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Giuseppe Langella » 28.Regolazione e controllo dei GV - Parte Terza


Regolazione della portata d’acqua di alimento

La regolazione di portata del vapore può essere fatta per via indiretta e cioè non si misura direttamente la portata di vapore, ma si misura il livello di acqua satura raggiunto nel corpo cilindrico. Ciò perché se la turbina richiede più vapore di quanta acqua si immette con la pompa di alimento, allora il livello scende e viceversa.

Ma regolare il livello d’acqua contenuta nel corpo cilindrico, al contrario delle apparenze, si presenta come un problema di non semplice soluzione, in particolar modo per le caldaie a piccolo volume di acqua.

Difatti nel caso vi sia un improvviso aumento di carico, ovvero ci sia una richiesta repentina di una maggiore quantità di vapore, si crea all’interno del corpo cilindrico un improvviso abbassamento di pressione. Ciò comporta che il liquido saturo in esso contenuto si trovi in forte sovrassaturazione e di conseguenza si ha una tumultuosa ebollizione che porta ad un aumento del livello di liquido per il maggior volume delle bolle (caso 2 della figura ).

Schema della regolazione della portata d’acqua di alimento caldaia

Schema della regolazione della portata d'acqua di alimento caldaia


Regolazione della portata d’acqua di alimento

Ma regolare il livello d’acqua contenuta nel corpo cilindrico, al contrario delle apparenze, si presenta come un problema di non semplice soluzione, in particolar modo per le caldaie a piccolo volume di acqua. Difatti nel caso vi sia un improvviso aumento di carico, ovvero ci sia una richiesta repentina di una maggiore quantità di vapore, si crea all’interno del corpo cilindrico un improvviso abbassamento di pressione. Ciò comporta che il liquido saturo in esso contenuto si trovi in forte sovrassaturazione e di conseguenza si ha una tumultuosa ebollizione che porta ad un aumento del livello di liquido per il maggior volume delle bolle (caso 2 della figura precedente).

Nel caso allora sia predisposto sul corpo cilindrico un semplice misuratore di livello, esso “sentirà” quest’apparente crescita e, quindi, provocherà una diminuzione della portata agendo sulla pompa di alimento, quando, invece, occorrerebbe un aumento della stessa per sopperire alle mutate condizioni di carico. Di conseguenza si avrebbe un indesiderato e, per di più, pericoloso svuotamento del corpo cilindrico. Inoltre si deve tener presente anche il problema dei “tempo di salita” delle bolle, che rende ancora più difficile il controllo. Difatti, considerando che le bolle impiegano un tempo finito per fermarsi e per salire in superficie dai collettori inferiori per tutta l’altezza dei tubi evaporatori, bisogna attendere un tempo ancora più lungo, prima che possa diminuire il livello del corpo cilindrico (caso 3 della figura). Ciò comporta un intervento del regolatore, nel diminuire la portata dell’acqua d’alimento, ancora più in ritardo del caso di formazione e risalita istantanea delle bolle, il che potrebbe portare all’instabilità il sistema.

Regolazione della portata d’acqua di alimento

Per le suddette ragioni accorre agire sulla valvola o sulla pompa di alimento in base non solo al livello del corpo cilindrico, ma anche alla portata di vapore (Regolazione a due elementi). In genere si preferisce agire in modo da regolare la portata d’acqua d’alimento in base alle variazioni della portata di vapore e, in seguito, correggere in base al livello raggiunto dal corpo cilindrico. In tal modo, quando esso è finalmente  arrivato al valore di set point, si può portare ad un valore costante la portata dell’acqua di alimento.

Per rendere ancora più robusto il sistema di regolazione s’introduce talvolta anche un misuratore di portata dell’acqua (Regolazione a tre elementi). Ciò é dovuto al fatto che spesso sul circuito di alimentazione possono nascere dei disturbi che provocano, ad esempio, una variazione della pressione dell’acqua. Nel caso ci siano variazioni dei carico, quindi,il regolatore provvede a regolare il rapporto tra la portata di acqua e quella di vapore e, poi, quando la portata dell’acqua diviene uguale alla nuova portata dei vapore, esso continua ad agire sulla valvola di alimentazione fino a quando il livello dei corpo cilindrico non abbia di nuovo assunto il valore di SET POINT.

Regolazione della portata d’acqua di alimento

In definitiva si possono evidenziare due tipi fondamentali di disturbi che agiscono sul livello dei corpo cilindrico:

  • Un disturbo di tipo integrale costituito dalla variazione della portata di vapore prelevata dalla turbina.
  • Un disturbo di tipo istantaneo e/o transitorio, dovuto essenzialmente alle variazioni di potenza termica ceduta all’evaporatore e di pressione nel corpo cilindrico che provocano fenomeni di rigonfiamento dovuti alle variazioni di densità del fluido sotto il pelo libero, ma anche alle variazioni del titolo dei fluido nei tubi evaporanti.

Il primo tipo di disturbo è abbastanza semplice da compensare in quanto, è legato all’integrale del livello del corpo cilindrico così come la variabile manipolabile (ossia la portata di acqua immessa nel corpo cilindrico); mentre il secondo tipo di disturbo è ad azione istantanea e, quindi, più difficile da compensare agendo su una variabile che “agisce” in modo integrale sul livello del corpo cilindrico. li classico sistema di regolazione a tre elementi é illustrato nella  figura successiva .

Il sistema di regolazione  a tre elementi necessita di una misura di livello, di una misura di portata di vapore ed infine di una misura di liquido immesso: la prima è utilizzata come variabile regolata, la seconda come variabile di compensazione del disturbo ed infine la terza come variabile regolata relativa all’anello interno.

Regolazione della portata d’acqua di alimento

Per quanto riguarda il regolatore R1 , esso può anche essere un semplice regolatore proporzionale in quanto i disturbi di tipo b) sono, una volta passato il transitorio, costanti e, quindi, determinano un errore nullo a regime, facendo risultare inutile il polo nell’origine dovuto all’azione integrale. Permangono, tuttavia, gli errori a regime delle misure delle portate che, se si vuole che siano compensati, occorrerà disporre di un regolatore P.I.

Lo schema a tre elementi risulta efficace solo quando la misura di vapore è sufficientemente attendibile. Per bassi carichi ciò non avviene, per cui è necessario commutare da uno schema a tre elementi ad uno come quello riportato in figura.

Schema della regolazione di portata acqua a tre elementi

Schema della regolazione di portata acqua a tre elementi


Regolazione della portata d’acqua di alimento

Il regolatore R dovrà essere un proporzionale integrale, in quanto esso deve far fronte al disturbo relativo alla variazione di portata del vapore che non risulta essere più compensato.

Risulta ovvio che un sistema come quello della regolazione ad un solo elemento risulta abbastanza scadente in termini di prestazioni, in particolar modo nei riguardi di rapide variazioni di carico, se raffrontato al sistema di regolazione a tre elementi visto in precedenza. In questo caso si dovrà necessariamente prevedere una gestione con lente variazioni di carico. Vale la pena accennare al comportamento del sistema di controllo a fronte di uno dei disturbi più severi che può capitare in un generatore di vapore ossia il rifiuto del carico, che determina una chiusura repentina delle valvole di immissione in turbina. Per ovviare a questo inconveniente, è utili disporre di un by-pass della turbina che consente al vapore di fluire direttamente al condensatore.

Tuttavia, il by-pass è in grado di far fluire una quantità di vapore che è solo una certa percentuale del carico nominale di funzionamento.

Schema di regolazione ad un solo elemento

Schema di regolazione ad un solo elemento


Regolazione di pressione e temperatura vapore

La regolazione della pressione di uscita del vapore, si attua agendo opportunamente sulla quantità di combustibile – comburente che è immessa in camera di combustione.

E’ opportuno precisare in che modo avviene la variazione della potenza ceduta dai fumi agendo sulla portata di combustibile – comburente. In particolare la variazione della quantità di combustibile bruciato può essere ottenuta in due modi diversi:

  1. Agendo sulla portata d’aria in modo da determinare una variazione della portata di combustibile mediante un regolatore di rapporto (Regolazione in serie).
  2. Agendo contemporaneamente sulla portata di combustibile e di comburente (Regolazione in parallelo).

Nella regolazione in serie un aumento di richiesta da parte del carico determinerà un eccesso d’aria, in quanto tale metodo prevede che si vada ad agire prima sul circuito dei comburente e poi su quello del combustibile; una riduzione di richiesta del carico, invece, provocherà un dannoso eccesso di combustibile.

Regolazione di pressione e temperatura vapore

Nell’utilizzazione del secondo metodo bisogna tener presente che il circuito d’immissione dell’aria presenta un’inerzia maggiore rispetto a quello del combustibile. Ciò comporta un eccesso di combustibile nel caso vi sia un aumento di richiesta del carico ed un eccesso di aria nel caso di diminuzione dello stesso. Occorrerebbe, dunque, una combinazione dei due schemi di regolazione, di modo che, il regolatore, nel caso di aumentato fabbisogno di carico, vada ad agire prima sul circuito dell’aria e, poi, in base all’aumento di portata di aria, su quello del combustibile; mentre, nel caso di una diminuzione di richiesta dei carico, il comando di riduzione del combustibile e del comburente può essere impartito contemporaneamente. Il perché si effettui un controllo di questo tipo risiede nel fatto che deve essere evitato, in modo categorico, un eccesso di combustibile per le ovvie conseguenze negative, già accennate in precedenza, sull’impatto ambientale, sulla sicurezza e sul decadimento dell’efficienza dei generatore.

La regolazione della temperatura del vapore d’uscita é strettamente legata a quella della pressione. Ciò accade poiché se, ad esempio, vi é un aumento di richiesta da parte del carico, il regolatore di pressione agisce in modo da avere una maggiore immissione di combustibile, provocando, però, in tal modo, un concomitante aumento di temperatura. Allora se si verificasse una situazione in cui, ad esempio, vi è un aumento di richiesta del carico e una contemporanea diminuzione di temperatura si andrebbe incontro a due esigenze contrastanti. Per ovviare a tale inconveniente è necessario disporre di un dispositivo che permetta la variazione di temperatura, ma che non influisca pure sulla pressione. Si utilizza solitamente un attemperamento del vapore ad acqua nebulizzata.

Regolazione di pressione e temperatura vapore

Si può presentare il caso in cui si abbia necessità di aumentare la temperatura che può essere scesa al di sotto del valore di SET POINT, a causa, ad esempio, di una diminuita richiesta di carico, che ha portato ad un’eccessiva diminuzione della quantità di combustibile – comburente immessa. Si fa lavorare il generatore ad una temperatura che è sempre al di sopra del valore impostato. per poi agire con l’acqua di raffreddamento per raggiungere il valore prefissato. In tal modo, se é necessario un aumento di temperatura, si diminuisce la quantità di acqua nebulizzata per raffreddare e viceversa. Il sistema di controllo agisce per modulazione della portata di acqua desurriscaldante.

Progettare, comunque, un sistema di controllo del desurriscaldamento del vapore è un compito tutt’altro che semplice. Infatti il processo di surriscaldamento del vapore si presenta come un sistema a parametri distribuiti: ossia esso è modellabile solo mediante equazioni alle derivale parziali ed inoltre sono presenti delle non linearità abbastanza marcate.

La linearizzazione permette: di ricavare modelli linearizzati di detto processo dipendenti dal punto di funzionamento. Detto modello avrà parametri che dipendono dal punto di funzionamento e variano al variare di questo.

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