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Giuseppe Langella » 27.Regolazione e controllo dei GV - Parte Seconda


La gestione ad accumuli del GV

Si noti che le pressioni nell’evaporatore e nel surriscaldatore non possono essere imposte indipendentemente l’una dall’altra, in quanto esse sono tali che la loro differenza deve dare proprio le perdite di carico nel surriscaldatore. Trascurando tali perdite di carico, si può immaginare una realizzazione della gestione ad accumuli costanti come segue:

regolando opportunamente la potenza ceduta dai fumi, si può mantenere  costante la pressione nell’evaporatore e, agendo sulla portata del liquido di alimento, si può mantenere costante il grado di vuoto dell’evaporatore. In questo modo l’accumulo di massa e di energia nell’evaporatore resta costante. Agendo, poi, sulla temperatura dei vapore surriscaldato, tramite un dispositivo di attemperamento del vapore, si possono mantenere gli accumuli costanti anche nel surriscaldatore. Le richieste di portata di vapore della turbina, poi, possono essere soddisfatte agendo opportunamente sulle valvole di efflusso che immettono in turbina.

É opportuno osservare che esistono delle interazioni tra variabili regolate determinate sia dal fatto che la variazione di una variabile di controllo (come può essere, ad esempio, la quantità di calore ceduto dai fumi) influisce sullo stato di diversi sottosistemi nel generatore, sia dal fatto che il processo di generazione del vapore può essere visto come una cascata di sottoprocessi, con le ovvie interazioni tra gli stessi.

Specifiche di regolazione

Nelle considerazioni fin qui svolte, si è taciuto riguardo la gestione del sistema di combustione, assumendo di poter variare a piacere la potenza termica ceduta dai fumi. In effetti anche il controllo della combustione assume notevole importanza nella gestione dell’impianto, però si può assumere che esso sia un sistema asservito alle regolazioni principali di caldaia riguardanti il circuito acqua vapore. Ciò nondimeno, per variare la potenza termica ceduta, occorre un complesso sistema di controllo dell’aria comburente e combustibile oltre che di controllo della pressione in camera di combustione che manualmente è tenuta leggermente al di sotto della pressione atmosferica per evitare la fuoriuscita dei prodotti di combustione. Tale sistema di controllo può tuttavia, essere progettato in maniera del tutto indipendente dalle regolazioni principali .I tipi di interventi più importanti che si possono compiere su un generatore di vapore di media potenza a circolazione naturale onde poter ottenere una conduzione efficiente dello stesso si possono schematizzare come di seguito:

Proporzionamento del combustibile e della corrispondente aria comburente in modo da avere una combustione completa e un rendimento più elevato possibile.

Proporzionamento della quantità di calore ceduta alla camera di combustione sotto forma di combustibile alla quantità di calore portata via dal fluido in modo che vi sia equilibrio termico.

Specifiche di regolazione

Mantenimento ad un valore costante della temperatura del vapore surriscaldato nonché quella del vapore risurriscaldato.

Mantenimento ad un valore costante della pressione del vapore in uscita dal generatore.

Proporzionamento della portata dell’acqua di alimento rispetto al vapore in uscita.

Mantenimento ad un valore costante della pressione nella camera di combustione che nei generatori del tipo a tiraggio equilibrato deve essere uguale o di poco inferiore a quella esterna.

A seconda che nel processo si includa o meno la turbina, tra le variabili da regolare va inclusa o meno la regolazione della potenza meccanica generata all’asse della turbina.

Regolazione della potenza generata

La strategia di controllo. che provvede alla regolazione della potenza generata dalla turbina e che considera come prioritaria l’esigenza dell’utenza prende il nome di Caldaia-Segue. Essa é una modalità di controllo concepita per rispondere con la massima prontezza alle richieste di variazione della potenza generata demandando alla caldaia il compito di adeguarsi alle mutate condizioni di carico.

Il concetto base della strategia consiste nel variare direttamente la posizione della valvola di immissione di vapore in turbina per ottenere la potenza richiesta (vedi figura) dall’utenza. La mutata richiesta di vapore in turbina provocherà una variazione di pressione in caldaia, che potrà essere ripristinata agendo sulla potenza dei fuochi tramite un regolatore di pressione.

Schema della regolazione “caldaia segue”

Schema della regolazione "caldaia segue"


Regolazione della potenza generata

Si adatta bene a generatori di vapore avente una grossa capacità di accumulo del vapore: essa viene adottata con caldaie a circolazione con grosso corpo cilindrico. Se al limite la capacità dell’evaporatore fosse infinita, in uscita non si avrebbero variazioni di pressione, nonostante l’apertura delle valvole di immissione in caldaia e, quindi, non sarebbe richiesta una maggiore potenza termica per reintegrare la variazione di pressione. In tal caso la potenza richiesta dalla turbina sarà completamente prelevata dall’accumulo di energia dell’evaporatore. Se, invece, come in realtà accade, la capacità dell’evaporatore non è infinita ma sufficientemente grande, quando verrà richiesta una maggiore potenza, si produrrà una variazione di pressione che dovrà essere reintegrata da una variazione di potenza termica con tempi di recupero legati alle costanti di tempo relative al circuito fumi. Se si desidera una pressione che non vari molto alle mutate condizioni di carico é necessario che la prontezza di intervento del sistema asservito combustibile – aria sia proporzionata alla rapidità di variazione del carico e all’accumulo di vapore nell’evaporatore.

Ricapitolando si può affermare che la strategia di controllo Caldaia-Segue privilegia le esigenze dell’utenza lasciando alla dinamica del generatore il compito di ripristinare le condizioni iniziali di pressione. Essa quindi ben si sposa con generatori di vapore aventi elevato rapporto capacità di accumulo energetico nell’evaporatore e tempo di ritardo associato al sistema asservito di combustione.

Regolazione della potenza generata

Accanto alla strategia Caldaia – Segue che privilegia le richieste dell’utenza, contando sulla capacità del generatore di ripristinare l’accumulo di energia nell’evaporatore, esiste anche una strategia di controllo detta “Turbina-Segue” che privilegia invece la dinamica del generatore in modo da mantenere un accumulo costante in caldaia e fare in modo che l’utenza si adegui di tempi di risposta del generatore. La strategia Turbina-Segue si basa sul principio secondo il quale, al variare della potenza richiesta dall’utenza, non si varia, come nella strategia precedente, la posizione della valvola di immissione in turbina ma si varia la richiesta di potenza in caldaia che risponde, ovviamente, con un certo ritardo dovuto alla dinamica dei circuito aria – fumi. La variazione di potenza termica ceduta dai fumi provocherà poi un aumento di pressione oltre che di portata del vapore surriscaldato immesso in turbina. Il regolatore di pressione “sente” questa variazione di pressione e, quindi, produce una variazione di posizione della valvola per mantenere la pressione costante.

Schema della regolazione “turbina segue”

Schema della regolazione "turbina segue"


Regolazione della potenza generata

La regolazione di pressione, attuata tramite servoposizionatori delle valvole, avviene in genere molto più rapidamente (nell’ordine di qualche decimo di secondo) rispetto alla variazione della potenza termica ceduta dai fumi, poiché, a prescindere dalla dinamica propria della combustione, che già di per sé è lenta, variazioni troppo brusche di alimentazione ai bruciatori, darebbero luogo a miscele aria-combustibile non ideali. Ciò provocherebbe la produzione di incombusti, con ovvie conseguenze negative sul rendimento termico del generatore oltre che sul grado di inquinamento dei fumi in uscita dal generatore.

La strategia Turbina-Segue, che privilegia la dinamica del generatore, si adotta nei casi in cui le richieste dell’utenza non sono troppo stringenti in termini di dinamica, in quanto la variazione della potenza richiesta dalla turbina deve “attendere” i tempi di ritardo legati alla dinamica del circuito aria-fumi. Difatti mentre nel caso della precedente strategia tale circuito doveva far fronte a bruschi transitori, dovuti al fatto che il generatore doveva “inseguire” le variazioni di carico, in questo caso ciò non avviene e, quindi, la capacità di accumulo dell’evaporatore può anche non essere molto grande rispetto al ritardo del combustibile.

Regolazione della potenza del GV

In alternativa alle due strategie discusse, esiste anche un’altra strategia di controllo della potenza che privilegia stavolta la dinamica della turbina, ossia fa gravare il meno possibile l’onere del servizio per la turbina. Il servizio meno oneroso per la turbina è quando le valvole di immissione sono completamente aperte, ovvero non sono presenti affatto. Quando si ha una variazione di richiesta di potenza (all’asse della turbina) si potrà agire semplicemente sulla potenza termica ceduta dai fumi. In questo modo si avrà un funzionamento a pressione variabile proporzionalmente al carico e tale strategia è detta “a pressione variabile pura”. Dal punto di vista dei controllo lo schema è del tutto analogo a quello visto per la strategia Turbina-Segue, ma senza l’anello di regolazione della pressione.La filosofia di controllo a pressione variabile pura si basa su un “egoismo” di turbina e far gravare pesantemente l’onere del servizio sia sul generatore che sull’utenza. Quest’ultima può, difatti, fare assegnamento solo su lente variazioni di potenza dovute alla lentezza del circuito aria fumi. Mentre il generatore si troverà a lavorare a pressione variabile, con ovvie conseguenze negative per quanto riguarda le sollecitazioni subite dai materiali ed il consumo di vita degli stessi.Nelle strategie fondamentali di regolazione della potenza discusse si può notare che non esiste un vero e proprio anello di regolazione della potenza generata. Infatti, nel caso di strategia del tipo Caldaia-Segue, si fa variare la posizione delle valvole di immissione in turbina al variare della potenza richiesta, mentre nelle altre due strategie di controllo si fa variare la portata di combustibile – comburente al variare della potenza richiesta. Si potrebbe pensare allora di disporre di un anello di regolazione anche per la potenza generata. Ma questa soluzione è spesso di difficile attuazione, poiché potrebbe condurre il sistema all’instabilità.

Regolazione della potenza del GV

Nel caso di strategia Caldaia-Segue, se si sostituisse al comando di apertura della valvola un regolatore, il sistema, nel caso di mancata risposta del sistema di produzione della potenza termica, continuerebbe a variare l’apertura delle valvole per generare la potenza richiesta. Detta potenza, ovviamente, non può essere data dalla semplice apertura delle valvole. in mancanza di risposta del circuito aria-fumi, si perviene, in tal modo, all’instabilità. Nel caso di strategia Turbina-Segue,  il disporre un P.I.D. in ingresso al sistema asservito di caldaia potrebbe portare all’instabilità quando è richiesta una variazione di potenza elevata.

Per rimuovere le possibili condizioni di instabilità suddette si è introdotto un differente tipo di controllo che permette un coordinamento tra. le azioni di caldaia e turbina. Tale tipo di strategia viene detta “Controllo coordinato caldaia turbina” e tiene conto sia delle esigenze dell’utenza, viste come richieste di potenza, sia delle esigenze di caldaia, viste, invece, come controllo di pressione.

Nel caso di alimentazione a polverino di carbone, il sistema asservito di caldaia è piuttosto lento nel seguire le variazioni di potenza termica richiesta;per tale motivo, in questo caso, è preferita la strategia di controllo “Turbina-Segue” che fa gravare il meno possibile l’onere di variazione della potenza sul circuito di alimentazione del combustibile. Nel caso il combustibile utilizzato è l’olio combustibile o il metano si ottiene una maggiore affidabilità e rapidità di risposta: si preferisce allora una strategia di controllo del tipo Caldaia-Segue.

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