Modellazione turbina a vapore

Il codice modulare ESMS precedentemente descritto è al centro di un progetto di collaborazione tra Università degli Studi di Firenze e GE-Nuovo Pignone. Gli sforzi maggiori sono stati dedicati allo sviluppo di un elemento turbina capace di interagire con i tool di calcolo per le turbine a vapore di proprietà GE-Nuovo Pignone e compatibile con il sistema di calcolo del codice modulare stesso. In

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questo modo è possibile creare un collegamento diretto tra la turbina a vapore progettata da GE-Nuovo Pignone e l’impianto nel quale deve operare la turbina stessa, garantendo una migliore affidabilità nel calcolo delle condizioni del vapore in ingresso, sia in fase di design sia di off-design dell’impianto.

Attraverso il codice modulare ESMS si è scelto di mettere a confronto il funzionamento di due diversi modelli di turbina a vapore: la prima, denominata turbv dal nome della subroutine richiamata dal codice, è stata sviluppata dal Dipartimento di Energetica dell’Università degli Studi di Firenze, la seconda, chiamata turbvNP, è stata sviluppata in collaborazione con GE-Nuovo Pignone.

La turbina a vapore turbv rappresenta una semplice turbina senza spillamenti né iniezioni: si presenta quindi come un elemento con un solo ingresso ed una sola uscita per il vapore e con due collegamenti di potenza. In condizioni di design viene imposto che la velocità del flusso sia sonica, quindi viene calcolata la portata ridotta, definita come:

FGHI=JKL_OMNKL KL

Quest’ultima rimane costante anche nel caso di off-design, in quanto la sezione di passaggio rimane la stessa. Variando le condizioni del flusso, è possibile

dunque ricalcolare la nuova portata di vapore che espande in turbina:

JKL,PQQ=FGHIOKL,PQQ

MNKL,PQQ

Come si può osservare in Figura 4.4, l’iniezione di vapore è stata modellata dividendo l’espansione in due elementi turbv, tra i quali è stato inserito l’elemento mix1 che simula il miscelamento del flusso di vapore iniettato nel flusso principale. Il modello prevede anche altri elementi miscelatori, ognuno dei quali svolge una specifica funzione: l’elemento mix2 simula l’effetto delle perdite di vapore per trafilamento nel corpo di alta pressione; l’elemento mix4, posto a monte del già citato mix1, ha la funzione di separare l’eventuale parte liquida dal flusso principale, in modo da alimentare la turbina di bassa pressione esclusivamente con vapore saturo o surriscaldato. L’acqua allo stato liquido, che non compie lavoro di

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espansione, viene quindi reimmessa nel flusso principale una volta terminata

l’espansione (elemento mix5). Il modello di turbina appena descritto ha il

vantaggio, grazie all’elemento mix4, di poter operare anche nelle condizioni di pressione per le quali il vapore in uscita dalla turbina di alta pressione presenta una frazione di acqua allo stato liquido.

Figura 4.4: Modellazione della turbina con separatore di acqua intermedio.

Ciò conferisce al modello sia una maggiore aderenza alla realtà, sia una

maggiore versatilità di impiego. La subroutine turbvNP permette un’analisi di

design e off-design di una turbina a vapore utilizzando il tool di calcolo STS2 (Steam Turbines Selector 2) di proprietà GE-Nuovo Pignone. Nel caso l’impianto simulato utilizzi questo elemento, il cui codice è proprietà intellettuale di GE- Nuovo Pignone, il software ESMS deve essere utilizzato all’interno della rete informatica dell’azienda: la fase di calcolo, infatti, è interamente demandata al tool di calcolo STS2, mentre la subroutine si occupa principalmente dello scambio di informazioni tra l’elemento turbina e gli altri componenti dell’impianto. La subroutine, secondo il tipo di analisi, effettua una chiamata al codice di calcolo specifico (calc127 per il design, calc128 per l’off-design) del tool STS2, ottenendo un’ottimizzazione in termini di canale vapore della macchina scelta al variare dei dati in ingresso oppure il comportamento della macchina in funzione delle variazioni del vapore. L’elemento turbvNP corrispondente (Figura 4.5), oltre alle

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due porte per l’ingresso e l’uscita del vapore, è dotato di quattro ulteriori porte per le iniezioni e le estrazioni di vapore.

Figura 4.5: Schema della turbina turbvNP.

Il file di input dell’elemento turbina richiede per prima cosa che siano specificati il nome e la versione del modello di riferimento nell’archivio STS2, così da fissare la configurazione della macchina (Figura 4.6).

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Eventualmente, per il calcolo in condizioni di fuori progetto, è necessario inserire il nome della verifica alla quale STS2 deve fare riferimento.

sono specificati, in ordine, il numero di valvole in ingresso macchina aperte, l’eventuale presenza di stadi ad azione, il numero totale di tamburi ed infine un parametro per la distinzione tra le macchine a condensazione e quelle a contropressione.

Le ultime righe del file di input sono riservate all’inserimento del numero di tamburo nel quale avviene l’iniezione o l’estrazione di vapore; se attive debbano corrispondere ad una condizione nel condiz.dat o ad un collegamento nel modello.dat. Mentre la subroutine turbv fa riferimento ad una turbina ideale di cui è noto soltanto il rendimento, con l’elemento turbvNP si fa riferimento ad un modello di turbina a vapore complesso, nel quale sono stati già definiti parametri meccanici e termodinamici quali il materiale delle pale, i diametri interni ed esterni del canale meridiano nei vari tamburi, le caratteristiche delle tenute e vari altri parametri. La subroutine turbv ha comunque il vantaggio di richiedere tempi di calcolo molto brevi e di avere un range di operabilità maggiore, in quanto, a differenza del codice di calcolo STS2, non tiene conto dei vincoli sui materiali e della geometria dei vari componenti della macchina.