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INTRODUZIONE ... 3
Capitolo 1: Perché produrre energia da fonti rinnovabili in africa ... 4
1.1Eritrea ... 4
1.2Biocombustibili in Africa... 8
1.3Generalità progetto ... 10
1.4Sistema elettrico presente nella regione ... 12
Capitolo 2: Generalità e configurazione della centrale elettrica a Gherset ... 19
2.1Localizzazione ... 19
2.2Potenzialità dell’impianto ... 21
2.3Configurazione centrale elettrica ... 22
2.4Stoccaggio semi e combustibile ... 25
2.5Motori endotermici Wartsila ... 26
2.6Sistema SCR ... 28
2.7Camino e scarico fumi ... 30
2.8Sistema di raffreddamento ... 31
2.9Sottostazione elettrica ... 33
2.10Frantoio ... 35
Capitolo 3: Analisi del sistema e simulazioni di load-flow e Dinamica regolazione ... 38
3.1Problematiche attuale sistema elettrico ... 38
3.1.1Modellazione trasformatori ... 41
3.1.2Modellazione linee di trasmissione ... 43
3.1.3Tipologia di Nodi ... 48
3.1.4Simulazione load-flow ... 50
3.2Evoluzione sistema elettrico ... 54
3.2.1Modellazione carichi ... 55
2
3.2.3Tipi di Nodi ... 64
3.2.4Simulazione load-flw. ... 65
3.3Simulazione della dinamica della regolazione del sistema ... 70
CONCLUSIONI... 81
APPENDICE: ... 82
Il Girasole ... 82
Motore endotermico Wartsila ... 89
Generatore sincrono del motore endotermico Wartsila ... 93
Sistema per il trattamento dei fumi (SCR) ... 95
Air Cooler ... 96
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Introduzione
L'Africa è il continente più grande e popoloso del mondo dopo l'Asia. Circa un terzo della popolazione non ha accesso all'elettricità.
Per i paesi africani che stanno emergendo o cercano di emergere dalla condizione di sottosviluppo, in generale, l'utilizzo di combustibili fossili non viene considerato un'opzione percorribile eccetto nei paesi che dispongono abbondantemente di tali fonti.
Fonti di energia rinnovabili sono utilizzate in molti paesi africani per soddisfare il fabbisogno energetico locale.
L'Eritrea è piccolo paese della parte settentrionale del corno d’Africa, con un'economia basata principalmente su un'agricoltura di sostentamento e sull'allevamento di ovini e bovini; è relativamente sviluppata la pesca. Le poche industrie presenti nel paese sono situate prevalentemente nella capitale Asmara, ma sono in corso progetti di diversificazione delle attività industriali in diverse altre parti del paese.
L’elaborato seguente ha come oggetto la progettazione e lo studio dell’elettrificazione della regione Gasc-Barca indotta dalla costruzione di una centrale a Olio combustibile. Il sistema elettrco presente nella suddetta zona non è interconnesso e la generazione è costituita da piccoli impianti locali a combustibile fossile (Diesel) che alimentano piccole isole elettriche.
La regione suddetta è situata nell’entroterra del paese, caratterizzata da un alta fertilità del terreno, una morfologia pianeggiante ed il clima caldo secco. Il sitema di irrigazione dei campi sfrutta il bacino idrico costruito nell’area. Questa zona è il cuore pulsante dell’agricoltura del paese e provvede a portare i prodotti agricoli nelle zone a maggiore densità di popolazione.
Ci sono però problematiche relative alla scarsa efficienza del sistema elettrico limitrofo e dall’alto prezzo dell’energia stessa rispetto al guadagno procapite.
I biocombustibili sono considerati, in generale, una fonte energetica promettente per il futuro sviluppo dell'Africa. Infatti è la fonte energetica che meglio permette lo sviluppo tecnologico di questi paesaggi rurali con un basso impatto ambientale. E’ così nata la necessità di costruire una centrale termoelettrica ad Olio combustibile da 8MW in questa zona, al fine di alimentare la centrale attraverso l’agricolutra adiacente utilizzando un frantoio per la produzione del biocombustibile. In questo modo si avrà una produzione di energia elettrica a basso impatto ambientale completamente sostenibile, sfruttando l’egricoltura e la mano d’opera locale. La centrale prevede un ampliamento
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Capitolo 1
Perchè produrre energia elettrica da fonti
rinnovabili in Africa
1.1 Eritrea
Fig 1-1: Eritrea nel mondo
L'Eritrea (in tigrino Ērtrā) è uno stato che si trova nella parte settentrionale del Corno d'Africa, confinante con il Sudan a ovest, con l'Etiopia a sud e con il Gibuti a sudest. L'est ed il nordest del paese hanno una lunga linea di costa sul Mar Rosso, direttamente di fronte all'Arabia Saudita e allo Yemen. Sono parte dell'Eritrea l'arcipelago delle Dahlac e alcune isole a ridosso delle isole Hanish.
L'Eritrea è uno Stato multilingue e multiculturale con due religioni prevalenti (Islam Sunnita e Chiesa ortodossa eritrea) e nove gruppi etnici. Fu creata come entità politica nel 1890 con il nome di Colonia Eritrea.
5 Il presidente Isaias Afewerki è stato eletto
dalla Assemblea Nazionale, poco dopo l'ottenimento dell'indipendenza. Ancora oggi egli è al potere dopo 20 anni di governo. L'Eritrea è un paese del terzo mondo, con un'economia basata principalmente su
un'agricoltura di sostentamento e
sull'allevamento di ovini e bovini; è relativamente sviluppata la pesca. Le poche industrie presenti nel paese sono situate prevalentemente nella capitale Asmara, ma sono in corso progetti di diversificazione delle attività industriali in diverse altre parti del paese.
Fig 1-2: Eritrea
La bilancia commerciale è passiva. L'Eritrea esporta modesti quantitativi di prodotti locali, mentre deve importare combustibili, macchinari, manufatti, alimenti. L'Italia è in questo senso il secondo partner commerciale dopo l'Arabia Saudita. Porti principali sono Massaua e Assab.
Fig 1-3: Bandiera Eritrea
Le principali città del paese sono la capitale Asmara e le città portuali Assab nel sudest, così come le città di Massaua ed inoltre Cheren nel Nord, Decamerè nel centro e Mendefera nel sud.
La situazione economica del paese è in lenta ripresa, soprattutto a causa delle distruzioni patite durante il conflitto con l'Etiopia, e della occupazione che perdura da parte dell'Etiopia su parte dei territori eritrei.
L'agricoltura, negli altopiani, e la pastorizia lungo la costa e nelle pianure del paese, restano per la maggioranza della popolazione del paese le uniche fonti di sussistenza.
Importanti sono i giacimenti di rame,potassio, oro, ferro e petrolio e altri minerali sono in corso di lento sfruttamento per via della scarsità di tecnologie specifiche.
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Fig 1-4: Cartina politica e rispettive capoluoghi di regione
L’elaborato seguente ha come oggetto la progettazione e lo studio dell’elettrificazione della regione Gasc-Barca indotta dalla costruzione di una centrale a Olio combustibile.
La zona suddetta è caratterizzata da un alta fertilità del terreno, la sua morfologia pianeggiante ed il clima caldo secco. Il istema di irrigazione dei campi è costituito dalla diga costruita sul fiume, questa zona è il cuore pulsante dell’agricoltura del paese e provvede a portare i prodotti agricoli nelle zone a maggiore densità di popolazione.
Regione Popolazione Capoluogo
4 Anseba 784.739 Cheren 1 Centrale 983.490 Asmara 3 Gasc-Barca 1.009.704 Barentù 6 Mar Rosso Meridionale 371.289 Assab 5 Mar Rosso Settentrionale 768.929 Massaua 2 Sud 1 375 583 Mendefera
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Fig 1-5:Mappa satellitare con evidenza area Gasc-Barca
Fig 1-6:Ingrandimento area di interesse nella regione di Gasc-Barca
Ci sono però problematiche relative alla scarsa efficienza del sistema elettrico attualmente installato che porta al non perfetto funzionamento degli impianti di pompaggio della diga e frena l’operatività e l’espansione delle industrie della zona. Senza considerare il poco utilizzo civile dell’energia elettrica nel piccoli e medi villaggi nelle vicinanze derivato anche dall’alto prezzo dell’energia stessa rispetto al guadagno procapite.
E’ così nata la necessità di costruire una centrale termoelettrica ad Olio combustibile da 8MW in questa zona (con ottica di ampliamento), con la previsione di alimentare la centrale attraverso l’agricolutra adiacente utilizzando un frantoio per la produzione del biocombustibile.
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1.2
Biocombustibili in Africa
Fonti di energia rinnovabili sono utilizzate in molti paesi africani per soddisfare il fabbisogno energetico locale. Piccoli impianti di produzione energetica eolici, solari egeotermici sono presenti in molte località dell'Africa e forniscono energia nelle zone più remote dove manca una rete di distribuzione.
L'Africa è il continente più grande e popoloso del mondo dopo l'Asia. Circa un terzo della popolazione non ha accesso all'elettricità.[1] Come altri prodotti della tecnologia (per esempio Internet), la disponibilità di energia elettrica è presente soprattutto in alcuni paesi (in particolare Libia, Egittoe Sudafrica); escludendo questi casi particolari, la stima della percentuale di popolazione con accesso all'elettricità scende al 20%, con picchi negativi del 5% nei paesi meno sviluppati. La maggior parte delle centrali elettriche di grandi dimensioni sono state costruite fra gli anni cinquantae sessanta, e carenze nella loro manutenzione fanno sì che molte di esse oggi producano energia solo per una frazione della loro capacità originaria.
Una più capillare diffusione dell'energia viene considerato uno degli elementi chiave nella lotta alla povertà e nel rilancio dell'economia dell'Africa, ed è fra gli obiettivi espliciti che le Nazioni Unite si sono poste rispetto allo sviluppo del continente nel nuovo millennio.[3]
Per i paesi africani che stanno emergendo o cercano di emergere dalla condizione di sottosviluppo, in generale, l'utilizzo di combustibili fossili non viene considerato un'opzione percorribile per colmare le attuali lacune di approvvigionamento energetico, data la sempre maggiore scarsità di tali risorse a livello planetario e le conseguenti implicazioni di ordine politico ed economico.
Il sistema di reti elettriche esistente raggiunge solo una piccola parte del territorio; sebbene alcuni progetti siano in corso per ampliare tale sistema, le caratteristiche demografiche dell'Africa, in cui la gran parte della popolazione è distribuita e dispersa in vaste aree rurali, rendono irrealistico ipotizzare che le reti fisse possano raggiungere capillarmente la popolazione. Questa distribuzione della popolazione è anche il motivo, per esempio, per cui la telefonia fissa in Africa ha una penetrazione enormemente inferiore a quella mobile.
In questo contesto, la soluzione energetica che appare più applicabile in Africa consiste nella produzione di energia attraverso piccoli impianti distribuiti sul territorio e destinati a soddisfare le
9 esigenze locali, soluzione che è stata adottata anche in molte realtà rurali nel resto del mondo.La produzione energetica a partire da fonti rinnovabili (idroelettrica, eolica, solare, geotermica) sarebbe particolarmente conciliabile con le necessità di basso impatto ambientale proprie del mondo agricolo.
I biocombustibili sono delle cltivazioni organiche utilizzate nelle centrali a biomassa alo scopo di produrre energia elettrica pulita. Alcuni tipi di raccolto come quello di colza e girasole o olive, hanno un alto contenuto di grassi vegetali che possono essere estratti con processi tecnologici. I biocombustibili sono considerati, in generale, una fonte energetica promettente per il futuro sviluppo dell'Africa, a causa dell'impatto ambientale. Combustibili di origine biologica sono comunque molto diffusi nell'Africa subsahariana, soprattutto per il riscaldamento delle abitazioni. Fa eccezione il Sudafrica, che ha infrastrutture energetiche più simili a quelle europee.
I biocombustibili hanno certamente una serie di vantaggi. L’uso dei biocombustibili comporta una marcata riduzione delle emissioni di CO2, responsabili dell’effetto serra: il britannico Defra (Department of Environment, Food, Rural Affairs) stima che nel ciclo di vita di una tonnellata di biocombustibile si producono 0,9 tonnellate di CO2 contro le tre tonnellate prodotte da benzina e diesel. La CO2 rilasciata durante la combustione, infatti, è stata sottratta dall’atmosfera al momento della crescita del vegetale, avvenuta mesi e non milioni di anni prima. Tuttavia, a parte l’etanolo derivato da cellulosa, direttamente impiegabile come combustibile, il ciclo non è completamente chiuso per l’energia necessaria nel processo di trasformazione. I biocombustibili generano inoltre minori emissioni di monossido di carbonio, anidride solforosa e particolato rispetto alla benzina e al diesel.
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1.3 Generalità progetto
I motivi che hanno portato alla necessità di costruire un impianto per la produzione di energia elettrica da biocombustibile nella zona Gasc-Barca sono essenzialmente tre.
Il primo di questi ed il più intuibile è la mancanza di energia pultita in una area in espansione prevalentemente nel settore agricolo ed una necessità di continuità energetica da parte delle piccole industrie limitrofe. Infatti fino ad ora non è presente una vera e propria stabilità della rete elettrica e questo comporta un grave problema per l’operatività delle picole aziende.
Il secondo ed il terzo motivo sono principalemnte di carattere economico. In paesi come l’Eritrea dove non di rado il reddito medio è inferiore ad 1 dollaro il giorno è impensabile produrre grandi quantità di energia da fonti non rinnovabili o da combustibili fossili. Nella situazione attuale con la prodizione da combustibile fossile (Diesel) il costo dell’energia da parte del’utenza è proibitivo in quanto il costo della materia prima è paragonabile a quello internazionale come per tutti gli altri paesi del nord del mondo che come sappiamo si aggira intorno ai 100 dollari il barile.
Il progetto infatti consiste nel produrre energia rinnovabile da biocombustibile proprio nella zona dove l’agricoltura del paese è più sviluppata; questo consentirebbe di ridurre al massimo i costi di trasporto, considerando che tutta la generazione è in un solo luogo e non frammentata all’interno della regione. Come mostrato precedentemente questa area è situata nell’entroterra del paese, questo comporterebbe una spesa aggiuntiva di trasporto e petrolio per portare un qalsiasi altro combustibile al sito di generazione. In questo modo si avrà una produzione di energia elettrica a basso impatto ambientale completamente sostenibile, sfruttando l’agricoltura e la mano d’opera locale.
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Fig 1-7:Costruzione delle fondamenta della centrale, sullo sfondo parte delle piantagioni presenti.
Bisogna considerare inoltre che gli impianti per la produzione di energie rinnovabili hanno, in generale, un costo proibitivo per comunità come quelle delle zone rurali africane. Anche nell'ipotesi che tali impianti fossero forniti da terze parti, occorre tener presente che l'approvvigionamento elettrico delle zone rurali scarsamente popolate costituisce un tipo di investimento poco remunerativo e di scarso interesse per le società private. Di conseguenza, le strategie energetiche dei governi e delle comunità africane devono essere basate sull'identificazione di modalità e fonti di finanziamento.
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1.4 Sistema elettrico presente nella zona
Come già spiegato in precedenza l’area in esame è una parte della regione di Gasc-Barca. In questa parte sono presenti villaggi a bassa densità di popolazione, piccole industrie e un grande sfruttamento del terreno date le carattistiche morfologico climatiche.
Fig 1-8:Terreno coltivato nella regione Gasc-Barca
Inizialmente è stato effettuato un’osservazione ed in seguito un’analisi del sistema elettrico presente. Di seguito la mappa del sistema elettrico locale:
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Fig 1-9:Mappa elettrificazione presente
Adiacente al piccolo villaggio di alebu è presente il sito di generazione che provvede al fabbisogno energetico della zona. E’ composto da 3 generatori connessi a motori diesel da 1,25MVA ciascuno con uscita a 400V. Sono motori Perkins 1500rmp e generatori Leroy Somer. Dal sito si diramano 2 sbarre a due tensioni differenti, 15 e 11kV. Questa situazione deriva dal sistema elettrico precedente che era composto dalla sola linea a 15kV connessa ad una centrale ormai in disuso nel villaggio di Tesseney. Sono presenti inoltre 6 trasformatori 4 dei quali connessi alla sbarra ad 11kV e gli altri 2 a quella a 15kV. Solo uno dei tre generatori è connesso alla linea a tensione maggiore. C’è da sottolineare che non è stato ricontrato alcun sistema di sincronizzazione per eseguire una corretta manovra di parallelo tra gli altri 2 generatori.
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Fig 1-10:Alloggio motori Perkins e generatori Leroy Somer
15 I carichi presenti nella zona sono riportati nella tabella seguente. Sulla colonna di sinistra è riportato il nome della zona o del villaggio. Sulla colonna di destra la potenza installata corrispondente.
Tab I: Capacità di carico installata
Village/Factory Installed capacity in MVA
Ali-Ghider 0.5 Tesseney 0.5 Adi-Omer 0.5 Banatom 1.3 Fiasco 1 Gherset 1.5 Golij 1
Nella zona di Ali Ghider è presente un bacino di circa 8 milioni di metri cubi di acqua utilizzato per l’irrigazione dei campi di cotone e mais adiacenti; qui sono installati un trasformatore da 500kVA e 2 pompe per l’estrazione dell’acqua dai pozzi da 150kVA cadauna.
Il villaggio più importante ma non maggiormente popoloso all’interno della zona in esame è Tesseney. Qui il carico complessivo è composto dalle utenze civili con l’aggiunta di 200kVA di pompe idrauliche utilizzate anch’esse per irrigazione di campi di cotone adiacenti al vilaggio. E’ invece un villaggio più piccolo Adi-Omer dove però l’irrigazione sempre costituita da pozzi artesiani da dove è estratta l’acqua tramite pompe elettriche. Qui l’agricoltura si è sviluppata maggiormente, infatti i modesti campi di cipolle necessitano di circa 500kVA di energia per il pompaggio dell’acqua.
Banatom (Banana-tomato) factory è invece una piccola azienda che produce passata di pomodoro e alcuni prodotti derivati dalla banana. Qui il carico presente è di circa 1.3 MVA ed anche se la sua funzione è stagionale, nel caso studio è stata considerata come un carico stardard dato il suo possibile utilizzo come tale derivato da un sistema elettrico più affidabile.
Fiasco farming project è un piccolo sito inustriale per un carico totale di circa 1MVA.
A Gherset è installato il carico più importante cioè tutto il sistema di pompaggio dell’acqua di irrigazione proveniente dalla diga costruita. Questo sarà anche il sito ove verrà costruita la centrale accennata in precedenza. Il carico è costituito quindi da 12 pompe sommerse da 50KVA, altre 3 da 200KVA ed una da 120 KVA per un carico totale di circa 1.5MVA.
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Fig 1-12:Bacino idrico Gherset
17 In fine c’è il villaggio di Golij composto da circa 5000 famiglie con un carico totale di circa 1MVA.
18 Di seguito vengono riportati gi schemi unifiari de sistema elettrico presente con le relative distanze.
Fig 1-15:Schema unifilare rete presente da 11 e 15 kV
I pali che costituiscono il sistema sono pali di legno alti 8 metri circa.
I cavi aerei sono in alluminio della sezione S=95mmq.
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Capitolo 2
Generalità e Configurazione della
centrale elettrica a Gherset
2.1 Localizzazione
La localizzazione della centrale è un aspetto molto importante. Infatti, come accennato in precedenza, il luogo designato per la sua costruzione sarà proprio adiacente alle coltivazioni, questo favorirà al risparmio importante sul biocombustibile poiché non ci saranno costi di trasporto aggiuntivi, considerando inoltre che tutta la produzione di energia regionale si trova qui e non frammentata nell’area. Il frantoio è un tassello fondamentale di questo processo, tramite esso avverrà la trasformazione del seme oleaginoso nel biocombustibile. La coltivazione designata è il girasole poiché è una pianta robusta, facile da coltivare, e possono essere eseguiti numerosi raccolti annuali in questo tipo di condizioni climatiche.
Un altro aspetto significativo che riguarda l’ubicazione della centrale elettrica è la vicinanza alla diga luogo dove è presente il carico elettrico maggiore e più importante della regione. Questa utenza infatti provvede all’irrigazione delle innumerevoli coltivazioni adiacenti ed è inoltre designato a lavorare ininterrottamente se necessario, clausola che varia a seconda del tipo di coltivazione presente e dalla necessità di utilizzare l’acqua del bacino idrico in altri diversi modi.
Tab.I: Requisiti locazione centr ale
Area disponibile per l’insediamento produtt. circa 20.000mq Area coperta effettivamente occupata dall’impianto circa 1/3 dell’area
Distanza dal centro abitato minore possibile
Distanza da elettrodotto di media/alta tensione minore possibile
Collocazione ottimale area costiera portuale area colturale
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2.2 Potenzialità impianto
Il com busti bil e utiliz zato nel la cent ral e avrà l e s eguenti carat t eri sti che:
- acidit à li bera i n aci do ol ei co < 2,0%
- um idit à e im purit à < 0,5 %
- pes o s peci fi co 0,916 t/m3
- potere calori co i nferiore1 9.000 kcal/kg
- punto di infi ammabil ità 240° - 280° C
Il consum o previ sto di combusti bil e è di ci rca 1,6 t /h pari a 38,2 t/ giorno pari ad un consumo tot al e annuo di 12.742 t (8.000 ore di funzionam ento annuo).
Quindi per l’alimentazione della centrale a regime necessitano 12.742 t/anno di olio veget al e.
Dat e l e parti col ari condizioni cli mati che dell a zona afri cana, ogni ett aro coltivat o a girasole produce mediamente una quantità di 45 quintali di semi e che l’olio est ratto è ci rca il 35 % per ogni ett aro si ott erranno 15 quint ali di olio. Sono st at i dest inati all a col tivazione dell a pi anta ol eaginos a circa 8000 ett ari .
1 C o n ve nz i o na l me n t e s i d e f i ni s c e p o t e r e c a l o r i f i c o i n f e r i o r e " i l p o t e r e c a l o r i f i c o s up e r i o r e
( q ua n t i t à d i c a l o r e c he s i r e nd e d i s p o ni b i l e p e r e f fe t t o d e l l a c o mb u s t i o ne c o mp l e t a ) d i mi n u i t o d e l c a l o r e d i c o nd e n s a z i o ne d e l v a p o r e d ' a c q u a c o nt e n ut o n e i f u mi "
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2.3 Configurazione della centrale
La Centrale elettrica è predisposta per un ampliamento fino alla potenza di 24MWe. Infatti di seguito vedremo delle immagini del rendering che comprendono 3 motori da 8MWe. In questo caso, l’opzione di inserimento di generatori di vapore a recupero diventa molto più significativa rispetto alla concezione studiata con un motore solo. Per questo nella fase di progettazione dal punto di vista grafico è mostrata anche la possibile evoluzione di questo impianto. Per motivi di utilizzazione ed economici inizialmente sarà realizzato il progetto di portata minore, e quindi sarà l’oggetto studiato nell’elaborato.
La centrale come proposta in offerta è costituita dai seguenti componenti principali:
motori endotermici funzionanti sia ad olio vegetale che a gasolio;
alternatore collegato al motori endotermici da 8MW;
Caldaie atubi di fumo in opzione per il recupero termico (generatori vapore);
sistemi di trattamento dei fumi in uscita dai motori endotermici (DE-NOx) ;
camini per lo scarico dei fumi;
batteria di raffreddamento di tipo a radiatore o in alternativa scambiatori di calore acqua circuito motori con acqua di lago o di mare;
degasatore termofisico dell’acqua di alimento ai generatori in opzione;
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un sistema per la produzione e la distribuzione dell’acqua demineralizzata necessaria a compensare le perdite del ciclo termico dei motori e dei generatori a recupero;
un sistema di ventilazione forzata delle utenze della centrale di produzione (locale motori) in circuito aperto ed in leggera sovra-pressione costituito da elettroventilatori;
i sistemi ausiliari necessari al corretto e sicuro funzionamento della centrale;
un sistema di automazione predisposto per consentire la conduzione automatizzata della centrale e la sua protezione in caso si dovessero verificare condizioni anomale di funzionamento;
uno stallo di tensione costituito da interruttore, sezionatori, TV e TA per misure e protezione lato rete;
trasformatori 11-66kV elevatori principali ed un trasformatore servizi ausiliari da 11-0.4kV ;
quadri principali tipo protetto, un quadro POWER CENTER e quadri MOTOR CONTROL CENTER a 0.4kV;
edificio quadri MT (media tensione) e BT (bassa tensione);
sistema di Illuminazione interna ed esterna;
un sistema antincendio ad anello chiuso completo di pompe, sistemi di rivelazione e di spegnimento attraverso idranti e valvole a diluvio oltre agli estintori localizzati nei singoli ambienti;
serbatoi di stoccaggio diametro 20m olio combustibile grezzo o raffinato;
palazzina degli uffici e servizi.
24 Ciascun motore può essere dotato di un proprio impianto di trattamento dell’aria in ingresso, di un impianto di scarico e trattamento dei fumi e abbattimento NOx/CO (sistema SCR in opzione), di una caldaia a tubi di fumo per il recupero del calore e la produzione di vapore (in opzione) e della propria batteria di AIRCOOLER o scambiatori di calore a fascio tubiero.I fumi trattati ed esausti sono inviati, mediante un condotto di raccordo, al silenziatore dei gas di scarico e al punto di emissione (camino).
Dall’immagine seguente si può vedere sulla destra il frantoio che copre un’area maggiore rispetto alla centrale. Le parti in giallo fanno parte dell’espansione opzionale citata in precedenza.
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2.4 Stoccaggio semi e combustibile
Come dett o in precendenza il com bust ibile proviene dal le coltivazioni adi acenti alla centrale. Sono presenti n.8 serbatoi all’interno dell’area che comprende il frant oio, 4 per lo stoccaggio dei s emi di gi rasole con capacit à di 5700mc ed alt ri 4 per lo stoccaggio di olio com busti bil e appena franto del la capacit à tot al e di 1350 mc.
All’interno dell’area di centrale invece è presente n.1 serbatoio con capacità di 1350mc. Dato che il peso specifico dell’olio corrisponde a 0,916 t/m3
la capacit à total e di olio che può ess ere stoccat a corr isponde a ci rca 1000t.
Fig. 2-4: Spaccato assonometrico dell’interno di un serbatoio di stoccaggio
Dat a la natura dell a biom ass a li qui da e l a s ua ori gi ne veget al e, l a movi mentazi one esclude qualsiasi problema operativo e di incidenza sull’ambiente e sulla salute umana.
Passo d’uomo superiore
Upper manhole
Serpentina acqua LT
LT water cooling coil
OPTION
Passo d’uomo inferiore
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2.5 Motori endotermici Wartsila
Fig. 2-5: Motore Wartsila
Il m otore è il modello 18V32 di costruzione naval e. E’ in grado di erogare una pot enza el ett ri ca di ci rca 8MW.Sono motori in grado di pot er bruciare oli o veget al e s econdo det erminat e specifi che che evidenzi at e le caratt eristi che chimiche dell’olio. I motori Wartsila sono singolarmente co nnessi ad un generatore sincrono ABB fondam ent al e per l a conversione di energi a meccani ca in energi a elettri ca:
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Fig. 2-6: Schema meccanico Motore Wartsila
La tensione di us cit a del generatore sincrono corrisponde a 11kV con una pot enza el ettrica corrispondente a 10040kVA
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2.6 Sistema SCR
Fig. 2-7: SCR
Il process o SCR si bas a s u una s eri e di reazioni chimiche che port a all'eliminazione degli ossidi di azoto per reazione con l’urea e l’ossigeno contenuto nell a corrente da depurare.
Le reazioni im pli cat e sono tutt e fort emente esot ermiche; si valut a che m edi am ent e una corrent e gassosa cont enent e 1000ppm di NOx i ncrem enti la sua t em peratura di circa 10÷11°C durante i l process o di riduzione. Il campo di temperatura ottim al e per il process o SCR è compreso tra i 180° ed i 380 °C . A temperature inferiori ai 180°C l a conversione non è com pl eta e quindi non è possi bi le garanti re le res e di abbatti mento generalment e richi est e mentre a t emperature superi ori ai 350 °C iniziano a veri fi c ars i reazioni indesiderate t ra l 'urea e l 'ossi geno cont enuto nell a corrente da depurare, tanto che a 400°C ci rca il 5÷10% di urea viene pers a i n questa reazione.
I fumi , una volt a inviati ai sist emi di abbattim ento cat alit ico degli NOx vengono invi ati, al l a temperat ura di 345°C , in atm osfera at traverso tre camini.
29 La produzione di energi a elettri ca medi ant e i combus tibili fossili tradizionali comporta, come noto, l’emissione di sostanze inquinanti e di gas s erra.
Il livello dell e emi ssioni dipende dall a natura del com busti bil e e dal la tecnol ogi a di combustione e di cont rollo dei fumi .
Di seguito si riportano i valori del le pri nci pali emis s ioni ass ociat e all a generazi one el ett ri ca tradizi onale :
CO2 (ani dride carbonica) : 1.000 g/kW h SO2 (ani dri de s ol forosa) : 1,4 g/kWh NO2 (bi ossi do di az oto) : 1,9 g/kWh
Tra questi gas, il più rilevante è l’anidride carbonica, o biossido di carboni o, il cui progres sivo increm ent o potrebbe cont ribuire all’effett o serra e qui ndi causare dramm ati ci cambi am enti clim ati ci.
Le font i ri nnovabi li cos tituit e da ol io e prodotti vegetali comunque, pur producendo anidri de carbonica, s ono considerate a bilancio nullo, in quan to la CO2 emess a nel la combustione è l a st ess a che è s ervita per la cresci ta dell a pi ant a.
Inoltre le fonti rinnovabili utilizzate nell’impianto proposto, per loro natura non producono del le emissi oni inquinanti nocive quali SO2, HF e HCl e met alli pes anti in quanto prive di t al i componenti .
Le emi ssioni di SO2 ed HCl sono assent i in quanto i combustibil i sono privi di t ali contaminanti (S e Cl ) essendo costi tuiti da oli o veget al e.
Sullo scari co del camino di cent ral e sarà inst all ato un sistem a di anal isi continuo dell e emissioni dim ensionat o per mi surare l e concentrazioni richi est e nei l imiti di l egge.
Il si st ema s arà complet o di sonda di preli evo, linea di tras porto, sistem a di deumidi fi cazione, filtrazione ed aspi razione degl i analiz zatori e di tutti i dispositivi necess ari per l a cali brazione.
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2.7 Camini di scarico fumi
I si stemi necess ari per lo scari co dei fum i sono cost ituiti da: - canna aut oport ant e
- sil enziat ore coi bent ato
- cabina di analisi fumi per il controllo in continuo delle emiss ioni
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2.8 Sistema di raffreddamento dell’acqua
Per il m otore Warts ila sono pres enti n. 2 batt erie di raffreddamento dell’acqua sovrapposte e preci s am ent e:
N. 1 sistema di raffreddamento dell’acqua ad alta temperatura (HT=High Tem perature)
N. 1 sistema di raffreddamento dell’acqua a bassa temperatura (LT=Low Tem perature)
Lo s copo principal e degli Air co ol er è quell o diminuire la t emperatura dell ’acqua calda in uscita dai motori endotermici in modo tale da portare quest’acqua alla temperatura di ingresso ai m otori neces sari a al corrett o funzionam ent o di raffreddamento.
Le t emperature di riferim ent o sono d efinit e dall e s peci fi che Warts ila e s ono illust rate nell a t abell a s otto ri portata:
Tab.II: T emperat ur e di rif eri mento cir cuit o di raff reddamento
TI N=Tem peratura ingresso TO U T=Tem peratura ingres so LT= Low temperature 45,7°C 35°C HT=Hi gh temperature 96°C 81,3°C
Se la temperatura dell’acqua, prima di essere immessa nei motori, è superiore a 81,3°C (HT) e superiore a 35°C (LT), devono i nt ervenire gli Air cooler per poter abbas sare quest a t em peratura.
32
Fig. 2-9: Descrizione sistemi che compongono la centrale
I fumi trattati ed esausti sono inviati, mediante un condotto di raccordo, al silenziatore dei gas di scarico e al punto di emissione (camino).
Caldaie a recupero
Heat recovery boilers OPTION
Radiatori
AIR COOLERS
Serbatoi prima alimentazione.
BACKUP TANKS Silenziatori SILENCERS Trattamento fumi di scarico S.C.R. Exhaust gas treatment S.C.R. OPTION Serbatoi giornalieri. DAY-TANK Camini - STACKS
33
2.9 Sottostazione elettrica
Tutto i l sist em a è st ato progett ato per operare in i sol a. L’energi a el ett rica generat a dai generat ori vi ene immess a nella ret e come uni co sito di generazione. Quest o port erà dei probl emi di abbass amenti di t ensione ai capi dell e utenze alle est remit à dell’isola. Problemi che verranno in parte risolti nel c apito successivo. Come mostrat o nell o s chema s uccess ivo, prim a di imm ett erci nell a ret e a 33 kv si ha una stazione di tras form azione che eleva la t ensiona da 11kV a 33kV.
L'impi anto el ett ri co dell a cent rale a Gherset.
34 Come si può not are dall o schema el ett rico, dall a sbarra di m edi a t ensi one (11kV; 2500A; 31,5kA/1s ec) si hanno le connessi oni:
Al trasformatore elevatore; trasformatore S=10MVA; 33(±8x1,5%)/11kV
Al trasformatore degli ausiliari; trasformatore S=1,6MVA; 11/0,4kV
Al generatore elettrico dei motori Wartsila
Il t rasform at ore dei s ervizi ausili ari alim enta i l quadro principal e in bass a t ensi one per l e vari e utenze di cent rale; in particol are ali menta i s eguenti sist emi ausi li ari:
sistema in corrente continua QCC 110Vcc.
quadro dei servizi ausiliari 400/230 V che alimenta i circuiti luce e forz a motri ce dell a cent ral e
Moduli Wartsila per il corretto funzionamento dei motori
35
2.10 Frantoio
L’impianto richiede un’area di circa 15000mq. L’impianto è stato pensato per una capacità complessiva di circa 80000mc di semi stoccati e può essere realizzato in più fasi funzionali ed indipendenti.
Nella zona in ingresso/uscita dell’impianto è collocata una stazione ricezione e di campionamento del prodotto a servizio del sistema di pesatura; i mezzi scaricano il prodotto nella postazione a griglia aperta sotto aspirazione delle polveri (elettrofiltri).
Il prodotto viene inviato mediante il sistema di trasferimento (REDLER, elevatori a tazza e coclee) ai vagli pulitori e successivamente ai silos di stoccaggio temporaneo del seme verde o direttamente agli essiccatoi (in opzione); i semi essiccati subiscono una ulteriore pulizia per vagliatura e gli scarti di pulizia vengono raccolti in appositi container (benne scarti).
Il prodotto secco stoccato nei grandi silos può essere inviato all’area di pressatura dove le sei presse da 1t/h estraggono olio e panello sotto forma di pellet.
L’olio filtrato in uscita dalle presse è già nelle condizioni di essere considerato prodotto energetico per la combustione o per uso alimentare in funzione del seme utilizzato di tipo “NO-FOOD” o “FOOD” rispettivamente.
Il panello invece, contenente l’11-12% di olio è utilizzabile come mangime animale se viene utilizzato un prodotto “FOOD” quale la soia, la colza o il girasole ad esempio.
36
Fig. 2-11: Centrale e frantoio
Potenzialità e requisiti di base dell’impianto:
a) POTENZIALITÀ circa: 48000 t/anno (8000ore di funzionamento) b) ESTRAZIONE A FREDDO:
30% olio ► 14400 a
t olio alimentare o combustibile e mangime animale per un quantitativo del 70% panello ► 33600 a t Umidità: W=5÷7% Impurità: i<2÷3% Organi dell’impianto:
a) Edifici impianto e uffici.
b) Frantoio 4 macchine 1t/h (8000h/a) e filtro per olio vegetale (100kW cadauna)
c) Area di stoccaggio, sistemi di trasporto, coclee, Redler, filtri, essiccatoi (opzionale non incluso) e quanto previsto nello schema tale da rendere l’impianto funzionante
d) Area di stoccaggio semi (5700mc) e olio (1350mc). OLIO DI GIRASOLE PRODOTTO ENERGETICO PRODOTTO ALIMENTARE BIOLOGICO PANELLO INDUSTRIA ZOOTECNICA TRASFORMAZIONE IN FARINE INTEGRATORE ALIMENTARE TRASFORMAZIONE INTERNA PELLET
37 Opzionale:
e) Area raffineria ed impianto
Completo di nove serbatoi in acciaio inossidabile (1500mc) per lo stoccaggio dell’olio vegetale; f) Essiccatoi per semi
Tutto l’impianto descritto è un utenza da 500kW circa. E’ situato adiacente alla centrale elettrica e si connette alla sbarra da11kV( 2500A; 31,5kA/ 1s ec) uscente dal gruppo di generazione Wartsila. Qui si ha la connessione con il trasformatore (S =10M VA; 0,4(± 5%)/11kV) per alimentare i carichi che costituiscono l’impianto di frangitura descritti precedentemente.
38
Capitolo 3
Analisi del sistema e simulazione
load-flow e dinamica della regolazione
3.1 Problematiche attuale sistema elettrico
La produzione di energia elettrica non riesce a soddisfare il fabbisgno delle utenze nell’area studiata. Questo comporta un limitato utilizzo delle proprie potenzialità da parte dei carichi e quindi un funzionamento saltuario delle utenze industriali e la non completa utilizzazione dell’energia elettrica da parte delle utenze civili. E’ importante precisare che sono delle discontinuità molto frequenti della fornitura dell’energia elettrica, causati spesso dalla troppa richiesta di energia da parte della rete oppure a causa di manutenzione agli sfruttatissimi motori diesel che si occupano della generazione.
Risulta necessario quindi eseguire lo studio del load-flow che permette di effettuare l’analisi dei flussi di potenza, dei livelli di tensione ai nodi del sistema attualmente installato e soprattuto per i nuovi sistemi elettrici descritti nei capitoli precedenti. Questo permettà quindi di confrontare i risultati ottenuti e trovare le migliori soluzioni per un sistema elettrico efficiente.
Sono stati quindi effettuati dei calcoli di load-flow con l’applicazione del programma MATLAB chiamata MATOPOWER. Questo è un pacchetto di Matlab per la risoluzione di problemi di load-flow e di ottimizzazione del flusso di energia elettrica attraverso il metodo di Newton. Esso è inteso come uno strumento di simulazione per i ricercatori e gli educatori che sarà facile da utilizzare e modificare. MATPOWER è progettato per offrire le migliori prestazioni possibili, mantenendo il codice semplice da capire e da modificare.È stato sviluppato da Ray Zimmerman e Deqiang Gan di PSERC alla Cornell University sotto la direzione di Robert Thomas.
Per la risoluzione del processo, sono stati riadattati i carichi poiché la capacità di carico installata è ben superiore alla capacità di generazione, questo è stato possibile tramite un sopralluogo ed un
39 contatto diretto con il personale lavorativo delle utenze. Questo denota quanto detto in precedenza sulla limitazione dell’utilizzo dell’energia elettrica.
Poiché le 2 sbarre da 11 e 15kV sono completamente separate è stato possibile effettuare due processi di calcolo diversi.
In particolare i carichi a 11kV differiscono da quanto descritto in precedenza in questo modo:
Tab I: capacità di carico installata e carichi effettivamente utilizzati 11kV
Village/Factory Installed capacity in MVA Effective load used MVA
Fiasco 1 0.25
Gherset 1.5 1.25
Golij 1 0.25
Dal lato a 15kV si ha:
Tab II: capacità di carico installata e carichi effettivamente utilizzati 15kV
Village/Factory Installed capacity in MVA Effective load used MVA
Ali-Ghider 0.5 0.1
Tesseney 0.5 0.1
Adi-Omer 0.5 0.1
Banatom 1.3 0.5
Il primo passo consiste nel tracciamento di una descrizione del solo sistema elettrico considerato, trascurando ogni riferimento esplicito alla geografia del territorio, anche se in qualche maniera è conveniente mantenere la disposizione degli elementi in maniera tale che, sia pure con larghissima approssimazione, venga rispettata la disposizione originaria geografica .
40 Per poter effettuare l’analisi del sistema proposto, occorre poter disporre dei modelli alla sequenza, diretta del sistema rappresentato.
Come è noto, è opportuno avvalersi del metodo per-unit per la compilazione del programma e la risluzione.
Scelta della base del sistema:
una potenza nominale unica per tutto il sistema. Nel nostro caso una scelta valida può essere quella di assumere Pn=1 MVA.
tensioni nominali unica per tutt il sistema. Per i due sistemi, essendo separati, scegliamo Vn=11kV e Vn=15kV
41
3.1.1 Modellazione trasformatori
Come usuale nello studio dei sistemi elettrici per l’energia, si trascurano le perdite di energia che avvengono all’interno dei trasformatori. Le modellazioni che si introducono saranno quindi costituite da soli elementi reattivi.
Nei trasformatori trifase di distribuzione MT/BT possono essere trascurate la corrente e la
potenza assorbite a vuoto (e quindi i parametri trasversali) come la resistenza degli avvolgimenti. Ne consegue che il circuito monofase equivalente, alla sequenza diretta, di un trasformatore assume la configurazionedi cui alla figura.
K X
Fig. 3-1: Modello del trasformatore semplificato
Ovviamente, il rapporto di trasformazione ideale può venire eliminato durante la trasformazione in unità del sistema, come dettato dalla teoria, e come verrà visto nel concreto nella nostra rete di esempio nel seguito.
Come è noto, se si vogliono eliminare i rapporti di trasformazione ideali dalla rappresentazione di sequenza e mantenere al massimo della semplicità i modelli dei trasformatori, si deve introdurre il fattore di conversione f.
Per il calcolo delle grandezze indicate nel circuito monofase equivalente basta considerare i valori della Vcc% ,misurati dal costruttore e riportati sulla targa del trasformatore.
In Appendice B vengono fornite delle schede contenenti i dati dei costruttori relativi ai trasformatori. Da questi dati si possono trarre i dati di interesse per la nostra modellazione , che sono essenzialmente le reattanze longitudinali (a meno del fattore di conversione).
42
Tab.III: Parametri dei trasformatori in base di sistema 11kV.
Nodi di
riferimento Dati in base macchina
Fattore di convers.: sist sist macch macch P V P V f / / 2 2
Dati in base sistema (Pn=1 MVA) 13-1 Pn=1 MVA, Vn=0.4/11 kV Xcc=0.06 1.0 Xcc=0.06 23-1 Pn=1 MVA, Vn=0.4/11 kV Xcc=0.06 1.0 Xcc=0.06 21-2 Pn=0.5 MVA, Vn=11/0.4 kV Xcc=0.04 2 Xcc=0.08 31-3 Pn=2 MVA, Vn=0.4/11 kV Xcc=0.06 0.5 Xcc=0.03 41-4 Pn=0.5 MVA, Vn=0.4/11 kV Xcc=0.04 2 Xcc=0.08
Tab.IV: Parametri dei trasformatori in base di sistema 15kV.
Nodi di
riferimento Dati in base macchina
Fattore di convers.: sist sist macch macch P V P V f / / 2 2
Dati in base sistema (Pn=1 MVA)
13-1 Pn=1 MVA, Vn=0.4/15 kV Xcc=0.06 1.0 Xcc=0.06 21-2 Pn=2 MVA, Vn=15/0.4 kV Xcc=0.06 0.5 Xcc=0.03 31-3 Pn=0.5 MVA, Vn=15/0.4 kV Xcc=0.04 2 Xcc=0.08 41-4 Pn=0.5 MVA, Vn=15/0.4 kV Xcc=0.04 2 Xcc=0.08 51-5 Pn=0.5 MVA, Vn=15/0.4 kV Xcc=0.04 2 Xcc=0.08
43
3.1.2 Modellazione delle linee di trasmissione
Nella parte destra della figura che segue sono riportati anche tutti i dati necessari per la completa definizione della linea, e quindi anche per il calcolo dei parametri elettrici di sequenza diretta.
conduttore singolo, diametro 11 mm in alluminio
Distanza tra i conduttori Dm=0.6m Palo in legno
44 I fenomeni elettromagnetici grazie ai quali avviene il trasporto dell’energia nella linea di trasmissione possono essere descritti e studiati, come è noto, attribuendo a ciasun conduttore di linea 4 parametri elettrici che vengono riferiti all’unità di lunghezza. Questi sono: la resistenza longitudinale, l’induttanza di servizio e la capacità di servizio.
Calcoli di grandezze per unità di lunghezza di sequenza diretta:
Resistenza longitudinale:
La resistenza longitudinale di un cnduttore chilometrica può essere espressa dalla seguente relazione:
[Ω/km]
dove è la resistività in Ωmmq/km del materiale costituente il conduttore e vari a con la temperature con la legge :
dove è la resistività e T la temperatura, mentre è la resistività del metallo alla temperatura T0 di riferimento, solitamente 20 °C, α è il coefficiente termico dipendente dal materiale. Nella grafite e nelle soluzioni la resistività diminuisce all'aumentare della temperatura Nel nostro cas essendo conduttori in alluminio il vale 2,75 *10-8 Ωm = 106 Ω·mm²/m e T=50°C.
La nostra resistenza longitudinale in fine è di r= 0.33 Ω/km
Induttanza di servizio:
L’induttanza di servizio di un conduttore è il coefficiente che mette in relazione la corrente che lo percorre con la f.e.m in esso indotta per la variazione del tempo delle correnti che percorrono tutti i
45 conduttori di linea. Come è noto essa dipende quindi dalla geometria del sistema . Nell’ipotesi i linea trifase trasposta percorsa d un sistema puro di corrente l’induttanza di servizio si esprime tramite la seguente relazione:
Dove µ0=4π 10-4 [H/km]; DM è la distanza media geometrica tra i conduttori e R è il raggio del cnduttore.
Nel nostro caso l= 0.98 * 10-3 H/km La reattanza di liena quindi Xl= 0.31 Ω/km
Capacità di servizio:
la capacità di servizio di un coduttore di una linea trifase è il coefficiente che mette in relazione la corrente di spostamento che lo interessa con la tensione di esso riferita al centro astratto del sistema. Come è noto dipende dalla geometria del sistema anche con riferimento al terreno, e dalle relazioni fra le tensioni.
Nell’ipotesi di liena trasposta, in assenza di funi di guardia la capacità di servizio si calcola mediante la fomula seguente:
[F/km]
Nel nostro caso vale c=1.183 10-8 F/km La suscettanza quindi : b=3.72 µS/km
Nel caso delle linee, possediamo i parametri in termini dimensionati per unità di lunghezza, e pertanto è sufficiente moltiplicarli per le rispettive lunghezze e dividerli per i rispettivi riferimenti di sistema, per ottenere i parametri in per unità della base di sistema.
46 Le rispettive lunghezze sono nella rete a 11kV:
L12=10 km L23=20 km L34=10 km
Le lunghezze invece della parte a 15kV:
L12=5 km L23=5 km L34=10 km L45=10 km
L’impedenza di base del sistema è data dale seguente formula
Quindi:
Zb(11kv)=121Ω Zb(15kv)=225Ω
47
Tab. V: Parametri di sequenza diretta delle linee a 11kV
Nodi Dati in grandezze dimensionate Dati in base di sistema (Pn=100 MVA) Imped. longitud. [] Ammett. Trasvers. [S] Imped. longitud. [p.u.] Ammett. Trasvers. [p.u.] 1-2 3.3+j3.1 37.2 0.027+j0.0256 0.0045 2-3 6.6+j6.2 74 0.054+j0.052 0.009 3-4 3.3+j3.1 37.2 0.027+j0.0256 0.0045
Tab. VI: Parametri di sequenza diretta delle linee a 15kV
Nodi Dati in grandezze dimensionate Dati in base di sistema (Pn=100 MVA) Imped. longitud. [] Ammett. Trasvers. [S] Imped. longitud. [p.u.] Ammett. Trasvers. [p.u.] 1-2 1.65+j1.5 18.51 0.008+j0.007 0.0042 2-3 1.65+j1.5 18.51 0.008+j0.007 0.0042 3-4 3.3+j3.1 37.2 0.015+j0.014 0.0084 4-5 3.3+j3.1 37.2 0.015+j0.014 0.0084
Ad es. per il tratto 1-2 del sistema a 11kV, il modello a pi-greco equivalente alla sequenza diretta e inversa sarà quindi quello rappresentato in fig. 15:
48
Fig. 3-3: Modello equivalente alla sequenza diretta e inversa del tratto di linea fra i nodi 1 e 2.
3.1.3 Tipolgia di nodi
Come è noto, l’effettuazione di calcoli di load-flow su di una rete richiede la preventiva individuazione della tipologia dei nodi da prendere in considerazione:
nodi di tipo (P,Q) nei quali durante le iterazioni di calcolo vengono mantenute costanti le potenze attiva e reattiva in ingresso al sistema;
nodi di tipo (P,V) nei quali durante le iterazioni di calcolo vengono mantenute costanti la tensione e la potenza attiva in ingresso al sistema
nodi di tipo (V,) (o di saldo), di norma uno solo, nel quale durante le iterazioni vengono mantenute costanti ampiezza e fase della tensione di nodo.
Evidentemente, per un nodo di tipo (P,V) la potenza reattiva in transito Q sarà quella derivante dal calcolo, così come per un nodo (P,Q) la tensione sarà quella derivante dal calcolo.
49 Pertanto, risulta opportuno scegliere come nodi (P,V) nodi, ad esempio nodi contenenti generatori o compensatori sincroni, in cui sussiste la possibilità di adattare il reattivo in ingresso (o, equivalentemente, di mantenere la tensione pari al valore prefissato).
I nodi di carico vengono di norma caratterizzati per contro come nodi di tipo (P,Q).
Il nodo (o, eventualmente i nodi) di saldo viene scelto in corrispondenza di una centrale, che si suppone erogherà poi la P e la Q derivanti dal calcolo in quel nodo. La P, in particolare, sarà pari alla somma dei valori assoluti delle potenze imposte in tutti gli altri nodi, aumentata delle perdite di potenza nel sistema.
Nel presente elaborato i nodi saranno classificati come risulta dalla seguente tabella:
Tab. VII:Per i nodi della rete a 11kV
Tipo di nodo Nodi
(P,Q) 21, 31, 41,
(P,V) 13
(P,) 23
Tab. VIII: Per i nodi della rete a 15kV
Tipo di nodo Nodi
(P,Q) 21, 31, 41,
51
(P,V) -
50
3.1.4 Simulaizoni load-flow
Di seguito i risultati derivanti dalle simulazione effettuate con il pacchetto di MATLAB, MATPOWER per la rete a 11kV:
Dati generali del sistema
51 Risultati relativi ai rami e alle perdite del sistema:
Si nota dai risultati che in molti nodi nel sistema la tensione raggiunge valore bassi e non adeguati come ad esempio cica 0.74 p.u . Inoltre è possibile notare il grande ammontare di perdite di potenza attiva che sono circa il 30% della potenza generata, ed il reattivo assorbito dalla linea. E’ evidente quindi l’inadeguato funzionamento dell’impianto che denota l’esigenza di un miglioramento.
52 Risultati relativi alle tensioni sui nodi:
53 Risultati relativi ai rami e alle perdite del sistema:
Anche se in questo caso i risultati sono migliori del precedente, è evidente una non costanza ed un basso valore della tensione ai nodi; questo denota l’insufficiente produzione di energia del sistema rispetto ai carichi.
54
3.2 Evoluzione del sistema elettrico
Come mostrato nel capitolo precedente, la centrale è stata progettata con un ampliamento nell’immediato futuro da 8MW a 24MW. Questo ha reso indispensabile progettare il sistema in un ottica diversa, adottando così una tensione di 66kV una per tutta la rete, che comporterà delle problematiche riguardanti un’alta potenza reattiva causata dalle capacità trasversali delle linee nel primo periodo nel quale la generazione ammonterà ai soli 8MW.
Per quanto rigurda la confomazione del sistema è stato completamente aggiornata in modo da formare un anello nella zona in esame per poi andare ad alimentare i carichi relativi alla capitale della regione, Barentu, lontana circa 100km dalla centrale.
Fig. 3-4: Mappa progetto finale elettrificazione
Sono state condotte analisi dei calcoli di load-flow e simulazioni della dinamica della regolazione di tensione e frequenza del progetto per entrambi i casi, nel sistema dove la generazione è di 24MW però sono stati triplicati i carichi delle utenze oltre alla generazione.
Per i calcoli di load-flow è stato adottato il procedimento illustrato nel paragrafo precedente.
Per poter effettuare l’analisi del sistema proposto, anche in questo caso, occorre poter disporre dei modelli alla sequenza diretta del sistema rappresentato.
55 Come è noto, occorre avvalersi del metodo per-unit per la compilazione del programma e la sua risluzione.
Scelta della base del sistema:
una potenza nominale unica per tutto il sistema. Nel nostro caso una scelta valida può essere quella di assumere Pn=10 MVA.
tensioni nominali unica per tutt il sistema. Nel nostro caso scegliamo Vn=66kV
3.2.1 Modellazione Carichi
Sono riportati tutti i carichi del sistema:
Tab. IX: Capacità di carico installata, e triplicata
Village/Factory Installed capacity in MVA
(8MW)
Installed capacity in MVA (24MW) Ali-Ghider 0.5 1.5 Tesseney 0.5 1.5 Adi-Omer 0.5 1.5 Banatom 1.3 4 Fiasco 1 3 Gherset 1.5 4.5 Golij 1 3 Industrial site 0.5 1.5 Haykota 0.5 1.5 Conge 0.5 1.5 Barentu 1 3 Frantoio 0.65 2
56 Rispetto alla tabella mostrata precedentemente sono stati aggiunti il frantoio, i villaggi di Hayakota, Conge e la capitale Barentu. Solo in quest’ultima i carichi non sono del tutto relativi all’uso civile, ma sono presenti infatti piccoli centri industriali.
Di seguito verrà riportato lo schema unifilare equivalente della rete in esame:
57
3.2.2 Modellazione trasformatori
E’ stata seguita la stessa procedura descritta precedentemente. I dati relativi alla modellazione dei trasfomatori in entrambi i casi è mostrata di seguito:
Nodi di
riferimento Dati in base macchina
Fattore di convers.: sist sist macch macch P V P V f / / 2 2
Dati in base sistema (P
n=1 MVA) 13-1 Pn=10 MVA, Vn=66/11 kV Xcc=0.06 1.0 Xcc=0.06 51-2 Pn=0.5 MVA, Vn=66/0.4 kV Xcc=0.04 20 Xcc=0.8 61-2 Pn=0.5 MVA, Vn=66/0.4 kV Xcc=0.04 20 Xcc=0.8 71-2 Pn=0.5 MVA, Vn=66/0.4 kV Xcc=0.04 20 Xcc=0.8 81-2 Pn=0.5 MVA, Vn=66/0.4 kV Xcc=0.04 20 Xcc=0.8 91-2 Pn=0.5 MVA, Vn=66/0.4 kV Xcc=0.04 20 Xcc=0.8 101-2 Pn=0.5 MVA, Vn=66/0.4 kV Xcc=0.04 20 Xcc=0.8 11-3 Pn=1 MVA, Vn=66/11 kV Xcc=0.06 010 Xcc=0.6 31-3 Pn=1 MVA, Vn=66/11 kV Xcc=0.06 010 Xcc=0.6 111-3 Pn=1 MVA, Vn=66/11 kV Xcc=0.06 010 Xcc=0.6 121-3 Pn=1 MVA, Vn=66/11 kV Xcc=0.06 010 Xcc=0.6
58
Tab. X: modellazione dei trasformatori, sistema con generazione di 8MW
Di seguito invece la tabella della modellazione dei trasformatori con generazione di 24MW. Quindi anche i carichi sono stati considerati triplicati e di conseguenza anche i parametri dei trasformatori:
41-4 Pn=1.5 MVA, Vn=66/0.4 kV Xcc=0.06 6.7 Xcc=0.4 21-4 Pn=2 MVA, Vn=66/0.4 kV Xcc=0.06 5 Xcc=0.3 Nodi di
riferimento Dati in base macchina
Fattore di convers.: sist sist macch macch P V P V f / / 2 2
Dati in base sistema (Pn=1 MVA) 13-1 Pn=10 MVA, Vn=66/11 kV Xcc=0.06 1.0 Xcc=0.06 23-1 Pn=10 MVA, Vn=33/11 kV Xcc=0.06 1.0 Xcc=0.06 33-1 Pn=10 MVA, Vn=66/11 kV Xcc=0.06 1.0 Xcc=0.06 51-2 Pn=1.5 MVA, Vn=66/0.4 kV Xcc=0.04 6.7 Xcc=0.4 61-2 Pn=1.5 MVA, Vn=66/0.4 kV Xcc=0.04 6.7 Xcc=0.4 71-2 Pn=1.5 MVA, Vn=66/0.4 kV Xcc=0.04 6.7 Xcc=0.4 81-2 Pn=1.5 MVA, Vn=66/0.4 kV Xcc=0.04 6.7 Xcc=0.4
59
Tab. XI: modellazione dei trasformatori, sistema con generazione di 24MW
91-2 Pn=1.5 MVA, Vn=66/0.4 kV Xcc=0.04 6.7 Xcc=0.4 101-2 Pn=1.5 MVA, Vn=66/0.4 kV Xcc=0.04 6.7 Xcc=0.4 11-3 Pn=3 MVA, Vn=66/11 kV Xcc=0.06 3.4 Xcc=0.2 31-3 Pn=3 MVA, Vn=66/11 kV Xcc=0.06 3.4 Xcc=0.2 111-3 Pn=3 MVA, Vn=66/11 kV Xcc=0.06 3.4 Xcc=0.2 121-3 Pn=2 MVA, Vn=66/11 kV Xcc=0.06 5 Xcc=0.3 41-4 Pn=4.5 MVA, Vn=66/0.4 kV Xcc=0.06 2.3 Xcc=0.14 21-4 Pn=6 MVA, Vn=66/0.4 kV Xcc=0.06 1.7 Xcc=0.1
60
3.2.3 Modellazione Linee
La riprogettazione della rete ha condotto ad una nuova tipologia di pali e linee.
Nell’ottica di un ampliamneto futuro, e il repentino avanzamento tecnologico della zona che potrebbe causare, l’armamento delle linee verrà effettuato per tensioni di 132kV, anche se almeno inzialmente sfruttate a 66kV.
L’analisi del sistema presente però è stata condotta con la seguente tipologia del traliccio in quanto sia la tipologia e sezione del conduttore che la distanza dei cavi non differirann molto dal’armamento a tensione superiore.
Fig. 3-6: Geometria traliccio e sezione conduttore considerata per le linee a 66kV
Distanza tra i conduttori Dm=3.7m Traliccio in acciaio
61
Calcoli di grandezze per unità di lunghezza di sequenza diretta:
Resistenza longitudinale:
r= 0.22 Ω/km
Induttanza di servizio:
l = 1,28 * 10-3 H/km
La reattanza di linea quindi Xl= 0,4 Ω/km
Capacità di servizio:
c =9 *10-9 F/km
La suscettanza quindi : b= 2,85 µS/km
Le lunghezze di linea sono:
L12=5 km L13=5 km L34=20 km L45=10 km
L56=5 km L67=5 km L78=10 km L89=10 km
L8-10=10 km L10-1=20 km L5-12=40 km L12-14=30 km
L814-16=20 km
62 Zb(66kV)=435,6 Ω
Adesso si possono riassumere i dati relativi all’impedenza di linea nella tabella seguente:
Tab.XII: Parametri di sequenza diretta delle linee a 66kV
Nodi Dati in grandezze dimensionate Dati in base di sistema (Pn=100 MVA) Imped. longitud. [] Ammett. Trasvers. [S] Imped. longitud. [p.u.] Ammett. Trasvers. [p.u.] 1-2 1.1+j2 14 0.0025+j0.0046 0.006 1-3 1.1+j2 14 0.0025+j0.0046 0.006 3-4 4,4+j8 52 0.01+j0.018 0.025 4-5 2,2+j4 28 0.005+j0.092 0.0124 5-6 1.1+j2 14 0.0025+j0.0046 0.006 6-7 1.1+j2 14 0.0025+j0.0046 0.006 7-8 2,2+j4 28 0.005+j0.092 0.0124 8-9 2,2+j4 28 0.005+j0.092 0.0124 8-10 2,2+j4 28 0.005+j0.092 0.0124 10-1 4,4+j8 52 0.01+j0.018 0.025 5-12 8,8+j16 104 0.02+j0.036 0.05 12-14 6,6+j12 84 0.015+j0.027 0.037 14-16 4,4+j8 52 0.01+j0.018 0.025
63 Di seguito lo schema equivalente in sequenza diretta del sistema con la generazione di 8MW:
64 3.2.4
Tipologia di nodi
Nella tabella seguente sono riportate le tipologie dei nodi nel caso di generazione a 24MW cioè con 3 generatori (nodi 33, 23) . Nel caso di unico generatore la tipologia dei nodi è la medesima, non compariranno solamente questi due nodi di generazione.
Tipo di nodo Nodi
(P,Q) 11,21,31,
41,51,61,71,81,91,101,11,121
(P,V) 23,33
65
3.2.5 Simulazione load-flow
Di seguito i risulatati delle simulazioni di load-flow con il pacchetto del programma MATLAB, MATPOWER, per la rete con un solo generatore:
66 I risultati relativi ai flussi di potenza nei rami e le perdite di sistema:
67 Come conseguenza di questo sistema in isola con un solo punto di generazione che alimenta carichi lontani anche più di 100km da essa, si ha che l’andamento della tensione all’interno del sistema tende a diminuire nelle zone più estreme della rete.
E’ evidente inoltre dall’ultimo risultato mostrato dalla simulazione che, anche se le perdite di potenza attiva sono esigue, è presente una generazione di potenza reattiva derivante dalle capacità trasversali della stessa.
Quest’ultima problematica in particolare verrà risolta con l’ampliamento della centrale e quindi della potenza erogata nella rete come verrà evidenziato nei risultati derivanti dalla simulazione illustrata di seguito:
70 Oltre a mantenere le perdite del sistema ad un valore esiguo non è presente la generazione capacitiva da parte delle impedenze trasversali di rete. I valori della tensione ai nodi periferici è peggiorata ulteriormente ma mantenendosi ancora però a valori accettabili.
71
3.3 Simulazione dinamica di regolazione del sistema
Lo studio della dinamica della regolazione del sistema è un procedimento mediante il quale è stato possibile analizzare la reazione del sistema ad un distacco improvviso di parte del carico. E’stato utilizzato nuovamente il programma MATLAB ma con un pacchetto applicazione diverso, in particolare Simulink.
Questo tipo di applicazione permette di eseguire molte analisi della rete, nell’elaborato è stata utilizzata per l’analisi della dinamica della regolazione.
Per l’esecuzione è stata ricostruita la rete di carichi, linee e generazione equivalenti alla rete a 24MW a 66kV illustrata precedentemente. Infatti i carichi sono stati raggruppati in 4 utenze totali per un carico totale di circa 18MW, la generazione in un unico generatore sincrono della potenza di 30MVA e con uno statismo del 5%.
La regolazione della frequenza e della tensione sono state effettuate rispettivamente con un modello classico di motore diesel di tipo integrale ed un modello di eccitatrice statica. Quindi per simulare il distaccamento improvviso di un carico dal resto della rete è stato utilizzato un Braker che esclude uno dei carichi dal resto della rete durante lo svolgimento della simulazione in un tempo stabilito precedentemente. Questo mentre il sistema è a regime.
72
Fig. 3-7: Sistema equivalente con simulink
Continuous powergui A B C a b c Three-Phase Breaker1 A B C a b c Three-Phase Transformer (Two Windings)4 A B C a b c Three-Phase Transformer (Two Windings)3 A B C a b c Three-Phase Transformer (Two Windings)2 A B C a b c Three-Phase Transformer (Two Windings)1 A B C a b c Three-Phase Transformer (Two Windings) A B C Three-Phase Series RLC Load4 A B C Three-Phase Series RLC Load3 A B C Three-Phase Series RLC Load2 A B C Three-Phase Series RLC Load1 A B C A B C Three-Phase Series RLC Branch Pm Vf_ m A B C Synchronous Machine pu Standard In1 Out1 Regolatore-Diesel In1 Out1 Regolatore Tensione Measurements5 Measurements4 Measurements3 Conn1 Conn2 Conn3 Conn4 Conn5 Conn6 Linea 30km C onn1 C onn2 C onn3 C onn4 C onn5 C onn6 Linea 25km Conn1 Conn2 Conn3 Conn4 Conn5 Conn6 Linea 100km C onn1 C onn2 C onn3 C onn4 C onn5 C onn6 Linea 10km f(u)
<Output reactiv e power Qeo (pu)>
<Output activ e power Peo (pu)>
<Rotor speed wm (pu)> <Rotor speed wm (pu)>
73 Lo schema a blocchi utilizzato per la regolazione della tensione nella simulazione è la seguente:
Dove la funzione di trasferimento dell’eccitatrice statica è la seguente:
Mentre lo schema equivalente del motore diesel con regolatore della frequenza:
Dove si nota lo statismo (R=0.05), le costanti del sistema KP e KI, il motore diesel integrale comprensivo di ritardo, nella parte destra dello schema.
74 Tramite l’utilizzo degli scope sono stati tracciati gli andamenti della tensione, frequenza e potenza nelle fasi di esercizio della linea, avviamento, regime e distacco di parte del carico. Quest’ultima operazione è stata effettuata disabilitando 8 dei 18MW di carico utilizzati durante il funzionamento a regime della rete così da riscontrare chiaramente le variazioni di frequenza e la sua regolazione. Di seguito sono riportati i grafici relativi alle grandezze analizzate e la loro dinamica all’interno del sistema dopo la variazione suddetta:
Il primo riguarda la reglazione della tensione
Fig. 3-8: Andamento della Tensione del sistema
In seguito la regolazione della frequenza:
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0.98 1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 T(s) V (p .u )
