installati sui generatori di acqua surriscaldata oggetto della tesi In particolare verr focalizzata l attenzione sulla correlazione tra la generazione di un moto vorticoso dell aria comburente da parte del registro e la formazione di prodotti inquinanti quali NOx 1 3 1 Formazione di inquinanti nel processo di combustione Il livello di emissioni realizzate nel processo di combustione dipende fortemente dalle caratteristiche fisico chimiche del combustibile utilizzato e del processo stesso nonch dalla geometria del reattore responsabile della realizzazione della reazione chimica Generalmente le concentrazioni di inquinanti sono molto diverse dal quelle suggerite dalle equazioni di equilibrio chimico in quanto una forte influenza deriva dalla cinetica della reazione Le emissioni di principale interesse per i combustibile gassosi soprattutto dal punto di vista normativo sono il monossido di carbonio CO e gli ossidi di azoto NOx Il monossido di carbonio si forma in particolare nella prima zona della fia
32. e della seconda valvola Pa Inizialmente le valvole sono chiuse pertanto il dispositivo misura la pressione a monte e deve misurare una pressione nulla tra le due valvole Se tale condizione verificata il test di tenuta sulla prima valvola avvenuto con successo Terminata la prima fase il dispositivo apre il collegamento fra il punto a monte ed il punto intermedio pressurizzando il tratto di linea tra le due valvole quindi verifica che la pressione a valle della seconda valvola sia nulla Se ci avviene anche il secondo test di tenuta avvenuto con successo 2 3 3 Sequenza di accensione Terminate con successo le sequenza di lavaggio e controllo tenuta il BMS procede all esecuzione della sequenza di accensione come segue il BMS attende 5 secondi per la stabilizzazione della portata dell aria di combustione dopodich attiva il trasformatore d accensione BZ Quindi attende 2 secondi dopodich comanda l apertura delle valvole pilota 42 Il BMS attende 3 secondi e poi verifica la presenza della fiamma attraverso la fotocellula BE Se quest ultima non rileva la fiamma con le valvole del gas aperte il BMS emette la segnalazione di blocco Incongruenza fotocellula fiamma chiude le valvole di blocco pilota interrompe la sequenza di accensione e rimuove le richieste di marcia dei ventilatore tornando al punto iniziale della sequenza di lavaggio Se invece la fiamma pilota accesa il BMS attende 5 secondi per la stabili
33. e in maniera affidabile l erogazione di combustibile al locale della caldaia Filtro di rimozione delle impurit che possono danneggiare il funzionamento dei dispositivi del bruciatore Flangia tarata di misurazione della portata di combustibile con trasmissione analogica di segnale al sistema di regolazione della combustione Pressostato di massima pressione del gas per proteggere le tubazioni del combustibile contro pressioni eccessivamente alte Pressostato di minima pressione del gas per bloccare l alimentazione del combustibile nel caso il valore di pressione rilevato sia insufficiente Due dispositivi di intercettazione di sicurezza motorizzate ad azione rapida che consentono l immediato arresto del bruciatore nel caso i parametri di regolazione siano al di fuori dei valori consentiti Caldaie a tubi d acqua Bono Energia e Valvola di regolazione della portata gas pneumatica a regolazione elettronica e Sistema di controllo della tenuta e Manometri a monte e a valle della valvola di regolazione L alimentazione per il pilota di accensione ricavata da uno stacco sulla tubazione e presenta anch essa una valvola manuale di intercettazione e due elettrovalvole di blocco con collegamento al sistema di controllo della tenuta 1 2 4 Ventilatori Le caldaie sono dotate ciascuna di un ventilatore per l aria comburente ed un ventilatore di ricircolo dei fumi Entrambi i ventilatori sono di tipo centrifugo in particolar
34. e la regolazione di portata effettuata per mezzo di e Serranda in aspirazione tipo dap e inverter in split range per il ventilatore dell aria comburente e Serranda in mandata e inverter in split range per il ventilatore di ricircolo fumi I ventilatori sono trascinati da motori elettrici asincroni trifase a 4 poli con grado di efficienza energetica 1 e grado di protezione IP55 In particolare poich il ventilatore di ricircolo dei fumi elabora un fluido a temperatura elevata temperatura di progetto 200 C la trasmissione effettuata per mezzo di cinghia e puleggia in modo da evitare riscaldamenti eccessivi del motore elettrico Il codice IP International Protection una convenzione definita nella norma EN 60529 per individuare il grado di protezione degli involucri dei dispositivi elettrici ed elettronici aventi tensione nominale fino a 72 5 kV contro la penetrazione di agenti esterni di natura solida o liquida Il grado IP55 definisce la protezione dell involucro contro la polvere contro l accesso con un filo e contro i getti d acqua 17 Capitolo 1 I ventilatori sono inseriti per ogni generatore in un apposita cabina afonica pre assemblata e sollevabile in modo da poterla posizionare facilmente in cima alla caldaia La cabina studiata in modo da realizzare un ambiente unico tale che il flusso d aria aspirato dal ventilatore dell aria comburente investa il ventilatore di ricircolo fumi consentendone
35. e tra la quantit richiesta dal regolatore master e la quantit di gas stechiometrica necessaria per l attuale quantit di aria disponibile L uscita di questo blocco diventa il set point al regolatore di portata del metano FIC Inoltre la quantit Ong passa attraverso un blocco passa alto insieme all attuale portata di gas metano e opportunamente moltiplicata per il rapporto stechiometrico aria metano diventa il set point del regolatore di portata della portata aria di combustione FIC Obiettivo di questi blocchi passa basso e passa alto quello di garantire in qualunque momento il corretto rapporto aria metano al fine di ridurre il pi possibile la presenza di gas incombusti e quindi di massimizzare la resa di combustione Tale funzionalit efficace soprattutto durante i cambi di carico Questi filtri non permettono infatti al set point del metano di incrementare fino a quando la portata di aria non ha raggiunto il valore desiderato e allo stesso modo non permettono al set point dell aria di combustione di diminuire fino a quando la portata del metano non ha raggiunto il valore richiesto Si rimanda al capitolo 3 per maggiori dettagli 50 La portata del metano viene letta tramite il trasmettitore FT ed il risultato viene inviato come variabile di processo al regolatore del metano FIC L uscita del regolatore opportunamente filtrata va ad agire direttamente sulla valvola di regolazione del metano FV Durante le varie condizioni
36. ella corrispondente portata di combustibile One rich 2059000 733 A PCI h Tale portata viene confrontata nel filtro passa basso con la portata Qmwasrecnio proveniente dal loop di regolazione dell aria e determinata come segue La portata di aria misurata viene divisa per l eccesso d aria e ucma a sua volta proveniente dal loop di regolazione dell ossigeno I MW misurati vengono calcolati nel seguente modo mis ssh Cno 14 4MW 3600 10 Il blocco di interpolazione nel loop dell ossigeno legge questo valore e restituisce la percentuale di ossigeno nei fumi richiesta pari all 1 75 secondo quanto imposto dal minimo set point dell ossigeno nei fumi L uscita dell AIC viene riscalata nell intervallo 0 7 1 3 a formare il parametro SCoxy in tal caso pari a 1 essendo la percentuale di ossigeno nei fumi misurata esattamente pari a 1 75 Il regolatore AIC a differenza del TIC un regolatore ad azione diretta in quanto un aumento della concentrazione misurata di ossigeno nei fumi comporta un aumento dell uscita Il blocco di interpolazione invece interviene in senso contrario secondo quanto rappresentato in fig 3 1 Se la concentrazione di ossigeno nei fumi 70 Analisi delle prestazioni del generatore misurata maggiore di quella richiesta il parametro SCoxy sar minore di 1 e la regolazione dell aria sar in difetto viceversa il parametro sar maggiore di 1 e l eccesso d aria aumenter L eccesso
37. ella seguente N Potenza Misurata Eccesso d aria MW 70 1 1090 29 7 2 20 25 3 30 20 8 4 40 17 2 5 50 14 2 6 60 11 8 7 70 9 9 8 80 8 6 9 90 7 9 10 100 7 8 Tab 2 1 Curva eccesso d aria potenza misurata 53 Capitolo 2 Carico VS eccesso d aria 35 30 25 20 15 10 eccesso d aria 5 0 0 20 40 60 80 100 carico Fig 2 8 Curva eccesso d aria potenza misurata L eccesso d aria risultante dalla interpolazione precedente va a sommarsi opportunamente riscalato come vedremo in seguito alla quantit di aria richiesta in base al rapporto stechiometrico con il combustibile al fine di formare il set point finale del regolatore di portata dell aria di combustione FIC Al momento attuale la richiesta set point di aria di combustione risulta quindi essere data dalla formula AIR P O ar Oc acr x RS x a dove Qmwgacr rappresenta l attuale portata di metano RS il rapporto stechiometrico tra aria e metano ed eam l eccesso d aria risultante dalla interpolazione della tabella precedente in base all attuale potenza bruciata Tale relazione rappresenta la quantit di aria richiesta in assenza del contributo dato dal regolatore della correzione dell ossigeno contenuto nei fumi di scarico Tale regolatore agisce sul sistema incrementando o diminuendo la quantit di aria r
38. ggio tempo dij lavaggio ricircolo fumi 30 secondi Rimozione richiesta lavaggio aria di combustione Rimozione richiesta lavaggio ricircolo fumi Attesa 45 secondi NO erranda aria al minimo Y s NO Velocit ventilatore aria ZSL 7 i s L NO Vvelocit ventilatore gt ricircolo lt ZSL Fig 2 4 c Flow chart fase lavaggio 41 Capitolo 2 2 3 2 Sequenza test di tenuta valvole combustibile Il test di tenuta delle valvole principali e pilota del combustibile viene richiesto in automatico dal BMS ogni volta che l operatore avvia la sequenza di accensione del bruciatore ma viene eseguito da un dispositivo esterno installato in prossimit della rampa gas Tale sequenza viene condotta in parallelo alla sequenza di lavaggio in quanto la durata del test di tenuta delle valvole comunque pi breve dell intera sequenza di lavaggio Resta inteso che se durante i passi della sequenza di test di tenuta delle valvole una sola delle verifiche effettuate dovesse dare esito negativo verrebbe arrestata sia la sequenza di test tenuta valvole che la sequenza di lavaggio Allo stesso modo se dovesse intervenire un blocco derivante dalla sequenza di lavaggio anche la sequenza di test tenuta valvole verrebbe annullata Il dispositivo di controllo di tenuta realizza un collegamento fisico fra la pressione a monte della prima valvola Pe fra le due valvole Pz e a vall
39. ichiesta La potenza misurata viene anche inviata ad un altro blocco di interpolazione di una spezzata a 10 punti che determina la relazione tra la potenza bruciata e la 54 percentuale di ossigeno desiderata nei fumi di scarico al variare del carico del bruciatore Anche per tale relazione si mostra una tabella tipica N Potenza Misurata Ossigeno nei fumi MW 96 1 1090 4 6 2 20 4 3 30 3 5 4 40 3 1 5 50 2 7 6 60 2 3 7 70 2 1 8 80 1 9 9 90 1 8 10 100 1 75 Tab 2 2 Curva percentuale di ossigeno nei fumi potenza misurata 02 nei fumi Carico VS ossigeno nei fumi 3 2 5 o TRN 4 1 0 lo 0 20 40 60 80 100 carico Fig 2 9 Curva percentuale di ossigeno nei fumi potenza misurata 55 Capitolo 2 La presenza di ossigeno nei fumi letta tramite il trasmettitore AT e inviata come variabile di processo al regolatore AIC mentre l uscita dell interpolazione lineare della tabella dell ossigeno in base alla potenza misurata rappresenta il set point del regolatore dell ossigeno AIC L uscita del controllore AIC compresa nell intervallo 0 100 viene riscalata linearmente in base ad una curva compresa tra 1 3 e 0 7 L uscita di tale blocco di scalamento lineare viene moltiplicata alla richiesta di portata dell aria di combustione precedentemente calcolato La relazione finale che esprime
40. icircolo fumi 62 2 4 5 Controllo portata acqua surriscaldata Obiettivo di questa regolazione quello di mantenere costante la portata di acqua attraverso la caldaia nelle diverse condizioni operative Ci consente di evitare variazioni inaccettabili della temperatura dei componenti salvaguardando quindi l integrit del generatore La portata letta tramite il trasmettitore FT rappresenta la variabile di processo del regolatore FIC mentre il set point viene determinato da parte dell operatore in base alle esigenze operative ed in base alle limitazioni impostate tramite i parametri di set point massimo e minimo L uscita del regolatore FIC va a comandare direttamente il variatore di frequenza della pompa di by pass alla linea di teleriscaldamento si veda Fig 2 3 Nella figura seguente rappresentato lo schema di regolazione della portata di acqua surriscaldata 63 Capitolo 2 3 i FHI T FHIC OUT lt p 2 FHIC MAX FHIC Fig 2 13 Controllo portata acqua surriscaldata 64 Capitolo 3 Analisi delle prestazioni del generatore 3 1 Elementi di regolazione di sistemi dinamici Una macchina definita come un sistema progettato per svolgere una data funzione e in tale definizione gi implicito il concetto di controllo e regolazione in quanto l obiettivo della macchina
41. il set point del regolatore dell aria di combustione risulta quindi e SNC x RS x 1 AS Q ar OXY pe 100 l dove SCoxy l uscita del regolatore riscalata in base alla relazione lineare suddetta tra 1 3 e 0 7 Ci significa che il contributo del controllore dell ossigeno interviene nel calcolo del set point finale dell aria di combustione per o il 30 Infatti questo fattore di scala viene moltiplicato per l eccesso d aria scaturito dall interpolazione precedente al fine di incrementare o diminuire la quantit d aria richiesta Il regolatore della quantit di ossigeno deve essere escludibile con apposito selettore posizionato sul sistema di supervisione ed inoltre deve essere prevista anche una soglia sulla potenza bruciata al di sotto della quale il regolatore dell ossigeno viene automaticamente escluso e la sua uscita viene forzata al 50 che comporta un SCoxy pari a 1 La portata d aria di combustione letta attraverso il trasmettitore FT combinata con l eccesso d aria risultante dalla tabella fornisce la portata d aria stechiometrica Tale valore diviso per il rapporto stechiometrico aria combustibile RS fornisce la portata stechiometrica del combustibile che entra nel blocco passa basso insieme all attuale portata di metano come visto precedentemente Fig 2 7 56 La portata d aria misurata dal trasmettitore FT entra nel regolatore FIC come variabile di processo mentre la richiesta
42. ilatori Il BMS controlla le sequenze di avviamento e arresto della caldaia in particolare Lavaggio del circuito aria comburente e ricircolo fumi Accensione Capitolo 2 e Test di tenuta delle valvole di alimentazione del combustibile e Spegnimento e shut down e Post lavaggio del circuito aria comburente e ricircolo fumi e Gestione dei test per esonero del conduttore Inoltre il BMS responsabile dei segnali che causano il blocco del bruciatore in caso di anomalia quindi tutti i segnali ritenuti critici per il funzionamento di una caldaia sono portati alle schede I O del BMS che in base alle condizioni operative del sistema monitora tali segnali e protegge la caldaia Nel paragrafo 2 2 verr descritto lo schema di processo del generatore descrivendo nel dettaglio la strumentazione che consente al sistema di automazione di controllare i principali parametri di processo Nel paragrafo 2 3 verr descritto nello specifico il funzionamento del BMS e le sequenze automatiche da esso gestite mentre nel paragrafo 2 3 verranno trattate le logiche di regolazione implementate nell SRC 2 2 Schema di processo Nei paragrafi seguenti verranno descritti nel dettaglio 1 singoli componenti e le relative funzioni 2 2 1 Alimentazione combustibile Nella figura seguente rappresentata la linea di alimentazione del combustibile e la relativa strumentazione 28 l Fl ARIA COMBURENTE X l
43. itate e ripristina la sequenza al punto iniziale In fig 2 4 riportato uno schema di flusso della sequenza di lavaggio qui descritta 38 START NO Biuciafore spento SI NO lt S rranda aria ab minimo SI NO Shutdown N presenti Valvola Gas ab Su minimo V Ka SI px CONSENSO ALLA MARCIA v BN Richiesta marcia ventilatore aria di combustione v Comando valvola gas esterna Attesa 15 secondi a ea ARRESTO q NO Ventilatore arid SEQUENZA Nin marcia marc SI Richiesta lavaggio aria di combustione Avvio test di tenuta valvole principali Avvio test di tenuta valvole pilot A PAGINA SUCCESSIVA Fig 2 4 a Flow chart fase lavaggio Capitolo 2 ARRESTO SEQUENZA 40 SEQUENZA DA PAGINA PRECEDENTE Attesa 45 secondi 4 SI Bassa portata aria Conteggio tempo di lavaggio 1 minuto Richiesta marcia ventilatore ricircolo fumi ARRESTO Attesa 10 secondi entilaton ricircolo in NO Richiesta lavaggio ricircolo fumi Attesa 45 secondi NO _ Serranda ricircolo gt fumi al massimo ls NO _ Velocit ventilatore x gicircolo gt ZSH lt SI A PAGINA SUCCESSIVA Fig 2 4 b Flow chart fase lavaggio ARRESTO SEQUENZA 7 DA PAGINA PRECEDENTE Conte
44. iusa La linea di alimentazione del pilota costituita dalla valvola riduttrice PCV e dalle due elettrovalvole di blocco BV anch esse controllate dal BMS similmente alle valvole di blocco principali 29 Capitolo 2 x L accensione della fiamma pilota consentita dal trasformatore BZ mentre la fotocellula BE verifica in continuo la presenza della fiamma In caso di mancanza della fiamma interviene la condizione di blocco ed il relativo allarme visualizzato a pannello operatore La fotocellula realizza periodicamente un autoverifica di funzionamento oscurando il sensore in modo da verificare che il segnale venga generato solo in presenza della fiamma 2 2 2 Aria comburente L aria comburente fornita al bruciatore per mezzo di un ventilatore centrifugo dopo essere stata premiscelata con i gas di ricircolo prelevati dalla base del camino e preriscaldati attraverso lo scambiatore di calore La linea rappresentata nella figura seguente La regolazione dell aria comburente avviene per mezzo di una serranda tipo dap FV posizionata in aspirazione e l inverter SIC La posizione della serranda inviata per mezzo del trasmettitore ZT all SRC il quale comanda il servomotore M in base alla richiesta di potenza Similmente SRC comanda l inverter SIC in base alla richiesta di potenza I finecorsa di minimo ZSL intervengono durante la fase di lavaggio inviando un segnale al BMS si veda il par 2 3 1 Il valore della p
45. l bruciatore andata a buon fine ed il BMS da il consenso alla modulazione allora il TIC viene sganciato dal tracking ed inizia a modulare tentando di mantenere il set point impostato In fig 2 6 riportato lo schema descritto 48 STI CHIES db MV Oo A LU bio re le anoj Eo o Oo E er gt ay C e T LU c o il o E x lt a Ex lt I 2 e o O 25 E o o a i lt L CAN AN e AIN hu Ij d E TN IE SY a THIC MAX SP THIC Fig 2 6 Controllo di combustione Master di temperatura 49 Capitolo 2 2 4 2 Portata metano La richiesta di MW del regolatore viene utilizzata per il calcolo del set point dinamico del regolatore della portata gas e conseguentemente della portata di aria di combustione La richiesta di carico in MW viene convertita nella corrispondente quantit di combustibile necessaria dividendola per il potere calorifico del metano kJ Nmc in base alla formula 10 x MW x3600 Ong HV dove MW la potenza richiesta dal regolatore TIC espressa appunto in MW e HV il potere calorifico inferiore del metano utilizzato in centrale espresso in kJ Nmc La quantit di combustibile richiesta in Nmc h inviata ad un blocco passa basso che selezione la minor
46. lo 1 Ciascun generatore inoltre dotato dei quadri necessari per il controllo dove si intende con ci Il sistema di controllo del bruciatore ed i sistemi di blocco e sicurezza della caldaia BMS Burner Management System Il sistema di gestione e controllo della strumentazione necessaria per la conduzione del generatore senza la presenza continua SRC Sistema di regolazione della combustione PLC di gestione e controllo delle funzioni I quadri sono in grado di protezione IP44 e sono idonei per l interfaccia al DCS di centrale con comunicazione tramite Modbus RTU Unit Terminale Remota per consentire le attivit di accensione e spegnimento e le modifiche dei set point principali di funzionamento x A fronte quadro previsto un pannello operatore di tipo touch screen per la gestione delle verifiche periodiche previste per l esenzione del conduttore 24h e la programmazione del PLC Si rimanda all Appendice 1 per maggiori dettagli relativamente ai requisiti normativi per la sorveglianza senza presenza continua Il dispositivo consente di gestire i seguenti loops di controllo Temperatura dell acqua surriscaldata Portata dell acqua in circolazione Percentuale di ossigeno nei fumi Grado di ricircolo dei fumi Regolazione della portata di gas combustibile e aria comburente Controllo del rapporto aria metano Programmable Logic Controller esegue un programma ed elabora i segnali digitali
47. locco principali e Avviail test di tenuta delle valvole di blocco sulla linea del pilota Si vedano il paragrafo 2 3 2 relativamente agli ultimi due punti Se entro 15 secondi dalla richiesta di marcia il BMS non riceve alcun segnale emette il blocco Ventilatore aria di combustione non in marcia rimuove il segnale di Richiesta marcia ventilatore aria di combustione e ritorna al punto iniziale delle sequenza 10 La normativa UNI TS 11325 3 2010 definisce la situazione di blocco come Interruzione dell alimentazione della fonte di energia termica che richiede un intervento manuale dell operatore 36 x Viceversa se il segnale di marcia del ventilatore attivo ed stabile il BMS prosegue la sequenza e da questo punto in poi verifica continuamente la presenza del segnale Ventilatore aria di combustione in marcia Se tale segnale dovesse mancare il BMS emetterebbe la relativa segnalazione di blocco come descritto in precedenza ed interromperebbe la sequenza tornando al punto iniziale A questo punto il DCS deve e Comandare la serranda dell aria di combustione alla soglia di apertura impostata tipicamente 1 80 e Comandare l inverter di frequenza del motore del ventilatore dell aria di combustione alla soglia di percentuale di velocit di rotazione impostata tipicamente l 80 Il BMS attende 45 secondi dall emissione del segnale di Richiesta di lavaggio aria di combustione e poi verifica che la
48. mma per poi ossidarsi ulteriormente a CO che costituisce il prodotto di ossidazione completa del carbonio contenuto nel combustibile Il particolare l ossidazione da CO a CO facilitata da elevate temperature e da forte concentrazione di ossigeno bisogna pertanto evitare che la fiamma incontri pareti o zone fredde che congelano il CO esistente mentre un ampio eccesso d aria favorisce il completamento della reazione 21 Capitolo 1 Diversamente si comportano dal punto di vista del processo di formazione gli ossidi di azoto NOx Si possono definire tre metodi per la generazione degli ossidi di azoto e thermal NOx per dissociazione e successiva ossidazione dell azoto molecolare contenuto nell aria comburente Tale processo avviene per via termica ossia favorito dalle elevate temperature prompt NOx derivano da reazioni molto veloci fra i radicali derivati dagli idrocarburi e l azoto atmosferico e fuel NOx generati dall ossidazione dell azoto presente nel combustibile non in forma molecolare N ma legato chimicamente in forma di ciano e ammino composti da cui alle elevate temperature si originano specie pi semplici che a loro volta si dissociano e si ossidano a NO Gli ultimi due metodi citati di formazione degli ossidi di azoto non hanno bisogno di elevate temperature Inoltre per 1 combustibili gassosi quali il gas metano il meccanismo dominante quello thermal L equ
49. nsente di portare il processo esattamente al punto di riferimento richiesto dove la sola azione proporzionale risulterebbe nulla Per migliorare le prestazioni del controllore si pu aggiungere l azione derivativa de MOOD 67 L azione derivativa consente di compensare rapidamente le variazioni del segnale d errore senza aspettare che quest ultimo diventi significativo azione proporzionale o che persista per un certo tempo azione integrale L azione derivativa spesso rende troppo sensibile il controllore in quanto l azione subirebbe una brusca variazione nel momento in cui il riferimento venisse cambiato istantaneamente La taratura dell azione derivativa deve essere pertanto stabilita accuratamente per non sottoporre l attuatore a sforzi eccessivi 3 2 Dati di funzionamento del generatore I generatori ad acqua surriscaldata oggetto della tesi hanno una potenzialit all M C R pari a 13 3 MW con una portata d acqua elaborata pari a 470 m h I parametri fondamentali di processo quali la portata di combustibile consumato la portata d aria e di ricircolo fumi e le prestazioni al variare del carico sono riportati nella tab 3 1 Si assumono i seguenti dati temperatura dell aria pari a 25 C temperatura dell acqua in uscita dal generatore 120 C o umidita pari a 12 9 g kg e calore specifico dell acqua pari a 4 23 kJ kgK e rendimento del generatore 92 e potere calorifico del combustibile
50. nso alla modulazione e chiude le valvole principali di blocco del gas metano e avvia il conteggio del tempo di post lavaggio 5 minuti e invia la Richiesta di lavaggio dell aria di combustione A questo punto il DCS dovrebbe comandare la serranda dell aria di combustione ed il variatore di frequenza del motore del ventilatore aria di combustione alla soglia di percentuale impostata tipicamente l 80 Il BMS attende 45 secondi dall emissione del segnale di richiesta di lavaggio aria di combustione e poi verifica che la portata dell aria di combustione letta dal trasmettitore sia al di sopra di una soglia minima impostata per il lavaggio Se la condizione precedente non soddisfatta i1 BMS genera la segnalazione di allarme Bassa portata aria di combustione durante il lavaggio e procede con la sequenza di post lavaggio Viceversa attende il tempo di lavaggio principale 1 minuto e poi emette la Richiesta lavaggio ricircolo fumi A questo punto il DCS dovrebbe comandare la velocit del ventilatore di ricircolo fumi e l apertura della serranda alla soglia impostata tipicamente l 80 Il BMS attende 45 secondi dall emissione del segnale di richiesta di lavaggio del ricircolo fumi e poi verifica che le condizioni precedenti siano rispettate Se ci non 46 avviene il BMS genera la segnalazione di allarme corrispondente e procede con la sequenza di post lavaggio Il BMS attende il tempo di lavaggio del ricircolo fumi
51. o si instaura un gradiente di pressione positivo nella direzione del getto Tali fenomeni contribuiscono a generare un moto rotatorio di ricircolo con velocita assiale negativa che consente un incremento dei valori di turbolenza in prossimita della zona di miscelamento dei reagenti favorendo pertanto la stabilita della combustione Fig 1 6 Generazione del ricircolo interno per flussi ad elevata vorticosita La creazione di una zona di ricircolo interno favorisce inoltre il completamento della combustione aumentando il tempo di residenza dei prodotti di combustione oltrech ancorare la fiamma alla testa del bruciatore esclusivamente per effetto fluidodinamico 23 Capitolo 1 Il moto di swirl ha inoltre l effetto di ridurre la lunghezza della fiamma in maniera crescente all aumentare della velocit imposta al flusso d aria dalle pale di registro Un eccessivo swirl del flusso pu tuttavia comportare effetti controproducenti in particolare l eccessivo gradiente di pressione in direzione assiale comporta uno spostamento della zona di ricircolazione e quindi della fiamma a monte della sezione di uscita del bruciatore Imprimendo al getto d aria il grado di swirl ottimale possibile governare la formazione di prodotti inquinanti in quanto consente di generare una distribuzione di temperatura e di concentrazione dei reagenti uniforme in camera di combustione evitando quei picchi di temperatura che sono la causa princi
52. oglia di pressione minima prestabilita dell acqua surriscaldata PSLL Un livellostato per la verifica del raggiungimento della soglia di livello prestabilita del vaso di espansione LSLL Un pressostato per la verifica del raggiungimento della soglia di pressione minima prestabilita del vaso di espansione PSLL Una flangia tarata di misura FE collegata ad un trasmettitore di pressione differenziale FT per la verifica del raggiungimento della soglia minima prestabilita di circolazione dell acqua surriscaldata FSLL Riferimento normativo UNI EN 12952 7 2005 Caldaie a tubi d acqua e installazioni ausiliarie Requisiti per l apparecchiatura delle caldaie Il termostato dotato di un rel autocontrollato il quale ad intervalli regolari esegue un controllo di buon funzionamento del dispositivo simulando per via elettrica le condizioni di intervento dello stesso 33 Capitolo 2 e Un sistema di rilevazione della fiamma Il segnale del trasmettitore di pressione differenziale FT inoltre utilizzato come variabile di processo dal regolatore FIC il quale va a comandare direttamente il variatore di frequenza della pompa PI Al camino sono infine installati una termoresistenza TE per la verifica del superamento di una soglia massima di temperatura dei fumi ed un analizzatore della composizione di ossigeno nei fumi AE che genera un segnale inviato all SRC per la regolazione della combustione 34 Acqua
53. oni di funzionamento del generatore al variare del carico Nei prossimi paragrafi si verificher come a partire da una condizione di massimo carico il sistema di regolazione della combustione SRC interviene variando 1 parametri di processo del generatore al variare del carico richiesto Per maggiore chiarezza si vedano i loop di processo schematizzati nel capitolo 2 3 3 Diminuzione di carico 100 75 Si ipotizza un funzionamento iniziale del generatore in condizioni stazionarie al 100 del carico A seguito di una diminuzione della richiesta termica dalla rete per mantenere costante la temperatura dell acqua in uscita dal generatore il sensore di temperatura posto sulla linea di uscita invia un segnale all algoritmo PID confrontandolo col segnale generato dal regolatore TIC che forma il set point della 69 temperatura dell acqua Il TIC agisce con una regolazione inversa ossia ad una diminuzione della variabile di processo corrisponde un aumento dell uscita del regolatore e viceversa In questo caso la diminuzione del carico termico richiesto dalla rete comporta un aumento della temperatura di ritorno dell acqua in caldaia con un conseguente aumento della temperatura in uscita Il regolatore interviene pertanto diminuendo il segnale in uscita limitando la rapidit di variazione del carico al valore Acarico A VAL 0 177 AE 605 s La nuova richiesta termica al 75 del carico pari a 10 MW trasformata n
54. ontrollo del pH e della durezza totale dell acqua di alimentazione Controllo del pH dell alcalinit della durezza totale e della conducibilit elettrica e o salinit dell acqua in caldaia 81 Appendice 1 Spurgo degli indicatori di livello regolamentari dei barilotti intermedi e o dei contenitori Devono essere inoltre effettuati almeno una volta a settimana i seguenti controlli e prove Verifica dell efficienza del pressostato di blocco Il controllo pu essere effettuato provocando le reali condizioni di intervento o per simulazione elettrica Verifica dell efficienza del termostato di blocco Il controllo pu essere effettuato provocando le reali condizioni di intervento o per simulazione elettrica Nel caso in cui i controlli e le prove non vengano effettuati entro le periodicit prescritte deve essere prevista la presenza immediata in centrale termica della persona addetta che deve gestire il generatore con sorveglianza continua fino a quando non ha effettuato con esito positivo i controlli e le prove richieste Nel caso in cui il generatore andato in blocco per l intervento di un eventuale dispositivo o sistema che rileva la mancata esecuzione entro la periodicit delle prove richieste prima della riaccensione la persona addetta deve effettuare i controlli e le prove previste 82 Elenco degli acronimi AE AIC BMS BV BZ DCS FE FIC FSLL FT FV LSLL MCC MCR PAI PID PCV PDSLL P
55. operative su tale regolatore sono attive delle azioni di forzatura Fino a quando il segnale proveniente dal BMS Consenso alla modulazione disattivato il regolatore FIC viene mantenuto in tracking e la sua uscita forzata al valore minimo di accensione e Il regolatore viene inoltre forzato in tracking quando durante le diminuzioni di carico il rapporto aria gas si discosta dal valore richiesto di pi del 10 durante tale fase di tracking l uscita del regolatore di portata del gas viene congelata all ultimo valore misurato In fig 2 7 rappresentato il loop di processo per il controllo della portata di metano 51 Capitolo 2 9H 9IH3 JIH3 INNI ISN Z0 34011 10933 V vIuv 33901 IC IV 1NIOd L 34011 10938 1y 11S3 H9l3 VIVIYOdJ Gg Fig 2 7 Controllo di combustione Portata metano 52 2 4 3 Portata aria comburente La portata di metano letta tramite il trasmettitore FT viene trasformata nella potenza effettivamente prodotta moltiplicandola per il potere calorifico inferiore del metano Tale potenza misurata risultante viene inviata ad un blocco di interpolazione lineare di una spezzata a 10 punti che stabilisce la relazione tra la potenza misurata e l eccesso d aria necessario per la buona combustione Un esempio della curva dell eccesso d aria riportato nella tab
56. ormativo si fornisce un estratto della specifica tecnica di riferimento per la sorveglianza dei generatori di vapore e o acqua surriscaldata In particolare si focalizzer l attenzione sulle disposizioni relative alla sorveglianza senza presenza continua per un periodo di 24h 1 Scopoe campo d applicazione La presente specifica tecnica definisce le modalit di sorveglianza delle attrezzature a pressione a focolare con rischio di surriscaldamento destinate alla generazione di vapore d acqua e o acqua surriscaldata a temperatura maggiore di 110 C con pressione massima ammissibile PS maggiore di 0 5 bar 2 Termini e definizioni Blocco Interruzione dell alimentazione della fonte di energia termica che richiede un intervento manuale per il ripristino Dispositivo autocontrollato Dispositivo permanentemente in grado di mettersi in sicurezza nel caso di propria avaria senza l ausilio di dispositivi esterni con l aiuto della sola sorgente di energia che assicura il suo normale funzionamento Generatore a funzionamento automatico Generatore il cui funzionamento controllato da apparecchiature automatiche che regolano il sistema di produzione Appendice 1 del calore e l alimentazione dell acqua in funzione di determinate grandezze di riferimento ed protetto da sistemi di sicurezza pure automatici Riaccensione del generatore Operazione di avviamento del generatore dopo l intervento di un dispositivo di bloc
57. ortata d aria fluente misurato tramite il misuratore FE ed il segnale inviato tramite il trasmettitore FT all SRC durante il funzionamento del generatore per la regolazione Durante la fase di avviamento lo stesso segnale passa per i finecorsa di minimo FSLL che se disattivi determinano la condizione di blocco interrompendo la sequenza di avviamento 30 Mu oo FUMI DAL CAMINO A y l 1 p SO o kia io SRCH GAS METANO Fig 2 2 Alimentazione aria comburente e ricircolo fumi La regolazione del ricircolo fumi avviene per mezzo della serranda in mandata FV e dell inverter SIC similmente al ventilatore dell aria comburente Una differenza sostanziale dovuta all assenza di una misura puntuale di portata che determina la necessit di dotare il sistema di due finecorsa di massimo ZSH in modo da garantire durante la fase di lavaggio un flusso di aria sufficiente a completare con successo l operazione I fumi di ricircolo si miscelano all aria di comburente prima di accedere al preriscaldatore per poi essere convogliati al bruciatore 31 Capitolo 2 2 2 3 Generatore e linea acqua surriscaldata La strumentazione rappresentata in fig 2 3 consente la regolazione della portata d acqua in caldaia e l esecuzione dei tes
58. pale di formazione di ossidi di azoto thermal Tuttavia l aumento del tempo di residenza comporta un incremento di formazione di NOx pertanto si rende necessario determinare il grado di vorticosit ottimale dal punto di vista della minima formazione di inquinanti 26 Capitolo 2 Sistemi di regolazione del generatore 2 1 Descrizione generale In questo capitolo si descriveranno le principali funzioni del sistema di automazione che controlla il funzionamento della caldaia ad acqua surriscaldata progettata dalla Bono Energia SpA Il sistema di automazione progettato per implementare le logiche le sequenze le regolazioni e la supervisione allo scopo di monitorare controllare e proteggere l intero impianto composto dalla caldaia con bruciatore singolo a metano dalla rampa gas dal vaso di espansione e dal circuito idraulico di acqua surriscaldata Il sistema di automazione composto dai seguenti componenti Burner Management System BMS che controlla tutte le logiche di sicurezza dell impianto e le sequenze di accensione del bruciatore Sistema di Regolazione della Combustione SRC che responsabile per le regolazioni dell impianto In particolare l SRC controlla le seguenti regolazioni Temperatura dell acqua in uscita dalla caldaia Miscela aria combustibile Percentuale di ossigeno nei fumi Ricircolo dei fumi di scarico Portata d acqua nel circuito Avviamento arresto dei vent
59. r correzione Scorrano 71 Fig 3 4 Curve di regolazione della portata d aria sess 73 Sommario Nell ambito dell opera di ampliamento del sistema di teleriscaldamento nella citt di Parma l azienda Bono Energia SpA stata incaricata della fornitura di tre generatori di acqua surriscaldata per servizio di backup Il progetto di realizzazione del Polo Ambientale Integrato PAI da parte della societ Iren Emilia S p A prevede la costruzione ex novo di un impianto di termovalorizzazione il quale verr allacciato alla rete esistente La centrale funzioner in assetto cogenerativo e fornir energia elettrica a 40300 utenze ed energia termica ad ulteriori 24800 utenze I generatori di acqua surriscaldata di produzione Bono Energia verranno integrati all impianto come sorgente termica ausiliaria durante le ore di massima richiesta termica Scopo del lavoro una descrizione delle caldaie realizzate da Bono Energia con un analisi del funzionamento previsto in condizioni di esercizio ai carichi parziali e delle logiche di regolazione Introduzione Il teleriscaldamento consiste nella distribuzione attraverso una serie di tubazioni e condotti interrati di acqua calda acqua surriscaldata o vapore proveniente da una grossa centrale di produzione alle utenze finali con successivo ritorno del fluido termovettore alla centrale stessa A destinazione il fluido termovettore riscalda attraverso uno scambiatore di
60. re lo stato del sistema Per migliorare questo tipo di controllo possibile modificare l azione in modo da ridurre l effetto della variazione di alcuni parametri sull azione di controllo Se si riesce ad individuare i disturbi e a misurarli possibile inserirli nel modello matematico migliorando preventivamente l ingresso di riferimento e correggendo in tal modo la risposta del sistema l Y fal zet fe A z t controllore __ attuatore p bi sistema gt Fig 3 1 Schema di un sistema di regolazione ad anello aperto Nei sistemi di controllo in anello chiuso un sensore o trasduttore misura la variabile controllata z t ed invia l informazione al controllore Quest ultimo riceve il segnale di riferimento z t o lo genera ed elabora il segnale di errore originando il segnale di controllo da inviare all attuatore il quale a sua volta fornisce la forza di controllo f t Tale sistema prende il nome di controllo retro azionato feed back az Y faj zit EIN fe EN r controllore _ attuatore a4 a o sistema en r Fig 3 2 Schema di un sistema di regolazione ad anello chiuso Le prestazioni di un sistema controllato possono riassumersi in accuratezza prontezza o velocita di risposta e stabilita e bene osservare come tali requisiti in 66
61. rima e la camera di combustione in seguito L acqua viene cos riscaldata dalla temperatura di ritorno dall anello di teleriscaldamento alla temperatura di mandata richiesta 12 Caldaie a tubi d acqua Bono Energia USCITA t C CAMERA COMB S q 6 CONVETTIVO Fig 1 1 Collettore e fascio tubiero 1 2 2 Preriscaldatore aria Per consentire il recupero di parte del calore contenuti nei prodotti di combustione a monte del generatore installato un preriscaldatore dell aria comburente I fumi provenienti dal banco convettivo inferiore sono convogliati verso il preriscaldatore e forzati ad attraversare una serie di tubi verticali mandrinati ad una piastra tubiera in lamiera di acciaio al carbonio L aria comburente viene spinta dal ventilatore in una bocca posta nella parte superiore e seguendo un percorso a setti formato da piastre tubiere intermedie lambiscono i tubi riscaldandosi per poi essere convogliati al bruciatore I fumi in risalita all interno dei tubi vengono finalmente raccolti in una camera superiore delimitata da una seconda piastra tubiera di separazione con l aria comburente e convogliati al camino 13 Capitolo 1 ARIA RISCALDATA AL BRUCIATORE Fig 1 2 Preriscaldatore dell aria comburente 1 2 8 Bruciatore La combustione realizzata da un brucia
62. t di verifica richiesti dalla normativa relativa alla gestione con esonero da presenza continua del conduttore Si veda l Appendice 1 per maggiori approfondimenti relativi all ultimo punto Misuratori di pressione e temperatura sono installati all alimentazione e alla mandata del generatore per verificare puntualmente le caratteristiche dall acqua In particolare il sensore TE sulla mandata invia un segnale al regolatore TIC che determina la richiesta di potenza totale necessaria alla caldaia per raggiungere il set point di temperatura impostato E prevista inoltre una funzione di stand by della caldaia che richiede l arresto temporaneo del bruciatore al BMS qualora la temperatura dell acqua surriscaldata in uscita dal generatore superi una soglia impostata TSH Un sensore di pressione differenziale PDSLL verifica la presenza di circolazione dell acqua in caldaia misurando la perdita di carico fra l ingresso e l uscita se tale valore scende al di sotto di una soglia impostata significa che la circolazione d acqua insufficiente a garantire il raffreddamento dei tubi e conseguentemente l integrit del generatore pertanto interviene una condizione di blocco Il generatore dotato di due dispositivi di sicurezza PSV posizionati in zona di sicurezza per prevenire il funzionamento della caldaia in condizioni di sovrappressione La capacit di scarico totale certificata di tutti 1 dispositivi di sicurezza installati sul generatore deve
63. ta determinata dal loop di regolazione dell aria comburente La portata di combustibile misurata determina 1 MW misurati valore che attraverso il blocco di interpolazione determina l eccesso d aria richiesto ve PCI Ota 5 3600 10 In queste condizioni l eccesso d aria uscente dal blocco di interpolazione pari 10 8 MW circa all 8 5 valore corretto dal parametro SCoxy in funzione della percentuale di ossigeno misurata nei fumi Si ha pertanto O arestechio O armi 14 so 1 3742 kg e o 8 5 h 14 A 1 100 100 O NGstechio _ 197 Il filtro passa basso mantiene pertanto inalterata la portata di combustibile di fatto impedita dalla portata d aria misurata che finch non viene incrementata non consente al sistema di regolazione di aumentare la portata di combustibile verso il bruciatore L eccesso d aria riscalato tramite il parametro SCoxy moltiplica la portata Qarratechio proveniente dal loop di regolazione della portata metano Quest ultima determinata dal filtro passa alto che confronta la portata di combustibile richiesta e la portata misurata In questo caso si ha k k O nomis 19271 Des IE p 14 Analisi delle prestazioni del generatore La portata di combustibile richiesta determina pertanto il set point per la portata d aria comburente opportunamente riscalata per il rapporto stechiometrico e l eccesso d aria richiesto k O arrstechio Deo A
64. tenere costante la temperatura dell acqua surriscaldata in uscita dalla caldaia prossima ad un valore di set point modificabile dall operatore La temperatura dell acqua in uscita dalla caldaia misurata attraverso la termocoppia TE che invia il segnale al regolatore PID TIC il quale determina la richiesta di potenza totale necessaria alla caldaia per raggiungere il set point L uscita del TIC una richiesta di potenza il cui valore compreso nell intervallo 0 13 3 MW L uscita inviata ad un limitatore di velocit che non altro che un filtro che ha lo scopo di impedire ampie variazioni di carico richiesto in tempi brevi Infatti variazioni veloci del carico potrebbero creare problemi alla stabilit della fiamma o addirittura danneggiare la parte meccanica della caldaia a causa delle repentine dilatazioni termiche I parametri del filtro sono 2 impostabili attraverso l SRC DELTA MW e TIME sec La logica di tale filtro prevede che anche se l uscita del regolatore TIC avesse variazioni rapide al massimo la richiesta di carico verso i regolatori di gas e aria possa variare con una velocit massima data dal rapporto DELTA TIME Valori tipici di tali parametri sono un DELTA pari all 80 del carico massimo in un tempo TIME pari a 60 secondi Va specificato che finch il BMS non invia il segnale di Consenso alla Modulazione vedi par 2 3 3 il TIC mantenuto in tracking alla minima uscita Quando l accensione de
65. tore a gas metano modulante con capacit di regolazione dal 20 al 100 del carico massimo continuo a basso NO con ricircolo esterno parziale dei prodotti di combustione L aria comburente fornita dal ventilatore giunge alla regione di fiamma dopo aver attraversato un registro di vorticosit il quale ha l effetto di imprimere all aria un movimento rotatorio Il registro costituito da un meccanismo comandato da un albero il quale ruotando attorno al proprio asse consente una maggiore o minore apertura delle pale disposte lungo una circonferenza che si traduce in una minore o maggiore velocit dell aria 14 Caldaie a tubi d acqua Bono Energia Una maggiore velocit dell aria determina una migliore miscelazione fra l aria ed il combustibile ed una minore lunghezza di fiamma tuttavia un eccessiva chiusura delle pale di registro pu comportare un insufficiente afflusso di aria comburente pertanto si rende necessario modificare l apertura della serranda di regolazione per garantire una portata sufficiente di aria comburente Una volta trovato il giusto compromesso tra capacit di miscelazione e lunghezza della fiamma il registro viene mantenuto in posizione fissa mentre la regolazione avviene tramite la serranda e variando la velocit del ventilatore per mezzo di inverter L aria comburente dopo aver attraversato il registro fluisce attraverso un anello di imbocco verso il diffusore un apposito elemento di forma conica
66. troduzione In definitiva si ottiene energia elettrica derivante dall alternatore accoppiato al turbogas o al motore ed energia termica sotto forma di vapore utilizzato poi dalle utenze connesse Un altra possibilit quella di produrre vapore da far evolvere attraverso turbine per generazione di energia elettrica sfruttando il cascame energetico ed eventuali spillamenti dalla turbina per riscaldare il fluido termovettore alimentato poi verso la rete di teleriscaldamento Tale situazione si rende particolarmente conveniente per impianti di termovalorizzazione dei rifiuti o di scarti lignei Il limite fondamentale di questa applicazione dovuto alla distanza dai luoghi scaldati rispetto alla centrale di produzione in quanto le perdite di calore lungo il tragitto non rendono conveniente il teleriscaldamento sia dal punto di vista tecnologico che termodinamico In una configurazione tipica le dispersioni ammontano a circa il 13 1646 del calore immesso in rete e all aumentare della distanza si possono rendere necessarie stazioni intermedie che aumentano la pressione e la temperatura dell acqua scambiatore di calore centrale teleriscaldamento acqua a 120 acqua a 70 Fig I 1 Assetto di un impianto di teleriscaldamento 10 Capitolo 1 Caldaie a tubi d acqua Bono Energia 1 1 Descrizione I generatori di acqua surriscaldata Bono Energia oggetto dello studio sono previsti per un funzionamento a gas naturale e
67. vimento rotario swirl 24 Fig 1 6 Generazione del ricircolo interno per flussi ad elevata vorticosit 23 Fig 2 1 Linea di alimentazione del combustibile eese 29 Fig 2 2 Alimentazione aria comburente e ricircolo fumi esses 3l Fig 2 3 Schema di processo generatore e linea acqua surriscaldata 35 Fig 2 4 a Flow chart fase lavaggio ds 39 Fig 2 4 b Flow chart fase LAV AG BIO A Ea 40 Fig 2 4 c Flow chart fase IavdBSIO DR a oa ii e E deii 41 Fig 2 5 a Flow chart sequenza accensione iii 44 Fig 2 5 b Flow chart sequenza accensione ti 45 Fig 2 7 Controllo di combustione Portata metano esee 52 Fig 2 8 Curva eccesso d aria potenza misurata iii 54 Fig 2 9 Curva percentuale di ossigeno nei fumi potenza misurata 55 Fig 2 10 Controllo percentuale di ossigeno nei fumi eee 58 Fig 2 11 a Controllo portata dto ltd 59 Fig 2 11 b Controllo portata aria eoo nr a tet epiac pde ue 60 Fig 2 12 Controllo portata ricircolo sind 62 Fig 2 13 Controllo portata acqua surriscaldata eee 64 Fig 3 1 Schema di un sistema di regolazione ad anello aperto 66 Fig 3 2 Schema di un sistema di regolazione ad anello chiuso 66 Fig 3 3 Effetto del fattore d
68. vole pilota Attesa 3 secondi Chiusura valvole blocco pilota Attesa 3 secondi m SEQUENZA i magie SEQUENZA A PAGINA SUCCESSIVA Fig 2 5 a Flow chart sequenza accensione 44 DA PAGINA PRECEDENTE Attesa 5 secondi v Apertura valvole principali X Val 1 Valvole principali gt aperte_ ARRESTO SEQUENZA NO Fiamma prese Chiusura valvole blocco pilota lt CALDAIA ACCESA v Chiusura valvole blocco principali NN v SEQUENZA POST LAVAGGIO Chiusura valvole blocco pilota Attesa 5 secondi v Attesa 10 secondi CONSENSO MODULAZIONE Fig 2 5 b Flow chart sequenza accensione 45 Capitolo 2 2 3 4 Sequenza di post lavaggio La sequenza di post lavaggio viene attivata quando sono verificate le seguenti condizioni e e valvole principali del gas sono aperte e Interviene una condizione di blocco Durante l esecuzione della sequenza di post lavaggio se l operatore imposta il comando di marcia del bruciatore la sequenza di post lavaggio viene interrotta ed il BMS passa all esecuzione della sequenza di lavaggio La sequenza di post lavaggio viene eseguita dal BMS tramite i seguenti passi e emette la segnalazione relativa alla causa che ha scatenato il blocco caldaia e rimuove i segnali di Caldaia accesa e Conse
69. zionale al quadrato della velocit di rotazione del ventilatore si preferisce effettuare la regolazione nella prima parte della curva per mezzo del solo variatore di frequenza mantenendo fissa la posizione della serranda Poich al di sotto del 50 della velocit di rotazione l effetto di regolazione dell inverter diventa trascurabile interviene la serranda di regolazione strozzando l apertura e di conseguenza modificando il punto di funzionamento lungo la curva del ventilatore a velocit pressoch costante L abbinamento di questi due fattori consente di ottenere un ottimo grado di regolazione della portata in un ampio intervallo 3 4 Aumento di carico 75 gt 100 Partendo da una condizione di funzionamento stazionario al 75 del carico un aumento della richiesta termica dalla rete si traduce in una diminuzione delle temperatura dell acqua di ritorno alla caldaia e conseguentemente della temperatura di mandata del generatore Il sensore TE posto sulla linea in uscita dal generatore invia un segnale all algoritmo PID confrontandolo con il set point inviato dal regolatore TIC 73 L uscita del regolatore determiner un aumento del carico termico richiesto in MW tale valore viene diviso per il potere calorifico del combustibile per fornire la portata di combustibile richiesta pari a MW 10 3600 kg ch o 77 2975 9 Ong rich PCI h Tale valore viene confrontato nel filtro passa basso con la porta
70. zzazione della fiamma pilota dopodich comanda lo spegnimento del trasformatore d accensione Dopo 5 secondi dallo spegnimento del trasformatore stabilizzazione della fiamma con solo pilota il BMS apre le valvole di blocco principali Se la fotocellula non rileva la fiamma con le valvole del gas aperte il BMS emette la segnalazione di blocco Incongruenza fotocellula fiamma comanda la chiusura delle valvole di blocco metano principale e pilota interrompe la sequenza di accensione e avvia la sequenza di post lavaggio Se la fiamma presente il BMS attende 5 secondi stabilizzazione con sovrapposizione di pilota e principali e poi comanda la chiusura delle valvole di blocco pilota Se in ogni momento a partire da ora la fotocellula non rileva la fiamma il BMS esegue la sequenza di post lavaggio vedi par 2 3 4 Il BMS attiva quindi il segnale Caldaia accesa attende 10 secondi e poi emette il segnale Consenso alla modulazione Da questo momento in avanti il BMS verifica il ratio derivante dalle misure della portata metano e aria di combustione Se il ratio dovesse scendere al di sotto del valore 1 il BMS avvierebbe la sequenza di post lavaggio In fig 2 5 riportato lo schema di flusso della sequenza di accensione 43 Capitolo 2 START Lavaggio terminato Test tenuta x terminato SI Attesa 5 secondi L Accensione trasformatore Attesa 2 secondi Rr Apertura val

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