BASI(S) dei Sistemi di Controllo Turbomacchine

Introduzione e programma delle puntate | Storia turbine a gas

Lo scopo di questa serie di brevi letture è quello di dare una visione panoramica sulla storia, la teoria e le strutture dei sistemi di controllo di turbomacchine.

La serie sarà composta da una ventina di articoli con differenti livelli di difficoltà. Si inizierà con una breve storia delle turbine a gas. Passeremo quindi a fare una carrellata storica sui sistemi di controllo, partendo da quelli meccanici, passando a quelli elettromeccanici, elettronici analogici e infine quelli digitali.

Parleremo delle varie strutture interne e delle varie configurazioni dei sistemi, passati e presenti, che possiamo trovare negli impianti di turbogas.

Vedremo come i sistemi di controllo siano stati e siano tuttora in mano a pochi produttori, essendo dispositivi molto particolari, con requisiti stringenti, non facilmente realizzabili con i comuni PLC industriali.

Cercheremo di capire come i produttori di turbo-gruppi abbiano la tendenza a rendere sempre più “chiuso” la parte di software di controllo, per evitare che terze parti “scomode” possano utilizzarlo per sviluppare sistemi di controllo alternativi, che poi potrebbero essere venduti per retrofitting di quadri di controllo analogici o digitali di vecchia generazione.

Parleremo di come si sviluppa un progetto di un nuovo sistema di controllo, partendo dall’analisi delle dinamiche dei componenti e degli attuatori, passando ai processi di validazione statica e dinamica

Vedremo l’utilizzo di simulatori di turbomacchine di tipo software e di tipo “hardware in the loop”.

Daremo uno sguardo all’integrazione dei quadri controllo turbomacchine in un sistema più ampio che controlla il resto dell’impianto (BOP – Balance Of Plant).

Infine, vedremo come sia possibile sfruttare la grande mole di dati (Big Data), collezionabile tramite i sistemi di controllo, per tutta una serie di attività volte al monitoraggio, alla diagnostica e alla prognostica delle turbomacchine.

Daremo poi uno sguardo alle ultime frontiere tecnologiche, come il tutto può essere integrato ad esempio con le tecnologie di connectivity satellitare per tele assistenza remota tramite Smart Helmet ed altri high-tech tools, quali droni di vario tipo e sensoristica avanzata.

Cenni storici turbine a gas

La storia delle turbine a gas industriali inizia nel periodo tra le due Guerre Mondiali. La prima turbina a gas industriale (TUGA) al mondo fu progettata da Brown Boveri & Cie (BBC) ed era una TUGA a ciclo semplice da 4 MW installata nella centrale elettrica municipale di Neuchâtel, in Svizzera.

Belle Isle gas turbine conservata a Schenectady (foto General Electric per ASME)

Fig. 1: Belle Isle gas turbine conservata a Schenectady (foto General Electric per ASME)

La TUGA fu operativa a piena potenza il 7 luglio 1939. Solo dieci anni dopo, nel 1949, fu realizzata la prima TUGA americana per la produzione di energia elettrica. Era stata progettata da General Electric ed era una macchina da 3,5 MW. Fu installata presso la Belle Isle Station di Oklahoma dove operava anche una turbina a vapore (TUVA) da 51 MW.

L’unità GE Frame 3 fu anche la prima turbina a gas della nazione utilizzata in configurazione “ciclo combinato”. Infatti, oltre a generare energia, i suoi gas di scarico venivano utilizzati per la produzione del vapore per la TUVA.

Qualche anno dopo, nel 1951, GE realizza 3 treni di turbine a gas da 5 MW a Rutland, nel Vermont. La particolarità delle TUVA era di essere una versione del Frame 3 modificata, con l’aggiunta cioè di un secondo albero: è così la prima bialbero industriale.

1960 Primo Ciclo combinato commerciale con turbine a gas (CCGT): NEWAG, un’utility austriaca, mette in servizio Korneuburg-A, un impianto a ciclo combinato da 75 MW, il primo del suo genere ad essere costruito in Europa. L’impianto è costituito da due TUGA BBC da 25 MW, una TUVA da 25 MW alimentata da una Heat Recovery Steam Generator (HRSG) collegata allo scarico delle due TUGA.

Solo nel 1967 fu installato il primo impianto a ciclo combinato con una GE FS3 da 11 MW nella città di Ottawa in Canada e un FS5 da 21 MW a Wolverine Electric Ottawa, sempre in Canada.

GE riesce per prima, nel 1968, ad adattare un turbojet J79 all’utilizzo industriale a terra. La J79 era stata lanciata per la prima volta nel 1955 per usi aeronautici. Una volta convertita, prese il nome di LM1500, una turbina “aero derivativa” da 13,3 MW con usi industriali e marini. La prima LM1500 fu installata presso la centrale nucleare di Millstone nel Connecticut. All’inizio degli anni ’70 è stata introdotta negli USA una normativa EPA per regolamentare l’emissione di ossidi di azoto (NOx) della turbina a gas. Per i livelli relativamente bassi di riduzione di NOx richiesti, dal 1973 è stata introdotta da GE l’iniezione di acqua o vapore in camera di combustione.

Una tappa importante fu nel 1984 l’introduzione da parte di BBC delle camere di combustione premiscelatelean” conosciute anche come a Dry Low-NOx (DLN). BBC modificò il sistema di combustione di una TUGA modello GT13D e l’installò nell’impianto di Lausward (Dusseldorf, Germania) che era un ciclo combinato da 420-MW.

Anche GE aveva iniziato a progettare e testare combustori DLN negli anni ’70, ma li rese commerciali per le turbine industriali solo nel 1991. Negli anni seguenti furono sviluppate nuove turbine con efficienze e potenze sempre maggiori (Classe E, Classe F e Classe H) fino ad arrivare ai nostri giorni.

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