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7/24/2019 regolaz-tgas-monoalbero

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IMPIANTI DI TURBINA A GAS

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REGOLAZIONE DI UN IMPIANTO DI TURBINA A GAS

Significato e finalit della regolazione per un impianto motore

"Regolare" significa intervenire sull'impianto per fargli erogare pi o meno potenza, secondo le richieste

dell'utilizzatore, rispettando contemporaneamente qualche vincolo collaterale riguardante altri parametri

di funzionamento (per esempio la velocit di rotazione, la temperatura di combustione, ecc.).

Si pu avere per esempio una regolazione che mira a variare la potenza erogata dall'impianto,

mantenendo costante la velocit di rotazione dell'utilizzatore. Questo il caso tipico delle applicazioni

stazionarie, come in un impianto per la produzione di energia elettrica, dove l'utilizzatore un alternatore

che deve ruotare sempre alla stessa velocit, per fornire tensione e corrente alternate a frequenza costante

(f = 50 Hz in Europa, f = 60 Hz in U.S.A.). La potenza, invece, dipende dalla richiesta degli utenti serviti

dal generatore elettrico.

Si pu avere anche una regolazione a giri variabili, tipicamente nelle applicazioni propulsive, come nei

motori adibiti alla trazione terrestre, o alla propulsione navale o aeronautica (motori a getto, turboelica).

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Nelle trattazioni seguenti fatta unassunzione generale semplificativa di prima approssimazione:

i rendimenti particolari NON cambiano (isc, yc, b, b, ist, yt, ecc.).____________________________________________________________________________________

IMPIANTO MONOALBERO A CICLO APERTO

- VARIAZIONE DELLA TEMPERATURA DI COMBUSTIONE (METODO "T3") -

Per ridurre la potenza erogata dall'impianto viene semplicemente ridotta la portata di combustibile.

Nell'ipotesi che questo NON alteri la portata d'aria, si ha che la dosatura (gi povera) aumenta e latemperatura di combustione diminuisce.

Nell'ipotesi che il rapporto di compressione NON cambi, si ha che il lavoro massico del compressore

rimane invariato, mentre il lavoro massico della turbina si riduce proporzionalmente alla temperatura di

combustione.

Allora il lavoro massico dell'impianto diminuisce.

Anche il calore massico speso diminuisce, e in maniera pi rapida.

Il calore massico, per, parte da valori di entit maggiore e, in proporzione, diminuisce di meno del

lavoro massico. Pertanto il rapporto lavoro/calore, cio il rendimento dell'impianto, diminuisce anch'esso

(come si vede dai diagrammi in funzione della temperatura di combustione).

La potenza utile dell'impianto diminuisce.

Questo lo si vede dall'espressione in funzione del lavoro massico (che diminuisce) e della portata di gas.

Da ci si ricava pure che, per una determinata riduzione della portata di combustibile, la potenza

diminuisce proporzionalmente di pi di quanto diminuisca il rendimento. E questo vuol dire che la

regolazione, pi o meno vantaggiosa che sia, comunque accettabile. Infatti, per ottenere la riduzione

della potenza in una determinata percentuale, la portata di combustibile viene ridotta proporzionalmente

di meno, ma viene comunque ridotta.

Nel grafico seguente sono illustrate le variazioni subite dal ciclo nel diagramma "T-S".


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2

T3 4

3

1

S

TT

2 T4

T3ccostante

|Lic| costante

LitLiQ1i


3/7

3

Riassumendo in una sequenza di espressioni le considerazioni esposte si ha:

mb riduzione della portata di combustibile

ipotesi " "ma costante

m

m

a

b

incremento della dosatura

23' TTpcbmamiHbmb equazione di combustione

ipotesi cp

p 2

1

costante

T T

H

cTc

xb

ip

p3 1 3

1

'temperatura di combustione

con esponente x = (m1)/m , legato al rendimento del compressore

L c T T c Tic p p cx 2 1 1 1 lavoro massico del compressorecostante

t b b cpp

pp

34

2

1

rapporto di espansione costante

L c T T c T Lit p p t x it ' ' '3 4 3 1 lavoro massico della turbinacon esponente x' = (m'1)/m' , legato al rendimento della turbina

L L L L L Li it ic it ic i

1 11 lavoro massico dell'impianto

Portata:

se la turbina funziona sempre in condizioni critiche

3

3

T

pmg , con T3in diminuzione la portata

aumenta.

Potenza utile:

3

.cos3.cos.cos3.cos

3

.cos

T

tTttTt

T

toiLmoiPouP

In definitive, al diminuire di T3la potenza utile diminuisce.

Il rendimento globale dellimpianto g , considerando cost, diminuisce:

3T

In seconda approssimazione il rapporto di compressione in realt diminuisce poich aumenta la portatae

diminuisce in genere anche il rendimento cdel compressore.

g

=cost


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La regolazione (pronta) d luogo a forti variazioni di

ga causa della riduzione di T3 necessaria per ottenere

la diminuzione di Purichiesta.Il grafico che segue, caratteristica di regolazione della

turbine, stato ottenuto medianti calcoli di prima

approssimazione, nei quali si considerato il rapporto

di compressione "c" costante.In funzione della riduzione della Potenza utile,

rapportata al valore iniziale Puo, sono riportati il

rendimento globale (g ) e il consumo specifico qb,

anche questi rapportati ai rispettivi valori iniziali

(pedice o) e dove qb definite come:

u

b

ig

bP

m

Hq

1

- LAMINAZIONE ALL'ASPIRAZIONE DEL COMPRESSORE (METODO "LA") -

Per ridurre la potenza erogata dall'impianto viene ridotta la portata di combustibile.

Per evitare che la conseguente riduzione della temperatura di combustione penalizzi eccessivamente il

rendimento dell'impianto, si esegue contemporaneamente una regolazione anche della portata d'aria, in

modo che la dosatura rimanga costante, e la temperatura di combustione non cambi.

Per ridurre la portata d'aria in proporzione alla riduzione della portata di combustibile si pu usare il

metodo della laminazione all'aspirazione del compressore, che fa diminuire la pressione sulla sezione di

ingresso della turbomacchina operatrice.

Nell'ipotesi che il rapporto di compressione NON cambi, si ha che il lavoro massico del compressore

rimane invariato, mentre il lavoro massico della turbina si riduce perch, a parit di temperatura di

combustione, il rapporto di espansione risulta minore e la temperatura di scarico pi elevata. In prima

approssimazione si assume "c" costante e quindi il lavoro massico del compressore rimane invariato. Il

Regolazione TG mediante variazione della T3

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.

0

0.

2

0.

4

0.

6

0.

8

1.

0

Pu/Puo

etag/etago

0

10

20

30

40

50

qb/qbo

etag/etago

discrimin

qb/qbo


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5

rapporto di espansione "t", invece, diminuisce proprio perch si riduce "p3", a parit di "p4", e quindi illavoro massico della turbina diminuisce. Pertanto il lavoro massico dell'impianto risulta pi basso.

Il calore massico speso Q1, al contrario, rimane in prima approssimazione invariato.

Allora il rapporto lavoro/calore, cio il rendimento dell'impianto, diminuisce.

La portata di gas diminuisce perch viene ridotta in particolare la portata d'aria, oltre che la portata di

combustibile.

La potenza utile dell'impianto diminuisce.

Questo lo si vede dall'espressione in funzione del lavoro massico (che diminuisce) e della portata di gas

(che diminuisce).

Ma la stessa cosa risulta evidente dall'espressione in funzione del rendimento globale dell'impianto e

della portata di combustibile, parametri che diminuiscono contemporaneamente.

Da ci si ricava pure che, per una determinata riduzione della portata di combustibile, la potenza

diminuisce proporzionalmente di pi di quanto diminuisca il rendimento. E questo vuol dire che la

regolazione, pi o meno vantaggiosa che sia, comunque accettabile. Infatti, per ottenere la riduzione

della potenza in una determinata percentuale, la portata di combustibile viene ridotta proporzionalmente

di meno, ma viene comunque ridotta.

Riassumendo in una sequenza di espressioni le considerazioni esposte si ha:

mb riduzione della portata di combustibile

p1 riduzione della pressione all'aspirazione del compressore

" "T1 temperatura costante all'aspirazione del compressore (trafilamento isentalpico nella valvola)

ma riduzione della portata di aria

m

m

a

b

"" costante "T3" costante

b b ip a b pm H m m c T T ' 3 2 equazione di combustione

ipotesi cp

p 2

1

costante (si veda poi)

T T

H

ccx

bip

p3 1

1

'temperatura di combustione costante

4

S

1

3T

2 T4

p1

p1ccostante

|Lic| costante

LitLiQ1i

T3costante

ccostante


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con esponente x = (m1)/m , legato al rendimento del compressore

L c T T c Tic p p cx 2 1 1 1 lavoro massico del compressorecostante

t best

best

b cp

p

p

p

p

p

p

p

p

p 3

4

2

1

2

1

1

1

1

1int

int ' rapporto di espansione diminuisce

dove "p1'/p1" il rapporto di strozzamento, usato come variabile di regolazione.

L c T T c T c T T c T Lit p p t x p p t x it

' ' ' '' '

3 4 3 3 4 31 1 lavoro

massico della turbina, con esponente x' = (m'1)/m' , legato al rendimento della turbina

L L L L L Li it ic it ic i

1 1

lavoro massico dell'impianto

Q c T T c T Tp p cx1 3 2 3 1 ' ' spesa di calore massico costante

g b oi

gL

Q

1

rendimento globale dell'impianto

m m m m m mg a b a b g portata di gas

Questo risultato coerente con l'espressione (turbine sempre critica):

3

3

T

pmg

dove, con "T3" costante, si ha: gm (p3diminuisce in quanto si reduce p1 e c costante)

P P m L m L Pu o i o g i o g i u potenza utile dell'impianto uibgibgu PHmHmP

b

igu

b

igu

bb q

HP

m

HP

mq

11 consumo specifico di combustibile

In effetti, se la turbina sempre critica:

ccg

g

T

T

p

T

T

p

p

Tm

Tpm

3

1

1

1

3

3

1

1

3

3

(trascurando le cadute di pressione nel combustore)

Relazione che, riportata sulla caratteristica del compressore, risulta una retta, con T1e T3costanti e fino a

quando la turbine permane critica.


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7

Il punto A, intersezione tra la caratteristica (lineare) della turbina e quella manometrica del

compressore, non si modifica in quanto il numero di giri del compressore costante ( collegato

allalbero turbine) come pure il rapporto3

1

T

T

. La portata si reduce pertanto nel rapporto p1/p1in quanto

la portata corretta del punto A non si modifica.

Il grafico che segue, caratteristica di regolazione della turbina, stato ottenuto medianti calcoli di prima

approssimazione, nei quali stato considerato il rapporto di compressione "c" costante.

Regolazione TG mediante

laminazione all'aspirazione del compressore

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.

0

0.

2

0.

4

0.

6

0.

8

1.

0

Pu/Puo

etag/etago

0

10

20

30

40

50

qb/qbo

etag/etago

discrimin

qb/qbo ____________________________________________________________________________________

CONFRONTO FRA METODI DI REGOLAZIONE

Dal confronto dei risultati ottenuti si vede che il metodo di regolazione "T3" migliore del metodo di

regolazione "LA" (che pure era stato attuato con l'intento di non ridurre "T 3", per non penalizzare troppo

il rendimento ma stata introdotta per anche la dissipazione dovuta alla laminazione allaspirazione del

compressore). Tuttavia, nel caso di impianto rigenerativo, le conclusioni possono essere ribaltate.

Infatti, riducendo la "T3" si abbassa anche la "T4", e si ha meno calore di scarico da sfruttare per la

rigenerazione; al contrario, laminando all'aspirazione del compressore, la "T4" aumenta, mettendo a

disposizione pi calore di scarico da sfruttare per la rigenerazione.

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Caratteristica lineare della

turbina riportata sulla

caratteristica manometrica del

A

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