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Influenza delle variazioni di carico sulla vita degli impianti termoelettrici

La liberalizzazione del mercato elettrico e la crescita delle installazioni d'impianti a fonti rinnovabili hanno introdotto radicali cambiamenti nella gestione degli impianti termoelettrici. In questo lavoro si presenta il modello di una centrale a ciclo combinato a un livello di pressione, se ne studia il comportamento durante le modulazioni di potenza al variare della rapidità con cui esse avvengono e le relative conseguenze sulla vita utile.

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La Termotecnica marzo 2013

Pubblicato
da Alessio Rampini




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IntroduzIone
La progressiva liberalizzazione dei mercati dell''energia elettrica e dal gas
naturale in Europa [1] ha introdotto una sempre crescente concorrenza tra
i produttori di energia rendendo determinante la capacità di ottimizzare le
strategie di gestione e controllo dell''impianto per ridurre i costi di produ-
zione ed esercizio. Questo processo di ottimizzazione della gestione deve
tenere conto anche delle stringenti normative ambientali [2].
La capacità da parte degli operatori di esercire gli impianti in modo
ottimale è divenuta essenziale per essere competitivi nel mercato liberaliz-
zato. La variabilità del costo del combustibile [3], le nuove e più efficienti
tecnologie di produzione [4], il continuo aumento della potenza installata
da fonti rinnovabili non programmabili [5-6], la variabilità della domanda
di energia elettrica e del suo prezzo [7] pongono complessi problemi ai
gestori degli impianti e li costringono a sviluppare modelli operativi volti
al miglioramento dei sistemi di gestione in termini di efficienza, flessibilità
e affidabilità.
Tutti questi aspetti caratterizzano le moderne strategie di controllo delle
unità di generazione; infatti, una modalità di gestione che esercisce l''im-
pianto in maniera fortemente discontinua e irregolare è indispensabile per
soddisfare la domanda degli utenti finali e le stringenti normative relative
alle emissioni della CO 2, salvaguardare l''integrità della rete elettrica e massimizzare i profitti. ' allora indispensabile che l''impianto produca
durante le ore di punta, dove la remunerazione è massima, e riduca al
minimo la produzione o rimanga spento durante le ore di minima richiesta
elettrica. Di conseguenza molti impianti sono costretti all''esercizio ''two shift
run' [8-10]; l''impianto rimane operativo per 12 - 15 ore al giorno, invece
viene arrestato nelle rimanenti ore e nei weekend.
Caratteristica fondamentale per il funzionamento del sistema è la capa-
cità di adeguarsi alle variazioni di carico imposte dalla variabilità della
domanda elettrica. Pertanto ogni unità deve essere in grado di funzionare
sia con carichi elevati sia di rimanere spenta o al minimo tecnico durante le
ore notturne e nel weekend, ma anche di riavviarsi in tempi dell''ordine dei
minuti. Le turbine a gas e i cicli combinati sono più flessibili di altre tipolo-
gie di impianti termoelettrici (ad olio combustibile o a carbone), e perciò
vengono sempre più spesso chiamati a funzionare in maniera discontinua e caratterizzata da frequenti e rapide variazioni della potenza prodotta.
Si riscontra però, in modo sempre più evidente, la necessità di esercire in
maniera flessibile anche le centrali termoelettriche a vapore alimentate a
polverino di carbone (e/o ad olio combustibile). In particolare si richiede
di entrare in esercizio in tempi sempre più brevi, operare a carico molto
variabile e con frequenti fermate durante le ore notturne [9, 11] o di minima
richiesta elettrica.
Queste nuove esigenze spingono gli impianti, inizialmente progettati per
soddisfare il carico di base, a cambiare di destinazione d''uso ovvero pas-
sare a un funzionamento flessibile volto alla massimizzazione del ritorno
economico e alla salvaguardia della stabilità della rete elettrica.
Naturalmente una gestione flessibile garantisce maggiori profitti nel bre-
ve periodo, ma riduce la vita utile dei componenti critici dell''impianto a
causa dei fenomeni di fatica termo meccanica e creep che si ingenerano
in maniera più accentuata durante le variazioni di carico.
Al fine di ottenere le migliori prestazioni medie durante l''intera vita utile
dell''impianto, il gestore deve avere a disposizione strumenti adeguati per
fornire indicazioni sulle conseguenze a lungo termine delle scelte operative
effettuate. Le caldaie, in particolare le parti soggette ad alte temperature,
la turbina a gas e quella a vapore sono componenti sottoposti a variazioni
cicliche considerevoli di temperatura e pressione, parametri che inducono
stress termici sui materiali che danno origine a fenomeni di fatica termo
meccanica e creep che danneggiano i componenti. Tutto ciò comporta
frequenti guasti o la necessità di intervenire sui componenti con manuten-
zioni straordinarie. Si precisa, inoltre, che le manovre più stressanti sono
gli avviamenti e gli spegnimenti dell''impianto che incidono in maniera
preponderante sulla vita residua dei componenti e quindi sull''affidabilità
dell''impianto. Gli autori, in passato, hanno già studiato [12] l''interazione
tra la metodologia di gestione dell''impianto e la vita residua dei compo-
nenti. Un modello per valutare il danno da creep e fatica termo meccanica
è stato implementato per calcolare il danno cumulato sui componenti più
critici degli impianti termoelettrici. Gli effetti legati alla corrosione e all''e-
rosione sono stati considerati e inclusi nel modello. Inoltre, la presenza di
punti deboli nei dispositivi quali, ad esempio, le saldature nei tubi di caldaia
accentua le problematiche sopraccitate: anche questi fenomeni sono stati tecnica Sistemi Energetici la termotecnIca marzo 2013 di Alberto Benato, Anna Stoppato, Alberto Mirandola alberto Benato, anna Stoppato, alberto mirandola, D.I.I. Università degli Studi di Padova Influenza delle variazioni di carico
sulla vita degli impianti termoelettrici La liberalizzazione del mercato elettrico e la crescita delle installazioni d''impianti a fonti rinnovabili hanno introdotto radicali cambiamenti nella
gestione degli impianti termoelettrici. In questo lavoro si presenta il modello di una centrale a ciclo combinato a un livello di pressione, se ne studia
il comportamento durante le modulazioni di potenza al variare della rapidità con cui esse avvengono e le relative conseguenze sulla vita utile. 51 InFluence oF oPeratIon StrateGIeS on tHermal PoWer PlantS reSIdual lIFe
The deregulated energy market and the increasing number of plants powered by non-predictable renewable sources require strong, irregular and
discontinuous operation. In this paper the model for the analysis of a combined power plant will be presented. It permits to simulate the load varia-
tion of the plant also during start-up and shut-down at different gradients. Finally, the residual lifetime can be estimated and the consequences on
the long term profit of the plant assessed. tecnica Sistemi Energetici 52 la termotecnIca marzo 2013 introdotti nel modello al fine di determinare la vita residua utile. Questo
modello è stato inserito in una procedura per il monitoraggio on-line, il
controllo, la produzione e la programmazione delle manutenzioni della
centrale elettrica. Può essere utilizzato per valutare l''effetto della strategia
di gestione sulla riduzione della vita utile.
In questo documento, l''attenzione è rivolta ai cicli combinati gas-vapore,
che attualmente in Italia producono circa il 57.5% dell''energia elettrica
(69.4% di quella da impianti termoelettrici). Inoltre, al fine di garantire
sicurezza e continuità di esercizio della rete elettrica, questi impianti
vengono utilizzati come riserva fredda e/o rotante. Ciò garantisce agli
operatori maggiori profitti, ma soprattutto impone nuove problematiche di: -riduzione dei tempi necessari per l''avviamento e per le variazioni di carico; -estensione del campo di operatività dell''impianto incrementando la potenza massima producibile oppure riducendo il minimo tecnico della
macchina; -studio, a livello di progetto, della possibilità che l''impianto operi in con- dizioni transitorie per tempi lunghi. cIclI comBInatI
I cicli a gas sono caratterizzati da un''elevata flessibilità rispetto a quelli
a vapore; questi ultimi sono, infatti, considerati ''lenti' poiché, durante i
transitori di carico, il generatore di vapore a recupero (HRSG) si comporta
come un volano termico che limita la flessibilità del sistema e risulta sotto-
posto a elevata fatica termo meccanica.
ASME (section - Power Boiler Code) [13], British Standard (BS 1113) [14],
EN 12952 [15] e TRD 301 [16] stabiliscono le linee guida generali per
la progettazione del componente HRSG tenendo anche conto di queste
problematiche.
L''elemento più sollecitato è il surriscaldatore di alta temperatura, soggetto a
elevate pressioni e temperature; di conseguenza durante il funzionamento
in transitorio la fatica termo meccanica si somma ai fenomeni di creep. Il
fenomeno del danno, nel suo significato meccanico e riferito ai materiali
solidi, è la creazione e la successiva crescita di piccole discontinuità, ad
esempio micro vuoti e/o microcricche, in un mezzo considerato continuo su
scala macroscopica. Queste discontinuità hanno dimensioni confrontabili
con le distanze interatomiche. Alcuni esempi di danno indotto o accresciuto
dal funzionamento ciclico dell''impianto vengono di seguito riportati. -Danno da creep: è l''andamento temporale delle deformazioni perma- nenti sotto l''azione di stress costanti ad alta temperatura. L''influenza della
temperatura è legata alla possibilità d'insorgenza di una ricristallizza-
zione del materiale. Nel caso in esame, essendo il fenomeno di creep
più marcato all''aumentare della temperatura, l''insorgenza di fenomeni
di scorrimento viscoso è legato a una prolungata esposizione a elevate
temperature e conseguentemente a elevati stress. Il fenomeno del creep
è l''unico processo di danneggiamento che può non essere causato o
accentuato dall''esercizio ciclico dell''impianto. Tuttavia se lo scorrimento
viscoso è accoppiato con i fenomeni di fatica indotti dall''esercizio ciclico
il danno che si viene a creare sarà nettamente superiore rispetto al caso
di sola fatica o solo creep. -Danno a fatica termo meccanica: è l''effetto maggiormente riscontra- bile nelle caldaie ed è la diretta conseguenza dell''esercizio flessibile. I
materiali metallici si rompono se sottoposti a cicli di carico con tensioni
massime anche notevolmente inferiori alle tensioni di rottura. Il numero di cicli che porta a rottura il materiale cresce con il calare della tensione mas-
sima applicabile. Nei cicli combinati possono verificarsi danneggiamenti
o rotture causati da fenomeni di fatica quando si effettua un avviamento
veloce: l''SH viene esposto, sulla superficie esterna del tubo, ad una por-
tata di gas esausti a elevate temperature, mentre la superficie interna del
tubo stesso viene lambita da un fluido ancora freddo. Fenomeno opposto
avviene durante un rapido spegnimento. I componenti progettati per
l''esercizio a elevate pressioni sono essenzialmente più soggetti a rottura
per fatica termo meccanica poiché caratterizzati da elevati spessori. -Shock Termico: è causato dalla condensazione del vapore sulla superficie interna dei tubi costituenti il surriscaldatore di alta temperatura. -Ossidazione: insorge a causa dell''esposizione del metallo a temperature superiori rispetto a quelle di progetto. Il fenomeno dell''ossidazione si
lega, poi, a quello della corrosione ed entrambi possono verificarsi sia
sulla superficie interna sia su quella esterna del tubo. I due fenomeni sono
legati all''interazione dei gas con la parete metallica esterna del tubo e
del vapore con quella interna. I fenomeni di ossidazione e corrosione
possono essere causati sia dall''esercizio ciclico sia da un errato sistema
di trattamento dell''acqua di alimento dell''impianto. -Differenti dilatazioni termiche: il riscaldamento non uniforme delle tu- bazioni causato da differenti distribuzioni del flusso termico ingenerano
fenomeni di dilatazione diversi in tubazioni adiacenti. Problematiche
simili possono sorgere se i componenti vengono realizzati con materiali
diversi oppure con spessori differenti. L''altro elemento soggetto a fenomeni di danno, indotti dal funzionamento a
doppio livello di carico ciclico (two shifting operation mode), è la turbina a
vapore. La turbina risulta sottoposta ad una serie di sollecitazioni di origine
meccanica e termica. Mentre le sollecitazioni di origine meccanica sono
previste dal costruttore e poste sotto il controllo del sistema di regolazione,
quelle di origine termica sono in genere una conseguenza transitoria dello
stato di funzionamento della turbina stessa.
Aumentando le potenze unitarie delle macchine sono cresciute le dimen-
sioni delle parti sottoposte alle sollecitazioni: a parità di transitorio termico,
tanto maggiori sono gli spessori dei componenti tanto più elevate sono
le sollecitazioni che ne conseguono. Inoltre, mentre per le casse si sono
potute evitare le pareti troppo spesse con la soluzione della doppia cassa,
il diametro del rotore è aumentato senza la possibilità di ridurne in qualche
modo lo spessore. Il vapore che alimenta la turbina subisce variazioni di
temperatura durante una qualsiasi variazione o presa di carico. ' ovvio
che le parti che si trovano nella zona centrale della turbina, rotori e casse,
che vengono a contatto con il vapore, sono direttamente interessate da
una variazione di temperatura e quindi da sollecitazioni. In particolare si
possono distinguere due tipi di sollecitazione: -fatica termica e creep/fatica termica su componenti caratterizzati da esigui spessori quali le valvole di start e stop delle turbine di alta e media
pressione; -fatica meccanica nelle parti soggette a carico e velocità variabile. Tale fenomeno è, a sua volta, generato da due cause: incremento delle vibra-
zioni legate al passaggio durante l''avviamento attraverso la frequenza
critica e l''elevata forza centrifuga applicata sulle pale specialmente di
bassa pressione. Altre problematiche riscontrate sulle turbine riguardano fenomeni di di-
latazioni non omogenei tra rotore e cassa, erosione e ossidazione delle
palettature e fenomeni di riscaldamento locale di zone della palettatura. Il modello della caldaIa a recuPero
ad un lIVello dI PreSSIone
Utilizzando il software di modellazione e simulazione dinamica, Dymo-
la abbinato alla libreria CombiPlant [17] si è implementato il modello
semplificato della sezione a vapore di un ciclo combinato ad un livello di
pressione. I parametri meccanici caratteristici di design dei singoli com-
ponenti sono stati implementati nel modello numerico con le grandezze
termodinamiche di progetto caratteristiche dei singoli elementi. L''obiettivo
è di determinare il trend di variazione delle principali grandezze termodi-
namiche durante condizioni di esercizio flessibile. In questa fase la turbina
a gas dell''impianto viene schematizzata mediante una sorgente di gas
esausti alla temperatura e pressione coincidenti con le condizioni rilevate
all''uscita di un turbogas di potenza nominale pari a 26 MW. La potenza
nominale dell''impianto combinato è di circa 40 MW di cui 13 MW prodotti
dalla sezione a vapore. Lo schema dell''impianto è riportato in Figura 1.
Si sono implementati anche i diversi sistemi di controllo introdotti al fine di
esercire l''impianto sia in condizioni di carico stazionario sia di transitorio. I
più importanti sono il sistema di regolazione e controllo della velocità della
pompa di alimento e i controlli sulle aperture e chiusure delle valvole. La
logica di controllo alla base dei suddetti elementi ha lo scopo di mantenere
al valore fissato il livello del corpo cilindrico. Il sistema di attemperamento
ha la funzione di mantenere la temperatura del vapore in uscita dal gene-
ratore a recupero al di sotto dei 560 °C.
Si precisa, inoltre, che i parametri geometrici e/o dimensionali dei com-
ponenti dell''impianto quali lunghezza, spessore, diametro, ecc. delle
tubazioni degli scambiatori, le mappe della pompa e della turbina e le
caratteristiche dei materiali costituenti i singoli componenti si introducono
nelle apposite parameters windows del Software Dymola.
Analisi dei risultati di simulazione
La risposta della sezione a vapore del ciclo combinato viene analizzata
prendendo a riferimento lo schema riportato in Figura 1. Per valutare
l''influenza della velocità di variazione del carico sulla vita dei componenti
più sollecitati, gli autori hanno implementato transitori di presa e riduzione
del carico dal minimo tecnico della macchina ovvero il 40% della potenza
nominale.
Le simulazioni sono state condotte variando i tempi di salita, discesa e di
permanenza al carico nominale. I tempi di salita/discesa sono stati fatti
variare tra i 20 e i 40 minuti, invece i tempi di permanenza al minimo
tecnico o alla potenza nominale tra i 15 e i 120 minuti.
Come accennato in precedenza, il surriscaldatore di alta temperatura
(SH) è uno degli elementi più critici. In Figura 2a si riporta l''andamento
della temperatura dei gas esausti lungo il percorso dello scambiatore vs. il
tempo. Nel funzionamento a carico nominale la differenza di temperatura tra i gas in ingresso (super.primary.gas [2].T) e in uscita (super.primary.gas
[5].T) dallo scambiatore è di circa 47 °C, invece durante il funzionamento
al minimo tecnico tale differenza si riduce a circa 8.5 °C.
In modo analogo si riporta in Figura 2b l''andamento delle temperature
del vapore nelle tubazioni di SH. Anche in questo caso la differenza di
temperatura tra l''ingresso e l''uscita durante il funzionamento a carico
nominale è molto elevata (circa 145 °C) rispetto al ''T misurabile durante
il funzionamento al minimo tecnico (circa 38.5 °C).
' interessante notare come la temperatura media della parete del tubo del-
l''SH sia sottoposta, durante i transitori, ad elevati gradienti termici. Come
si può osservare in Figura 3, in direzione longitudinale il tubo è soggetto a
differenze di temperatura prossime ai 130 °C tra la zona a contatto con i
gas esausti e quella a contatto con il vapore. Si noti altresì che la massima
differenza di temperatura si osserva nelle condizioni nominali, mentre al
minimo carico essa è di circa 20 °C.
Si riporta in Figura 4 l''andamento della temperatura dei gas esausti
all''ingresso del surriscaldatore (super.primary.gas [2]), la temperatura
media della parete lato gas (super.primary.wall [1]), quella della parete
lato vapore (super.secondary.wall [4]) e infine la temperatura del vapore
all''uscita del surriscaldatore (super.secondary.fluid [5]).
A causa del trasferimento di calore tra gas esausti a elevata temperatura
e il vapore ''freddo' si ingenera nel materiale della parete del tubo una
differenza di temperatura tra interno ed esterno che può raggiungere i
4.3 °C nella condizione più gravosa. Siccome lo spessore del tubo è di
2,5 mm e il gradiente di temperatura è considerevole, si generano delle
sollecitazioni termo meccaniche e di creep sul materiale. In aggiunta, la
pressione del vapore all''interno del tubo varia tra 64,1 e 15,1 bar con
conseguente incremento dei fenomeni di stress sul materiale.
Calcolo della riduzione di vita utile
Il surriscaldatore dell''impianto è realizzato in acciaio AISI SA335P91,
acciaio a elevata resistenza meccanica fino a temperature di 650÷700
°C. Le tubazioni hanno un diametro interno di 10 mm e uno spessore di
2,5 mm. Impiegando il modello descritto in [12] si calcola l''intervallo di
deformazione nel punto più sollecitato della parete del surriscaldatore,
ovvero il diametro interno nel punto più caldo; il calcolo viene effettuato tecnica Sistemi Energetici 37 la termotecnIca marzo 2013 53 FIGura 1 FIGura 2 per le diverse condizioni di carico studiate, ossia nelle differenti condizioni
di temperatura e pressione. Quindi, mediante la curva sperimentale di
Manson-Coffin relativa al materiale a 540 °C [13], si determina il numero
di cicli necessari per portare a rottura l''acciaio.
Per le variazioni di carico dalla potenza nominale al minimo tecnico effet-
tuate in 20 minuti, lo strain range è pari a 0,003566. Esso corrisponde a
circa 1.400 cicli prima della rottura. Per una variazione di carico con co-
stanti di tempo doppie (circa 40 minuti dalla potenza nominale al minimo
carico e viceversa) lo strain range risulta di 0,0035736 cui corrisponde
un numero di cicli di 1.750 circa. Tale differenza è legata alle condizioni
di temperatura massime raggiunte; nel caso di variazioni di carico in un
tempo di 20 minuti il picco di temperatura è nettamente superiore come
si può osservare in Figura 5. Se la strategia di gestione mira al massimo
ritorno economico derivante dalla vendita di energia elettrica, e suppo-
nendo che l''impianto venga mantenuto a pieno carico dalle ore 9 alle 18
e al minimo tecnico per le restanti ore, i risultati ottenuti prevedono una
vita del surriscaldatore di circa 4 anni se il gestore impone transitori di 20
minuti e di 5 anni nel caso di transitori di presa e riduzione di 40 minuti. concluSIonI
Un modello sviluppato per la simulazione dei transitori di carico negli
impianti combinati è stato implementato. Si può utilizzare per calcolare i
trend delle più significative grandezze termodinamiche al fine di stimare le
tensioni e deformazioni che inducono fenomeni di fatica termo meccanica
e creep. Così facendo si può determinare la vita utile residua e pianificare
una strategia di gestione volta al miglior compromesso tra le esigenze
tecniche (salvaguardia dei componenti) e quelle economiche (massimiz-
zazione del profitto). BIBlIoGraFIa
1. Directive 2009/72/EC of the European Parliament and of the Council of 13 July 2009 concerning common rules for the internal market in electricity and
repealing Directive 2003/54/EC. 2. Italian National Emission Plan, D.lgs. April 4, 2006, n. 216 and its mo- difications (in Italian). 3. DOE/EIA International Energy Outlook 2011- Available at: <www.eia. gov> [accessed 2.2.2012]. 4. Roques F.A., Technology choices for new entrants in liberalized markets: The value of operating flexibility and contractual arrangements. Utilities
Policy 2008; 16(4): 245-253. 5. Tsao C.C., Campbell J.E., Chen Y., When renewable portfolio standards meet cap-and-trade regulations in the electricity sector: Market interactions,
profits implications, and policy redundancy. Energy Policy 2011; 39 (7):
3966-3974. 6. Milstein I., Tishler A., Intermittently renewable energy, optimal capacity mix and prices in a deregulated electricity market. Energy Policy 2011;
39 (7): 3922-3927. 7. GME Statistics Monitoring-Electricity Market - summary data - Available at: www.mercatoelettrico.org/en/Statistiche/ME/DatiSintesi.aspx [accessed
2.2.2012]. 8. Concari S, Fedeli G., Cyclic Operation Experience at ENEL with Conventio- nal Thermal Power Plant, Proceedings of the International seminar ''Cyclic
Operation of Power Plant- Technical, Operation and Cost Issues. London,
25-27 June 2001. 9. Dukashe MP, Nieuwoudt T, Begg J., Operational Experience of two shifting Large Coal Fired Unit, Proceedings of the International seminar Cyclic
Operation of Power Plant-Technical, Operation and Cost Issues, London,
25-27 June 2001. 10. Chow J, Ho K, Du X, Lee HS, Pearson M. Experience from extensive two- shift operation of 680 MW coal/gas fired Units at Castle Peak, Hong
Kong, Proceedings of the International seminar Cyclic Operation of Power
Plant - Technical, Operation and Cost Issues, London, 25-27 June 2001. 11. Lefton SA, Besuner P, Grimsrud P, Kunts T. Experience in Cycling Cost Analysis of Thermal Power Plants in North America and Europe, Procee-
dings of the International seminar Cyclic Operation of Power Plant - Tech-
nical, Operation and Cost Issues, London, 25-27 June 2001. 12. Lo Casto E, Mirandola A, Stoppato A., Evaluation of the effects of the operation strategy of a steam power plant on the residual life of its devices.
Energy, The International Journal, 2010; 35: 1024-32. 13. ASME Code. Boiler and pressure vessel code. Section II, III, New York, USA, 2001. 14. British Energy. R5, Assessment procedure for the high temperature respon- se of structures. Issue 3, Gloucester, UK, 2003. 15. UNI EN 12952-5:2011 WATER-TUBE BOILERS STANDARDS.
16. TRD 301 Annex1 - Calculation for cyclic loading due to pulsating internal pressure or combined changes of internal pressure and temperature. 17. CombiPlant Library, Modelon AB in:ww.modelica.org/libraries/ CombiPlant. tecnica Sistemi Energetici 54 la termotecnIca marzo 2013 FIGura 3 FIGura 4 FIGura 5


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