2 2 C C o o mb m b u u st s to o re r e GE G E M M S S 5 5 0 0 0 0 1 1
2. 2 .1 1 Tu T ur rb bo og g as a s G GE E M MS S5 5 00 0 0 1 1
Il turbogas GE MS5001 (Figura 2.1) è una macchina compatta ed affidabile, progettata per lunga vita e di facile manutenzione.
Figura 2.1: Turbogas GE MS5001
La macchina, presenta un compressore assiale a diciassette stadi, accoppiato ai due stadi della turbina e ad un sistema di combustione con dieci camere, abilitate a bruciare un ampio range di combustibili, dai distillati liquidi a tutti i combustibili gassosi, includendo gas a basso BTU e miscele di diversi combustibili. L’aria può essere estratta dal quarto o dal decimo stadio del compressore per: raffreddare parti che operano ad alte temperature, provvedere ad atomizzare il combustibile liquido (se usato), le valvole di controllo, etc.
L’output elettrico di progetto è di 26300 kW come carico base, e 27830 kW come carico di picco con un imput termico di 12650 kJ/kWh in condizioni ISO (15°C, umidità relativa
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60 , livello del mare). Consta di due compartimenti, uno adibito a contenere gli ausiliari, e uno contenente la macchina turbogas, entrambi alloggiati su di una stessa base e dotati di un sistema di ventilazione comune. E’ unità che si presta ad essere utilizzata in cicli combinati e impianti cogenerativi.
2. 2 .2 2 De D es s cr c ri iz zi io on ne e d de el l c co o mb m bu us s to t or re e G GE E M M S5 S 5 00 0 0 1 1
Il combustore oggetto di studio, è il combustore del turbogas GE MS5001.
La configurazione standard, prevede dieci camere di combustione convenzionali, ognuna delle quali è composta da un tubo di fiamma racchiuso all’interno di un involucro cilindrico (vedi Figura 2.2).
Il tubo di fiamma è connesso all’ingresso della turbina con un classico collettore curvo, il convogliatore.
L’involucro, è invece collegato alla cassa di scarico del compressore, ed è chiuso all’estremità opposta da un coperchio nel quale si inserisce il sistema di iniezione, provvisto di ugelli spruzzatori localizzati in modo tale da avere un’ottima distribuzione della fiamma.
Tra il tubo di fiamma e l’involucro esterno vi è uno spazio di forma anulare, all’interno del quale passa l’aria compressa, che si dirige verso l’iniettore e contemporaneamente entra all’interno del tubo di fiamma attraverso fori e “unghiature”.
Figura 2.2: Sezione del combustore GE MS5001
Il tubo di fiamma, si può dire costituito essenzialmente da tre elementi:
- il cestello, parte iniziale del tubo di fiamma, formato da una parte cilindrica, la camicia, e dal cappello, dove trova alloggio l’iniettore;
- l’iniettore bi-combustibile, predisposto all’utilizzo di combustibile gassoso e/o liquido (nello studio in questione si farà riferimento esclusivamente al funzionamento a gas);
- il convogliatore, parte terminale del tubo di fiamma.
In Tabella 2.1, sono riportati i dati tecnici della macchina turbogas (rapporto tecnico Enel, settembre 2005).
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Tabella 2.1: Dati tecnici del turbogas GE MS5001
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La parte iniziale del tubo di fiamma è rappresentata dal cestello, che come già detto, risulta formato da una parte cilindrica, la camicia, e dal cappello nel quale si inserisce il sistema di iniezione.
Il cappello è costituito da un corpo conico a pendenza variabile, con la concavità rivolta verso l’interno del tubo di fiamma, e da una piastra forata di calibrazione attraversata dall’aria compressa che riesce a fluire fino a raggiungere la base del tubo.
Tra la piastra forata e la parte conica si crea uno spazio interno, detto camera di cappello, racchiuso esternamente da un anello che prolunga la camicia.
Sulla camicia, sono presenti tre schiere di fori laterali equispaziati azimutalmente per la graduale immissione dell’aria comburente.
Partendo lato iniettore, si hanno otto fori primari, e otto fori secondari allineati a quelli primari. Sono presenti infine i quattro fori di diluizione, allineati a quattro dei fori primari.
L’insieme delle forature sul cestello, presenta una simmetria quadrangolare, dato che la disposizione delle aperture si ripete ogni 90 . °
Gli unici elementi che violano tale simmetria, sono i fori del tubo passafiamma, a monte dei fori primari (non modellati nel presente lavoro, poiché ritenuto trascurabile il loro contributo sul campo di moto).
La zona di camicia compresa tra cappello e fori di diluizione presenta una serie di fessure, chiamate “unghiature” per la tipica forma, che hanno lo scopo di raffreddare la parete
grazie all’aria proveniente dall’anulo. Si hanno trentadue “unghiature” per ognuna delle ventisei schiere circolari, con le dovute eccezioni per la presenza dei fori laterali.
E’ da tenere presente, che la distanza tra due schiere non è costante, ma tende a diminuire per ovvie ragioni avvicinandosi al cappello. In Figura 2.3 sono mostrate le “unghiature” e i fori presenti sulla camicia del tubo di fiamma.
Figura 2.3: Le “unghiature” e i fori presenti sulla camicia
Anche parte del cono (Figura 2.4), è interessata dallo stesso tipo di fessure, poste su cinque file anulari concentriche.
Le quattro più interne sono convergenti, cioè dirigono il flusso verso l’asse del combustore, mentre quelle dell’anello esterno imprimono al flusso una direzione
Figura 2.4: La disposizione delle “unghiature” sulla parte conica del cappello
Il tubo di fiamma può essere suddiviso inoltre, in base alla progressione di combustione, in tre zone:
• zona primaria, dall’iniettore ai fori primari, in cui avviene una combustione solo parziale a causa della locale carenza di ossigeno;
• zona secondaria, dai fori primari ai fori di diluizione, in cui l’immissione d’aria dai fori primari e secondari permette il completamento della combustione;
• zona di diluizione, dai fori di diluizione allo sbocco del convogliatore, in cui si ha una riduzione della temperatura, e una omogeneizzazione dei fumi allo scopo di raggiungere le condizioni ottimali di ingresso in turbina.
2. 2 .2 2. .2 2 L’ L ’i in n ie i et tt to or re e
Il combustore in questione è dotato di un sistema di iniezione disponibile in una configurazione dual fuel, predisposto quindi al bruciamento di combustibile gassoso e/o liquido. L’iniettore, è collocato assialmente all’inizio del tubo di fiamma, all’interno di una boccola al centro del cono del cappello. Nel disegno in Figura 2.5 (rapporto tecnico Enel), è riportata la denominazione dei flussi che interessano il combustore attraverso le diverse sezioni di passaggio.
Sull’asse dell’iniettore è collocata la testina, atta a convogliare combustibile liquido che viene immesso nella camera di combustione tramite l’ugello gasolio (F1).
All’esterno del tubo di adduzione del gasolio, e concentrico ad esso, si trova il condotto anulare di adduzione dell’aria di atomizzazione per la polverizzazione del gasolio (F2).
Sulla parte esterna dell’iniettore, tra questo e la boccola fissata al cappello, si trova uno spazio anulare in qui fluisce l’aria di iniezione (F4).
Questo origina un flusso assiale, dotato poi di una componente tangenziale impressa dal vorticatore (Figura 2.6), costituito da una schiera di ventisei palette il cui piano meridiano forma un angolo di 30 con l’asse del combustore. °
L’orientamento delle palette è tale che il flusso ruota nel senso sinistrorso.
Le palette del vorticatore delimitano sedici vani in cui fluisce l’aria di iniezione. Sulla faccia interna di un vano ogni due, si presenta un foro per l’iniezione del gas, per avere a disposizione un totale di otto ugelli per l’ingresso del gas combustibile (F3).
L’asse di ciascun ugello è orientato in senso assiale in modo conforme alle palette (30 ° sinistrorsi), mentre in sezione meridiana risulta inclinato di 45 in direzione divergente ° rispetto all’asse.
Figura 2.6: Iniettore con vorticatore
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Il convogliatore, è invece la parte terminale del tubo di fiamma, e serve ad adattare progressivamente la sezione cilindrica del cestello al settore anulare della prima schiera di pale della turbina.
2. 2 .3 3 Sp S pe er ri im m en e nt ta a zi z io on ne e
Il combustore GE MS5001 è stato oggetto di alcune campagne sperimentali finalizzate a caratterizzarne il funzionamento in diverse configurazioni di carico.
I dati presi in considerazione nel presente lavoro di Tesi, si riferiscono in particolare a due prove:
- Prove eseguite a freddo a pressione costante, grazie all’apparato sperimentale CAUX-F del laboratorio di Livorno, finalizzate a determinare la ripartizione dell’aria nei condotti afferenti all’interno della camera di combustione (Tabella 2.2, con la sigla dei flussi indicata nel disegno di Figura 2.5) attraverso la misura della caduta di pressione per ogni sezione di passaggio.
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Tabella 2.2: Distribuzione flussi d’aria in ambito sperimentale
- Prove eseguite a caldo a pressione nominale, utilizzando una cella sperimentale del
di metano ed idrogeno, a diversi carichi di lavoro. Sono stati presi i valori percentuali delle specie chimiche principali O2,H2O, e il valore degli ossidi di azoto per la combustione di idrogeno puro all’uscita del combustore come dati sperimentali di riferimento (Tabella 2.3).
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Tabella 2.3: Specie all’uscita del combustore in ambito sperimentale
