Pilotaggio dell'avvio della caldaia alla velocità della luce

May 28, 2023

Molte centrali elettriche a ciclo combinato vengono gestite come impianti di punta, piuttosto che come unità di carico di base. Ciò può rappresentare un problema per le valvole di sicurezza dell'economizzatore. In questa situazione le valvole di sicurezza pilotate offrono numerosi vantaggi rispetto alle valvole di sicurezza caricate a molla standard.

L’industria energetica è stata testimone di una serie di importanti cambiamenti tecnologici negli ultimi decenni, da un’infrastruttura del 20° secolo dominata da centrali a carbone e nucleari alla fornitura di energia più efficiente e rispettosa dell’ambiente che esiste oggi. Una notevole riduzione del costo del gas naturale ha portato alla rapida nascita di centrali elettriche a ciclo combinato (CCPP) che garantiscono una maggiore efficienza unita a una minore impronta di carbonio. Per quasi 20 anni, i CCPP sono stati la tecnologia dominante con nuove costruzioni e capacità in aumento in tutto il mondo.

Più recentemente, tuttavia, la riduzione dei costi di generazione, i tempi di costruzione più brevi e i sussidi governativi hanno dato alle fonti di energia rinnovabile, come l’energia eolica e solare, un’impennata della domanda globale. La crescita dilagante dell’energia rinnovabile ha ridotto drasticamente la domanda di nuovi CCPP. Secondo l’Agenzia Internazionale per l’Energia, il 2015 ha segnato un punto di svolta per le rinnovabili. Guidate dall’eolico e dal solare, le energie rinnovabili hanno rappresentato più della metà di tutta la nuova capacità elettrica installata in tutto il mondo quell’anno, e la crescita è continuata.

L’aumento della capacità totale di offerta del mercato, insieme al minor costo operativo delle energie rinnovabili, ha portato l’industria energetica a trasformare molti CCPP in unità “di punta” per fornire energia quando le fonti rinnovabili non riescono a soddisfare la piena domanda, come quando il sole tramonta alle ore 20.00. notte. Questo cambiamento della domanda ha spinto i CCPP a modificare le loro operazioni per una rapida disponibilità della generazione, che si traduce in un avvio e uno spegnimento più rapidi e in un carico ciclico pesante sulle principali apparecchiature, come i generatori di vapore a recupero di calore (HRSG).

Quando un CCPP entra in funzione, la temperatura dell'acqua di alimentazione è elevata poiché assorbe calore dallo scarico della turbina a gas attraverso un sistema chiamato economizzatore prima di essere alimentata all'HRSG dove si trasforma completamente in vapore per azionare la turbina a vapore. L'economizzatore stesso è progettato come un recipiente a pressione alimentato e, come tale, il codice ASME richiede che disponga di uno o più dispositivi di scarico della pressione nel caso in cui venga isolato dalla caldaia e debba scaricare in modo indipendente.

Storicamente, questi dispositivi di limitazione della pressione erano valvole di sicurezza dirette, caricate a molla, del tipo a coperchio chiuso. Queste valvole di sicurezza caricate a molla devono essere certificate secondo le norme ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC) Sezione I, il che significa che queste valvole devono essere progettate, testate e certificate con il vapore come mezzo fluido. Tuttavia, il fluido di applicazione dell'economizzatore è solitamente acqua ad alta temperatura che non ha ancora subito completamente la trasformazione di fase in vapore.

Ciò presenta un paradosso per la progettazione del codice rispetto all'ingegneria dell'applicazione adeguata, poiché i trim del vapore richiesti dal codice non sono progettati per alleviare le applicazioni liquide. In molte installazioni, queste valvole di sicurezza del vapore caricate a molla provocano uno scenario di sollievo comune chiamato “vibrazione”. Il chatter è un effetto di vibrazione indotto da una serie continua di rapidi eventi di apertura e chiusura. Se non affrontate, le vibrazioni possono portare rapidamente a danni e perdite attraverso la sede della valvola e, se abbastanza gravi, possono anche causare danni alle tubazioni adiacenti.

In risposta a questa tendenza al danneggiamento delle valvole dell'economizzatore caricate a molla e ai ben documentati problemi di avvio dell'HRSG, il comitato ASME BPVC Sezione I ha preparato e approvato il caso codice 2446, consentendo l'utilizzo di valvole di sicurezza pilotate (POSV) per proteggere l'economizzatore. In questa applicazione il POSV presenta numerosi vantaggi rispetto a una valvola caricata a molla, tra cui:

I POSV funzionano rilevando la pressione del sistema a monte e facendola passare attraverso una valvola pilota più piccola per controllare la forza di chiusura che agisce sul disco della valvola principale. L'aumento della pressione all'ingresso della valvola comporta un aumento della forza di chiusura fino all'apertura della valvola pilota. A differenza delle valvole caricate a molla che hanno una molla che fornisce una forza di chiusura indipendentemente dalla pressione di ingresso, i POSV richiedono la pressione di ingresso per caricare pressione nella cupola della valvola principale, che fornisce una forza di chiusura sul pistone della valvola principale, che a sua volta agisce sul disco della valvola principale.