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rapporti - Deliverable

2.5.2.3-Ottimizzazione teorica e sperimentale del controllo e della regolazione di cicli EFCC

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2.5.2.3-Ottimizzazione teorica e sperimentale del controllo e della regolazione di cicli EFCC

La tecnologia della combustione indiretta o esterna (IFGT; Indirect Fired Gas Turbine) si prospetta come una delle opzioni di interesse per l’utilizzo pulito del carbone, in quanto concettualmente più semplice del ciclo IGCC ed applicabile anche per taglie di impianto medio-piccole. All’interno del Progetto GEN21, finanziato dalla Ricerca di Sistema è studiata la tecnologia della combustione esterna applicata ai cicli combinati (il ciclo cosiddetto EFCC, Externally Fired Combined Cycle), finalizzata all’utilizzo dei combustibili a basso costo, quali il carbone. La tecnologia EFCC rappresenta quindi una soluzione fortemente strategica per il sistema elettrico nazionale, rispetto agli obiettivi di diversificazione del combustibile e dell’incremento dell’efficienza energetica. Allo stato, gli aspetti più critici per lo sviluppo industriale della tecnologia risultano essere: • lo scambiatore di calore da alta temperatura che deve essere realizzato in materiale ceramico; • il combustore; • il sistema di regolazione e controllo. Le attività della ricerca, a completamento di una linea di sviluppo progettuale e realizzativa avviata nel 1° periodo di Ricerca di Sistema (Progetto EVINGEN, Sottoprogetto GENIN, attività EFCC, vedi Rapporto Finale CESI A3/021917 del Giugno 2003), prevedono: • prova, su circuito appositamente realizzato, dei componenti più critici di questa tecnologia (il sistema di scambio termico di tipo ceramico e metallico ed il combustore adiabatico ad alta temperatura); • analisi della integrazione in un sistema di generazione attraverso l’accoppiamento di una microturbina ed analisi delle problematiche di controllo e regolazione. Per lo studio delle problematiche di controllo e regolazione è stata definita ed attivata una specifica collaborazione di ricerca con Ansaldo Ricerche s.r.l. che, disponendo di uno specifico rig sperimentale simulante la configurazione integrata EFCC con microturbina, permette un adeguato svolgimento della ricerca senza dover duplicare infrastrutture sperimentali rilevanti. L’attività sperimentale svolta ha permesso da un lato di verificare la fattibilità del controllo di un impianto a combustione esterna ed in particolare l’efficacia della filosofia di controllo messa a punto in fase di progettazione e dall’altro ha permesso la taratura e la verifica del modello matematico realizzato dimostrandone la rispondenza, in termini di comparazione tra dati sperimentali e numerici, con l’impianto reale.

Gli obiettivi principali delle prove sperimentali sono stati i seguenti: • messa a punto dei parametri di controllo dei regolatori dell’impianto; • verifica delle prestazioni del sistema di controllo dell’impianto; • messa a punto del modello matematico dell’impianto; • validazione del modello matematico dell’impianto. A tale fine sono state definite e realizzate alcune tipologie di prove, sia statiche che dinamiche, in grado di verificare tutti gli obiettivi di cui sopra. In particolare sono state considerate come base per la realizzazione di tutte le prove sperimentali tre principali configurazioni di riferimento: • ciclo in configurazione diretta; • ciclo in configurazione indiretta parziale; • ciclo in configurazione indiretta completa. In realtà, causa un valore di contropressione allo scarico della turbina troppo elevato, non si è potuto aumentare più di tanto il contributo termico della camera di combustione esterna, rimanendo quindi sempre in una condizione di configurazione indiretta parziale (camera combustione interna sempre attiva). La configurazione indiretta completa è stata di fatto compresa in una prova a configurazione indiretta parziale in cui le condizioni di esercizio dell’impianto sono state portate ai propri limiti operativi. Dall’attività teorico-sperimentale effettuata si può concludere che: • i risultati sperimentali, che devono essere interpretati soprattutto sotto l’aspetto qualitativo, sono da ritenersi positivi; essi hanno dimostrato la fattibilità del controllo di un impianto a combustione esterna ed in particolare l’efficacia della filosofia di controllo messa a punto in fase di progettazione; • il modello matematico dell’impianto rappresenta adeguatamente, sia in condizioni stazionarie che transitorie, l’impianto sperimentale; esso può quindi essere utilizzato come un utile strumento per la simulazione dell’impianto stesso. Le regolazioni messe a punto (regolazione veloce + regolazione lenta) hanno dimostrato qualitativamente la loro validità progettuale consentendo da un lato di controllare efficacemente il numero di giri della turbina a fronte di eventuali disturbi imposti dall’esterno (variazioni del carico elettrico) e dall’altro di ottimizzare le diverse condizioni di regime variando la potenza del bruciatore della camera di combustione esterna. In conclusione il sistema di controllo e regolazione studiato e messo a punto costituisce un elemento fondamentale per lo sviluppo della tecnologia EFCC; esso è utilizzabile per sperimentazioni su impianti pilota di taglia più elevata. Nel corso dell’attività di ricerca, sono stati predisposti i seguenti rapporti di dettaglio:

• Impianto Sperimentale IFGT. Descrizione e Predisposizione del Circuito di Prova per Ottimizzazione Teorico-Sperimentale del Controllo e della Regolazione di Cicli Turbogas a Combustione Esterna (EFC) (allegato al Rapporto CESI A4508065). • Impianto sperimentale IFGT. Descrizione delle Verifiche Funzionali e delle Prove Sperimentali effettuate sul Circuito di Prova per Ottimizzazione Teorico-Sperimentale del Controllo e della Regolazione di Cicli Turbogas a Combustione Esterna (EFC) (allegato al presente Rapporto CESI) • Impianto sperimentale IFGT. Descrizione del Modello Matematico del Circuito di Prova e della relativa Simulazione Numerica per Ottimizzazione Teorico-Sperimentale del Controllo e della Regolazione di Cicli Turbogas a Combustione Esterna (EFC) (allegato al presente Rapporto CESI) • EFmGT_ Transient Simulator Software. Manuale sintetico per l’utente (allegato al presente Rapporto CESI)

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