Strategie di controllo dei generatori di vapore in impianti a recupero

                                                                                                                                                     Introduzione
2
altro interessante aspetto di codesto capitolo è stato l'esame dei principali aspetti
costruttivi dei generatori di vapore a recupero e di tutti gli accorgimenti che necessitano
per una perfetta realizzazione dell'impianto.
Nel secondo capitolo sono stati, invece, trattati i principali aspetti funzionali, ed
in particolare il ciclo acqua/vapore ed i macchinari principali, con una speciale
attenzione all'analisi della degasazione chimica. Nell'ultimo paragrafo di tale capitolo è
messa in evidenza l'importanza di una adeguata protezione del generatore.
Nel seguito si è affrontata la problematica della regolazione automatica
dell'impianto. Il terzo capitolo descrive in una prima parte i principali aspetti che
riguardano tale regolazione; l'ultima parte, invece, affronta la problematica riguardante
le tipologie e i criteri generali per l'avviamento, con particolare attenzione alle
procedure e alle operazioni necessarie per effettuare un avviamento da caldo o da freddo
del generatore. Infine, si sono evidenziate le principali cause che possono portare al
blocco termico del generatore.
Nel quarto ed ultimo capitolo, si è svolto uno studio mirato principalmente
all'analisi dei dati ottenuti dalle prove di esercizio eseguite sulla centrale di La Casella
(PC). Nei primi due paragrafi, si sono citate le procedure da eseguire per il collaudo e i
parametri che vengono garantiti e soggetti a verifica, durante la sua esecuzione. Nel
terzo e quarto paragrafo è stato evidenziato lo scopo delle suddette prove, le operazioni
preliminari da eseguire per la loro esecuzione e i diversi assetti. Successivamente, i
risultati delle prove tramite curve di correzioni, messe appunto a tale scopo, sono state
riportate in opportune condizioni di riferimento. Ciò allo scopo di poter effettuare tutti i
confronti, fra le prestazioni, in condizioni omogenee e mettere in risalto l'influenza delle
grandezze più significative sulla resa globale dell'impianto.
3Capitolo 1
GENERALITA' E ASPETTI COSTRUTTIVI DEI
GENERATORI DI VAPORE A RECUPERO
1.1 Differenza tra generatore di vapore tradizionale e a recupero
 Per generatore di vapore s'intende un apparecchio (o meglio, un complesso
d'apparecchiature) che produce vapore a spese d'energia termica. Il generatore è quindi
una delle parti più importanti di un impianto a vapore, e le sue caratteristiche costruttive
e funzionali hanno subito una continua evoluzione in relazione, soprattutto, ai graduali
ma costanti progressi, che si sono avuti in questo settore dall'epoca delle prime motrici a
tutt'oggi.
I generatori di vapore tradizionali sono tutti caratterizzati dall'avere una camera
di combustione (vedi fig. 1.1) all'interno della quale avviene la reazione tra
combustibile (normalmente nafta, carbone, gas metano o un mix) ed aria comburente. In
questa zona del generatore trovano spazio i bruciatori, le casse aria comburente con
relative serrande di regolazione della portata ed i sistemi per il controllo della
combustione. Le superfici di scambio che si trovano in questa zona hanno il compito di
trasferire al fluido di processo (acqua), il calore necessario alla sua vaporizzazione (in
tal caso si parla di generatori a tubi d'acqua); questa può essere totale, nei generatori ad
attraversamento forzato, o parziale, in quelli a circolazione naturale o assistita (corpo
cilindrico). Il fluido di processo prima di arrivare alle superfici esposte alla camera di
combustione, attraversa uno scambiatore detto "economizzatore" dal quale inizia a
ricevere calore, avvicinandosi alle condizioni di saturazione. Il processo di
vaporizzazione, che porta il fluido fino alle condizioni di vapore surriscaldato, è
suddiviso in differenti superfici di scambio, che prendono il nome di surriscaldatore
primario e secondario. I generatori di vapore tradizionali presentano anche delle
superfici di scambio dette "risurriscaldatore", che hanno il compito di riportare il vapore
proveniente dallo scarico della turbina d'alta pressione, alle condizioni di temperatura
atte a rialimentare la turbina di media pressione.
I generatori di vapore a recupero (GVR) utilizzati nei cicli combinati (vedi fig.
1.2) si differenziano, rispetto a quelli tradizionali, per i seguenti aspetti:
Capitolo 1                                                                                         Capitolo 1
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• assenza della camera di combustione (tranne alcuni casi dove è prevista una
postcombustione dei gas di scarico del turbogas);
• assenza delle superfici di risurriscaldamento (generalmente l'uso di questi
scambiatori è limitato agli impianti di grande potenza [1]), poiché non esiste ritorno
di vapore al GVR.
      Lo scopo dei GVR è quello di trasferire calore dei gas di scarico del turbogas (TG)
ad un ciclo termico, al fine di ottenere vapore saturo surriscaldato atto ad alimentare un
gruppo turboalternatore a vapore (TV). Naturalmente, in questo caso, la produzione di
vapore è strettamente vincolata alla temperatura, generalmente dell'ordine dei 500°C, e
dalla portata dei fumi. Con valori di temperatura dei fumi all'uscita  del  TG  inferiori  ai
Fig. 1.1: Generatore di vapore tradizionale.
SURRISCALDATORE
SECONDARIO
RISURRISCALDATORE
SURRISCALDATORE
PRIMARIO
ECONOMIZZATORE
BRUCIATORI
Capitolo 1                                                                                         Capitolo 1
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Fig. 1.2: Generatore di vapore a recupero.
VISTA
DALL'ALTO
VISTA
LATERALE
C.C. DI AP
C.C. DI BP
DEGASATORE
CAMINO
GAS DAL TG
Capitolo 1                                                                                         Capitolo 1
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500°C, non è conveniente cercare di produrre vapore surriscaldato. Peraltro sarebbe
possibile generare vapore saturo da utilizzare come vapore di processo. In questo caso il
recuperatore di calore può essere a tubi di fumo [2].
Generalmente i GVR sono di tipo a corpo cilindrico (CC) a circolazione naturale e
producono vapore a due livelli di pressione (2L): alta (AP) e bassa (BP). Questa
soluzione è in genere preferita ed è di larghissima diffusione nella pratica dei cicli
combinati, realizzando un buon compromesso tra prestazioni termodinamiche e
semplicità d'impianto. E' in ogni modo doveroso ricordare, anche, la presenza di
soluzioni impiantistiche con produzione di vapore a tre livelli di pressione (3L): alta
(AP), media (MP) e bassa (BP) [1].
Ogni circuito interno è provvisto di corpo cilindrico (su quello di "BP" è
installato un degasatore) situato all'esterno della corrente dei gas di scarico, le cui
funzioni principali sono di separare l'acqua dal vapore prodotto nei fasci evaporatori e
costituire, inoltre, il necessario polmone per i momenti di squilibrio tra produzione ed
utilizzo del vapore.
1.2 La circolazione naturale nei generatori a tubi d'acqua
Prima di addentrarci nello studio più dettagliato del GVR, sarà utile soffermarsi
ad un approfondito esame dell'importante fenomeno della circolazione. Ciò potrà essere
d'aiuto ad una migliore comprensione degli schemi e delle soluzioni costruttive adottate,
che sono, molto spesso, fortemente influenzati dall'esigenza di assicurare un'efficiente
circolazione [3].
La circolazione naturale rappresenta il moto (vedi fig. 1.3), determinato dalla
differenza di densità tra la parte riscaldata del circuito e quella non riscaldata. Il
fenomeno si può spiegare nel seguente modo: il fluido sottoposto a riscaldamento
aumenta il suo volume (si dilata), perciò diminuisce la sua densità e il suo peso
specifico. Se questo fluido si trova in un circuito chiuso, nel quale ci sia anche un fluido
a maggiore densità (più freddo), s'instaura un moto che tende a far salire il liquido più
leggero e a scendere quello più pesante.
Nel circuito vaporizzatore dei generatori di vapore il moto che s'instaura è
determinato: durante la prima fase dell'avviamento, dalla differenza di temperatura tra i
due fluidi, successivamente la circolazione si esalta con la produzione di vapore che si
ha nella parte sottoposta a maggiore scambio termico.
Capitolo 1                                                                                         Capitolo 1
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L'elemento motore che regola la circolazione dell'acqua è determinato da:
(1.1)
dove:
• H è l'altezza della colonna di fluido;
• γF è il peso specifico del fluido della colonna fredda;
• γC è il peso specifico del fluido della colonna calda.
Fig. 1.3: Circolazione naturale.
    CFHM γγ− =  
Capitolo 1                                                                                         Capitolo 1
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La portata, in peso, che circola all'interno dei tubi è determinata dalla relazione:
(1.2)
dove:
• S è la sezione di passaggio del fluido (aria del tubo per numero tubi);
• V è la velocità di circolazione dell'acqua.
Tale portata provoca delle perdite di carico nel circuito1, che sono legate alla velocità V
dalla relazione:
(1.3)
dove:
• K è un termine di proporzionalità che dipende anche dal diametro dei tubi.
La velocità di circolazione del fluido e quindi la portata sarà determinata,
qualora si verificherà l'uguaglianza tra la (1.1) e la (1.3) e cioè quando il sistema
raggiunge l'equilibrio.
1.2.1 Rapporto di circolazione
Il rapporto di circolazione è un parametro che indica la quantità di fluido
refrigerante, che passa nei tubi vaporizzatori, rispetto al vapore prodotto da questi. Esso
rileva quante volte la portata, nel circuito vaporizzatore è superiore rispetto a quella
dell'economizzatore.
Se ci riferiamo alla fig. 1.4 e introduciamo il concetto di titolo di vapore di una
miscela, possiamo scrivere:
(1.4)
dove:
1
 Le perdite di carico nascono dall'attrito fra fluido e parete del tubo e dai cambiamenti di sezione o di
direzione lungo il percorso del fluido. Le prime, sono dette perdite di carico distribuite; le seconde perdite
di carico concentrate [4].
FSVG γ = =  
2VKy  =  
C
V
miscela
vapore
G
G
peso
peso
X     
Capitolo 1                                                                                         Capitolo 1
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• GAA = portata acqua alimento;
• GC = portata nei tubi di caduta (GC = GV + GLIQ);
• GV = portata di vapore uscita evaporatore;
• GLIQ = portata di liquido uscita evaporatori.
Quindi possiamo enunciare il rapporto di circolazione come:
(1.5)
Praticamente tale rapporto indica quanti giri deve compiere l'acqua, che attraversa il
circuito evaporatore, per arrivare alla vaporizzazione completa (X = 1). Occorre quindi
prestare attenzione che il rapporto di circolazione non si abbassi troppo (a tale
situazione corrisponde un aumento  notevole  di  X),  perché  si  rischia  di   entrare   nel
Fig. 1.4: Portate che interessano la circolazione naturale.
V
C
G
G
X
R     
1
TUBI DI
CADUTA
EVAPORATORE
FLUSSO
TERMICO
GC
GV + GLIQ
GAA GC
GV
Capitolo 1                                                                                         Capitolo 1
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campo della riduzione del coefficiente di scambio termico tra il metallo del tubo
vaporizzatore ed il fluido2.
1.2.2 Fattori che influenzano la circolazione naturale
Il vapore prodotto
La velocità del fluido non è costante, ma aumenta nelle zone ove avviene la
vaporizzazione in quanto il volume specifico del vapore è superiore a quello dell'acqua.
Di conseguenza anche le perdite di carico, a parità di portata totale del fluido, non sono
costanti ma crescono con l'aumentare del titolo del vapore. Si viene così a determinare
un  "campo di funzionamento"  (vedi fig. 1.5),  all'interno  del  quale all'aumentare della
Fig. 1.5: Influenza del vapore sulla circolazione naturale.
2
 Visti gli alti valori dei rapporti di circolazione del GVR questo rischio è molto remoto.
A
B
VAPORE PRODOTTO [kg/h]
C
IR
C
O
LA
ZI
ON
E 
T
O
TA
L
E
 [k
g
/h
]
VA VB
ΓB
ΓA
CAMPO DI
FUNZIONAMENTO
Capitolo 1                                                                                         Capitolo 1
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produzione di vapore corrisponde sempre un adeguato richiamo di fluido relativamente
freddo, che garantisce il raffreddamento dei tubi (effetto autoregolante della
circolazione naturale). Oltre certe produzioni di vapore, l'incremento dell'elemento
motore, conseguente al miglioramento del titolo, non è più sufficiente a compensare
l'aumento delle perdite di carico, con conseguente diminuzione della circolazione totale
ed autoesaltazione del fenomeno (infatti, se VB > VA allora ΓB < ΓA). Si entra con ciò
in una zona d'instabilità di circolazione estremamente pericolosa, in quanto la
diminuzione di circolazione ha per conseguenza una diminuzione di raffreddamento dei
tubi, che surriscaldandosi vanno incontro a rottura per crisi termica.
La pressione e la sezione dei tubi
L'elemento motore della circolazione naturale, come abbiamo visto, è basato
sulla differenza di peso tra colonna fredda (tubi di caduta) e la colonna calda (tubi
evaporatori). Questa differenza diminuisce all'aumentare della pressione fino ad
annullarsi in corrispondenza  della  pressione  critica  (vedi fig. 1.6).  Di conseguenza,  a
Fig. 1.6: Influenza della pressione sul peso specifico.
Capitolo 1                                                                                         Capitolo 1
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parità di flusso termico, aumenta la pressione di funzionamento, diminuisce il rapporto
di circolazione (aumento del titolo del vapore in uscita), poiché diminuisce la quantità
di calore necessaria alla vaporizzazione. Quindi l'effetto della diminuzione di peso tra le
due colonne, viene in parte compensato dall'aumento del titolo.
La riduzione del rapporto di circolazione, generalmente, produce nei tubi
vaporizzatori un effetto autoregolante. Questo risultato è determinato dal fatto che in un
tubo interessato da una minore portata di fluido e/o da un flusso termico, si ha un
aumento del titolo del vapore e per effetto della riduzione della densità media del fluido,
un maggior richiamo di portata fluida rispetto agli altri tubi.
D'altra parte, l'aumento del titolo provoca un accrescimento delle perdite di
carico, che potrebbero portare ad un'ulteriore riduzione della portata con pericolo per
l'integrità dei tubi e riduzione dell'effetto autoregolante. Il problema potrebbe essere
risolto aumentando il diametro dei tubi bollitori, riducendo così le perdite di carico.
Questa soluzione porterebbe altri inconvenienti, come maggiorazione dello spessore dei
tubi e minori gradienti d'avviamento.
1.3 Aspetti costruttivi dei GVR
Strutturalmente il GVR si presenta come una grande cassa metallica, disposta
verticalmente od orizzontalmente (a 90° rispetto all'asse del TG), secondo la direzione
principale dei fumi. La scelta è determinata in base a puri criteri di convenienza
costruttiva e di spazi disponibili, non essendoci alcuna pregiudiziale di carattere
funzionale. Un GVR verticale avrà una minore occupazione del suolo, ma, soprattutto
per grandi unità, porrà maggiori problemi strutturali, di fondazioni, d'accessibilità e di
montaggio.
1.3.1 Le superfici di scambio termico
Le superfici di scambio termico (surriscaldatori, evaporatori ed
economizzatori), sono prefabbricate in officina ed assemblate in "moduli" prima della
spedizione. Ogni modulo di scambio termico o "arpa" è composto da un collettore
superiore, da un collettore inferiore e da un certo numero di file di tubi alettati. Nella
fase di prefabbricazione in officina, i suddetti moduli sono riuniti in gruppi di moduli
(module groupings) fino a comprendere un determinato numero d'arpe consecutive, nel
verso di percorrenza dei gas di scarico del TG (vedi fig. 1.7). I module groupings nella
Capitolo 1                                                                                         Capitolo 1
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fase d'installazione sono distanziati tra loro da un idoneo vano, che ne permette
l'ispezione attraverso il relativo portello d'accesso. Inoltre, questi moduli, sono forniti di
un telaio in profilato d'acciaio adeguato a sostenerne il peso complessivo dopo
l'installazione all'interno del GVR (costruzione "sospesa" o "top supported"); i banchi di
scambio termico sono quindi liberi di dilatarsi verso il basso.
La sequenza di montaggio del GVR in sito, prevede l'installazione della parete
di fondo e di una parete laterale del cassone esterno del GVR e quindi l'introduzione
laterale dei "module grouping" dal lato aperto. Una volta installati i gruppi di moduli e
realizzata la chiusura del contenimento esterno si procede all'installazione dei corpi
cilindrici.
Bisogna ricordare che, in questo caso abbiamo a che fare con scambiatori di tipo
chiuso: l'acqua e i gas di scarico del TG non si mescolano, in quanto sono separati tra
loro dalla parete dei tubi. Lo scambio termico avviene per convenzione tra i gas di
scarico TG e la parete dei tubi, per conduzione attraverso i  tubi,  per  convezione  fra  la
Fig. 1.7: Fasci tubieri e moduli di scambio termico [6].
Capitolo 1                                                                                         Capitolo 1
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 superficie solida dei tubi e l'acqua. Per aumentare la superficie di scambio termico e
migliorare il trasferimento del calore, si prolunga la parte esterna dei tubi aggiungendo
delle sporgenze chiamate alette (vedi fig. 1.8a). La  presenza  di  queste alette,  ha anche
un'importanza notevole dal punto di vista fluidodinamico, infatti, essi aumentano la
turbolenza del moto del gas, incrementando lo scambio termico [5]. Tutti i tubi che
costituiscono i vari moduli di scambio termico sono alettati. Soltanto i tubi di caduta
(colonna fredda), che si trovano all'interno dell'involucro del GVR sono tubazioni lisce,
perché non hanno il compito di trasferire calore al fluido di processo.
In fig. 1.8a, oltre alle alettature dei tubi, si nota il vano d'ispezione tra un banco
ed il contiguo; sono anche presenti lamiere di schermo del collettore (salvaguardano in
parte il collettore dal contatto dei gas e soprattutto elimina vie di by-pass dei fumi, che
non cederebbero calore alle superfici attive con l'adeguato coefficiente di scambio).
Inoltre, nelle altre foto, si notano: in fig. 1.8b il tipico tubo di caduta o "downcomer"
che collega il corpo cilindrico con i collettori inferiori dell'evaporatore (AP in questo
caso). In fig. 1.8c i collettori inferiori in cui si vedono, lo stacco dei tubi (due file in
questo caso, tre file in altri); la  disposizione dei tubi (i tubi sono sfalsati nella
disposizione a triangolo o quinconce in modo da non avere tubi in ombra e ottimizzare
le perdite di carico); lo spazio esistente tra due collettori contigui dello stesso banco. In
fig. 1.8d i tipici soffietti d'espansione (consentono di assorbire le dilatazioni termiche in
senso assiale) posti sugli attraversamenti dell'involucro del GVR (linee di drenaggio,
ecc.).
1.3.2 Disposizione delle superfici di scambio termico.
La sequenza delle sezioni di scambio termico, nel verso di percorrenza dei gas
di scarico del TG è costituita da due file parallele di sette module groupings. Ciascuna
fila è a sua volta composta dalle seguenti sequenza di sezioni di scambio termico3 (vedi
fig. 1.9):
• surriscaldatore di AP (HP SH o SH AP), composto da due moduli (o arpe);
• evaporatore di AP (HP EVA o EVA AP), composto da nove moduli e dal CC per
      vapore di AP;
• economizzatore di AP (HP ECO o ECO AP), composto da sette moduli;
3
 Ricordiamo che stiamo considerando il caso, di produzione di vapore a 2L: AP e BP.
Capitolo 1                                                                                         Capitolo 1
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Fig. 1.8: Particolarità tecnico - impiantistiche [6].
d)
c)
b)
a)