Relazione specialistica

Relazione specialistica
Dipl. Ing. Paul Köberlein, Bosch Industriekessel GmbH
Inutili sollecitazioni degli impianti
caldaia a vapore a grande volume d’acqua
Gli impianti caldaia a vapore sono soggetti ad una serie di sollecitazioni, che comportano un’usura più o meno forte del corpo caldaia. Oltre alla qualità dell’acqua,
sono importati soprattutto il dimensionamento e la regolazione dell’impianto nonché i fattori connessi alle utenze. Il presente articolo ha lo scopo di evidenziare quali
sollecitazioni possono essere evitate agli impianti caldaia e di fornire al lettore un
breve cenno della progettazione, realizzazione e regolazione della caldaia in conformità con le prescrizioni, nonché del suo esercizio a regola d’arte.
2 | Inutili sollecitazioni degli impianti caldaia a vapore a grande volume d’acqua
Attualmente il vapore saturo trova applicazione come vettore di
calore in molteplici aziende artigianali ed industriali di tutti i settori.
Nell’industria alimentare e delle bevande il vapore è presente nei
processi di riscaldamento, bollitura e lavaggio, nel settore tessile
viene utilizzato soprattutto nella lavorazione e nobilitazione dei
tessuti, nelle lavanderie il vapore riscalda le lavatrici o viene usato
per i processi di asciugatura e stiratura. Gli ospedali utilizzano il
vapore iperpuro per sterilizzare gli strumenti operatori, per le cucine
o per l’umidificazione dell’aria condizionata. Nell’industria dei
materiali edili il vapore saturo viene utilizzato per un vasto numero
di processi di trasformazione, riscaldamento ed essiccazione, come
ad esempio per le autoclavi di arenaria calcarea. Ma anche in molti
altri settori, come ad esempio nell’industria cartaria e della produzione di cartone, nell’industria chimica, farmaceutica e molte altre
ancora, non è più possibile fare a meno del vapore come vettore
di calore.
Per la maggior parte delle applicazioni di cui sopra, il vapore viene
richiesto saturo e leggermente surriscaldato, con portata fino a
200 t/h, pressione fino a 30 bar e con temperatura del vapore fino
a 300 °C. Ai fini della produzione di vapore, si utilizzano di norma
una o più caldaie a vapore alimentate a gas o gasolio, nella versione
a grande volume d’acqua. A confronto con i sistemi di caldaia a tubi
d’acqua, questo tipo di caldaia è quasi sempre preferibile, con
minori costi d’acquisto e d’esercizio, per la fascia di prestazioni in
questione.
La qualità dell’acqua
Una qualità dell’acqua non idonea, causa di corrosione e di formazione di depositi, è, per le statistiche, l’origine più frequente di danni.
I meccanismi della formazione di questo tipo di danni possono
essere considerati generalmente noti, per cui in questo articolo non
verranno trattati più in dettaglio. Una qualità dell’acqua “non
idonea” può essere riconducibile ai seguenti fattori:
f monitoraggio o controllo insufficiente dei parametri rilevanti
dell’acqua (figura 2)
f conoscenze tecniche insufficienti
f errata interpretazione dei valori di misura e/o mancato intervento
in caso di scostamenti
Per evitare danni da qualità insufficiente dell’acqua, è in primis
necessario rispettare i parametri dell’acqua indicati dal produttore
della caldaia (conformemente ad EN 12953 parte 10). A tale scopo
è necessario anche, oltre all’utilizzo di idonei componenti di condizionamento dell’acqua, poter disporre di sufficiente competenza nel
settore dell’analisi dell’acqua. Si consiglia l’installazione di analizzatori completamente automatizzati, che sorvegliano tutti i parametri
dell’acqua come durezza, conduttività, valore pH e purezza della
condensa (figura 3), vedi la relazione specialistica „Un moderno
condizionamento ed analisi dell‘acqua“.
Attualmente l’esercizio di impianti di caldaie a vapore con grandi
corpi scaldanti con comporta particolari problemi. Nonostante ciò
le caldaie vengono spesso esposte ad una serie di inutili sollecitazioni che possono pregiudicare la sicurezza e la vita utile dei generatori d’energia. Oltre alla qualità dell’acqua, sono rilevanti soprattutto il dimensionamento e la regolazione dell’impianto nonché i
fattori connessi alle utenze.
Figura 1: Caldaie a grande volume
d’acqua all’interno di un’impresa industriale.
Figura 2: Le conseguenze di un
controllo insufficiente della durezza.
Inutili sollecitazioni degli impianti caldaia a vapore a grande volume d’acqua | 3
L’importanza di un corretto dimensionamento e di una regolazione ottimale
Potenza caldaia eccessiva in rapporto alla potenza di vapore
effettivamente necessaria
Si tratta di un problema che si riscontra frequentemente in impianti
obsoleti, il cui fabbisogno di vapore si è ridotto drasticamente in
seguito alla riduzione del numero delle utenze o in seguito allo
sfruttamento, introdotto in un secondo momento, dei potenziali di
recupero di calore. Ma anche su nuovi impianti si può creare una
situazione simile, se nella progettazione è stato fatto un errore di
valutazione dei fattori di contemporaneità delle utenze o se nel
calcolo sono state incluse eccessive riserve di potenza. Dal prelievo
di vapore troppo ridotto in rapporto alla potenza della caldaia
consegue un eccessivo numero i cicli di accensione e di spegnimento del bruciatore. Ne derivano variazioni di temperatura, che
su impianti caldaia con combustione a gas e lunghi tempi di aerazione preliminare possono diventare particolarmente significative.
I bruciatori generano, nella camera di combustione, temperature
tra 1 400 e 1 700 °C. Durante la fase dell’aerazione preliminare della
camera di combustione, prescritta prima di ogni processo di
accensione del bruciatore, viene aspirata aria nuova dalla sala
caldaie. Le basse temperature dell’acqua, tra 20 e 30 °C, raffreddano le superfici di riscaldamento precedentemente calde. Successivamente il bruciatore parte e normalmente riceve molto veloce-
mente il segnale che permette il passaggio al livello di carico
massimo. Durante le fasi di carico estremamente basso si verifica
molto spesso che avviene uno spegnimento già in fase di passaggio a regime, per passare poi – spesso subito dopo – alla fase di
aerazione preliminare e nuova accensione.
Queste continue sollecitazioni termiche alterne causate
dall’accensione e dall’aerazione preliminare, inducono differenze
di allungamento tra camera di combustione e mantello della caldaia,
che nel corso del tempo possono causare fenomeni di affaticamento del materiale. Oltre ad incrementare la probabilità di danneggiamenti, questa modalità di funzionamento influenza negativamente anche l’economicità, visto che ogni processo di aerazione
preliminare rappresenta una perdita non trascurabile di calore.
Sarebbero auspicabili cicli di ≤ 4 accensioni del bruciatore all’ora.
Per raggiungere quanto sopra si consiglia di
f installare unità di controllo per carico leggero che ritardino il
passaggio a regime subito dopo l’avvio del bruciatore
f utilizzare regolazioni di potenza che permettano di mantenere il
bruciatore a livello di carico minimo senza limite di tempo
f utilizzare bruciatori con ampia gamma di regolazione
f adeguare la potenza del bruciatore alle esigenze effettive (vale a
dire modificare il bruciatore o installare un bruciatore con gamma
di potenza più ristretta)
Figura 3: Un moderno impianto di caldaie a vapore con analisi e monitoraggio acqua completamente automatici.
Teleservice
Sistema di controllo del processo
Sistema di
gestione
impianto
SCO
Gestione di esercizio e di
segnalazione delle anomalie
BCO
BCO
UL-S
UNIVERSAL Caldaia per vapore
WA
Modulo analisi
acqua
WTM
Modulo trattamento acqua
WSM
Modulo servizio
acqua di alimento
CSM
Modulo servizio
condense
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Differenza di pressione troppo piccola tra accensione
e spegnimento del bruciatore
La regolazione di potenza della caldaia a vapore avviene, come noto,
attraverso la pressione di vapore misurata all’interno della caldaia.
Se si scende sotto la pressione di vapore impostabile PBruciatore.on,
viene generata una richiesta di accensione del bruciatore, e se si
supera il valore PBruciatore.off, il bruciatore viene disattivato.
Una differenziazione troppo ridotta tra PBruciatore.on e PBruciatore.off ha
le seguenti conseguenze:
f Frequente accensione e spegnimento per l’oscillazione della pressione, con le sollecitazioni termiche alterne descritte e le relative
conseguenze negative.
f Necessità di impostare i parametri di regolazione del regolatore
di potenza con poca tolleranza, per mantenere il valore nominale
all’interno di una stretta gamma di regolazione. Ne consegue,
oltre ad un elevato grado di usura degli attuatori sul bruciatore,
un precoce affaticamento del materiale delle pareti riscaldate.
In base all’esperienza si può dire che impostando una differenza del
10 – 15 % tra PBruciatore.on e PBruciatore.off (a seconda della regolazione
del bruciatore e della pressione d’esercizio della caldaia) riferita
alla pressione di sicurezza della caldaia, è possibile evitare i
problemi di cui sopra.
Regolatore di potenza impostato troppo „veloce“
Sui moderni Combustion Manager esiste la possibilità di impostare
un tempo di regolazione variabile per il bruciatore, cioè il tempo
che deve trascorrere tra la posizione di carico minimo e di carico
massimo del bruciatore. Inoltre è possibile, tramite i parametri di
regolazione nel regolatore di potenza, influenzare la velocità con la
quale il bruciatore reagisce agli scostamenti dai valori nominali. Le
caldaie a grande volume d’acqua , con la loro grande quantità di
materiali ed i loro grandi volumi d’acqua, costituiscono sistemi
relativamente inerti. Regolatori di potenza impostati troppo “veloci”,
eventualmente assieme a tempi di regolazione del bruciatore
impostati molto brevi, inducono una rapida crescita dell’immissione
di calore nel tubo focolare. Tale immissione di calore viene assorbita, lato acqua, soprattutto dalle bolle di vapore che si formano e
che poi risalgono verso il vano vapore (figura 4). La formazione delle
bolle di vapore avviene però con un leggero ritardo. Ne consegue
un breve surriscaldamento locale con ulteriori sollecitazioni
termiche alterne che a lungo termine accelerano l’affaticamento del
materiale delle pareti riscaldate della caldaia.
Si raccomanda di fare eseguire la messa in esercizio e
l’impostazione dell’impianto di combustione e dei regolatori da
personale specializzato.
Figura 4: Rappresentazione schematica della dispersione di calore dalle superfici
scaldanti ad elevato carico, per mezzo della formazione di bolle di vapore.
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Assenza di controllo sequenziale negli impianti a più caldaie
Se un impianto a più caldaie non è equipaggiato di controllo sequenziale automatico, moltissimo dipende dagli operatori. Dovranno
disattivare una o più caldaie quando il prelievo di potenza non
giustifica più l’esercizio di tutte le caldaie. Se ciò non avviene, si
verificheranno le conseguenze rappresentate al diagramma. Dalla
registrazione si evince che per tutto il periodo il fabbisogno di
vapore (blu) avrebbe potuto essere coperto dalla sola caldaia 1
(rossa, con una potenza di 10 t/h). La frequente attivazione della
caldaia 2 (verde) con le sollecitazioni termiche alterne già è pertanto
del tutto superflua.
E’ anche possibile osservare come le due caldaie si influenzano a
vicenda. Mentre la caldaia 1 (rossa) riduce la propria potenza, la
caldaia 2 (verde) incrementa la produzione di vapore e viceversa,
cioè le caldaie lavorano „l’una contro l’altra“. Non è più possibile
garantire una distribuzione ottimale del calore dalle superfici
scaldanti.
E’ pertanto opportuno prevedere il controllo sequenziale già a
partire da impianti caldaia con due generatori di vapore, e addirittura indispensabile quando in sala caldaia sono presenti tre o
più caldaie.
Quale sarà il tipo di controllo sequenziale da preferire (attivazione
e disattivazione delle caldaie in base alla quantità o alla pressione)
dipende da una parte dal numero di caldaie e dall’altra
dall’escursione di pressione accettabile dalle utenze. Prevedendo
un controllo sequenziale che lavora in funzione della quantità di
vapore, è possibile tenere notevolmente più stretta la fascia di
variazione della pressione.
Occorre tenere presente anche quanto segue:
f I generatori di vapore in impianti a più caldaie devono essere
idraulicamente separati tra di loro, per evitare che si influenzino
a vicenda (installando ad esempio valvole antiritorno).
f Già in fase di progettazione si dovrebbe provvedere ad equipaggiare le caldaie installate a valle con una serpentina di riscaldamento poste sul fondo delle caldaie stesse, per evitare che
durante la fase di mantenimento del calore si creino strati
dell’acqua di caldaia a diverse temperature.
Diagramma: Registrazione della potenza di vapore all’interno di un impianto caldaia con 2 generatori
di vapore senza controllo sequenziale.
10
Quantità di vapore in t/h
8
6
4
2
0
11:00
11:29
11:59
12:29
Tempo
Caldaia 1
Potenza nominale 10 t/h
Caldaia 2
Potenza nominale 6 t/h
Quantità complessiva del vapore
12:59
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Fattori connessi alle utenze
Partenze frequenti da freddo
La partenza da freddo rappresenta la sollecitazione meccanica più
importante per il corpo caldaia. (Vedi „Partenza da freddo di
caldaie a grande volume d’acqua„) Il motivo consiste nella differenza di temperatura tra il tubo focolare ed il mantello della caldaia
che nella partenza da freddo è maggiore che non nel funzionamento
gestito dal sistema di regolazione, a temperatura d’esercizio. La
forza di taglio alla quale è sottoposto il tubo focolare (differente
variazione di lunghezza tra mantello della caldaia e tubo focolare)
è maggiore nel processo di partenza da freddo, generando notevoli
tensioni aggiuntive che devono essere assorbite dal corpo caldaia.
Tale sollecitazione cresce ulteriormente se durante la procedura
di partenza non avviene la formazione di bolle di vapore o avviene
soltanto in maniera ridotta, come avviene ad esempio in presenta
di valvola di prelievo vapore chiusa. In tal caso, la circolazione
naturale presente normalmente all’interno della caldaia (figura 5)
non verrà avviata. Ne consegue la formazione di diversi strati di
temperatura nella caldaia (freddo in basso, caldo in alto), con
ulteriori tensioni di calore. In presenza di partenze da freddo molto
frequenti, le suddette sollecitazioni alterne molto estreme potrebbero causare inizi di incrinatura del materiale e, nei casi peggiori,
addirittura un guasto totale.
E’ necessario rispettare quanto segue per ridurre le sollecitazioni
alla partenza:
f Tenere il carico del bruciatore il più basso possibile durante la
partenza da freddo fino a raggiungimento della temperatura
d’esercizio.
f Durante il processo di partenza dovrebbe essere sempre previsto
il deflusso di una piccola quantità di vapore per avviare la circolazione naturale grazie alla risalita delle bolle di vapore.
f Ideale sarebbe l’equipaggiamento con un dispositivo di partenza
automatica che regoli il prelievo di carico e la gestione del
bruciatore in funzione della temperatura dell’acqua e della
pressione in maniera tale da ridurre le sollecitazioni al livello più
basso possibile.
Prolungati periodi di funzionamento in stand by
Quando una caldaia si trova nel funzionamento di mantenimento del
calore o di stand by (ad esempio nel funzionamento a più caldaie,
quando la caldaia a valle non è necessaria), su tale caldaia è
interrotto ogni prelievo di vapore. A seconda del sistema di controllo prescelto, si chiude la valvola di prelievo vapore oppure si
porta la caldaia a valle ad un valore di pressione inferiore a quella
presente nella rete. In questa modalità di funzionamento gli impianti
di combustione partono soltanto sporadicamente per compensare
perdite e radiazione di calore. Se tale stato viene mantenuto per un
periodo prolungato (> 3 giorni), all’interno della caldaia inizia a
formarsi la stratificazione di temperatura. Quando una caldaia
mantenuta in temperatura nella maniera di cui sopra viene nuovamente portata al funzionamento normale, l’elevata pressione
d’esercizio (zona superiore calda) produce l’errato effetto di caldaia
immediatamente disponibile. In tal caso il controllo caldaia, quando
si presenterà il fabbisogno, eserciterà un notevole incremento del
carico del bruciatore in tempi molto brevi. A causa della stratificazione di temperatura presente nella caldaia si avranno in tal caso
estreme sollecitazioni di calore.
Figura 5: Rappresentazione schematica della circolazione naturale all’interno della caldaia.
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Per prevenire quanto sopra, è possibile installare serpentine di
mantenimento del calore (figura 6) sul fondo caldaia. Questo tipo
di serpentina di riscaldamento viene riscaldata con vapore dal
basso, impedendo che nella caldaia si possa formare la dannosa
stratificazione di temperatura. Per poter applicare questa soluzione, è però necessario disporre di un impianto a più caldaie, e/o
di un’alimentazione di vapore esterna sempre disponibile.
Sintesi
Variazioni di pressione a causa di forti variazioni di prelievo
In presenza di grandi variazioni di carico, cioè di variazioni di carico
molto veloci con le forti oscillazioni di pressione che ne derivano,
all’interno della caldaia potrebbero formarsi correnti poco favorevoli. La formazione di bolle di vapore, necessaria per distribuire il
calore dalle superfici riscaldanti, potrebbe bloccarsi, ovvero l’unione
di molte piccole bolle potrebbe comportare la creazione di grandi
bolle di vapore che non si staccano subito dalle superfici scaldanti,
favorendo in tal modo il surriscaldamento locale. E’ per questo
motivo che su impianti caldaia, che alimentano utenze con prelievo
di carico soggetto a forti variazioni, si dovrebbero prendere provvedimenti speciali per limitare le oscillazioni di pressione all’interno
della caldaia a prescindere dall’andamento delle utenze. Per
ottenere quanto sopra, si può intervenire come segue:
f Una maggiore protezione della caldaia lato mandata, con inclusione di una stazione di riduzione tra caldaia e utenze.
f Inserimento di un serbatoio di vapore per le punte di carico.
f Un sistema di mantenimento della pressione installato a valle
della caldaia, con valvola di prelievo vapore regolata, per proteggere la caldaia da una riduzione di pressione troppo forte.
In considerazione della complessità oggettiva degli impianti di
caldaie a vapore, si dovrebbe assolutamente tenere conto degli
aspetti seguenti:
f La progettazione di impianti di caldaie a vapore dovrebbe essere
eseguita soltanto da ditte specializzate, in grado di documentare
la loro esperienza in materia, visto che molte delle possibili cause
di errore possono essere evitate già in questa fase.
f La qualità delle caldaie, dei bruciatori e dei componenti
dell’impianto caldaie utilizzati sono di importanza decisiva per un
funzionamento senza problemi e senza anomalie dell’impianto.
f Una corretta installazione dell’impianto può essere garantita
soltanto da un impiantista competente che conosca bene come
interagiscono i singoli componenti della sala caldaie.
f Le modalità d’esercizio e la gestione dell’impianto da parte del
personale operatore sono di primaria importanza sulla vita utile
dell’impianto caldaie a vapore.
f Un contratto di manutenzione e teleassistenza con il produttore
delle caldaie è sempre di notevole vantaggio.
Le evitabili cause di sollecitazione della caldaie, qui sopra descritte,
evidenziano la complessità della materia. Si tratta infatti di una
materia che spazia dalla progettazione, realizzazione e regolazione
dell’impianto fino al suo esercizio. In questa sede non è possibile
discutere in maniera esauriente di tutti i problemi ivi connessi.
Figura 6: Rappresentazione schematica di una serpentina di riscaldamento del fondo, con regolazione.
Impianti di produzione:
Stabilimento di produzione 1 Gunzenhausen
Bosch Industriekessel GmbH
Nürnberger Straße 73
91710 Gunzenhausen
Germania
Stabilimento di produzione 3 Bischofshofen
Bosch Industriekessel Austria GmbH
Haldenweg 7
5500 Bischofshofen
Austria
www.bosch-industrial.com
Stabilimento di produzione 2 Schlungenhof
Bosch Industriekessel GmbH
Ansbacher Straße 44
91710 Gunzenhausen
Germania
© Bosch Industriekessel GmbH | Figure solo
a titolo di esempio | Con riserva di modifiche |
07/2012 | TT/SLI_it_FB-Vermeidbare-DK_01