ITMI20071047A1 - Metodo ed apparato per il controllo della combustione in una turbina a gas - Google Patents

Metodo ed apparato per il controllo della combustione in una turbina a gas Download PDF

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Simone Bei
Massimo Betti
Michele D'ercole
Francesco Maria Orgero
Mariateresa Paci
Jesse Stewart
Giovanni Tonno
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Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale
La presente invenzione riguarda un metodo ed un apparato per il controllo della combustione in una turbina a gas e, più in particolare, un metodo ed un apparato per il controllo della combustione in presenza di combustibili gassosi aventi indici di Wobbe significativamente differenti e variabili nel tempo.
Per la produzione di energia elettrica è noto l'utilizzo di turbine a gas, costituite di norma da un compressore multistadio, in cui viene compressa l'aria aspirata dall'esterno, una camera di combustione, in cui avviene la combustione di combustibile gassoso addizionato all'aria compressa, ed una turbina o espansore, in cui avviene l'espansione dei gas provenienti dalla camera di combustione. La turbina è quindi in grado di generare energia meccanica sfruttabile per azionare macchine operatrici o per alimentare generatori elettrici.
Esistono svariati tipi di gas o miscele gassose che possono essere utilizzati come combustibile in una turbina a gas. Di conseguenza, il potere calorifico e quindi l'energia che ciascun gas o miscela gassosa è in grado di sviluppare all'interno di una medesima camera di combustione può variare in maniera considerevole. Anche la temperatura del gas, o della miscela gassosa, utilizzato come combustibile è in grado di influenzare sensibilmente le prestazioni della turbina a gas.
Per la misurazione del calore che viene prodotto da un gas, o da una miscela di gas, quando viene bruciato a pressione costante di fornitura è noto l'utilizzo di un parametro denominato "indice di Wobbe". Esso equivale al rapporto tra il potere calorifico superiore (o inferiore) del gas e la radice quadrata della densità relativa del gas, misurata rispetto all'aria, in base alla seguente formula:
dove: Iw — indice di Wobbe;
PC = potere calorifico (superiore o inferiore) del gas;
TG= temperatura del gas;
Gs= densità relativa (o gravità specifica) del gas.
Il calore prodotto da un gas è quindi direttamente proporzionale all'indice di Wobbe, nonché all'area dell'ugello della turbina da cui esce il gas utilizzato come combustibile. L'indice di Wobbe è perciò un parametro importante per determinare 1'interscambiabilità di gas differenti utilizzabili come combustibili in una determinata turbina a gas.
Ad oggi, la maggior parte delle turbine a gas a basse emissioni è configurata per operare con combustibili gassosi aventi piccole differenze in termini di indice di Wobbe. L'impiego in una medesima turbina di combustibili tra loro differenti, aventi cioè elevate variazioni dell'indice di Wobbe, può infatti portare a processi di combustione irregolari, che possono essere causa di malfunzionamenti della turbina stessa, riduzione del ciclo operativo dei componenti del sistema di combustione e possibili interruzioni nella generazione di energia.
Scopo della presente invenzione è pertanto quello di realizzare un metodo ed un apparato per il controllo della combustione in una turbina a gas che sia in grado di risolvere in maniera efficace gli inconvenienti sopra menzionati.
In particolare, è uno scopo della presente invenzione quello di realizzare un metodo ed un apparato per il controllo della combustione in una turbina a gas che consenta l'utilizzo di combustibili gassosi aventi indici di Wobbe, e quindi poteri calorifici, significativamente differenti e variabili nel tempo senza penalizzare le prestazioni della turbina stessa e mantenendo invariata la geometria della camera di combustione.
Un altro scopo dell'invenzione è quello di realizzare un metodo ed un apparato per il controllo della combustione in una turbina a gas che consenta di variare in maniera rapida la tipologia di combustibile gassoso alimentato nella turbina stessa.
Un ulteriore scopo dell'invenzione è quello di realizzare un metodo ed un apparato per il controllo della combustione in una turbina a gas che consenta alla turbina stessa di funzionare correttamente anche miscelando tra loro, in proporzioni arbitrarie variabili nel tempo, due gas combustibili diversi aventi differente indice di Wobbe.
Non ultimo scopo della presente invenzione è quello di realizzare un metodo ed un apparato per il controllo della combustione in una turbina a gas che consenta alla turbina stessa di affrontare brusche variazioni (load sheds) della potenza richiesta dalle utenze collegate alla turbina.
In base ad un primo aspetto della presente invenzione, un metodo per il controllo della combustione in una turbina a gas comprende le seguenti fasi:
• misurare, per mezzo di uno o più strumenti appropriati come ad esempio dei calorimetri o dei gas-cromatografi, i valori di temperatura, potere calorifico e densità relativa di un combustibile gassoso al fine di determinarne l'indice di Wobbe;
• confrontare il valore di indice di Wobbe misurato con un valore di indice di Wobbe predefinito per il combustibile gassoso; e
• regolare la temperatura del combustibile gassoso per mezzo di almeno uno scambiatore di calore (30) al fine di raggiungere il suddetto valore di indice di Wobbe predefinito.
Un altro aspetto della presente invenzione riguarda un apparato per il controllo della combustione in una turbina a gas del tipo comprendente almeno un compressore, in grado di comprimere l'aria in esso introdotta attraverso un condotto di ingresso, almeno una camera di combustione, in cui avviene la miscelazione dell'aria compressa con un combustibile gassoso proveniente da un condotto di alimentazione, ed almeno una turbina, in grado di trasformare l'energia del gas proveniente dalla camera di combustione in lavoro sfruttabile per azionare una o più macchine operatrici. L'apparato comprende almeno uno scambiatore di calore, posto lungo il condotto di alimentazione del combustibile gassoso e in grado di riscaldare tale combustibile gassoso, ed uno o più strumenti, come ad esempio dei calorimetri o dei gas-cromatografi, per la misurazione dell'indice di Wobbe del combustibile gassoso.
Le caratteristiche ed i vantaggi di un metodo ed un apparato per il controllo della combustione in una turbina a gas secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:
la figura 1 è un'illustrazione schematica di una turbina a gas dotata di un apparato per il controllo della combustione secondo la presente invenzione;
la figura 2 riporta le tabelle contenenti i valori di composizione molare, potere calorifico e densità di due miscele di gas combustibile di esempio;
la figura 3 è uno schema a blocchi che illustra il metodo per il controllo della combustione in una turbina a gas secondo l'invenzione, in condizioni di avviamento cosiddette di "black start";
la figura 4 è uno schema a blocchi che illustra il metodo per il controllo della combustione in una turbina a gas secondo l'invenzione, in condizioni di avviamento normale;
la figura 5 è uno schema a blocchi che illustra il metodo per il controllo della combustione in una turbina a gas secondo l'invenzione, in condizioni di passaggio rapido da una gas combustibile ad un altro; e
la figura 6 è uno schema a blocchi che illustra il metodo per il controllo della combustione in una turbina a gas secondo l'invenzione, in condizioni di funzionamento normale.
Con riferimento in particolare alla figura 1, viene mostrata schematicamente una generica turbina a gas, comprendente un compressore 10 in grado di comprimere l'aria in esso introdotta attraverso un condotto di ingresso 12. L'aria compressa viene quindi inviata ad una camera di combustione 14 per essere miscelata con il combustibile gassoso proveniente da un condotto di alimentazione 16. La combustione aumenta la temperatura, la velocità ed il volume del flusso di gas e quindi l'energia in esso contenuta. Tale flusso di gas è indirizzato, attraverso un condotto 18, verso una turbina 20, la quale trasforma l'energia del gas in lavoro sfruttabile per azionare macchine operatrici, come ad esempio un generatore 22 collegato alla turbina 20 stessa per mezzo di un albero 24. La turbina 20 fornisce anche l'energia necessaria ad azionare il compressore 10 attraverso il relativo albero 26, mentre i gas di scarico vengono espulsi dalla turbina 20 stessa attraverso un condotto d'uscita 28.
Secondo l'invenzione, sul condotto 16 di alimentazione del combustibile gassoso sono previsti almeno uno scambiatore di calore 30, in grado di riscaldare il combustibile gassoso stesso come verrà maglio specificato nel seguito, ed uno o più strumenti 32 per la misurazione dell'indice di Wobbe, come ad esempio dei calorimetri oppure dei gascromatografi, posti a monte e a valle del suddetto scambiatore di calore 30. Grazie ai suddetti dispositivi, è possibile regolare in maniera continuativa il riscaldamento del combustibile gassoso, al fine di garantire il valore più appropriato dell'indice di Wobbe relativo al combustibile stesso. In caso di un rapido cambio di alimentazione con un combustibile avente differente indice di Wobbe, il sistema consente inoltre di controllare attivamente i componenti della turbina a gas al fine di minimizzare l'impatto dovuto a tale cambio di alimentazione.
Con riferimento ora agli schemi a blocchi delle figure 3-6 ed a due tipologie di miscele di gas combustibile di esempio, illustrate nelle tabelle di figura 2, verrà descritto il metodo per il controllo della combustione secondo la presente invenzione.
In figura 2 vengono messi a confronto due combustibili gassosi di comune utilizzo nelle turbine a gas. Il combustibile indicato con "H" è caratterizzato da un valore massimo dell'indice di Wobbe pari a 53,673 MJ/Nm<3>e da un basso contenuto di inerti. Il combustibile indicato con "G", utilizzato meno frequentemente come alternativa al combustibile H, è caratterizzato invece da un valore massimo dell'indice di Wobbe pari a 44,3 MJ/Nm<3>e da un contenuto di inerti leggermente maggiore (di circa il 15%) rispetto al combustibile H stesso.
Nello schema a blocchi di figura 3 è rappresentato un metodo per il controllo della combustione in una turbina a gas secondo la presente invenzione, nelle condizioni che in gergo tecnico si definiscono di "black start", vale a dire quando la turbina a gas viene fatta ripartire dopo che l'intero impianto è stato scollegato dalla rete elettrica. In tali condizioni, non si ha a disposizione il vapore necessario per il riscaldamento del combustibile gassoso e la turbina deve poter essere accesa con il combustibile freddo.
Il metodo prevede una fase iniziale in cui vengono misurati, per mezzo dei calorimetri 32, la temperatura, il potere calorifico (inferiore) e la densità relativa del combustibile gassoso impiegato, ad esempio il combustibile "H", avente indice di Wobbe particolarmente elevato. Una volta impostato il flusso di combustibile ottimale da inviare nella camera di combustione 14, avviene la fase di accensione della turbina a gas che, come detto, viene effettuata con il combustibile freddo (tra circa -5°C e circa 25°C).
Il normale funzionamento della macchina avviene premiscelando l'aria con il combustibile gassoso, ma questa fase viene raggiunta dopo la suddetta fase di accensione, che avviene invece con fiamma diffusiva. E' pertanto prevista la fase di impostazione di una variabile booleana di controllo "premix lock-out" in grado di inibire o meno il trasferimento da fiamma diffusiva (fase di accensione) a fiamma premiscelata (funzionamento normale).
La macchina rimane quindi in attesa che si renda disponibile una certa quantità di vapore per il riscaldamento del qas. L'attesa può durare mediamente da 1 a 4 ore, nel caso in cui la caldaia per la produzione di vapore abbia qià raqqiunto una determinata temperatura, oppure da 6 a 8 ore se la caldaia deve ancora essere attivata. Quando il vapore è disponibile, lo scambiatore di calore 30 inizia a riscaldare il combustibile qassoso fino ad una temperatura compresa tra circa 125°C e circa 165°C, tali valori essendo misurati in corrispondenza della camera di combustione 14. A riscaldamento ultimato si dovrà ottenere una variazione corrispondente dell'indice di Wobbe del qas che, nel caso del combustibile H, è pari a circa il 2,5% del valore iniziale dell'indice stesso. Quando tale valore dell'indice di Wobbe, predefinito in base all'incremento di temperatura del qas, sarà raqqiunto, si raqqiunqeranno anche le condizioni in cui è possibile il passaqqio da fiamma diffusiva a fiamma premiscelata (quest'ultima essendo caratterizzata da emissioni inquinanti più basse).
Successivamente, un ulteriore controllo del raggiungimento dell'indice di Wobbe predefinito permetterà, se l'esito del controllo è positivo, di azzerare la variabile booleana di controllo "premix lock-out", al fine di impostare la modalità di funzionamento normale della macchina. Nel caso in cui non sia raggiunto l'indice di Wobbe predefinito si dovrà invece provvedere alla regolazione dello scambiatore di calore 30 affinché le condizioni di funzionamento normale siano rispettate.
Nello schema a blocchi di figura 4 è rappresentato un metodo per il controllo della combustione in una turbina a gas secondo la presente invenzione, in condizioni di avviamento normale. In tali condizioni, non è richiesto l'intervento dello scambiatore di calore 30 per la regolazione del vapore di riscaldamento del gas nella fase di avviamento della turbina. Il metodo di controllo è pertanto simile a quello effettuato in condizioni di "black start", salvo il fatto che la fase di attesa della disponibilità di vapore e la successiva fase di verifica del raggiungimento dell'indice di Wobbe variato in seguito al riscaldamento del gas non vengono effettuate.
In generale, in tutte le condizioni di avviamento della turbina a gas e in presenza di miscele gassose qualsiasi, il metodo prevede sempre l'impostazione automatica del flusso ottimale di combustibile in base ai valori di temperatura, potere calorifico e densità relativa del combustibile gassoso, misurati dai calorimetri 32.
Lo schema a blocchi di figura 5 illustra il metodo per il controllo della combustione in una turbina a gas secondo l'invenzione in condizioni di passaggio rapido da un combustibile gassoso ad un altro. E' possibile alimentare la turbina 20 passando da un singolo combustibile ad un altro, come ad esempio dal combustibile G al combustibile H, oppure può essere effettuata la miscelazione tra i due combustibili in proporzioni variabili.
In seguito alla misurazione, sempre effettuata da parte dai calorimetri 32, della temperatura, del potere calorifico (inferiore) e della densità relativa del combustibile gassoso in afflusso, si provvede a confrontare tra loro i dati di due misurazioni consecutive. Se la differenza tra due misurazioni consecutive dell'indice di Wobbe è uguale o superiore alla differenza tra gli indici di Wobbe propri dei due gas, ad esempio G e H, utilizzati come combustibili nella turbina, la macchina viene messa in condizioni di passaggio rapido da un combustibile ad un altro. A questo punto viene eseguita una procedura di controllo della modalità di combustione della macchina e, in base all'esito dei controlli, sarà regolato di conseguenza il valore della potenza elettrica erogabile dalla macchina.
Una volta effettuato il passaggio rapido da un combustibile ad un altro, ad esempio dal gas G al gas H, verrà nuovamente calcolato l'indice di Wobbe per stabilire se effettivamente la macchina sta operando con il nuovo combustibile. Soddisfatta tale condizione, si potrà passare al funzionamento con fiamma miscelata e impostare la modalità di funzionamento normale della macchina.
Lo schema a blocchi di figura 6 illustra le modalità di funzionamento normale della turbina a gas in base al tipo di combustibile utilizzato. In caso di alimentazione con il combustibile G, che ha indice di Wobbe non particolarmente elevato e non necessita di essere riscaldato dallo scambiatore di calore 30 affinché la turbina a gas operi correttamente, non si rende necessario alcun tipo di controllo relativo ai parametri che compongono l'indice di Wobbe stesso. In caso di alimentazione con il combustibile H, è invece necessario controllare la temperatura a valle dello scambiatore di calore 30.
Se la turbina viene alimentata con una miscela di gas combustibili, nella fattispecie una combinazione dei combustibili G e H, i calorimetri 32 provvedono alla misurazione della temperatura, del potere calorifico (inferiore) e della densità relativa della miscela per la determinazione dell'indice di Wobbe della miscela stessa. Se l'indice di Wobbe differisce da quello predefinito per la miscela in uso, verrà modificata la temperatura di funzionamento dello scambiatore di calore 30.
Il sistema proposto può assorbire, senza attendere la regolazione della temperatura effettuata dallo scambiatore di calore 30, salti di potenza richiesta fino a circa 6 MW elettrici. Pertanto, il sistema è in grado di sostenere cambiamenti pressoché istantanei di potenza richiesta fino a 6 MW elettrici.
Si è così visto che il metodo e l'apparato per il controllo della combustione in una turbina a gas secondo la presente invenzione realizzano gli scopi in precedenza evidenziati. In particolare, la turbina è in grado di operare indifferentemente sia con combustibili gassosi aventi indice di Wobbe sensibilmente differente, sia con una loro miscela secondo proporzioni arbitrarie, potendo inoltre passare da un combustibile ad un altro in maniera rapida e potendo altresì assorbire brusche variazioni di carico.
Il metodo e l'apparato per il controllo della combustione in una turbina a gas della presente invenzione così concepiti sono suscettibili in ogni caso di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel medesimo concetto inventivo. L'ambito di tutela dell'invenzione è pertanto definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (7)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per il controllo della combustione in una turbina a gas del tipo comprendente almeno un compressore (10), in grado di comprimere l'aria in esso introdotta attraverso un condotto di ingresso (12), almeno una camera di combustione (14), in cui avviene la miscelazione di detta aria compressa con un combustibile gassoso (H) proveniente da un condotto di alimentazione (16), ed almeno una turbina (20), in grado di trasformare l'energia del gas proveniente da detta camera di combustione (14) in lavoro sfruttabile per azionare una o più macchine operatrici (22), il metodo comprendendo le fasi di: • misurare, per mezzo di uno o più strumenti (32), i valori di temperatura, potere calorifico e densità relativa di detto combustibile gassoso (H) al fine di determinarne l'indice di Wobbe, detto indice di Wobbe essendo definito come:
    dove: Iw= indice di Wobbe; PC potere calorifico (superiore o inferiore) di detto combustibile gassoso (H); TG= temperatura di detto combustibile gassoso (H); Gs — densità relativa (o gravità specifica) di detto combustibile gassoso (H); • confrontare il valore di indice di Wobbe misurato con un valore di indice di Wobbe predefinito per detto combustibile gassoso (H); • regolare la temperatura di detto combustibile gassoso (H) per mezzo di almeno uno scambiatore di calore (30) al fine di raggiungere detto valore di indice di Wobbe predefinito.
  2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre le fasi di: • alimentare detta turbina (20) con un secondo combustibile gassoso (G) avente indice di Wobbe differente rispetto a quello di detto combustibile gassoso (H); • misurare, per mezzo di detti strumenti (32), i valori di temperatura, potere calorifico e densità relativa di detto secondo combustibile gassoso (G) al fine di determinarne l'indice di Wobbe; • confrontare il valore di indice di Wobbe misurato per detto secondo combustibile gassoso (G) con il valore di indice di Wobbe misurato per detto combustibile gassoso (H); • eseguire una procedura di controllo della modalità di combustione di detta turbina (20) e del valore della potenza elettrica erogabile da detta turbina (20) se la differenza tra il valore di indice di Wobbe misurato per detto combustibile gassoso (H) e il valore di indice di Wobbe misurato per detto secondo combustibile gassoso (G) è uguale o superiore alla differenza tra gli indici di Wobbe propri di detto combustibile gassoso (H) e di detto secondo combustibile gassoso (G).
  3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre le fasi di: • alimentare detta turbina (20) con una miscela costituita da proporzioni arbitrarie e variabili nel tempo di detto combustibile gassoso (H) e di un secondo combustibile gassoso (G) avente indice di Wobbe differente rispetto a quello di detto combustibile gassoso (H); • misurare, per mezzo di detti strumenti (32), i valori di temperatura, potere calorifico e densità relativa di detta miscela al fine di determinarne l'indice di Wobbe; • confrontare il valore di indice di Wobbe misurato per detta miscela con un valore di indice di Wobbe predefinito per detta miscela; • regolare la temperatura di detta miscela per mezzo di detto scambiatore di calore (30) al fine di raggiungere detto valore di indice di Wobbe predefinito per detta miscela.
  4. 4. Apparato per il controllo della combustione in una turbina a gas del tipo comprendente almeno un compressore (10), in grado di comprimere l'aria in esso introdotta attraverso un condotto di ingresso (12), almeno una camera di combustione (14), in cui avviene la miscelazione di detta aria compressa con un combustibile gassoso (H) proveniente da un condotto di alimentazione (16), ed almeno una turbina (20), in grado di trasformare l'energia del gas proveniente da detta camera di combustione (14) in lavoro sfruttabile per azionare una o più macchine operatrici (22), caratterizzato dal fatto di comprendere almeno uno scambiatore di calore (30), posto lungo detto condotto di alimentazione (16) e in grado di riscaldare detto combustibile gassoso (H), ed uno o più strumenti (32) per la misurazione dell'indice di Wobbe di detto combustibile gassoso (H).
  5. 5. Apparato secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detti uno o più strumenti (32) sono realizzati sotto forma di calorimetri.
  6. 6. Apparato secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detti uno o più strumenti (32) sono realizzati sotto forma di gascromatografi.
  7. 7. Apparato secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detti uno o più strumenti (32) sono posti a monte e a valle di detto almeno uno scambiatore di calore (30).
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