ITMI20071048A1 - Metodo per il controllo delle dinamiche di pressione e per la stima del ciclo di vita della camera di combustione di una turbina a gas - Google Patents

Metodo per il controllo delle dinamiche di pressione e per la stima del ciclo di vita della camera di combustione di una turbina a gas Download PDF

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Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale
La presente invenzione si riferisce ad un metodo per il controllo delle dinamiche di pressione e per la stima del ciclo di vita della camera di combustione di una turbina a gas.
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.
Le attuali metodologie per il controllo delle dinamiche di pressione della camera di combustione di una turbina a gas prevedono che sia intrapresa una determinata azione di salvaguardia soltanto dopo che una sollecitazione avente uno specifico livello di ampiezza si sia verificata per un certo intervallo di tempo. In aggiunta, viene preso in considerazione soltanto un numero limitato di ampiezze critiche, mentre gli intervalli di tempo sono stabiliti sulla base di stime dettate dall'esperienza.
Il risultato che si ottiene è che l'azione tesa a salvaguardare l'integrità della camera di combustione e, di conseguenza, della turbina viene intrapresa soltanto oltre una certa soglia di fatica, mentre il ciclo di vita a fatica dei componenti della turbina stessa può terminare anche al di sotto di tale soglia. Come è noto, la fatica è un fenomeno meccanico per cui un materiale sottoposto a carichi variabili nel tempo, in maniera regolare o casuale, si danneggia fino a rottura, nonostante l'intensità massima dei carichi in questione sia sensibilmente inferiore a quella di rottura o di snervamento statico del materiale stesso.
Scopo della presente invenzione è pertanto quello di realizzare un metodo per il controllo delle dinamiche di pressione e per la stima del ciclo di vita della camera di combustione di una turbina a gas in grado di stabilire, sulla base di misurazioni delle oscillazioni di pressione ed utilizzando particolari strumenti di controllo e di stima, la soglia di fatica ammissibile per la camera di combustione stessa, permettendo di intraprendere le dovute azioni di salvaguardia all'insorgenza di incrementi di pressione eccessivi.
Un altro scopo dell'invenzione è quello di realizzare un metodo per il controllo delle dinamiche di pressione e per la stima del ciclo di vita della camera di combustione di una turbina a gas in cui sia possibile, sulla base dei dati rilevati, l'ottimizzazione degli intervalli di manutenzione sui componenti della camera di combustione stessa.
Questi scopi secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando un metodo per il controllo delle dinamiche di pressione e per la stima del ciclo di vita della camera di combustione di una turbina a gas come esposto nella rivendicazione 1.
Ulteriori caratteristiche dell'invenzione sono evidenziate dalle rivendicazioni successive.
Le caratteristiche ed i vantaggi di un metodo per il controllo delle dinamiche di pressione e per la stima del ciclo di vita della camera di combustione di 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 a cui è possibile applicare un metodo per il controllo delle dinamiche di pressione e per la stima del ciclo di vita della camera di combustione secondo la presente invenzione;
la figura 2 mostra un diagramma che mette in relazione tra loro un numero determinato di cicli di sollecitazione misurati e determinati valori di ampiezza; e
la figura 3 mostra un confronto tra i valori di figura 2 e la funzione ottenuta approssimando tali valori mediante una regressione esponenziale.
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.
Il metodo per il controllo delle dinamiche di pressione e per la stima del ciclo di vita della camera di combustione 14 secondo la presente invenzione prevede la correlazione tra le ampiezze delle sollecitazioni, dovute agli incrementi di pressione che si verificano all'interno della camera di combustione 14 stessa, ed i tempi di persistenza (cicli) di tali sollecitazioni per mezzo della ben nota curva di Wohler.
La curva di Wohler è un grafico su base statistica che mette in relazione l'ampiezza massima di un ciclo di fatica con il numero di cicli che un determinato materiale sopporta prima della rottura ad una prefissata probabilità. La sua costruzione avviene ricostruendo in laboratorio un determinato ciclo di sollecitazione con una determinata ampiezza che viene applicato ad un elevato numero di provini, annotando il numero di cicli che essi sopportano prima della rottura. I provini, pur sottoposti allo stesso carico, non si romperanno tutti dopo lo steso numero di cicli, ma si avrà una dispersione dei risultati. L'esperienza dimostra che tale dispersione avviene secondo una distribuzione normale. Successivamente si ripete la stessa serie di esperimenti a diversi valori di ampiezza e si annota per ogni distribuzione che si ottiene il valore medio del numero di cicli prima di rottura.
La curva che congiunge tutti i valori medi ad ogni ampiezza di sollecitazione è la curva di Wohler al 50% di probabilità di rottura. Questo significa che, riguardo ai provini testati, esiste una probabilità del 50% che essi, sottoposti ad un ciclo di carico di ampiezza determinata, si rompano prima di raggiungere il numero di cicli delimitato dalla curva di Wohler.
Il metodo secondo l'invenzione prevede quindi l'effettuazione di una serie di test, per mezzo di una o più sonde 30 poste in corrispondenza della camera di combustione 14, per la misura diretta ed in tempo reale dell'ampiezza delle oscillazioni di pressione all'interno della camera di combustione 14 stessa. Le misurazioni vengono utilizzate per determinare il "carico cumulativo", vale a dire la quantità di tempo trascorso al di sopra di ciascun livello di ampiezza significativo. Il ciclo di vita a fatica già trascorso viene calcolato per mezzo della ben nota ipotesi di Palmgren-Miner, considerando tutte le ampiezze e i relativi consumi del ciclo di vita a fatica.
Quando il danno cumulativo D, definito nel seguito, supera un certo valore predefinito, viene comandato lo spegnimento della turbina e si effettua un'ispezione dell'impianto. In tal modo, considerando tutti i contributi di tutte le ampiezze dei cicli di fatica, si può ottenere una stima corretta del ciclo di vita a fatica residuo.
Operativamente, secondo un esempio di applicazione del metodo secondo l'invenzione, si valuta il comportamento in condizioni di fatica della camera di combustione 14, costruendo la curva di Wohler per un dato materiale che compone la camera di combustione 14 stessa e per una frequenza di combustione di 400 Hz. Per quattro differenti livelli di ampiezza, considerati da picco a picco, vengono individuati quattro punti che consentono di costruire un abbozzo di curva di Wohler (figura 2) in base ai seguenti dati:
Per misurare il danno cumulativo D alla camera di combustione 14 durante il funzionamento in condizioni di fatica della turbina si utilizza l'ipotesi di Palmgren-Miner, che asserisce che la frazione di danno ad un qualunque livello di tensione è linearmente proporzionale al rapporto tra il numero di cicli di funzionamento ed il numero totale di cicli che produrrebbe il cedimento a quel livello di tensione, cioè:
dove il termine D rappresenta il danno cumulativo, il termine N±rappresenta la vita residua e viene derivato dalla curva di Wohler e il termine rii viene misurato. Con k si indica il numero di livelli di ampiezza, N±è il numero di cicli necessario per arrivare a rottura all'i-esimo livello di ampiezza e ni è il numero di cicli trascorsi all'i-esimo livello di ampiezza.
I valori riportati in figura 2 possono essere approssimati con una regressione esponenziale dei valori dei cicli e delle ampiezze, come si vede nel grafico di figura 3, ottenendo la seguente funzione risultante :
( )
Per determinare i valori di A/i è necessario calcolare la funzione inversa, vale a dire
Viene quindi creato un vettore che rappresenta la vita residua, in termini di cicli, per le diverse ampiezze considerate :
La vita residua del combustore 14 è pertanto rappresentata da un vettore contenente i valori di N±derivati per mezzo dell'ipotesi di Palmgren-Miner. A questo punto, un contatore misurerà il tempo trascorso tra due livelli di ampiezza consecutivi i e i+1 , ad esempio pari a valori di pressione di 2 psi e 3 psi. L'intervallo di tempo misurato viene quindi attribuito all'i-esimo livello di ampiezza e viene moltiplicato per 400 Hz per ottenere il valore di n±all' (i+1)-esimo livello. Dividendo n±per N±ed effettuando la sommatoria, si ottiene infine il valore del danno cumulativo D.
Per il danno cumulativo D viene impostato un valore di soglia pari a 0,1. Quando D supera tale valore di soglia, la turbina viene messa in condizioni operative di fiamma diffusiva, vale a dire un tipo di funzionamento con minori livelli di oscillazione di pressione all'interno della camera di combustione 14 ma con maggiori emissioni inquinanti.
Secondo un esempio di applicazione preferito, il software di controllo della turbina sarà in grado di utilizzare direttamente la funzione continua g(y) per il calcolo della vita residua, senza la necessità di discretizzare il vettore vita residua precedentemente esposto.
Si è così visto che il metodo per il controllo delle dinamiche di pressione e per la stima del ciclo di vita della camera di combustione di una turbina a gas secondo la presente invenzione realizza gli scopi in precedenza evidenziati, in quanto consente una corretta valutazione della vita a fatica residua della camera di combustione stessa per migliorare le prestazioni della turbina, permettendo di intraprendere specifiche azioni di salvaguardia soltanto quando strettamente necessario.
Il metodo per il controllo delle dinamiche di pressione e per la stima del ciclo di vita della camera di combustione di una turbina a gas della presente invenzione così concepito è suscettibile 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 (4)

  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 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 una o più sonde (30) poste in corrispondenza di detta camera di combustione (14), l'ampiezza delle oscillazioni di pressione all'interno di detta camera di combustione (14) e il tempo di persistenza o ciclo di dette oscillazioni; • valutare il comportamento in condizioni di fatica di detta camera di combustione (14), costruendo la curva di Wohler per un dato materiale che compone detta camera di combustione (14), per una frequenza di combustione predefinita e per detti valori di ampiezza e di ciclo delle oscillazioni di pressione misurati; • misurare il danno cumulativo (D) a detta camera di combustione (14) durante il funzionamento in condizioni di fatica di detta turbina per mezzo dell'ipotesi di Palmgren-Miner, detta ipotesi di Palmgren-Miner essendo definita come:
    dove: D = danno cumulativo; k = numero di livelli di ampiezza; N±= numero di cicli necessario per arrivare a rottura all'i-esimo livello di ampiezza, derivato da detta curva di Wohler; η±= numero di cicli trascorsi all'iesimo livello di ampiezza; • intraprendere azioni di salvaguardia di detta turbina al superamento di detto valore del danno cumulativo (D) misurato.
  2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre la fase di approssimare, con una regressione esponenziale f (x) , detti valori dei cicli e delle ampiezze misurati.
  3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, comprendente inoltre la fase di calcolare la funzione inversa g (x) di detta regressione esponenziale f (x) per la determinazione di detto numero di cicli (Ni).
  4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui dette azioni di salvaguardia comprendono la fase di mettere detta turbina in condizioni operative di fiamma diffusiva, riducendo le oscillazioni di pressione all'interno di detta camera di combustione (14).
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