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La diagnostica della fiamma per l’ottimizzazione energetica delle caldaie: sperimentazione in campo.

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La diagnostica della fiamma per l’ottimizzazione energetica delle caldaie: sperimentazione in campo.

L’attività di diagnostica della combustione a livello di singolo bruciatore, avviata nel 2000 nell’ambito del sottoprogetto PRESTGEN, ha condotto dapprima alla positiva verifica della fattibilità del principio mediante prove di laboratorio [1]. In particolare è stato progettato e realizzato un prototipo di rivelatore di fiamma finalizzato ad effettuare anche l’ottimizzazione del comportamento del singolo bruciatore di un generatore di vapore. Lo strumento utilizza il segnale ottico UV raccolto dalla fiamma per rilevare se il bruciatore sia acceso o spento, mentre per la diagnostica analizza il rapporto dell’intensità emessa dalla fiamma nell’intervallo spettrale UV e Vis-IR. Nelle prove è stata individuata una modalità di rilievo ed elaborazione dei segnali ottici che consente di determinare univocamente il rapporto aria/combustibile a livello di bruciatore. L’importanza applicativa di questo metodo risiede nella possibilità di ottimizzare la combustione, riducendo al minimo indispensabile l’eccesso d’aria e assicurando nel contempo il rispetto dei limiti sulle emissioni. L’impiego su impianti di generazione produrrebbe, come risultato finale, un sensibile risparmio di combustibile. L’attività svolta nel 2001 è stata poi finalizzata a completare il quadro applicativo del metodo diagnostico individuato, verificandone le potenzialità su generatori di vapore del parco nazionale di generazione. La prima fase di lavoro ha riguardato il progetto e la realizzazione di un prototipo di rivelatore di fiamma integrato per diagnostica adatto per misure su impianto [2]. Il prototipo è basato (come quello da laboratorio messo a punto in precedenza) sull’analisi del rapporto dell’intensità emessa dalla fiamma nell’intervallo spettrale UV e Vis-IR; al fine di assicurare la corretta corrispondenza tra il bruciatore sotto osservazione ed i segnali rilevati, effettua misure a correlazione grazie all’utilizzo di due distinti canali ottici. La seconda fase di attività è consistita nella verifica del funzionamento del prototipo su un impianto a olio combustibile [3]. Obiettivo delle prove sperimentali era quello di analizzare e caratterizzare i segnali ottenuti durante i principali malfunzionamenti di impianto (eccesso/riduzione di aria, diminuzione di pressione del combustibile o del vapore di atomizzazione). A questo scopo è stata avviata una collaborazione con l’A.S.M. S.p.A. di Brescia e con l’A.G.S.M. S.p.A. di Verona, concordando l’effettuazione di prove sperimentali presso la Centrale Termoelettrica del Mincio, situata a Ponti sul Mincio (Mn), sul Gruppo 1 da 80 MW. La sonda è quindi stata installata sul bruciatore centrale del comparto inferiore, in modo da poter scorrere in direzione coassiale rispetto al bruciatore e consentire così di variare la zona di misura nella fiamma. Lasciando la sonda sempre montata sullo stesso bruciatore sono state condotte tre campagne di misura, in diverse condizioni operative dell’impianto.

L’analisi dei risultati ha dimostrato che è possibile ottenere misure ripetibili e con un andamento monotono in funzione del rapporto di equivalenza di fiamma, utilizzabile ai fini diagnostici, seguendo procedure operative di impianto controllate, che non introducano variazioni indesiderate di altri parametri che possano influenzare le caratteristiche spettrali della fiamma rivelate dalla sonda. Nelle condizioni di basso carico, in cui nella centrale funziona un numero limitato di bruciatori, la combustione peggiora e non è stato possibile individuare un indice di qualità della fiamma con un andamento monotono in funzione del rapporto di equivalenza. Seguendo procedure sistematiche di controllo del bruciatore (peraltro già normalmente utilizzate nella gestione dell’impianto) appare possibile sviluppare un metodo di diagnostica di combustione per funzionamento della centrale a pieno carico, puntando la sonda in una regione di misura sufficientemente lontana dall’asse del bruciatore sotto esame in modo da riuscire ad evitare i disturbi introdotti dallo spray di combustibile non combusto. Le campagne di misura 2001, tuttavia, hanno lasciato aperti alcuni dubbi sul ruolo e sull’influenza di alcuni parametri di impianto, cui si è cercato di dare risposta con le attività sperimentali svolte nel 2002. In particolare, nel corso del 2001 è stato riscontrato che l’aumento di ricircolo di gas prelevati dai fumi adottato a volte nella gestione dell’impianto per abbassare la temperatura raggiunta nella parte superiore del generatore di vapore può alterare le misure ottiche ed impedire di ottenere un andamento regolare dei risultati. In alcuni casi, inoltre, è stato notato che anche piccole variazioni del carico intorno ai valori di regime introducono variazioni indesiderate delle misure. Nella campagna di misura 2002 è stata quindi analizzata in modo sistematico l’influenza di questi due parametri (ricircolo di gas e carico). Per completare l’analisi dei parametri importanti per la dinamica di fiamma sono state effettuate anche prove in funzione della pressione del vapore di atomizzazione. Un’altra anomalia evidenziata nel corso delle prove del 2001, che si è cercato di approfondire nel corso delle fasi finali dell’attività, è il comportamento diverso dei segnali rivelati dalla sonda sul bruciatore 8, a parità di rapporto di equivalenza di fiamma, a seconda che i bruciatori vicini siano accesi o spenti. E’ stato ipotizzato che, variando le condizioni dell’impianto, varino anche le caratteristiche di emissione della fiamma, e che non risulti possibile mettere a confronto direttamente i due casi, a meno di non di individuare qualche parametro correttivo. Per verificare se a questo scopo possano essere utilizzati la pressione di aria comburente (al cassonetto di distribuzione) e la pressione di combustibile, nel corso di tutte le misure 2002 sono stati sempre registrati i valori di questi due parametri. In effetti, tutti i parametri già individuati come critici nel corso del 2001 (ricircolo dei gas, potenza di carico, pressione del vapore di atomizzazione) hanno mostrato di esercitare un’influenza significativa sui risultati delle misure. Sembra che quando l’impianto non opera in assetto standard, seppur in condizioni controllate, si creino dei “disturbi” che non consentono di ottenere parametri di qualità della fiamma affidabili, con un andamento regolare in funzione del rapporto di equivalenza di fiamma. Date queste irregolarità, non è risultato possibile ricavare correlazioni utili con altri parametri di impianto che possano fungere da correttivi nei casi di assetto di impianto non di progetto.

Ogni serie di risultati ottenuti nelle prove effettuate a pieno carico ha confermato di poter essere utilizzata per la diagnostica della fiamma: la sensibilità di misura è buona (il parametro di qualità della fiamma varia circa del 20% per ogni variazione di 0.1 del rapporto di equivalenza) ed anche la ripetibilità di misura, laddove provata senza estrarre e reintrodurre la sonda, appare soddisfacente. Tuttavia, avendo ripetuto alcune volte la serie di misure in funzione del rapporto di equivalenza di fiamma in condizioni standard di impianto, sono stati ottenuti valori assoluti del parametro di qualità della fiamma diversi anche di oltre il 10%. Tali differenze potrebbero essere imputate ad una diversa posizione o angolazione della sonda rispetto al bruciatore durante l’inserimento della sonda stessa, operazione finora effettuata manualmente e che potrebbe essere resa più affidabile mediante sistemi meccanici fissi di posizionamento. Le variazioni del segnale impreviste e non comprese riscontrate in alcuni casi, però, potrebbero anche denotare che alcuni parametri che influiscono sull’emissione spettrale della fiamma rilevata dalla sonda non siano ancora stati individuati. Per questo nella fase finale dell’attività 2003 è stato condotto un aggiornamento dello stato dell’arte della strumentazione commerciale per la diagnostica di fiamma, con l’attenzione rivolta a mettere in evidenza metodi e/o parametri aggiuntivi che possano rendere il rivelatore di fiamma integrato più generalmente applicabile a diversi tipi di bruciatori e di fiamme. L’approccio apparso più promettente da accoppiare all’analisi spettrale a larga banda utilizzata nel prototipo di rivelatore di fiamma sviluppato nel corso del presente progetto è un metodo, già sperimentato nell’ambito di un progetto sponsorizzato dall’EPRI per identificare le cause di malfunzionamento di bruciatori a carbone, basato su relazioni matematiche derivate dalla teoria del caos. Dato che, d’altra parte, il prototipo di rivelatore integrato è stato anche già provato positivamente su una centrale a carbone per quanto riguarda la rivelazione di fiamma, appare fondata l’ipotesi che si possa estendere a tali tipi di centrali anche il rivelatore integrato per diagnostica accoppiandovi l’analisi basata sulla teoria del caos.

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