Giuseppe Langella » 26.Regolazione e controllo dei GV - Parte Prima

Premessa

I processi di riscaldamento del liquido (nell’economizzatore), evaporazione (nell’evaporatore) e surriscaldamento del vapore (nel surriscaldatore) avvengono in successione nel circuito relativo al fluido liquido – vapore e, quindi, non sono tra di loro indipendenti, ma sono presenti delle interazioni tra di essi di cui bisogna tenere conto. Anche il circuito fumi, inoltre, presenta delle interazioni di complessità ben più elevata. Una volta progettato e realizzato il generatore di vapore, quando esso diviene finalmente operativo si va incontro a tre tipi fondamentali di problemi:

La realizzazione del generatore difficilmente risponde esattamente alle specifiche imposte. Cioè durante il funzionamento si ottengono dei valori di parametri sia inerenti il circuito acqua – vapore che quello aria – fumi che non corrispondono a quelli previsti in fase di progetto.

Avendo progettato il generatore per funzionare in particolari condizioni operative in modo da ottenere determinate prestazioni, esso si trova ad operare in condizioni diverse rispetto alle quali esso è stato progettato (Condizioni di funzionamento OFF DESIGN).

Il generatore di vapore può sempre subire durante il suo funzionamento dei disturbi di varia natura e di diversa origine che possono influenzare le condizioni di funzionamento dei generatore stesso.

Sistema di regolazione e controllo del GV

Le problematiche su esposte sono senza dubbio di non semplice soluzione soprattutto se si pensa alla notevole complessità del sistema e al gran numero di variabili messe in gioco legate a ciascuna fase del processo di produzione del vapore. Per far fronte a tali problemi si ricorre ad un sistema di controllo per la regolazione dell’impianto.

Il compito del sistema di controllo per una corretta gestione del generatore risulta ovvio se si tiene presente il principio di funzionamento del processo di generazione, in cui la turbina rappresenta l’utenza e richiede l’erogazione di vapore in portata, temperatura e pressione ottimali per il suo corretto funzionamento.

Per generatori ad attraversamento il principio di controllo può essere esplicitato in modo abbastanza semplice: detta “mt” la portata massica richiesta dalla turbina e “ml” la  portata di liquido immessa nel circuito dalla pompa di alimento, il sistema di controllo deve provvedere a variare o il numero di giri della pompa o l’apertura della valvola di regolazione a valle della pompa o entrambi in modo che la portata richiesta “mt” coincida con “ml”. Inoltre, la potenza dei fuochi deve essere regolata in modo che il fluido in uscita al surriscaldatore abbia un’entalpia corrispondente alle condizioni di temperatura e pressione desiderate. La temperatura, poi, può essere fatta variare, indipendentemente dalla pressione, con un opportuno stadio di attemperamento per la sua diminuzione.

Sistema di regolazione e controllo del GV

Nel caso invece dei generatori a circolazione, in cui esiste una separazione fisica tra fase di evaporazione e quella di surriscaldamento non si può pensare ad una regolazione del tipo vista. In tal caso sarà necessaria almeno una variabile manipolabile in più su cui poter agire. Si potrà, allora, o variare la ripartizione della potenza ceduta dai fumi tra i vari sottoprocessi a carico del fluido di lavoro o variare il rapporto tra le portate di fluido tra surriscaldatore ed evaporatore.

Il sistema di controllo deve inoltre provvedere a garantire il corretto funzionamento dell’impianto, nonostante variazioni di carico e presenza di disturbi, con la massima efficienza di funzionamento e garantendo un consumo di vita minimo del macchinario, con piena sicurezza di esercizio e disponibilità. Per il corretto funzionamento dell’impianto si prevede la definizione di un campo di variazione delle variabili regolate entro il quale il sistema è atteso funzionare correttamente in ogni condizione d’esercizio (fin dall’accensione del generatore).

Le variazioni di carico possono essere dovute a diverse ragioni quali, ad esempio, le variazioni in base ai consumi o per cause d’emergenza.Tali variazioni di carico possono essere piccole e talvolta repentine oppure possono essere abbastanza grandi e relativamente lente.

Funzionamento efficiente del GV

I principali elementi che concorrono a determinare il rendimento del ciclo termico relativo al processo di trasformazione tra energia chimica del combustibile ed energia meccanica sono essenzialmente due:

• temperatura del vapore in uscita al surriscaldatone o eventualmente al risurriscaldatore.
• pressione del vapore che viene immesso in turbina.

Un aumento di uno (o di entrambi) questi parametri comporta un aumento del rendimento del ciclo. Risulta peraltro ovvio che limiti di carattere fisico (resistenza dei materiali) permettono un aumento limitato sia di pressione che di temperatura.

L’efficienza del generatore è influenzata da parametri quali il rapporto tra quantità di aria comburente e di combustibile che deve essere certamente superiore a quello stechiometrico di combustione, ma non eccessivo altrimenti si otterrebbe nuovamente un basso rendimento. Se si operasse in difetto di aria, ossia addirittura con rapporti tra comburente e combustibile al di sotto di quelli stechiometrici, le perdite per incombusti aumenterebbero in modo spropositato, mentre forti eccessi di aria produrrebbero un aumento delle perdite per calore sensibile dei fumi.Come al solito la condizione ottimale è un compromesso tra le due con un valore funzione del carico termico della caldaia.

Vita del GV

Il generatore di vapore, essendo sottoposto a sollecitazioni sia in condizione di regime che di transitorio, é soggetto a “stress” che ne determina un consumo di vita. In particolare i materiali costituenti subiscono, generalmente due tipi di fenomeni:

Il fenomeno dei creep o di scorrimento viscoso. Esso avviene in quanto i materiali, sottoposti a temperature elevate a sollecitazioni meccaniche dovute per lo più a pressioni, subiscono una deformazione progressiva e di carattere permanente che può portare fino alla rottura del pezzo di cui fa parte il materiale.

Il fenomeno della fatica. Esso è dovuto al fatto che i materiali sono sottoposti a sollecitazioni variabili ciclicamente per cui essi presentano ma resistenza a rottura inferiore a quella “statica”.

A causa del primo dei due fenomeni la temperatura del vapore surriscaldato non può superare certi limiti altrimenti il fenomeno di creep, che dipende dal quadrato della temperatura, potrebbe portare alla deformazione o addirittura alla rottura dei materiali.Ciò pone in primo piano il processo di controllo della temperatura (e del gradiente di temperatura) del vapore surriscaldato che non può superare certi limiti. Il secondo dei due fenomeni, invece, pone dei limiti severi per quanto riguarda la rapidità e l’ampiezza delle   variazioni di pressione e, quindi, di carico.

Regolazione e sicurezza

La regolazione della pressione presente in camera di combustione è di fondamentale importanza per quanto riguarda la questione della sicurezza. In particolare essa non deve essere troppo elevata perché altrimenti ciò provocherebbe la fluoriuscita della fiamma, oltre che di materiale (solido e gassoso) prodotto dalla combustione, con ovvia pericolosità per le persone che si trovano in prossimità del punto in cui vi é stata l’espulsione dei prodotti di combustione. Detta pressione non può neanche essere al di sotto di un certo valore perché ciò provocherebbe l’immissione in camera di combustione di ventate di aria falsando il rapporto aria-combustibile o addirittura potrebbe causare l’implosione della camera di combustione.

La regolazione del rapporto aria – combustibile deve essere fatto in modo motto accurato perché deve essere evitato in modo più assoluto  un eccesso di combustibile. Una miscela troppo ricca, infatti, potrebbe essere la causa di innesco di esplosioni oltre che di produzione di un notevole inquinamento atmosferico. Risulta, quindi, evidente la notevole importanza che assume la miscelazione aria – combustibile in un generatore di vapore. Essa influisce sia sul rendimento del generatore, sia sull’inquinamento  atmosferico ed è anche importante per la sicurezza. Alla luce di ciò non risultano infondati gli sforzi atti ad un’accurata regolazione della combustione.

Regolazione e sicurezza

La rottura del corpo cilindrico può portare ad un grave incidente nel generatone di vapore. Infatti tale recipiente è pieno di liquido saturo e, nel caso di rottura, esso espanderebbe secondo una isoentalpica (perché espandendosi non produce lavoro). Tale notevole espansione avverrebbe, ovviamente, all’interno della camera di combustione e eventualmente, nell’ambiente circostante e può essere fonte di grave pericolo. Ovviamente maggiori sono le dimensioni dei corpo cilindrico, maggiore é la quantità di liquido saturo in esso contenuto e maggiore è il grado di pericolosità della caldaia.

Un altro fenomeno, altrettanto pericoloso, che si può verificare nell’evaporatore e che deve essere assolutamente evitato è il fenomeno del film boiling. Tale fenomeno limita superiormente la quantità di calore che può essere ceduta ai tubi dell’evaporatore. Infatti, finché il flusso termico specifico non supera determinati valori, l’evaporazione avviene attraverso l’enucleazione di bolle di vapore che si distaccano dalle pareti dei tubi e vengono sostituite dall’acqua circostante, però quando il flusso supera un certo valore a contatto della parete si forma un film di vapore che riduce sensibilmente il coefficiente di scambio termico; si ha quindi un brusco aumento del salto termico tra parete e fluido che può essere tanto sensibile da compromettere la resistenza del tubo fino allo scoppio.

Regolazione e sicurezza

Infine esiste un fenomeno abbastanza pericoloso dovuto all’immissione del vapore in turbina in fase di avvio dell’impianto. Si supponga ad esempio che l’impianto sia stato fermato in un primo momento e poi sia stato riavviato. Il generatore di vapore inizialmente genererà del vapore ad una temperatura che non è ancora quella di regime, ma comunque ne invierà alla turbina una certa portata. Ma se il vapore lascia il generatore nelle condizioni di vapore saturo secco o non sufficientemente surriscaldato, alla turbina giungerà una miscela bifasica poiché, inizialmente, la tubazione percorsa dal vapore é fredda e il vapore nel suo percorso condensa. Tale miscela bifasica non é possibile mandarla in turbina altrimenti se ne comprometterebbe il funzionamento; il problema si risolve bypassando la turbina di modo che la miscela iniziale arrivi direttamente al condensatore. Esiste però un problema ulteriore legato alla miscela bifasica iniziale. Il fatto di avere una miscela bifasica nella tubazione uscente dal generatore può comunque essere un fatto pericoloso perché  si rischia che in una curva della tubazione proporzionata per sopportare la spinta dovuta al vapore arrivi un “groppo” liquido che fa saltare la tubazione. Per evitare ciò si dispongono, lungo il tratto di tubazione rettilineo che precede la curva, dei raccoglitori di condensa.

Regolazione e disturbi

In un impianto sono sempre presenti disturbi persistenti ed in genere di piccola ampiezza quali ad esempio le pulsazioni della fiamma in camera di combustione o le fluttuazioni nell’erogazione del combustibile. Tali disturbi in genere non pregiudicano il corretto funzionamento dell’impianto e per essi non si prende, di solito, nessun provvedimento particolare in quanto inducono delle variazioni davvero minime alle variabili di processo.

Esistono però anche dei disturbi di notevole entità che possono provocare una perdita temporanea da parte dell’impianto della sua capacità produttiva. Compito del sistema di controllo sarà allora quello di minimizzare l’influenza dei disturbi e, dopo opportuni interventi, di far riprendere al più presto l’attività produttiva del generatore. I disturbi di notevole gravità possono essere i seguenti: la rottura di una pompa di alimento, l’arresto di un ventilatore dell’aria, la rottura di un mulino di polverizzazione del carbone, il consumo delle lamelle dei preriscaldatori d’aria che ne comporta la loro sostituzione.

Regolazione e gestione del GV

La scelta del valore ottimale di pressione del vapore surriscaldato in uscita dal generatore, in ogni condizione di funzionamento dell’impianto, è un problema di non facile soluzione. Ciò perché il rendimento termico dell’impianto il consumo di vita del macchinario e problemi legati all’affidabilità conducono spesso ad esigenze contrastanti in termini di scelta di pressione ottimale. Esistono, comunque, due strategie fondamentali di variazione della pressione al variare del carico: una a pressione costante al variare della portata di vapore immessa in turbina ed una a pressione variabile in proporzione sempre alla portata. Legate a questa due strategie di variazione della pressione sono due filosofie di gestione. La prima prevede il mantenimento in una posizione fissa delle valvole di immissione in turbina (ad esempio completamente aperte) e l’adeguamento della produzione di vapore alle richieste (con temperatura costante) variando congiuntamente la portata del fluido di alimento e la potenza termica ceduta dai fumi al fluido freddo (ed eventualmente la sua ripartizione tra evaporatore e surriscaldatore). In accordo con questa filosofia la pressione del vapore surriscaldato si manterrà proporzionale alla portata.Una filosofia di questo tipo, seppur possibile in linea di principio, presenta, tuttavia, delle difficoltà, dato che il generatore di vapore è sede di accumuli di massa e di energia e, ad ogni variazione di pressione, corrisponde una variazione di energia accumulata nel generatore. Risulta pertanto evidente che, con questa filosofia, si avrebbe una risposta molto lenta del generatore al variare del carico, dato che l’accumulo di energia è legata all’inerzia propria del generatore. Tale filosofia di gestione risulta quindi impraticabile per generatori con grande corpo cilindrico a cui è in genere associata una grande costante di tempo.

Regolazione e gestione del GV

Per generatori che presentano accumuli rilevanti, aventi cioè grossa inerzia, o che debbano rispondere prontamente a repentine variazioni di carico si utilizza una filosofia di gestione differente detta ad accumuli costanti. Secondo tale filosofia le variazioni di carico richieste sono soddisfatte ad accumuli di massa e di energia costanti senza coinvolgere l’inerzia propria del generatore. Gli accumuli più rilevanti in un generatore sono gli accumuli di massa ed energia nell’evaporatore e nel surriscaldatore.

É necessario precisare, inoltre, che:

• L’accumulo di energia nell’evaporatore è determinato, principalmente, dal valore della pressione del fluido in passaggio di fase.
• L’accumulo di massa  nell’evaporatore, una volta fissata la pressione, é determinato dal volume di liquido presente rispetto a quello totale (grado di vuoto dell’evaporatore).
• L’accumulo di energia nel surriscaldatore é determinato, principalmente, dalla temperatura del vapore surriscaldato.
• L’accumulo di massa nel surriscaldatore, una volta fissata la temperatura, é determinato dal valore della pressione del vapore.