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giugno 2011
la termotecnica
a cura
Paola Mezzalira
di A. Bassi,
R.di
Migliardi
Centrale termoelettrica
funzionante a gas di cokeria
Un sistema innovativo per il monitoraggio
e l’elaborazione dei dati di esercizio
La Centrale Termoelettrica a gas di cokeria oggetto di questa relazione è composta da nove motori endotermici per un totale di circa 20 MWh, recentemente convertiti a ciclo Miller grazie alla installazione
di turbo soffianti di ultima generazione. Ciò ha comportato la necessità di adottare un programma di
raccolta ed elaborazione dei dati di esercizio tale da poter individuare l’inizio di degrado nei principali
componenti del motore ed in particolare in quelli del sistema di sovralimentazione. Il problema è stato
affrontato, mediante il monitoraggio e la rappresentazione grafica di un numero limitato di rilievi mirati,
elaborati mediante algoritmi tali da poter valutare la necessità di un intervento sul sistema indagato in
modo da affiancare una logica di manutenzione preventiva a lato di quella programmata.
Nel 1997 è stata avviata, presso la cokeria Italiana Coke
Srl di Cairo Montenotte in provincia di Savona, una centrale
di cogenerazione composta da 8 motori endotermici a ciclo
Otto di fabbricazione Deutz (attuale MWM) alimentati a
gas di cokeria (Figura 1). L’applicazione, per la particolarità del combustibile utilizzato, è stata per lungo tempo
l’unica del suo genere nel mondo e, attualmente, risulta
essere l’unica in Europa.
La gestione della combustione con gas di cokeria è fortemente influenzata dall’alta concentrazione di idrogeno
all’interno del gas (circa 60%), mista alla presenza di altri
componenti tra cui idrocarburi e impurità. Queste ultime, in
particolari condizioni di temperatura e pressione, possono
dar luogo a fenomeni di autoaccensione incontrollata del
gas e, conseguentemente a detonazioni in camera di combustione. Tale processo porta inevitabilmente all’aumento
di temperatura in camera di combustione con conseguente
stop del motore per auto protezione.
Le evoluzioni produttive hanno portato, nel 2002, alla possibilità di installare un ulteriore motore, della stessa famiglia dei precedenti ma con evoluzione tecnologica della
gestione della combustione con ciclo Miller. I vantaggi
riscontrati sulla nuova applicazione dal punto di vista della
stabilità della combustione, della radicale diminuzione dei
fenomeni di detonazione e delle conseguenti fermate non
programmate, hanno portato la società a valutare e successivamente a realizzare il passaggio da ciclo Otto a ciclo
Miller su tutti i motori della centrale.
Tutte o quasi le moderne centrali per la produzione di
energia elettrica mediante motori a due o quattro tempi
sono dotate di sofisticati impianti per la raccolta dei dati di
esercizio dai singoli motori e della loro rappresentazione
in diagrammi. Sono in generale di grande utilità soprattutto per la manutenzione programmata, ma anche in caso
di avarie e ovviamente per poter disporre di uno storico
della centrale stessa. Lo scopo che ci prefissiamo nonché
argomento della presente relazione è invece quello di poter
individuare, riportando un limitato numero di rilievi mirati
a condizioni standard mediante opportune elaborazioni,
l’insorgere di anomalie dovute per esempio alla formazione
di depositi di incombusti sulle pareti dei componenti del
sistema di sovralimentazione.
Nel nostro caso specifico, infatti, il processo di sovralimentazione riveste una particolare importanza in quanto tutti i
Ing. Angelo Bassi, Consulente navale e industriale;
Ing. Roberto Migliardi, Responsabile Manutenzione, Italiana Coke Srl.
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motori utilizzano il ciclo Miller.
Il ciclo Miller, nella versione MWM, anticipa come noto la
chiusura della valvola di aspirazione, con il risultato di migliorare il rendimento del ciclo ed in più ridurre il fenomeno
della detonazione. Il processo è chiaramente rappresentato
nella Figura 2 dove si può rilevare che il ciclo stesso è reso
possibile solamente se l’aria, nel nostro caso la miscela aria
e gas di cokeria inviata dal sistema di sovralimentazione, è
tale da poter compensare il minor fluido presente in camera
di combustione dovuto alla anticipata chiusura della valvola
di aspirazione. È questo il motivo del ritardo della sua applicazione pratica in quanto, fino a pochi anni fa, i sistemi
di sovralimentazione non erano in grado di fornire l’aria od
una miscela in quantità tale da poter consentire un normale
processo di combustione. I progressi fatti negli ultimi anni
in questo campo hanno infine consentito definitivamente
l’impiego del ciclo Miller, con i vantaggi sopra descritti,
in tutti i motori della centrale oggetto di questa relazione.
Per quanto concerne il sistema di sovralimentazione, nel
programma oggetto di questa memoria sono acquisiti giornalmente i valori indicati nella Figura 3.
Questi rilievi, prima della loro rappresentazione grafica,
vengono elaborati, come già accennato, per renderli confrontabili tra di loro e ciò mediante opportuni rilievi e regressioni ottenuti dai risultati delle prove al banco dei singoli
motori nonché dalle prestazioni del motore monitorato e
dalle condizioni atmosferiche al momento del loro prelievo.
Ciò permette la creazione dei “trend” ossia di rappresentazioni grafiche di facile e sicura interpretazione.
A titolo di esempio, nella Figura 4 relativa alla pressione
di sovralimentazione possiamo vedere come con queste
elaborazioni sia molto facilitata l’individuazione dell’ inizio
di un degrado del processo preso in esame.
I “trends” nel programma in questione riguardano principalmente la pressione di sovralimentazione, la velocità
di rotazione della turbina, la temperatura della miscela
all’uscita del compressore, l’efficienza del compressore
stesso, quest’ultima determinata con un processo esclusivo
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Figura 2
Figura 3
Figura 4
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a cura di Paola Mezzalira
Figura 5
Figura 6
e di facile acquisizione, del Δp al refrigerante aria ed infine
del Δp al filtro ingresso compressore. A titolo di esempio
nella Figura 5 possiamo vedere il “trend” relativo agli ultimi
Figura 7
due parametri.. Nella Figura 6 sono rappresentate schematicamente tutte le posizioni dei sensori e quindi tutti i rilievi
previsti per la rappresentazione in grafici come nell’ esempio
di Figura 7 relativo alla posizione della valvola a farfalla ed
alla potenza erogata dal motore.
Concludendo questa relazione è doveroso riferire che il
programma, realizzato con la Società OPTISOFT è molto
più complesso in quanto comprende, tra l’altro, anche le
seguenti funzioni:
Anagrafica: Consente la creazione di un registro relativo
alle regressioni necessarie per la creazione dei “TRENDS” e
ciò mediante le caratteristiche dei singoli motori ed i risultati
delle relative prove al banco.
Diagrammi: Provvede alla creazione dei diagrammi e
dei “TRENDS” che possono essere visualizzati per tre anni
di esercizio, per un anno, o per tre mesi. Inoltre per ogni
serie di rilievi è possibile visualizzare i valori registrati in un
giorno a scelta.
WIZARD: Consente, per un motore a scelta, di rappresentare due o più curve su di uno stesso diagramma oppure
confrontare uno stesso parametro su due o più motori.
Il programma infine può essere visualizzato in italiano od in
inglese ed è visibile in “INTERNET”.
Spero che questa relazione abbia evidenziato i vantaggi e di
conseguenza i risparmi nell’esercizio che si possono ottenere
rappresentando graficamente alcuni parametri elaborati
mediante algoritmi e regressioni e tali da consentire un accurato giudizio sulla reale stato di efficienza della centrale.