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1 Introduzione
Premessa
Nel tempo, il concetto di unificazione ed i conseguenti processi di standardizzazione hanno dato origine ai criteri unificati per la progettazione delle centrali e dei relativi sistemi ausiliari.
Mediante questa metodologia di progetto, partendo dalla conoscenza delle potenze necessarie per i servizi ausiliari, sono stati definiti schemi elettrici e procedure adattabili in molteplici situazioni ed applicabili in maniera standard in tutte le fasi di progettazione, fino alla stesura finale ed all’esecuzione del progetto.
Tuttavia, al giorno d'oggi i grandi produttori di energia elettrica che affrontano la progettazione di nuovi impianti ed annessi sistemi elettrici ausiliari, si trovano di fronte molteplici aspetti che possono mettere in discussione l’applicazione di schemi e procedure derivanti dai processi di unificazione, rendendo necessario il ricorso allo studio di specifiche soluzioni, ottimizzate a seconda del contesto operativo.
Tutto questo è dovuto principalmente al fatto che i criteri di progetto unificati sono nati e sono stati sviluppati in ambiti profondamente diversi e precedenti rispetto alle condizioni attuali del sistema elettrico ed economico. A titolo di esempio, basti pensare alle enormi differenze tra gli ambiti in cui si è trovata ad operare l’ENEL: nel passato in un contesto monopolistico nazionale, oggi in un contesto liberalizzato globale.
Attualmente si possono evidenziare numerosi aspetti che pongono in discussione i criteri di progettazione unificati, quali:
la diversificazione delle fonti di energia primaria e le diverse caratteristiche dei combustibili (potere calorifico e composizione elementare), oltre alla loro differente disponibilità e possibilità di trasporto;
il progresso tecnologico dei materiali e dei processi di automatizzazione, uniti al conseguente aumento delle potenze massime installabili per singola unità produttiva che consentono larghi sfruttamenti di risorse e conseguenti benefici tecnico-economici;
la necessità di taglie di impianto profondamente diverse a seconda del contesto elettrico, ambientale, economico e socio-politico, in cui sono inseriti gli stessi impianti.
In questo scenario, si prospetta dunque la necessità di poter disporre di metodi di studio che sintetizzino gli aspetti principali che caratterizzano gli impianti termoelettrici, come: taglia di potenza, caratteristiche del combustibile, numero di unità produttive; ed inoltre siano in grado di valutare in modo predittivo l’incidenza che tali elementi hanno nei confronti del sistema elettrico dei servizi ausiliari.
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Pertanto, si rende necessario l’impiego di strumenti e modelli che possano essere di integrazione e/o alternativi ai metodi di progettazione unificata, e permettano la sperimentazione di soluzioni di progettazione “non standardizzate”, consentendone la valutazione e l’ottimizzazione in ambiti molto diversi tra loro.
Scopo della tesi
In questo contesto si inserisce lo studio affrontato, che ha per oggetto l’analisi e l’ottimizzazione di possibili soluzioni progettuali del sistema elettrico di alimentazione dei servizi ausiliari, per centrali termoelettriche convenzionali (a vapore) alimentate a combustibile solido, impianti nei quali sono particolarmente evidenziati tutti gli aspetti sopracitati.
Lo scopo è la realizzazione di uno strumento relativamente semplice ed immediato, ma allo stesso tempo accurato, per la definizione delle linee principali di progettazione del sistema elettrico di alimentazione dei servizi ausiliari di centrale.
In particolare, il lavoro è rivolto ad una fase preliminare di progetto ed è focalizzato sullo studio di ottimizzazione dei sistemi ausiliari per impianti termoelettrici a carbone/lignite con singola unità produttiva di elevata potenza (P ≥ 800 MW).
Perciò, gli obiettivi prefissati possono essere così riassunti:
determinazione e sintesi dei fattori che incidono maggiormente sull’impegno di potenza richiesto dai servizi ausiliari di impianti a carbone/lignite;
definizione dei criteri di progettazione e degli schemi elettrici più idonei per la rete di alimentazione dei servizi ausiliari di centrale;
elaborazione di modelli, che forniscano una rappresentazione semplificata e una stima accurata degli ordini di grandezza dell’impianto in oggetto, finalizzati all’ottimizzazione ed al dimensionamento dei componenti del sistema elettrico, permettendo una valutazione di fattibilità tecnica preliminare (tralasciando gli aspetti di carattere economico ad eventuali sviluppi successivi dello studio);
flessibilità degli strumenti elaborati, con la conseguente possibilità di applicare il metodo di studio a diverse tipologie di casi, nell'ambito degli impianti di produzione a combustibile solido.
Struttura della tesi
La stesura del presente documento è organizzata in due parti principali:
I. La prima parte, relativa ai capitoli 2 e 3, è svolta a scopo introduttivo per descrivere gli aspetti generali riguardanti la produzione di energia elettrica mediante centrali termoelettriche convenzionali a vapore, focalizzando l’attenzione sugli elementi che caratterizzano gli impianti alimentati a combustibile solido: carbone e lignite.
In particolare, nel secondo capitolo vengono descritti i principi di base (e la loro evoluzione), seguiti nel campo della progettazione degli impianti termoelettrici.
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Nel terzo capitolo si focalizza l’attenzione sui combustibili solidi e sulle centrali termoelettriche a carbone/lignite, cercando di evidenziare in linea generale, quali sono gli elementi che caratterizzano tali impianti, andando ad incidere significativamente sul sistema elettrico di alimentazione dei servizi ausiliari.
II. La seconda parte, relativa ai rimanenti capitoli (4, 5, 6 e 7), costituisce la parte centrale del lavoro, riguardante lo studio del sistema dei servizi ausiliari di una centrale a lignite di elevata taglia di potenza (oltre 800 MW).
In particolare, nel quarto capitolo è descritto un impianto termoelettrico a carbone che viene preso come riferimento. Nel quinto e nel sesto capitolo viene analizzato in dettaglio l’impianto a lignite oggetto del caso di studio, mediante una prima fase di determinazione delle utenze e delle potenze del sistema servizi ausiliari e una seconda fase di definizione e ottimizzazione del sistema elettrico di alimentazione dei servizi ausiliari. Nel settimo capitolo sono riportate le conclusioni sullo studio condotto.
Infine a supplemento dello studio effettuato, sono riportate in appendice: un’analisi di sensibilità sugli impianti a carbone/lignite e un’applicazione ad un caso diverso da quello di studio (sempre nell’ambito di centrali termoelettriche a combustibile solido), al fine di mostrare la flessibilità degli strumenti elaborati. Inoltre, sono dettagliatamente riportati gli schemi elettrici e le tabelle con i dati impiegati nello studio.
