Valutazione tecnico economica di un sistema di raffreddamento ad iniezione d'acqua di una turbina a gas in un ciclo combinato

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compressore ed il suo rendimento. Inoltre sono state ricalcolate alcune curve di 
correzione delle turbine, poiché quelle disponibili nei manuali non funzionano 
correttamente.  
Dopo aver trattato una validazione delle misure, si è cercato di capire quanto la 
trasformazione seguita dall’acqua, iniettata in camera d’aspirazione dal sistema 
Turbofog, si discosti dall’evaporazione completa ideale. 
Numerosi sono gli effetti osserva ti sui diversi punti del ciclo combinato, 
conseguenti all’accensione di un sistema di raffreddamento per iniezione d’acqua. 
Modificazioni si hanno, sia per la sezione a gas, sia per quella a vapore, con 
elevati incrementi nelle potenze erogate da entrambe le turbine, ed un lieve 
miglioramento del consumo specifico. Da rilevare anche una significativa 
riduzione delle emissioni di ossidi d’azoto. 
Al fine di effettuare una valutazione complessiva del guadagno, in termini 
energetici ed economici, derivante dall’introduzione del Turbofog, si è pensato ad 
un modello di calcolo che permettesse di fare previsioni sul comportamento delle 
macchine. Tale modello consente di calcolare la potenza di entrambe le turbine ed 
il consumo specifico della sola turbina a gas, che si avrebbero istante per istante, 
partendo dai seguenti parametri reali: temperatura ambiente, umidità relativa 
ambiente, pressione ambiente e perdite di carico nel condotto d’aspirazione del 
compressore, potere calorifico inferiore del gas naturale, angolo d’apertura delle 
IGV, vuoto al condensatore. I valori ideali calcolati con il modello, sono messi in 
relazione con i corrispondenti valori reali, nei periodi di funzionamento del 
Turbofog, ottenendo una stima di quanto tale sistema incide sulle prestazioni del 
ciclo combinato. Consequenziale è poi la valutazione economica. 
Un interessante utilizzo del modello è stato quello di costruire una semplice 
interfaccia che permetta, inserendo alcuni dati di ingresso, di decidere 
sull’opportunità o meno di accendere il sistema Turbofog, avendo un’indicazione 
immediata della potenza che le due turbine erogherebbero in più, della riduzione 
del consumo specifico e del vantaggio economico che si avrebbero. 
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Il modello di previsione delle prestazioni delle macchine trovato, può essere 
utilizzato per valutare in futuro anche altre modifiche all’impianto, che vadano ad 
interessare, direttamente od indirettamente, i parametri considerati. Come 
esempio, è stata svolta una valutazione del vantaggio ottenibile da un diverso 
sistema di raffreddamento dell’aria, installando un frigorifero ad assorbimento. 
 
Ci si è sempre rifatti all’analisi sperimentale dei dati raccolti, senza comunque 
tralasciare la trattazione teorica, che in particolare ha interessato gli effetti, sul 
ciclo di turbina a gas, dei parametri ambientali. Il numero di dati trattato è stato 
considerevole: si è analizzato un arco di tempo di quasi sette mesi, dalla metà di 
aprile fino ad ottobre del 2003, registrando le grandezze utilizzate per i calcoli 
ogni cinque minuti. Per giunta, si sono dovuti confrontare dati provenienti da 
diversi sistemi di monitoraggio e con periodi di campionamento differenti. 
 
L’analisi è stata eseguita con riferimento al gruppo 1, ipotizzando di poter 
replicare le considerazioni svolte, anche per il gruppo 2, essendo molto simili. 
Alla luce di quanto successo poi al turbogas, sarebbe stato meglio effettuare lo 
studio sul gruppo 2. Nel mese di agosto 2003, infatti, tramite un’indagine 
endoscopica, sono state trovate delle cricche nel bordo d’uscita di alcune palette 
del secondo stadio rotorico della turbina, appena sopra la base. Si è deciso di 
fermare la macchina e procedere alla sostituzione dell’intero stadio. Sebbene le 
operazioni siano state eseguite molto velocemente, il fermo è durato 20 giorni. 
Un’esperienza interessante è stata quella di poter vedere la macchina aperta, anche 
se, quando è stato confermato il danno, è stato più forte il dispiacere provato, della 
contentezza per l’opportunità che si prospettava. 
 
 
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Vorrei ringraziare le persone che mi hanno permesso di svolgere questo lavoro e 
che mi hanno fatto appassionare all’ambiente della Centrale, facendomi sentire 
sempre ben accetto, in tutto il lungo periodo della mia permanenza. Cito in ordine 
quasi cronologico, le persone che mi hanno sostenuto: innanzitutto l’Ing. Renzo 
Busatto, che mi ha accordato la possibilità di frequentare la struttura della 
Centrale di La Spezia, di cui è Direttore; l’Ing. Paolo Silva, del Politecnico di 
Milano, per avermi appoggiato ed incoraggiato dai primissimi passi; il Prof. Ennio 
Macchi, del Politecnico di Milano, che ha accettato di seguirmi, lungo tutto questo 
lavoro, come Relatore, con ciò che ne consegue; la Sig.ra Fiorella Fiorini, di Enel, 
che si è interessata della parte burocratica per l’attivazione dello Stage; il Prof. 
Gianfranco Petrone, del Politecnico di Milano, che ha seguito la pratica; l’Ing. 
Giuseppe Torsello, del CESI, per i ripetuti incontri di discussione, per il continuo 
interessamento, per le spiegazioni sul sistema da lui progettato ed i numerosissimi 
utili suggerimenti; gli Ingegneri Samuele Bellagamba e Bruno Riga, di Enel 
Ricerca, per i chiarimenti sul Tiger e tutti gli altri consigli sulle prestazioni delle 
macchine; l’Ing. Maurizio Faruoli, per le occasioni di confronto; tutto il personale 
della Centrale, che mi ha dato delucidazioni su vari aspetti dell’impianto, in 
ordine alfabetico: Bacigalupi, Bancalari, Bordoni, Cecchi, Edi; mia sorella 
Giorgia Morlando, che mi ha aiutato per le parti grafiche; il mio portatile che ha  
resistito a tutti i maltrattamenti subiti; la penna di memoria ed il portatile di Sonia 
Pozella, senza i quali il lavoro sarebbe rimasto chiuso dentro il mio pc; su tutti, 
prima, dopo e durante, Adriano Olivetti, Capo Area 1 e 2 della Centrale Enel di 
La Spezia, che mi ha ospitato in questi mesi nel suo ufficio, ha sopportato tutte le 
mie domande, ha sempre cercato di chiarire i miei dubbi; mi ha continuamente 
aiutato, mi ha permesso di osservare da vicino le macchine e di capire in parte 
come si svolge la vita in una Centrale, oltre all’importanza dell’interesse e della 
dedizione al lavoro. 
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1 – DESCRIZIONE DELL’IMPIANTO 
 
 
L’unità di Business Termoelettrica di La Spezia è localizzata ai margini della 
città, in una zona periferica a carattere industriale, comodamente accessibile e con 
facilità di approvvigionamenti per la vicinanza con l’area portuale. 
Il carbone giunge via mare e le navi carboniere hanno la possibilità di attracco ad 
un pontile, di proprietà di Enel Produzione, dal quale si stacca un nastro 
trasportatore, che raggiunge un carbonile situato nelle immediate vicinanze della 
Centrale. Da questo parte un secondo nastro che, passando sopra i gruppi 1 e 2 a 
Ciclo Combinato, arriva al Gruppo 3 a carbone. 
Anche l’approvvigionamento di gas naturale risulta facilitato dalla vicinanza del 
mare: nel Golfo della Spezia, precisamente in località Panigaglia, si trova uno 
stabilimento della SNAM per l’attracco di navi gasiere; da questo il gas viene 
fornito direttamente alla Centrale, garantendo una buona costanza nella 
composizione del gas. 
L’insediamento risulta composto da un gruppo a carbone della potenza nominale 
di 650 MW e da due gruppi a Ciclo Combinato della potenza nominale di 320 
MW per il gruppo 1 e 325 MW per il gruppo 2. 
I componenti principali di ognuno dei due gruppi a Ciclo Combinato sono: una 
turbina a gas di costruzione FiatAvio; un generatore di vapore a recupero di 
costruzione ABB; una turbina a vapore di costruzione Ansaldo-Tosi, derivata da 
quella già presente prima del repowering e opportunamente modificata; un 
condensatore di costruzione Tosi, anch’esso già presente nell’impianto e 
modificato da Ansaldo, nel quale circola acqua di mare, prelevata nel Golfo e 
convogliata tramite canale sotterraneo alla Centrale. 
 
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1.1 Turbina a Gas 
 
La turbina a gas 701F è il frutto della collaborazione tra FiatAvio, Mitsubishi 
e Westinghouse che nel 1990 hanno siglato il “Trilateral cooperative 
developement agreement” con l’obiettivo di sviluppare in comune nuove 
macchine e nuove tecnologie. Le due macchine presenti a La Spezia sono state 
costruite da parte di FiatAvio, ma oggi la manutenzione è affidata ai giapponesi di 
Mitsubishi Heavy Industries. 
La voluta d’ingresso compressore, il corpo compressore, il corpo esterno 
combustore, il corpo turbina e il corpo del diffusore di scarico, sono imbullonati 
l’uno all’altro in piani verticali; ciascun corpo è inoltre diviso in due parti, 
imbullonate tra loro, in corrispondenza del piano orizzontale passante per l’asse 
della macchina, per agevolare e semplificare il montaggio, l’ispezione e la 
manutenzione. 
 
 
Figura 1.1 – Complessivo in sezione del Turbogas 701F 
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1.1.1 La camera d’aspirazione 
La sezione frontale della camera d’aspirazione è molto ampia per avere una 
velocità di attraversamento dell’aria bassa, al fine di migliorarne il filtraggio, per 
poi ridurre la propria area piuttosto bruscamente ed infine convogliare il flusso 
verso la bocca d’ingresso del compressore. 
Il sistema di filtrazione è a 3 stadi: 
1. Separatore di gocce; 
2. Prefiltro standard, tipo Amerkleen M80; 
 
 
Figura 1.2 – Rappresentazione del prefiltro 
 
3. Filtro ad alta efficienza, tipo Duracel RM 90 MG. 
 
 
Figura 1.3 – Rappresentazione del filtro ad alta efficienza 
 
La camera filtri sembrerebbe progettata malamente e non rispetta gli standard 
costruttivi. Numerose difficoltà si incontrano in fase di sostituzione dei mezzi 
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filtranti. Inoltre presumibilmente l’efficienza non è ottimale: l’aria potrebbe 
passare più agevolmente dagli interstizi tra i filtri e i loro alloggiamenti che 
attraverso i filtri stessi. L’impressione è che la filtrazione avvenga per lo più con i 
prefiltri e poco con i filtri ad alta efficienza. 
Le perdite di carico dei prefiltri e dei filtri sono monitorate con due manometri 
differenziali posti nel quadro di controllo a fianco della camera filtri. Il sistema ha 
sei portelle antimplosione e su ogni portella sono installati due finecorsa 
precablati per trasmettere il segnale di apertura. 
All’interno della camera d’aspirazione sono posizionati i silenziatori, i quali 
riducono la sezione di passaggio alla metà. 
 
 
Figura 1.4 – Vista laterale del primo tratto della camera d’aspirazione 
 
 
 
1.1.2 Il compressore 
Il compressore è di tipo assiale a 17 stadi, che permettono di raggiungere un 
rapporto di compressione pari circa a 16. 
L’aria entrando è indirizzata verso il primo stadio rotorico dalla presenza delle 
IGV, di tipo a geometria variabile, utili per poter intervenire direttamente sul 
carico. 
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Figura 1.5 – Vista della voluta d’ingresso, con le IGV 
 
Vengono effettuati tre spillamenti d’aria in corrispondenza degli stadi 6°, 11° e 
14°, al fine di raffreddare i raddrizzatori di turbina. 
Sono inoltre presenti delle valvole di bleed sempre al 6° ed all’11° stadio che 
permettono di alleggerire il carico sul compressore in fase di avviamento, 
deviando parte della portata elaborata direttamente allo scarico. 
Il rotore del compressore dell’aria prevede, nella sua parte iniziale, la flangia di 
accoppiamento con il tronchetto di unione, per la trasmissione della coppia 
motrice all’alternatore. Successivamente si evidenzia la ralla del cuscinetto 
reggispinta e l’alloggiamento per il cuscinetto portante. 
Proseguendo si incontrano i dischi porta palette dei primi 3 stadi di compressione 
ricavati direttamente sul rotore. 
I successivi 14 stadi rotanti sono ottenuti impilando una serie di dischi mantenuti 
serrati tra loro da 12 tiranti; delle spine antirotazione evitano slittamenti relativi 
tra i dischi in condizioni di parallelo controfase. 
I dischi e l’albero sono costruiti in Alloy Steel, mentre le pale sono in AISI 630 
(fino al 7° stadio) ed in AISI 403 per tutti gli stadi successivi. Tutte le pale sono 
rivestite di SERMETEL 725 e hanno ancoraggio a coda di rondine.