Aspetti generali della riaccensione di una rete

Lo stato di disservizio di una rete elettrica è una eventualità che ai nostri giorni provoca a tutti i soggetti coinvolti notevoli disagi e danni economici, tanto maggiori quanto maggiore è l’estensione geografica del disservizio. La mancanza di energia elettrica protesa nel tempo può comportare la mancanza di servizio considerati fondamentali, quali i servizi sanitari, scolastici e di ordine interno.

Risulta quindi necessario oltre diminuire il più possibile la probabilità che tale evento si verifichi. A tal fine gli operatori di sistema predispongono più procedure di difesa per scongiurare eventi di blackout, che devono essere accettate da tutti quei soggetti attivi (produttori, distributori, etc..) che vogliono collegarsi alla rete elettrica per sfruttarne i benefici

Risulta quindi necessario, qualora non si riesca a evitare il disservizio diffuso di rete, attuare la ripresa in servizio nel minore tempo possibile, riducendo al minimo la quantità di energia elettrica non fornita.

Le strategie di ripresa del servizio nella rete vengono stabilite dal gestore di rete prendendo in considerazione quelle che sono le caratteristiche del parco di generazione. Ad oggi, il parco di parco di produzione nazionale italiano è composto prevalentemente da impianti a ciclo combinato di recente costruzione (spesso non forniti del camino di bypass per la parte a vapore) e da impianti a vapore UP eventualmente ripotenziati, oltre che dagli impianti idroelettrici e geotermoelettrici. A quanto appena descritto si aggiunge la crescente penetrazione di generazione distribuita, in particolare da fotovoltaico e da eolico.

Per quello che riguarda la strategia di riaccensione, sia i cicli combinati che gli impianti con caldaia UP non vengono normalmente utilizzati per la riaccensione di rete anche nel caso in cui siano riusciti a compiere la manovra di load-rejection, a meno che non vengano raggiunti da una direttrice partita da un impianto di prima riaccensione (quali ad esempio centrali idroelettriche).

In quest’ultimo caso, sfruttando la regolazione dell’unità di prima riaccensione, vanno a prendere progressivamente carico seguendo la rampa di presa di carico predefinite. In

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realtà le unità UP sono in grado di assumersi gradini di carico anche senza l’aiuto di unità di prima riaccensione, ma solo nel caso in cui si raggiunga una certa portata di vapore all’interno dei tubi di caldaia. Da esperienze e studi condotti, la portata minima necessaria per il funzionamento di tali tipi di impianto è il 33% della portata nominale. In caso di valori inferiori richiesti dalla turbina si utilizzano sistemi di bypass e particolari circuiti di avviamento per permettere la stabilizzazione del flusso di vapore e l’asportazione di calore necessario. Un output minimo di potenza dell’impianto deve essere raggiunto anche per garantire la stabilità di funzionamento dei bruciatori della camera di combustione.

Anche gli impianti dotati di turbogas grazie alla regolazione molto pronta della turbina possono essere in grado di compiere la prima riaccensione, ma solo nel caso in cui non intervenga l’anello di controllo di termoregolazione. I cicli combinati vanno in crisi per quanto riguarda questo ultimo aspetto nel momento in cui si abbia la mancanza del camino di bypass inaffidabilità di esso. In mancanza del camino, per evitare stress termici al generatore di vapore a recupero, il costruttore impone dei vincoli alla risposta dinamica Figura 23. Circuito di avviamento di un gruppo termoelettrico da 320 MW (stessa tipologia usata per

la simulazione). Il Flash Tank tra circuito vaporizzazione e surriscaldatore. Il circuito d’avviamento cosi concepito consente il funzionamento alla pressione nominale del circuito vaporizzatore (come imposto dalla necessità di circolazione) mentre il flash tank fornisce vapore a pressione minore per il

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dei generatori che non permettono al gruppo di avere la necessaria flessibilità per compiere la regolazione di frequenza in isola.

Da segnalare resta il fatto che condizioni di basso carico per le centrali anche qualora fossero sostenibili dalla struttura devono essere mantenute per il minor tempo possibile, poiché usuranti per i componenti (progettati per diverse condizioni funzionamento) e fortemente instabili.

È da sottolineare il fatto che a causa delle recenti modifiche del parco generazione dovute alla crescente penetrazione di generazione distribuita, molti degli impianti inclusi nelle direttrici di prima riaccensione risultano in servizio per un numero di ore annue molto limitato. Gli impianti che più risentono di questi aggiornamenti del parco generazione sono proprio i cicli combinati e soprattutto agli UP, che necessitano di tempi relativamente lunghi per l’avviamento e di condizioni molto stabili per ottenere un buon rendimento (problema della riduzione di vita dovuto “all’esercizio flessibile” degli impianti termoelettrici). In tale scenario risulta quindi poco probabile a seguito di un disservizio trovare impianti che hanno compiuto con successo la manovra del Load Rejection. Detta situazione comporta il dilatamento dei tempi necessari al superamento dello stato di blackout in quanto i tempi richiesti dalle centrali per l’avviamento a freddo sono dell’ordine di 6 ore per i cicli combinati e 12 per gli impianti con caldaia UP Sorge la necessità di aumentare il numero di direttrici di prima riaccensione che possano intercettare il maggior numero possibile di impianti UP o combinati, per aumentare la possibilità di trovare centrali pronte a immettere energia in rete.

Durante la fase di riaccensione, la struttura impegnata nell’erogazione di energia per la ripresa in servizio della rete deve affrontare alcune criticità; sia esso una centrale black start che un HVDC. In primio luogo deve permettere l’energizzazione della linea collegante la centrale di zona da alimentare. Per adempiere al compito si rende necessario alimentare i carichi detti “zavorra” lungo la direttrice di prima alimentazione, in modo da non lavorare su una linea esercita troppo al disotto della propria potenza caratteristica, che produrrebbe un innalzamento della tensione a fondo linea e il possibile fallimento di parallelo con gli ausiliari di centrale. I carichi zavorra non sono altro che parte delle utenze normalmente connesse alla rete che vengono alimentati da una medesima sottostazione. La maggiore difficoltà è nell’individuare il giusto carico necessario (problema del cold load) per scongiurare sovratensioni di linea senza caricare troppo la fonte primaria di riaccensione, in modo che quest’ultima possa adempiere la corretta

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regolazione di frequenza. Attraverso la linea vengono poi alimentati gli ausiliari di centrale.

Gli ausiliari di centrale sono tutte quelle macchine e dispositivi necessari al corretto esercizio e controllo del processo per operare in sicurezza di persone e cose la produzione di potenza elettrica.

Prendendo come riferimento gli impianti con caldaia UP e i cicli combinati possono essere identificati i seguenti ausiliari di centrale che risultano i più pesanti per l’alimentazione da parte della centrale di blackstart:

 Pompa acqua alimento; presente in entrambi i tipi di impianti e di taglia maggiore per impianti con caldaia UP è l’utenza più grande a livello di potenza necessaria. Per un impianto standard a vapore di potenza nominale di 320 MW si aggira tra i 5 e i 10 MW. L’azionamento è fatto attraverso un motore asincrono trifase ad inserzione diretta. L’inserzione è relativamente gravosa per la centrale di sostegno in quanto alla notevole potenza attiva da fornire, per tutta la durata della fase di spunto è necessario fornire una potenza reattiva elevata, qualche decina di Mvar. La fase di spunto dura dai 10 ai 20 secondi a causa dell’elevata inerzia dell’acqua da accelerare durante l’avviamento, provocando un notevole consumo di vita per il macchinario stesso.

 Ventilatori aria-fumi e pompe estrazione condensato (PEC); la potenza di ciascuno delle utenze esposte varia in numero in funzione della dimensione dell’impianto e si attestano su potenze dell’ordine di un MW ciascuno. Solitamente sono utilizzati motori sincroni con azionamenti a velocità variabile.  Motore di lancio del compressore turbogas. Presente solo per impianti a ciclo

combinato o turbogas puri è necessario per arrivare alla velocità di autosostentamento della turbina. Quando non è presente un motore di lancio vengono utilizzati convertitori statici per far funzionare l’alternatore di macchina come avviatore. È una soluzione non usata per i gruppi turbogas puri con funzione di black start. La potenza necessaria per l’avviamento della turbina varia in funzione della dimensione del gruppo asse, ed è dell’ordine dei 5-10 MW all’avviamento fino ai 20 MW quando si arriva a portate vivine a quelle di autosostentamento.

La potenza della fonte di prima riaccensione deve essere opportunamente dimensionata per permettere l’alimentazione e la regolazione di frequenza degli ausiliari della centrale

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termoelettrica target. Le centrali individuate dal gestore di rete come black sono solitamente gruppi idroelettrici, e molto raramente gruppi turbogas o cicli combinati con bypass. Come è stato anche notato durante gli eventi del blackout italiano del 2003, i gruppi di prima riaccensione possono fallire la manovra di avviamento, vanificando gli sforzi attuati per rendere rapida l’uscita dalla condizione di blackout. Le ragioni riguardano prevalentemente la mancanza di manutenzione adeguata e prove periodiche sui macchinari alimentanti gli ausiliari di centrale (gruppi diesel e batterie per lo più piombo-acido), o gli scatti intempestivi sulla linea da energizzare per raggiungere la centrale bersaglio della direttrice.