dipartimento di sistemi elettrici e automazione sistemi di regolazione degli impianti turbogas e...

Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

Sistemi di regolazione degli impianti turbogas e ciclo combinato

2

Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

Evoluzione parco turbogas

• Fino a 10 anni fa i gruppi TG erano solo i cicli aperti per il funzionamento di picco (poche migliaia di MVA)

• Ad oggi esistono circa 15000 MVA di alternatori mossi da turbine a gas (in ciclo semplice, in ciclo combinato, in impianti di repowering e di cogenerazione)

3

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Presenza di unità Turbogas nella rete elettrica italiana

(in ciclo semplice, combinato, ripotenziato)

• Effetti positivi• Effetti negativi

In rete perturbataIn riaccensione di rete

4

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Temperatura allo scarico (diagramma T-s)

IGV

QaQc

Ta Tc Tf Tex

Tf

Tex

Tc

Ta

T

s

Tf ~ Ta + Hci Qc cf Qa

5

Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

Temperatura limite allo scarico

Tex-lim

Tex

Qa (IGV)

WgWnom

(Ta)

Tf-lim

Qc

6

Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

Schema semplificato impianto turbogas

9

R_acc

8

R_tem

7

R_vel

6

Ligv

5

FSR

4

VCE

3

Wx

2

Tx

1

Wg

.01

Tr

1Variagiri

f(u)

VCE>FSR

Ligv

Wf

w

Wg

Tx

Wx

Turbina gas

-K-

Statismo

min

Selettore

Limiti comb.

Limite velocIGV

1s

1s

15Fuel override bias

_FSR_T

Fuel Tcontrol

du/dt-K-

-K-

20

1/Statismo

2

w

1

Rich

7

Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

9

R_acc

8

R_tem

7

R_vel

6

Ligv

5

FSR

4

VCE

3

Wx

2

Tx

1

Wg

.01

Tr

1Variagiri

f(u)

VCE>FSR

Ligv

Wf

w

Wg

Tx

Wx

Turbina gas

-K-

Statismo

min

Selettore

Limiti comb.

Limite velocIGV

1s

1s

15Fuel override bias

_FSR_T

Fuel Tcontrol

du/dt-K-

-K-

20

1/Statismo

2

w

1

Rich

Turbina

3

Wx

2

Tx

1

Wg

f(u)

Turbine power

f(u)

Exhaust temperature

f(u)

Exhaust flow

3

w

2

Wf

1

Ligv

15.0WW3.1W 0ffg

a0a

IGVfrx TT005.01

L1971306W1390TT

257.0IGV

a

0ax L

273T

273TW

Temperature in °C

8

Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

Anello di regolazione della velocità

9

R_acc

8

R_tem

7

R_vel

6

Ligv

5

FSR

4

VCE

3

Wx

2

Tx

1

Wg

.01

Tr

1Variagiri

f(u)

VCE>FSR

Ligv

Wf

w

Wg

Tx

Wx

Turbina gas

-K-

Statismo

min

Selettore

Limiti comb.

Limite velocIGV

1s

1s

15Fuel override bias

_FSR_T

Fuel Tcontrol

du/dt-K-

-K-

20

1/Statismo

2

w

1

Rich

Regolatore di velocità

9

Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

9

R_acc

8

R_tem

7

R_vel

6

Ligv

5

FSR

4

VCE

3

Wx

2

Tx

1

Wg

.01

Tr

1Variagiri

f(u)

VCE>FSR

Ligv

Wf

w

Wg

Tx

Wx

Turbina gas

-K-

Statismo

min

Selettore

Limiti comb.

Limite velocIGV

1s

1s

15Fuel override bias

_FSR_T

Fuel Tcontrol

du/dt-K-

-K-

20

1/Statismo

2

w

1

Rich

Anello di regolazione della temperatura

Regolatore di temperatura

10

Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

9

R_acc

8

R_tem

7

R_vel

6

Ligv

5

FSR

4

VCE

3

Wx

2

Tx

1

Wg

.01

Tr

1Variagiri

f(u)

VCE>FSR

Ligv

Wf

w

Wg

Tx

Wx

Turbina gas

-K-

Statismo

min

Selettore

Limiti comb.

Limite velocIGV

1s

1s

15Fuel override bias

_FSR_T

Fuel Tcontrol

du/dt-K-

-K-

20

1/Statismo

2

w

1

Rich

Anello di regolazione dell’accelerazione

Regolatore di accelerazione

11

Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

9

R_acc

8

R_tem

7

R_vel

6

Ligv

5

FSR

4

VCE

3

Wx

2

Tx

1

Wg

.01

Tr

1Variagiri

f(u)

VCE>FSR

Ligv

Wf

w

Wg

Tx

Wx

Turbina gas

-K-

Statismo

min

Selettore

Limiti comb.

Limite velocIGV

1s

1s

15Fuel override bias

_FSR_T

Fuel Tcontrol

du/dt-K-

-K-

20

1/Statismo

2

w

1

Rich

Selettore di minimo

Selettore di minimo

12

Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

9

R_acc

8

R_tem

7

R_vel

6

Ligv

5

FSR

4

VCE

3

Wx

2

Tx

1

Wg

.01

Tr

1Variagiri

f(u)

VCE>FSR

Ligv

Wf

w

Wg

Tx

Wx

Turbina gas

-K-

Statismo

min

Selettore

Limiti comb.

Limite velocIGV

1s

1s

15Fuel override bias

_FSR_T

Fuel Tcontrol

du/dt-K-

-K-

20

1/Statismo

2

w

1

Rich

Regolatore Inlet Guide Vanes (IGV)

Regolatore IGV

13

Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

9

R_acc

8

R_tem

7

R_vel

6

Ligv

5

FSR

4

VCE

3

Wx

2

Tx

1

Wg

.01

Tr

1Variagiri

f(u)

VCE>FSR

Ligv

Wf

w

Wg

Tx

Wx

Turbina gas

-K-

Statismo

min

Selettore

Limiti comb.

Limite velocIGV

1s

1s

15Fuel override bias

_FSR_T

Fuel Tcontrol

du/dt-K-

-K-

20

1/Statismo

2

w

1

Rich

Regolatore combustibile

Regolatore di combustibile

-0.1

1.5

1

1

1.5

0.23

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Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

• Potenza disponibile nei fumi

• Caldaia in “sliding pressure mode”• Potenza alla turbina a vapore

Contributo sezione vapore impianti CC

ar

axxs TT

TTWW

hrsgsgs sT1

1WW

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Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

Schema di regolazione tipico

-Wa

+Wgregolazione di velocità

-

FB

f

regolazione di potenza

IGV

WricWrip

Wb

ILF

Tex

RETE

CARICO

prefiss.Tex

prefiss

carico

Rtex

RRW VG

Texmis

M

I

N

Wmin

Wmax

Qa

Qg

TG

Pot

Vel

+Wg

-Wa

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Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

Caratteristica frequenza-potenza

50

49

48

51

52

Potenza

Frequenza[Hz]

Wnom

Tex-lim

-4% +2%

Il margine di potenza (eventualmente disponibile) viene completamente eroso dalla riduzione di frequenza

Tex-picco

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Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

Load rejection in rete perturbata• Possibili cause di fallimento in avviamento manovra LR

– apertura valvole ON-OFF (anticipazione del LR a f>47.5Hz)

– mancanza di fiamma o alte differenze di temperatura

– fallimento apertura serrande by-pass fumi al camino

Q nQ n2

Q a

H

H n

IGV

Valvole ON-OFF a =95%Caratteristicadi resistenza della Turbina(lineare in Qa)

prevalenza

Portata aria

Caratteristichedi prevalenza del Compressore(ampiezzequadratiche in Qa)

QaQc

STALLO PER BASSA PORTATA ARIA

Ta Tc Tf Tex

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Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

Avviamento tipico TG

5 10 15 20 25 30 minuti

20

40

60

80

100

00

[%]

IGV

Velocità

Temperatura scarico

PotenzaCombustibile

19

Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

Impianti turbogas

• +Rapidità di risposta (fuori termoregolazione)• +Vicinanza ai centri di carico• - Limiti di termoregolazione e rampe• - Vincoli di combustione

Pc

Pg

fmax Pc

tempo costante

Pc

Pgintervento termoregolazione

f’max P’c2

pendenza costante

20

Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

Variazioni di frequenza gruppi TG

P 1

P 2

P max

P 0

f max

ab

bass

amen

to d

i fr

eque

nza:

f

potenza TG: P 0

Variazione di potenza P

0

intervento termo limitazione

potenza iniziale TG: P [%]

0 20 40 60 80 100 0

20

40

60

80

0

vari

azio

ni d

i po

tenz

a am

mes

se:

P [

%]

P max

P 1

P regime

IGV aperte

IGV chiuse

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Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

Comportamento carichi spenti

Tempo

Durata della disalmentazione

Spunto motori

Utenze attacca-stacca

Carico finale

Pochi secondi

Alcune decine di secondi

Pot

enza

22

Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

Attacco carico spento su TG

f

WgWa

tempo [s]

0 1 2 3 4 5 6 7

fOO

23

Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

Riaccensione di rete tramite isole di caricoIsola di carico tipica

• Semi-isola con TG e carico• Semi-isola con HY e carico

• Parallelo tra semi-isole – e carichi comuni

• Parallelo con altre reti

TG

HY

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Wc

WgHyWgTG

Attacco carico spento su TG e HY

Wc

WgHyWgTG

Wc f

W

WHYWTG

Wa foo

25

Dipartimento diSistemi Elettricie Automazione

Attacco carico spento su TG e HY

f

WgWa

tempo [s]

WTG

WHY

f ‘

0 2 4 6 8 10 f OO