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Strumenti e metodi per il calcolo della “ripetibilità” della manovra di avviamento di un impianto a ciclo combinato

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Strumenti e metodi per il calcolo della “ripetibilità” della manovra di avviamento di un impianto a ciclo combinato

La liberalizzazione del mercato elettrico e l’incremento delle fonti rinnovabili non programmabili richiedono ai cicli combinati un esercizio sempre più “flessibile”, con frequenti fermate ed avviamenti. Si stanno ulteriormente sviluppando degli strumenti di simulazione per stimare in tempo reale il consumo di vita dei macchinari, in particolare delle turbine a vapore, causato dalla fatica oligociclica indotta dall’esercizio flessibile.

L’evoluzione del sistema elettrico nazionale verso una struttura caratterizzata da una rilevante quota di potenza prodotta frazionata su impianti di piccola taglia distribuiti nel territorio, e spesso alimentati da fonti rinnovabili non programmabili (FRNP), ha costretto gli impianti a ciclo combinato, i più diffusi in Italia, a passare, dal funzionamento a carico base, ad un esercizio limitato alle ore di picco con una forte modulazione del carico per sopperire alla aleatorietà delle FRNP. Questa nuova modalità di esercizio richiede agli impianti una rilevante flessibilità, che si riflette in un incremento dei cicli di accensione spegnimento accompagnati da una riduzione dei tempi di avviamento-fermata e da alti gradienti per le variazioni di potenza. Una conseguenza diretta della flessibilità è una crescente fatica termomeccanica per il macchinario, e quindi un precoce invecchiamento dello stesso, il che causa un incremento dei costi di manutenzione. Con particolare riferimento al consumo di vita della turbina a vapore, ai fini della valutazione della ripetibilità di manovre operative particolarmente gravose, come gli avviamenti, e della progettazione dimodalità di manovra alternative, a minor consumo di vita, RSE ha in passato proposto una metodologia fondata sull’utilizzo sinergico di un simulatore dinamico dell’impianto e di un modello termomeccanico a E.F. del rotore della sua turbina a vapore. L’efficacia ed il campo di applicabilità della metodologia dipendono dall’accuratezza dei modelli di simulazione utilizzati. Nel caso della turbina a vapore, è fondamentale una buona rappresentazione dello scambio termico fra vapore e rotore. Per quanto riguarda il modello a E.F., quindi, si intende ora integrare la modellazione termomeccanica del rotore con la modellazione fluidodinamica dell’espansione del vapore attraverso i vari stadi della turbina. A tal fine, si è iniziata la ricostruzione, nell’ambiente di simulazione multifisica COMSOL, del preesistente modello termomeccanico del rotore realizzato in ambiente ABAQUS. Si è anche avviata una revisione del modello di scambio termico utilizzato per definire le condizioni al contorno del modello termomeccanico di base, revisione relativa al contributo delle palette allo scambio termico e alla valutazione del coefficiente di scambio convettivo in funzione delle condizioni operative. Parallelamente, si stanno ponendo le basi per l’integrazione, nel simulatore dell’impianto a ciclo combinato, di un modulo per la stima in tempo reale del consumo di vita del rotore, direttamente visualizzata dall’interfaccia operativa del simulatore. Il modulo svolge un’analisi semplificata sulla sezione del rotore che si ipotizza maggiormente sollecitata, stimando l’andamento nel tempo della distribuzione radiale di temperatura, calcolando poi le tensioni, limitatamente al campo elastico, di origine termica e componendole con quelle di origine meccanica dovute alla rotazione del rotore, ed infine calcolando la ripetibilità del transitorio considerato, sulla base delle sollecitazioni totali. Con l’obiettivo di ottenere, oltre che una più fedele riproduzione della fluido dinamica, una piena analogia con le condizioni al contorno imposte al modello a E.F. termomeccanico, è stata avviata la revisione del modello di scambio termico fra rotore e vapore, in modo da tener conto del contributo delle palette.

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