ITPI20110122A1 - Impianto di produzione della carta a cogenerazione di energia e metodo di gestione relativo - Google Patents

Description

IMPIANTO DI PRODUZIONE DELLA CARTA A

COGENERAZIONE DI ENERGIA E METODO DI GESTIONE

RELATIVO

SETTORE TECNICO

La presente invenzione concerne un impianto di produzione della carta comprendente un sistema di cogenerazione di energia, in cui il sistema di cogenerazione di energia comprende turbine a gas e la sezione di seccheria dell’impianto comprende almeno una cappa di asciugatura.

La presente invenzione concerne anche un metodo di gestione di un sistema di cogenerazione di energia in un impianto di produzione della carta.

STATO DELL’ARTE

Sistemi di cogenerazione di energia sono installati in grandi impianti industriali in cui sono utilizzate macchine continue alle quali à ̈ necessario fornire sia energia elettrica che energia termica. Esistono varie tipologie di sistemi di cogenerazione quali i sistemi impieganti turbine a vapore, turbine a gas, sistemi combinati, a spillamento e anche alimentati da motori alternativi. La valutazione sul tipo di sistema che può convenire adottare tiene conto di diversi fattori tra i quali principalmente le potenze elettriche e termiche richieste ed in particolare il rapporto tra esse. I sistemi con turbine a gas sono molto flessibili, in quanto adatti per un ampio intervallo di potenze richieste e, rispetto ai sistemi con turbine a vapore, hanno un rapporto più basso tra energia termica prodotta ed energia elettrica prodotta.

Per quanto riguarda i settori applicativi, ad oggi, l’installazione di sistemi di cogenerazione à ̈ solitamente molto conveniente in impianti per la produzione di ceramiche, laterizi, pasta alimentare, carta, fibre tessili e tessuti.

Nei settori suddetti la presenza di sistemi di cogenerazione comporta numerosi vantaggi tra i quali: garanzia di copertura dei carichi elettrici anche in caso di mancanza di alimentazione dalla rete pubblica, facoltà di non installare gruppi elettrogeni, realizzazione di rilevanti risparmi energetici tramite un migliore sfruttamento delle fonti di energia, possibilità di disporre di acqua calda o surriscaldata per l’impiego in impianti ausiliari quali quello di acqua sanitaria, ed altri ancora.

In particolare sistemi di cogenerazione con turbine a gas sono ampiamente utilizzati per alimentare le macchine continue del settore cartario in quanto sono sistemi estremamente flessibili che permettono di essere installati in impianti che richiedono potenze da poche decine di kilowatt fino anche a 40MW. Nel settore cartario l’energia elettrica prodotta da un sistema di cogenerazione può essere vantaggiosamente sfruttata, ad esempio, per la preparazione ed il pompaggio dell’impasto e per la movimentazione del nastro cartaceo, mentre l’energia termica viene sfruttata principalmente nella seccheria. Tralasciando i dettagli, il foglio in entrata alla zona della seccheria presenta un'umidità di circa il 55-60% dovuta all’acqua legata alle fibre cartacee che non può più essere tolta con mezzi meccanici, per cui si passa all’asciugatura tramite evaporazione. Questa si ottiene ponendo il foglio a contatto di cilindri essiccatori, ovviamente rotanti, riscaldati con vapore. L’aderenza del nastro ai cilindri à ̈ garantita da feltri essiccatori detti anche (e più propriamente) tele essiccatrici. La zona della seccheria à ̈ racchiusa all’interno di una cappa di asciugatura tramite la quale si immette aria calda e si aspirano le fumane.

Lo sfruttamento dell’energia termica dei fumi delle turbine a gas del sistema di cogenerazione avviene solitamente alimentando un generatore di vapore che viene poi utilizzato in scambiatori di calore. Ad esempio, il vapore prodotto può essere utilizzato, oltre che nei cilindri essiccatori, anche per riscaldare l’aria, a temperatura ambiente o preriscaldata, che viene immessa nella zona della seccheria tramite la cappa di asciugatura. Tuttavia, il processo sopra delineato presenta dei limiti in quanto l’energia termica dei fumi di scarico delle turbine a gas non viene sfruttata completamente a causa dei rendimenti dei generatori di vapore e degli scambiatori di calore. Tale problema risulta ancor più accentuato quando la potenza elettrica richiesta al sistema di cogenerazione à ̈ molto bassa, ad esempio al di sotto dei 1000KW, per cui l’installazione di sistemi di cogenerazione di energia potrebbe diventare economicamente svantaggiosa se i relativi rendimenti non sono sufficientemente alti.

SINTESI DELL’INVENZIONE

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di proporre un impianto di produzione della carta comprendente un sistema di cogenerazione di energia a turbine a gas, che ottimizzi lo sfruttamento dell’energia termica prodotta dalle turbine a gas, in particolare per l’asciugatura della carta nella zona della seccheria.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ proporre un metodo di gestione di un sistema di cogenerazione di energia a turbine a gas integrato in un impianto di produzione della carta.

Gli scopi suddetti sono raggiunti per mezzo di un impianto di produzione di carta comprendente un sistema di cogenerazione di energia, in cui detto sistema di cogenerazione di energia comprende almeno una turbina a gas e detto impianto di produzione di carta comprende almeno una cappa di asciugatura (C) in corrispondenza di una sezione di seccheria, caratterizzato dal fatto che detta almeno una turbina a gas à ̈ del tipo che non utilizza fluidi viscosi per la lubrificazione ed il raffreddamento degli elementi rotanti, i fumi di scarico in uscita da detta almeno una turbina a gas essendo immessi in detta sezione di seccheria tramite un sistema di ventilazione di detta cappa di asciugatura.

Vantaggiosamente l’impianto comprende una condotta d’aria per il trasporto d’aria da un’apertura di scarico dei fumi di detta almeno una turbina a gas ad almeno un’apertura di immissione di aria di detta cappa di asciugatura, detta condotta d’aria comprendendo almeno un ventilatore.

Ancora vantaggiosamente la condotta d’aria comprende almeno una serranda di deviazione dei fumi ed almeno uno scambiatore di calore per innalzare la temperatura di detti fumi trasportati da detta condotta d’aria.

Detta almeno una turbina a gas ha vantaggiosamente una potenza massima nominale compresa tra 40 e 500kW.

Un impianto secondo la presente invenzione consente di ottimizzare il rendimento del sistema di cogenerazione di energia ad esso associato.

Secondo un altro aspetto della presente invenzione gli scopi suddetti sono raggiunti anche per mezzo di un metodo di gestione di un sistema di cogenerazione di energia comprendente almeno una turbina a gas in un impianto di produzione di carta comprendente almeno una cappa di asciugatura atta ad immettere aria calda in una sezione di seccheria di detto impianto, ed aspirare quindi fumane di scarico di detta sezione di seccheria, detto impianto comprendendo almeno una sonda d’umidità associata a detta cappa di asciugatura ed almeno un’unità di controllo caratterizzata dal fatto che detta unità di controllo regola detta almeno una turbina a gas in funzione di una umidità desiderata pre-impostata di detta carta e di una umidità di detta carta rilevata da detta sonda d’umidità.

Vantaggiosamente detta unità di controllo regola la portata e/o la temperatura dei fumi in uscita da detta almeno una turbina a gas. In particolare detta regolazione avviene tramite regolazione della portata di gas di alimentazione di detta almeno una turbina e/o variazione del numero di giri di almeno un albero rotante di detta almeno una turbina a gas.

Ancora vantaggiosamente detta unità di controllo regola la velocità di rotazione di detti ventilatori in funzione dei parametri di regolazione di dette turbine a gas.

Ancora vantaggiosamente detta unità di controllo regola l’attivazione di detto scambiatore di calore per aumentare la temperatura di detti fumi in funzione almeno dei parametri di regolazione e di curve caratteristiche di funzionamento di dette turbine a gas.

Grazie al metodo sopra delineato il sistema di cogenerazione viene regolato automaticamente per ottenere il valore di umidità della carta desiderato ottimizzando al contempo il rendimento del sistema di cogenerazione stesso.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Queste ed altre caratteristiche dell’invenzione risulteranno più facilmente comprensibili dalla seguente descrizione di forme realizzative preferite dell’invenzione, fornite come esempi non limitativi, con riferimento alle figure allegate nelle quali:

- la figura 1 mostra uno schema a blocchi di una porzione di un impianto di produzione della carta comprendente un sistema di cogenerazione di energia secondo la presente invenzione;

- la figura 2 mostra uno schema a blocchi di un sistema di controllo di un impianto secondo la presente invenzione. DESCRIZIONE DELLE FORME REALIZZATIVE PREFERITE

In fig. 1 à ̈ rappresentata una porzione di un impianto di produzione di carta comprendente un sistema di cogenerazione di energia secondo la presente invenzione. L’impianto comprende una cappa di asciugatura, C, prevista in una sezione di seccheria dell’impianto. Alla sezione di seccheria arriva materiale cartaceo, N, proveniente dalla sezione presse della macchina continua, avente un’umidità mediamente compresa tra il 55% ed il 60% e ne esce lo stesso materiale cartaceo essiccato che deve avere un’umidità che si attesta intorno al 3% e che a questo punto può essere ribobinato o lasciato in fogli per proseguire il ciclo di produzione. La cappa di asciugatura C della sezione di seccheria à ̈ provvista di sezioni di ingresso di aria calda e di sezioni di uscita di fumane.

L’impianto à ̈ provvisto di un sistema di cogenerazione di energia che prevede l’utilizzo di turbine a gas, T1, T2,…,Tn, associate a rispettivi generatori elettrici, G1, G2, …, Gn. Le turbine a gas utilizzate in un sistema di cogenerazione associato all’impianto della presente invenzione non utilizzano fluidi viscosi per la lubrificazione ed il raffreddamento della parti rotanti, in modo tale che fluidi viscosi non possono andare a contaminare i fumi di scarico. Vantaggiosamente le micro-turbine a gas sono provviste di mezzi di supporto delle parti rotanti ad aria o altro gas. Inoltre, vantaggiosamente sono usate turbine capaci di erogare una potenza elettrica nominale massima compresa tra 10KW e 500KW. I fumi in uscita dalle turbine, ai valori di massima potenza nominale, hanno una temperatura compresa tra 250°C e 400°C, una portata compresa tra 0,1Kg/s e 10Kg/s ed una concentrazione di ossidi di azoto (NOx) molto bassa, comunque inferiore a 50mg/m<3>.

Una condotta d’aria, 100, raccoglie i fumi di scarico in uscita dalle turbine a gas e li porta alle aperture di ingresso dell’aria della cappa di asciugatura C. La condotta d’aria 100 à ̈ anche connessa alle aperture di scarico delle fumane della cappa di asciugatura C per far ricircolare le fumane nella condotta d’aria 100 verso la cappa di asciugatura o per espellere le fumane in atmosfera.

Lungo la condotta d’aria 100 sono presenti mezzi di movimentazione dell’aria. In particolare si trovano un ventilatore di rilancio, 110, che spinge i fumi di scarico in uscita dalle turbine verso la cappa di asciugatura, un ventilatore di ricircolo, 120, per spingere verso la cappa di asciugatura C anche le fumane provenienti da un ramo di ricircolo, 130, un ventilatore di asciugatura dei bordi carta, 140, che regola specificamente l’immissione di aria in aperture della cappa di asciugatura C per l’immissione di aria in prossimità delle porzioni di bordo della carta, ed un ventilatore di estrazione, 150, per l’estrazione delle fumane dalla cappa di asciugatura C e l’invio delle stesse a scambiatori di calore, per l’ulteriore recupero di energia o direttamente in atmosfera.

Ulteriori componenti del sistema dislocati lungo la condotta d’aria 100 sono: una serranda di deviazione, 160 che, posta a valle del ventilatore di rilancio 110 permette di deviare verso scambiatori di calore o in atmosfera i fumi provenienti dalle turbine nel caso che venga rilevata un’eccessiva contropressione potenzialmente dannosa; uno scambiatore di calore, 170, alimentato da una linea di vapore, 180, su cui à ̈ presente una valvola di regolazione, 185, per mettere in funzione lo scambiatore di calore nel caso che la temperatura dei fumi sia troppo bassa e debba essere aumentata; ed una serranda di parzializzazione dell’aria di estrazione, 135, posta nel ramo di ricircolo 130 per determinare la portata di fumane che vengono fatte ricircolare nella condotta d’aria 100.

Vantaggiosamente la condotta d’aria 100 comprende anche ulteriori componenti di tecnica nota che per semplicità non sono stati rappresentati. Sono presenti, ad esempio, valvole di non ritorno dei fumi in uscita dalle turbine, un collettore dei fumi in uscita dalle turbine, filtri in ingresso ed in uscita dai vari componenti sopra menzionati dislocati lungo la condotta d’aria 100 ed i mezzi di comando e di azionamento dei suddetti componenti.

Nell’impianto della presente invenzione i fumi di scarico delle turbine a gas T1, T2, …, Tn, sono immessi direttamente nella sezione di seccheria tramite i mezzi di ventilazione della cappa di asciugatura C, determinando un’ottimizzazione dello sfruttamento dell’energia termica dei fumi.

Come già accennato, quella rappresentata à ̈ solo una porzione dell’impianto di produzione della carta e del sistema di cogenerazione di energia ad esso associato e tale porzione può essere collegata in vario modo con le altre porzione degli stessi. I fumi in uscita dalle turbine a gas potrebbero avere ulteriori utilizzi oltre quello di essere immessi nelle aperture dei mezzi di ventilazione della cappa di asciugatura C. Potrebbero essere presenti più cappe di asciugatura.

I vantaggi di ottimizzazione del rendimento energetico di un impianto di produzione della carta con sistema di cogenerazione di energia della presente invenzione risultano ancora maggiori in virtù del metodo di gestione dello stesso della presente invenzione che viene di seguito descritto con riferimento alla fig. 2.

Una unità di controllo, 200, riceve in ingresso una serie di parametri di funzionamento del sistema, ed in base ad essi gestisce l’impianto di produzione, ed in particolare il sistema di cogenerazione ad esso associato.

L’unità di controllo riceve valori rilevati di umidità da una o più sonde d’umidità, 210, associate alla cappa di asciugatura C.

Vantaggiosamente à ̈ presente almeno una sonda d’umidità della carta ed il valore d’umidità della carta rilevato da tale sonda viene confrontato con un valore di umidità della carta desiderato preimpostato. In base a tale confronto l’unità di controllo 200 esegue le regolazioni come nel seguito descritte.

Oltre alla sonda d’umidità della carta potrebbero essere associate alla cappa C ulteriori sonde d’umidità, ad esempio dei fumi in ingresso alla cappa e delle fumane estratte dalla cappa. Inoltre, potrebbero essere previste due sonde d’umidità della carta, una all’ingresso della cappa d’asciugatura C ed una in uscita dalla cappa stessa.

Ulteriori parametri in ingresso, 220, all’unità di controllo 200, da essa utilizzati per eseguire le regolazioni potrebbero essere, ad esempio, valori di temperatura in varie zone della cappa d’asciugatura C e della condotta d’aria 100, o altri parametri di funzionamento dei vari componenti dislocati lungo la condotta d’aria 100 o in altre porzioni adiacenti dell’impianto.

Vantaggiosamente, oltre all’unità di controllo generale 200, sono presenti una unità di controllo delle turbine, 230, ed un’unità di controllo dei ventilatori di rilancio e di estrazione, 240.

L’unità di controllo delle turbine 230 si interfaccia con un quadro elettrico di rete, Q, e regola la portata di gas di alimentazione alle turbine tramite apposito compressore (non illustrato) e/o il numero di giri di almeno un albero rotante delle stesse nel caso che le turbine siano disaccoppiate meccanicamente dall’alternatore o che siano di tipo bialbero.

La regolazione delle turbine viene eseguita tenendo conto delle loro curve caratteristiche di funzionamento e dei valori di umidità rilevati da detta almeno una sonda d’umidità 210. Vantaggiosamente la regolazione delle turbine viene eseguita tenendo conto anche degli ulteriori parametri in ingresso 220 all’unità di controllo 200 e delle regolazioni eseguite sugli altri componenti del sistema.

In pratica, nel caso che l’umidità della carta rilevata dalla sonda d’umidità 210 sia superiore al valore di umidità della carta preimpostato l’unità di controllo regola le turbine per aumentare la portata e/o la temperatura dei fumi all’uscita dalle stesse. Nel caso che l’umidità della carta rilevata dalla sonda d’umidità 210 sia inferiore al valore di umidità della carta pre-impostato l’unità di controllo regola le turbine per diminuire la portata e/o la temperatura dei fumi all’uscita dalle stesse.

L’unità di controllo dei ventilatori di rilancio e di estrazione 240 regola la velocità di rotazione del ventilatore di rilancio 110 e del ventilatore di estrazione 150 in funzione dei comandi ricevuti dall’unità di controllo 200, i quali dipendono dai parametri di ingresso 210 e 220 e dalla regolazione delle turbine.

L’unità di controllo 200 regola la velocità di rotazione del ventilatore di ricircolo 120, l’apertura della serranda, 135, di parzializzazione dell’aria di estrazione e di ingresso di aria fresca, la velocità di rotazione del ventilatore di asciugatura dei bordi della carta, 140, e l’apertura della serranda di deviazione dei fumi, 160.

L’unità di controllo 200 regola inoltre la linea di vapore 180, ed in particolare la valvola 185 per azionare lo scambiatore di calore 170 nel caso che la temperatura dei fumi scenda sotto un valore desiderato.

Secondo il metodo della presente invenzione quando l’umidità della carta rilevata dalla sonda d’umidità 210 à ̈ superiore ad un valore di umidità della carta pre-impostato l’unità di controllo 200 regola le turbine per aumentare la portata e/o la temperatura dei fumi all’uscita dalle stesse. Quando l’umidità della carta rilevata dalla sonda d’umidità 210 à ̈ inferiore ad un valore di umidità della carta preimpostato l’unità di controllo 200 regola le turbine per diminuire la portata e/o la temperatura dei fumi all’uscita dalle stesse.

Vantaggiosamente, se la regolazione delle turbine comporta una regolazione al di fuori di un intervallo di rendimento pre-definito, deducibile da curve caratteristiche di funzionamento delle turbine, le turbine vengono regolate per rimanere entro il suddetto intervallo di rendimento e l’energia termica mancante o in eccesso viene ottenuta, o smaltita, tramite regolazione della valvola 185 della linea di vapore 180, e/o tramite regolazione della serranda di deviazione 160, e/o tramite regolazione della serranda di parzializzazione dell’aria di estrazione, 135, e/o tramite regolazione dei ventilatori 110, 120, 140, 150.

Vantaggiosamente, la regolazione delle turbine viene eseguita in funzione di parametri di ingresso dell’unità di controllo 200 che comprendono l’umidità dei fumi in ingresso alla cappa C, e/o l’umidità delle fumane estratte dalla cappa C, e/o la temperatura dei fumi in ingresso alla cappa C, e/o la temperatura delle fumane estratte dalla cappa C.

Grazie al metodo sopra descritto il sistema di cogenerazione viene regolato automaticamente per ottenere il valore di umidità della carta desiderato ottimizzando al contempo il rendimento del sistema di cogenerazione stesso.

Oltre a quelle descritte, ulteriori varianti o modifiche possono essere apportate all’impianto dell’invenzione ed al metodo di gestione dello stesso secondo la presente invenzione, pur sempre rimanendo all’interno dell’ambito di protezione definito dalle rivendicazioni seguenti.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Impianto di produzione di carta comprendente un sistema di cogenerazione di energia, in cui detto sistema di cogenerazione di energia comprende almeno una turbina a gas (T1, T2, Tn) e detto impianto di produzione di carta comprende almeno una cappa di asciugatura (C) in corrispondenza di una sezione di seccheria, caratterizzato dal fatto che detta almeno una turbina a gas (T1, T2, Tn) Ã ̈ del tipo che non utilizza fluidi viscosi per la lubrificazione ed il raffreddamento degli elementi rotanti, i fumi di scarico in uscita da detta almeno una turbina a gas (T1, T2, Tn) essendo immessi in detta sezione di seccheria tramite un sistema di ventilazione di detta cappa di asciugatura (C).
2. 2. Impianto di produzione di carta secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di comprendere una condotta d’aria (100) per il trasporto d’aria da un’apertura di scarico dei fumi di detta almeno una turbina a gas (T1, T2, Tn) ad almeno un apertura di immissione di aria di detta cappa di asciugatura (C), detta condotta d’aria (100) comprendendo almeno un ventilatore (110, 120, 140, 150).
3. 3. Impianto di produzione di carta secondo la rivendicazione 1 o 2 caratterizzato dal fatto che detta condotta d’aria (100) comprende almeno una serranda di deviazione (160) dei fumi.
4. 4. Impianto di produzione di carta secondo una della rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detta condotta d’aria comprende almeno uno scambiatore di calore (170) per innalzare la temperatura di detti fumi trasportati da detta condotta d’aria (100).
5. 5. Impianto di produzione di carta secondo una della rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detta almeno una turbina a gas (T1, T2, Tn) ha potenza massima nominale compresa tra 40 e 500kW.
6. 6. Metodo di gestione di un sistema di cogenerazione di energia comprendente almeno una turbina a gas (T1, T2, Tn) in un impianto di produzione di carta comprendente almeno una cappa di asciugatura (C) atta ad immettere aria calda in una sezione di seccheria di detto impianto, ed aspirare quindi fumane di scarico di detta sezione di seccheria, detto impianto comprendendo almeno una sonda d’umidità (210) associata a detta cappa di asciugatura ed almeno un’unità di controllo (200) caratterizzato dal fatto che detta unità di controllo (200) regola detta almeno una turbina a gas (T1, T2, Tn) in funzione di una umidità desiderata pre-impostata di detta carta e di una umidità di detta carta rilevata da detta sonda d’umidità (210).
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che detta unità di controllo (200) regola la portata e/o la temperatura dei fumi in uscita da detta almeno una turbina a gas (T1, T2, Tn).
8. 8. Metodo secondo la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che detta regolazione avviene tramite regolazione della portata di gas di alimentazione di detta almeno una turbina a gas e/o variazione del numero di giri di almeno un albero rotante di detta almeno un turbina a gas (T1, T2, Tn).
9. 9. Metodo secondo la rivendicazione 6 o successive caratterizzato dal fatto che detta unità di controllo (200) regola la velocità di rotazione di detti ventilatori in funzione dei parametri di regolazione di dette turbine a gas (T1, T2, Tn).
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 6 o successive caratterizzato dal fatto che detta unità di controllo (200) regola l’attivazione di detto scambiatore di calore (170) per aumentare la temperatura di detti fumi in funzione almeno dei parametri di regolazione e di curve caratteristiche di funzionamento di dette turbine a gas (T1, T2, Tn).