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Simulazione numerica a supporto dell’esercizio flessibile degli impianti termoelettrici

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Simulazione numerica a supporto dell’esercizio flessibile degli impianti termoelettrici

Il modello numerico basato sul metodo degli elementi finiti (FEM) del rotore di una turbina a vapore (TV) da 320 MWe è utilizzato per simulare l’avviamento da freddo, privo della sosta a 2000 giri/min. Il conseguente consumo di vita del rotore è calcolato combinando i risultati della simulazione termomeccanica con la legge di danno derivata da prove sperimentali di fatica termomeccanicaeffettuate sul materiale del rotore. Il modello FEM, alimentato dai risultati del simulatore di un impianto a ciclo combinato, è utilizzato anche per l’analisi termomeccanica e il calcolo del consumo di vita del rotore della TV a seguito di ampie variazioni di potenza (dal 100 % al 30 % e viceversa) della turbina agas (TG), eseguite con diversi gradienti.

Ad integrazione dell’analisi di sensibilità del consumo di vita del rotore di una turbina a vapore (TV) al variare della durata e delle modalità di avviamento eseguita nel precedente periodo di Ricerca di Sistema, si è simulato un avviamento da freddo della TV, caratterizzato dalla eliminazione della sosta di rullaggio a 2000 giri/min. L’applicazione della correlazione di danno derivata da prove sperimentali, per questo transitorio, dà una ripetibilità di 128 cicli, decisamente pochi per un ciclo combinato in esercizio flessibile.

Inoltre, con un simulatore di un impianto a ciclo combinato si sono simulate variazioni di potenza della turbina a gas (TG) dal 100% al 30% con diversi gradienti: 15 MW/min, 30 MW/min e 60 MW/min. Il primo è il gradiente di potenza usuale per cicli combinati eserciti in base load con TG relativamente recenti che non hanno subito aggiornamenti tecnici. Il secondo corrisponde al gradiente attualmente utilizzato da impianti che partecipano al mercato dei servizi di rete e le cui turbine a gas godono degli ultimi aggiornamenti offerti dal mercato. Infine, l’ultimo gradiente rappresenta un desiderata da parte di chi gestisce la rete elettrica, ma non comunemente disponibile anche per turbine di ultimissima generazione.

Le risposte fornite dal simulatore, opportunamente scalate, sono state utilizzate per definire le condizioni al contorno per il modello FEM della TV ed eseguire l’analisi termomeccanica conseguente che, unitamente alla correlazione con la legge di danno, consente di determinare il corrispondente consumo di vita del rotore.

I tipi di transitorio simulati sono due: il primo è una discesa di potenza al minimo tecnico con sosta breve (1 ora complessiva fra rampa di discesa e sosta) e risalita alla potenza nominale; il secondo discesa al minimo tecnico, sosta prolungata (6 ore complessive fra rampa di discesa e sosta) e risalita alla potenza nominale. L’ipotesi sottesa alla scelta di questi transitori è che il caso di sosta breve sia assimilabile ad una discesa giornaliera programmata, seguita da una repentina richiesta di potenza conseguente, ad esempio, all’arrivo anticipato, rispetto alle previsioni, di una perturbazione che fa crollare la produzione fotovoltaica, o ad un improvviso calo del vento che rende indisponibile parte della produzione eolica. Il caso di sosta al minimo prolungata può invece essere assimilata alla discesa mattutina per dare spazio alla produzione fotovoltaica, seguita dalla risalita al calar del sole per coprire la produzione fotovoltaica che viene a mancare.

La simulazione del primo tipo di transitorio è stata ripetuta variando il setpoint del gradiente di potenza (15 MW/min, 30 MW/min, 60 MW/min) assegnato nel modello del sistema di controllo della turbina a gas. Per effetto dell’inerzia termica della caldaia a recupero, il gradiente della potenza della turbina a vapore non segue direttamente il gradiente della turbina a gas, e ne risulta, in pratica, insensibile per gradienti di potenza della turbina a gas superiori a 30 MW/min.

Infine, l’analisi termomeccanica del rotore della turbina a vapore per i diversi tipi di transitori, evidenzia che il prolungamento della sosta al minimo tecnico determina un maggiore consumo di vita del rotore della turbina a vapore, giustificato dal fatto che lo stato del rotore dipende dalla durata della sosta, durante la quale il campo termico tende verso condizioni stazionarie minime.

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