L’attività di diagnostica della combustione a livello di singolo bruciatore è stata avviata nel 2000 nell’ambito del progetto PRESTGEN e ha condotto 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 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 "intelligente" 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, descritta in questo rapporto, è consistita nella verifica del funzionamento del prototipo su un impianto a olio combustibile. Obiettivo delle prove sperimentali previste 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). La centrale è costituita da due gruppi: il Gruppo 1, completato nel 1966, ha una potenza di 80 MW, il Gruppo 2, entrato in funzione nel 1983, ha una potenza di 160 MW. Sulla base di considerazioni operative, di facilità di installazione della sonda e di regolazione dell’impianto, è stato selezionato il Gruppo 1. Questo gruppo, con generatore di vapore Breda da 260 t/h di vapore, comprende 9 bruciatori frontali Ansaldo TEA (triflusso) per bassa emissione di NOx. I bruciatori, con compartimentazione d’aria sui tre piani sovrapposti, possono essere alimentati sia ad olio combustibile sia a gas. Dopo aver definito il bruciatore su cui montare la sonda (quello centrale del comparto inferiore) ed il relativo accesso ottico, è stata realizzata la flangia meccanica di interfaccia. La flangia consente lo scorrimento della sonda (e quindi la variazione della zona di misura) in direzione coassiale rispetto al bruciatore. E’ stato poi completato il software in ambiente LABVIEW per l’analisi dei dati, che acquisisce i segnali da tutti i canali disponibili (due UV e due Vis-IR) e ne fornisce l’elaborazione in linea. La sonda è quindi stata installata sull’impianto. Lasciandola sempre montata sullo stesso bruciatore, sono state condotte tre campagne di misura, in diverse condizioni operative dell’impianto. Nelle prime due campagne alla sonda è stato accoppiato mediante fibra ottica un sistema spettroscopico basato su un policromatore al fine di analizzare l’intero intervallo spettrale di interesse (dall’UV al vicino IR) ed individuare eventuali miglioramenti alle finestre spettrali di rivelazione utilizzate.

Nella prima campagna sperimentale su impianto sono state effettuate serie di misure dapprima variando la zona di misura nella fiamma (parallelamente all’asse del bruciatore). Poi, una volta definita la zona di misura che appariva ottimale, è stato variato l’eccesso d’aria in modo controllato sia con tutti i bruciatori accesi, sia con il solo bruciatore fornito di sonda acceso nel comparto (sia, per verifica, con questo bruciatore spento). In ogni condizione sono stati acquisiti simultaneamente tutti i segnali prelevati mediante la sonda e gli spettri ottenuti con il policromatore. I risultati di queste prime misure hanno dimostrato che la sonda è in grado di operare in modo affidabile per la rivelazione di fiamma utilizzando il segnale di correlazione tra i due canali ottici nell’UV. Non è invece stato raggiunto l’obiettivo di individuare la correlazione tra i parametri misurati e la qualità di combustione, necessaria per verificare la possibilità di utilizzare la sonda per la diagnostica del singolo bruciatore. Avendo formulato l’ipotesi che nelle prove non sia stata selezionata la più opportuna configurazione ottica di misura (sia la dimensione sia la posizione della zona di misura), è stata condotta una seconda campagna sperimentale modificando le condizioni di focalizzazione e di incrocio dei due canali ottici. Inoltre, avendo notato a vista, attraverso il tubo di accesso della sonda, la presenza in fiamma di una zona opaca e turbolenta verso il centro del bruciatore (dove era inizialmente posizionata la zona di misura) sono state condotte serie di misure anche in una zona di fiamma più lontana dal centro del bruciatore. In queste due posizioni radiali della sonda sono state ripetute le serie di misure variando l’eccesso d’aria in modo controllato sia con tutti i bruciatori accesi, sia con il solo bruciatore fornito di sonda acceso nel comparto (sia con questo bruciatore spento). Anche in questo caso in ogni condizione sono stati acquisiti simultaneamente tutti i segnali prelevati mediante la sonda e gli spettri ottenuti con il policromatore. I risultati delle prove hanno dimostrato che è fondamentale la scelta della zona di misura in fiamma: campionando una zona più esterna rispetto al bruciatore sotto esame è possibile ottenere andamenti abbastanza regolari dei "parametri di qualità" in funzione del rapporto di equivalenza di fiamma, utilizzabili ai fini diagnostici. E’ stato inoltre verificato che sull’impianto esaminato le condizioni di fiamma variano a seconda che i bruciatori adiacenti a quello di misura siano accesi o spenti, a parità di rapporto di equivalenza nominale (calcolato dai dati di centrale). Conseguenza è che nelle prove di validazione del prototipo del rivelatore di fiamma "intelligente" non è possibile confrontare direttamente questi due casi. Per sviluppare un metodo assoluto di diagnostica del singolo bruciatore risulta necessario individuare un parametro correttivo che tenga conto delle condizioni operative dell’impianto. Le prove hanno poi confermato quanto già verificato nella prima campagna di misura, cioè che i dati spettroscopici (ottenuti su un singolo canale ottico) non possono essere utilizzati come controllo della qualità della fiamma L’obiettivo principale della terza campagna di misura è stato il raggiungimento di condizioni di misura, sia dello strumento sia dell’impianto, che producano risultati ripetibili ed utilizzabili per la diagnostica di combustione. Per rendere interattiva l’effettuazione delle misure, al programma di analisi dei dati è stata fornita un’ulteriore funzione in grado di controllare immediatamente i risultati ottenuti. L’analisi dei risultati ha dimostrato che per ottenere misure ripetibili e con un andamento monotono in funzione del rapporto di equivalenza di fiamma, utilizzabile ai fini diagnostici, è necessario seguire procedure operative di impianto controllate, che non introducano variazioni indesiderate di altri parametri che possano influenzare le caratteristiche spettrali della fiamma rivelate dalla sonda. Comunque, 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 da riuscire ad evitare i disturbi introdotti dallo spray di combustibile non combusto. Le conclusioni raggiunte sono legate al modo di funzionamento della Centrale Termoelettrica del Mincio, in cui le condizioni di combustione di un singolo bruciatore non possono essere modificate

indipendentemente da quelle dei bruciatori adiacenti. In impianti di questo tipo, al momento il metodo di diagnostica della combustione sul singolo bruciatore basato sul prototipo messo a punto può essere applicato solo se l’impianto è in assetto standard, con tutti i bruciatori accesi. Il lavoro futuro dovrà verificare quali siano le condizioni limite dell’impianto per cui il prototipo funzioni correttamente. Per sviluppare un metodo di diagnostica adatto anche al di fuori di tali condizioni sarà necessario individuare dei parametri correttivi che tengano conto delle condizioni operative di impianto (verificando, in primo luogo, se a questo scopo si prestino i valori della pressione di aria comburente e di combustibile, che variano significativamente al variare del carico).