MESSA A PUNTO DI UN PROGRAMMA DI ANALISI DEI DATI

MESSA A PUNTO DI UN PROGRAMMA DI ANALISI DEI DATI STORICI DI
FUNZIONAMENTO DI UNA CENTRALE TERMOELETTRICA DI
COGENERAZIONE
(riassunto)
Luca Bianchini
SOMMARIO
In questo lavoro di tesi presento un’applicazione che ho sviluppato in questi anni per effettuare differenti tipi di analisi sui
dati dell’archivio storico delle variabili di processo di una centrale termoelettrica di cogenerazione (CTE). L’applicazione ha
nome ADSCTE ed è scritta in Microsoft Visual Basic.
La CTE in oggetto produce l’energia elettrica e termica (principalmente sotto forma di vapore tecnologico per l’asciugamento
della carta) necessaria a una cartiera che produce carta per cartone ondulato con due macchine continue.
Il funzionamento della CTE e i suoi scambi energetici con la cartiera richiedono il monitoraggio continuo dei valori delle
variabili di processo e degli indici di efficienza, da confrontare almeno quotidianamente con valori di riferimento, per rilevare
tempestivamente eventuali anomalie e per individuare la possibilità di ottimizzazioni.
E’ possibile fare questo tipo di controlli soltanto se si dispone di un archivio storico di dati e di un programma di analisi.
Il programma ADSCTE è in grado di effettuare numerosi tipi di elaborazioni sull’archivio storico disponibile, consentendo di
rappresentare trends storici giornalieri, distribuzioni di frequenza e curve cumulative su determinati periodi e, soprattutto, un
rapporto giornaliero che contiene i valori medi delle variabili di processo, degli indici di efficienza, dei fabbisogni di vapore
ed energia, ciascuno confrontato con la media degli ultimi trenta giorni.
L’utilizzo sistematico di ADSCTE e l’analisi dei suoi indicatori hanno consentito di ottenere importanti risultati, sia in termini
di individuazione tempestiva di anomalie, sia in termini di ottimizzazioni.
LA CENTRALE TERMOELETTRICA
La centrale termoelettrica in oggetto è una centrale
cogenerativa. Essa produce l’energia elettrica e termica
(quest’ultima sotto forma di vapore) necessarie a una cartiera
che produce carta per cartone ondulato con due macchine
continue (MC1 e MC2) L’energia elettrica prodotta è
normalmente in eccesso rispetto alle necessità della cartiera,
per cui una parte è ceduta alla rete di distribuzione ENEL. La
centrale è a ciclo combinato gas-vapore ed è costituita da:
- un gruppo turbogeneratore azionato da una turbina a
gas, in grado di produrre una potenza elettrica
massima di 7,2 MW
- un generatore di vapore a recupero, dotato di post
combustione, con una producibilità massima di 40 t/h
di vapore surriscaldato a 57 bar e 440 °C
- un gruppo turbogeneratore azionato da una turbina a
vapore, regolata in contropressione, in grado di
produrre una potenza elettrica massima di 3.6 MW
con una portata di vapore di 40 t/h ed una
contropressione di 4.85 bar.
Nella pagina seguente è rappresentato uno schema della
centrale.
I fumi di scarico della turbina a gas, a una temperatura di 500
°C, sono inviati al generatore di vapore il quale, con una
cospicua percentuale di post combustione (circa 50%),
produce vapore surriscaldato a 57 bar e 440 °C nella quantità
richiesta dagli utilizzi tecnologici della cartiera.
Il vapore prodotto dal generatore, si espande in una turbina a
vapore a contropressione, da cui esce con una pressione di 5
bar ed una temperatura di circa 240 °C.
Gli utilizzi tecnologici della cartiera necessitano di vapore
saturo, mentre quello scaricato dalla turbina a vapore è ancora
surriscaldato. Per questo motivo, prima di essere inviato in
cartiera, il vapore è portato in condizioni di saturazione in un
saturatore.
Gli utilizzi di vapore saturo nella cartiera sono essenzialmente
di tre tipi:
-
asciugamento della carta nei cilindri essiccatori delle
macchine continue (l’utilizzo principale)
- riscaldamento dell’aria esterna da immettere nelle
cappe delle seccherie delle macchine continue per
realizzare il ricambio della fumana umida
- cottura dell’amido impiegato in massa o in size press
per aumentare le caratteristiche meccaniche del
foglio.
La condensa recuperata dai primi due utilizzi (la condensa del
terzo utilizzo non è recuperata perché il vapore è immesso
direttamente nella salda di amido da cuocere) è inviata al
degasatore della CTE, il cui scopo è quello di realizzare il
degasaggio dell’acqua dagli incondensabili per ridurre al
minimo la presenza di ossigeno.
Nel degasatore è effettuato anche il reintegro con acqua
demineralizzata.
La pompa di alimento del generatore di vapore è alimentata
dal degasatore. L’acqua di alimento, prima di esserre immessa
nel corpo cilindrico, passa attraverso l’economizzatore, posto
fra il generatore di vapore e il camino, il cui scopo è quello di
recuperare energia termica dai fumi di scarico della CTE,
raffreddandoli il più possibile.
IL PROGRAMMA ADSCTE
Il nome ADSCTE è un acronimo e sta per Analizzatore dei
Dati Storici della Centrale Termo Elettrica. Il programma è
scritto nel linguaggio di programmazione Microsoft Visual
Basic e utilizza i dati contenuti nei files dell’archivio storico
dei valori delle variabili di processo della CTE per effettuare
vari tipi di elaborazioni:
1) rappresentazione grafica e tabulata dei trends storici
giornalieri delle varie grandezze con differenti scale
temporali
2) rappresentazione della distribuzione di frequenza e
della curva cumulativa dei valori delle varie
grandezze
3) analisi degli indici di efficienza della turbina a vapore
in funzione della portata di vapore
4) analisi della produzione di potenza elettrica e degli
indici di efficienza della turbina a gas in funzione
della temperatura dell’aria di alimento (T1)
5) elaborazione di un report giornaliero in cui sono
rappresentati i valori medi di tutte le grandezze più
significative della centrale termoelettrica
6) elaborazione del report giornaliero delle emissioni dal
camino
L’archivio storico contiene i valori di 60 variabili di processo,
rilevati con una frequenza di un dato al minuto per ogni
variabile, a partire dal mese di settembre del 2002.
Attualmente vi sono immagazzinati circa 20.000 files di tipo
testo, che contengono in totale circa 300 milioni di dati,
occupando uno spazio sull’hard disk di circa 6 GB.
Le due immagini seguenti sono le schermate di ADSCTE
relative all’elaborazione della distribuzione di frequenza e
della curva cumulativa della produzione di vapore
surriscaldato nell’arco di un mese.
L’immagine seguente rappresenta la schermata di ADSCTE
relativa all’elaborazione dei trends storici.
L’immagine seguente rappresenta la schermata di ADSCTE
relativa all’elaborazione dell’andamento della potenza
elettrica specifica della turbina a vapore (cioè del rapporto fra
potenza elettrica prodotta e portata di vapore) in funzione
della portata di vapore.
L’immagine seguente rappresenta la schermata di ADSCTE
relativa all’elaborazione dell’andamento della potenza
elettrica prodotta dalla turbina a gas in funzione della
temperatura dell’aria di alimento T1.
Le immagini seguenti rappresentano due delle schermate
generate da ADSCTE dopo l’elaborazione del rapporto
giornaliero.
Nella prima sono riportati i valori medi giornalieri e quelli
degli ultimi 30 giorni delle principali variabili di processo, dei
rendimenti e dei fabbisogni di vapore ed energia della cartiera
Nella seconda è riportato uno schema delle centrale con
indicati, in particolare, i vari bilanci di massa ed energia.
RISULTATI OTTENUTI CON L’UTILIZZO DI
ADSCTE
Di seguito alcuni esempi di applicazioni di ADSCTE che
hanno consentito di realizzare importanti ottimizzazioni.
Riduzione del degrado delle prestazioni della turbina a gas
Al trascorrere dei giorni di funzionamento, la capacità di
produzione di potenza elettrica della turbina a gas, a parità di
condizioni (in particolare della temperatura T1 e della
pressione atmosferica), subisce un degrado determinato dallo
sporcamento della macchina. Analizzando con l’ausilio di
ADSCTE l’andamento della produzione prima e dopo il
lavaggio in marcia del compressore della turbina, eseguito
quotidianamente, è stato possibile correggere la procedura con
cui questo lavaggio era eseguito. Ciò ha consentito di ridurre
notevolmente il tasso di degrado, come mostrato nel grafico
seguente.
Invecchiamento della turbina a gas
L’invecchiamento della turbina a gas determina un degrado
costante delle prestazioni della macchina. Con l’ausilio di
ADSCTE è stato possibile quantificare con precisione questo
degrado, che è risultato sensibilmente superiore a quello
stimato dal costruttore. Ciò ha consentito di rivedere il numero
di ore di funzionamento minimo a cui è opportuno
programmare la sostituzione della macchina.
Andamento della potenza della turbina a vapore in
funzione della temperatura del vapore surriscaldato
Con l’ausilio di ADSCTE, è stato possibile determinare
l’andamento della produzione di potenza elettrica della turbina
a vapore in funzione della temperatura del vapore
surriscaldato, mostrato nel grafico seguente.
L’utilizzo della retta di correlazione (che indica la variazione
di produzione in funzione della variazione di temperatura) ha
consentito di determinare la temperatura ottimale in relazione
al fabbisogno di gas naturale di post combustione.
Monitoraggio delle prestazioni della turbina a vapore
Anche la turbina a vapore, come la turbina a gas, subisce un
degrado di prestazioni nel tempo, legato soprattutto all’usura
delle tenute meccaniche che evitano il trafilamento del vapore
da una camera all’altra.
Con l’utilizzo di ADSCTE è stato possibile monitorare
quotidianamente il degrado, individuando il momento giusto
per effettuare la revisione della macchina, che ha consentito di
ottenere un notevole recupero di prestazioni (circa 230 kW),
come mostrato nel grafico seguente.
Perdita di fumi dalla serranda di bypass della TG
Analizzando l’andamento giornaliero della pressione e della
portata dei fumi in ingresso al generatore di vapore (valutata
in ADSCTE con un bilancio di massa ed energia) è stato
possibile individuare tempestivamente una cospicua perdita di
fumi attraverso la serranda di bypass della turbina a gas, che
non si era completamente chiusa.