Il presente lavoro di tesi rientra nella collaborazione tra il Dipartimento di Ingegneria

I

SOMMARIO

Oggetto della presente tesi è lo studio della dinamica del condotto di adduzione del combustibile per un combustore DLN e l’ottimizzazione di tale condotto ai fini del controllo attivo delle instabilità di combustione.

A tale scopo è stato costruito un banco prova che riproduce il sistema di adduzione del combustibile dell’impianto turbogas in esame, su cui è stata installata una valvola ad alta frequenza per la modulazione della portata. Su tale impianto sono state effettuate misure di velocità mediante anemometro a filo caldo e misure di pressione al variare dei parametri caratteristici del condotto.

Un modello del sistema è stato ottenuto mediante reti neurali; sono state adoperate le strutture NNARX, NNARMAX e NNOE. Tali modelli si sono rivelati efficaci nel prevedere la risposta del sistema. I primi due richiedono di misurare lo stato del sistema mediante sensori di pressione e esigono pertanto di apportare lievi modifiche alla lancia combustibile attualmente in uso. Il terzo non comporta modifiche al sistema, ma fornisce predizioni meno accurate.

Il presente lavoro di tesi rientra nella collaborazione tra il Dipartimento di Ingegneria

Aerospaziale dell’Università di Pisa ed il Polo Termico Enel di Livorno per le ricerche

nell’ambito dei combustori di nuova generazione.

II

INDICE

LISTA DELLE IMMAGINI IV

LISTA DELLE TABELLE VI

SIMBOLOGIA UTILIZZATA VII

INTRODUZIONE 1

1. COMBUSTORI A BASSA EMISSIONE DI INQUINANTI 5

1.1. Introduzione 5

1.2 La combustione 5

1.3 Caratteristiche dei combustori 8

1.3.1 Combustori a fiamma diffusiva 9

1.3.2 Combustori DLN (Dry Low NOx) 10

1.4 Problemi connessi con l’uso dei combustori DLN 15

1.5 Metodi di controllo delle instabilità di combustione 16

1.6 Condotto di adduzione del combustibile 18

1.7 Scopo della ricerca 19

2. DESCRIZIONE DELL’ATTREZZATURA SPE RIMENTALE 21

2.1. Introduzione 21

2.2. Descrizione del banco prova 22

2.2.1. Valvola 24

2.2.2. Condotto rettilineo 28

2.2.3. Lancia 28

2.2.4. Sistema di alimentazione dell’aria 29

2.3. Anemometro a filo caldo 30

2.3.1. Generalità sull’anemometria 30

2.3.2. Il Sistema impiegato 32

2.3.3. Scelta del tipo di sonda 33

2.3.4. Calibratore 35

2.3.5. Sistema di posizionamento della sonda 37

2.4. Misure di pressione 39

2.4.1. Apparecchiature per misure dinamiche di pressione 39

2.5. Misure di portata media 40

2.5.1. Flangia tarata 40

2.5.2. Dimensionamento del volume di separazione 42

2.5.3. Monitoraggio della portata su tempi lunghi 44

III

3. PROVE SPERIMENTALI 46 3.1. Modalità di esecuzione delle prove 46 3.2. Risposta dinamica al variare della posizione della sonda 50 3.3. Risposta dinamica del sistema 58 3.3.1. Risposta al variare della lunghezza del condotto 60 3.3.2. Risposta al variare dell’ampiezza del se gnale di comando 62 3.3.3. Risposta al variare della portata media 65 3.3.4. Fase 70 3.3.5. Risposta / Risposta valvola 71 3.3.6. Misure di pressione 73 3.3.7. Effetto della saturazione della valvola 78 3.4. Scalatura dei risultati 79 4. IDENTIFICAZIONE DEL SISTEMA MEDIANTE RETI

NEURALI 83 4.1. Le reti neurali 83 4.2. Esperimento 85 4.3. Scelta, Training e validazione del modello 88 4.3.1. Modello NNARX 90 4.3.2. Modello NNARMAX 100 4.3.3. Modello NNOE 100 4.4. Conclusioni 104 5. CONCLUSIONI 105 BIBLIOGRAFIA 108 SOFTWARE UTILIZZATO 110 RINGRAZIAMENTI 111 APPENDICI

- Appendice A: Schemi Labview 112

- Appendice B: Calcolo della portata media 116

- Appendice C: Dimensionamento del volume di separazione 118

- Appendice D: Trasformata di Fourier 119

- Appendice E: Procedure di calcolo in linguaggio Matlab 121

- Appendice F: Pesi delle reti neurali 140

IV

LISTA DELLE IMMAGINI

Capitolo 1

Fig. 1: Emissione di inquinanti 6 Fig. 2: Temperatura di fiamma 7 Fig. 3: Formazione di NO 8 Fig. 4: Schema di combustore a fiamma diffusiva 9 Fig. 5: Dipendenza dell’emissione di NOx dalla temperatura di fiamma 10 Fig. 6: Possibili modi operativi di un combustore DLN con fiamma pilota 12 Fig. 7: Installazione di un combustore DLN 12 Fig. 8: Disposizione degli iniettori 13 Fig. 9: Disposizione dei combustori 13 Fig. 10: Sezione di un combustore DLN 14 Fig. 11: Meccanismo di formazione delle instabilità 16 Fig. 12: Meccanismi di azione dei sistemi di controllo attivo 18 Fig. 13: Schema di controllo attivo basato sulla modifica del campo acustico 18 Fig. 14: Schema di controllo attivo basato sulla modulazione del combustibile 19 Fig. 15: Condotto di adduzione del combustibile 20 Fig. 16: Condotto di adduzione del combustibile con valvola per la modulazione

della portata 20 Capitolo 2

Fig. 1: Banco prova 21 Fig. 2: Schema del banco prova 22 Fig. 3: Banco prova 23 Fig. 4: Schema della valvola DDV 25 Fig. 5: Posizione dell'otturatore in funzione del segnale di comando 25 Fig. 6: Diagramma di Bode sperimentale della funzione di trasferimento della

valvola (ampiezza) 26 Fig. 7: Diagramma di Bode sperimentale della funzione di trasferimento della

valvola (fase) 27 Fig. 8: Valvola DDV 28 Fig. 9: Lancia combustibile pilota 29 Fig. 10: Particolare della lancia 29 Fig. 11: Principio dell’anemometria a filo caldo 30 Fig. 12: Schema elettrico di un anemometro a corrente costante (C.C.A.) 31 Fig. 13: Schema elettrico di un anemometro a temperatura costante (C.T.A.) 31 Fig. 14: Sistema C.T.A. Dantec 32 Fig. 15: Componenti del sistema CTA Dantec 33 Fig. 16: Sonda 33 Fig. 17: Risposta in frequenza di una sonda a filo 34 Fig. 18: Risposta del circuito al test dell'onda quadra 35 Fig. 19: Curva di calibrazione ed errore % 36 Fig. 20: Calibratore 37 Fig. 21: Posizione della sonda 38 Fig. 22: Sistema di posizionamento della sonda 38 Fig. 23: Elemento di collegamento 39 Fig. 24: Collegamento lancia - sensore di pressione 39 Fig. 25: Sensore dinamico di pressione Kistler “6061 B” 40 Fig. 26: Moto del fluido in un diaframma 41

V

Fig. 27: Andamento della pressione del fluido nel passaggio attraverso un diaframma 41 Fig. 28: Installazione della flangia tarata 43 Fig. 29: Variazione della portata 44 Capitolo 3

Fig. 1: Condotti di lunghezze differenti 47 Fig. 2: Fori di uscita dell’aria 50 Fig. 3: Punti di misura 51 Fig. 4: Campo di velocità in funzione della distanza con valvola ferma 51 Fig. 5: Campo di velocità in funzione della distanza con valvola ferma 52 Fig. 6: Velocità media con valvola azionata alla frequenza f = 125 Hz 52 Fig 7: Velocità media con valvola azionata alla frequenza f = 185 Hz 53 Fig. 8: Confronto tra i campi di velocità massima, media e minima 53 Fig. 9: Confronto tra i campi di velocità massima, media e minima per f = 125 Hz 54 Fig. 10: Confronto tra i campi di velocità massima, media e minima per f = 185 Hz 54 Fig. 11: Andamento temporale della velocità per diverse distanze 55 Fig. 12: Trasformata di Fourier del segnale per diverse distanze, f = 185 Hz 56 Fig. 13: Ampiezza componente oscillante della velocità alla frequenza di 185 Hz 56 Fig. 14: Ampiezza componente oscillante della velocità alla frequenza di 185 Hz 57 Fig. 15: Segnale di comando e misura di velocità ( f = 125 Hz ) 58 Fig. 16: Ampiezza dell’oscillazione di velocità [m/s] e fase rispetto al segnale di

comando [rad] 59 Fig. 17: Ampiezza dell’oscillazione di velocità [dB] e fase rispetto al segnale

di comando [rad] 60 Fig. 18: Ampiezza e fase al variare della lunghezza del condotto ( ÄV = 12 V ) 61 Fig. 19: Ampiezza e fase al variare della lunghezza del condotto ( ÄV = 8 V ) 61 Fig. 20: Ampiezza e fase al variare della lunghezza del condotto ( ÄV = 4 V ) 62 Fig. 21: Ampiezza e fase della risposta al variare del segnale di comando per L = 1 m 63 Fig. 22: Ampiezza e fase della risposta al variare del segnale di comando per L = 1.5 m 63 Fig. 23: Ampiezza e fase della risposta al variare del segnale di comando per L = 2 m 64 Fig. 24: Ampiezza della risposta / Ampiezza del comando per L = 1 m 64 Fig. 25: Pressione media nel condotto in funzione della pressione di alimentazione

dell’aria 65 Fig. 26: Ampiezza e fase della risposta al variare della portata media per L = 1 m 66 Fig. 27: Ampiezza e fase della risposta al variare della portata media per L = 1.5 m 66 Fig. 28: Ampiezza e fase della risposta al variare della portata media per L = 2 m 67 Fig. 29: Spostamento del massimo con la portata ( L = 1 m ) 68 Fig. 30: Spostamento del massimo con la portata ( L = 1.5 m ) 68 Fig. 31: Spostamento del massimo con la portata ( L = 2 m ) 69 Fig. 32: Ampiezza dell’oscillazione di velocità / Ampiezza del primo massimo 70 Fig. 33: Fase calcolata e misurata 71 Fig. 34: Ampiezza risposta / Ampiezza risposta valvola ( L = 1 m ) 72 Fig. 35: Ampiezza risposta / Ampiezza risposta valvola ( L = 1.5 m ) 72 Fig. 36: Ampiezza risposta / Ampiezza risposta valvola ( L = 2 m ) 73 Fig. 37: Comando, posizione valvola, velocità e pressione ( f = 380 Hz ) 74 Fig. 38: Ampiezza e fase dell’oscillazione di pressio ne 75 Fig. 39: Confronto tra le misure di velocità e di pressione 75 Fig. 40: Confronto con e senza sensore di pressione 76 Fig. 41: Trasformata di Fourier di velocità e pressione 77 Fig. 42: Effetto delle armoniche multiple della fondamentale ( f = 410 Hz ) 77 Fig. 43: Effetto della saturazione della valvola ( f = 10 Hz ) 78

VI

Fig. 44: Condotto combustibile installato sull'impianto di Sesta 82 Capitolo 4

Fig. 1: Schema di una rete neurale 83 Fig. 2: Procedura per l'identificazione dei sistemi 84 Fig. 3: Al sistema viene applicato un ingresso osservandone l'effetto sull'uscita 85 Fig. 4: Segnale "N Samples Constant" con N=5 86 Fig. 5: Trasformata di Fourier del segnale di comando e del segnale anemometrico 87 Fig. 6: Segnale di comando e risposta 88 Fig. 7: Ordine del modello (n_a = n_b) 89 Fig. 8: Ordine del modello 90 Fig. 9: Set di dati utilizzato per addestrare la rete (training set) 91 Fig. 10: Velocità misurata (in blu) e previsione (in rosso), errore di predizione 92 Fig. 11: Velocità misurata e previsione, errore (Ingrandimento della precedente) 92 Fig. 12: Velocità misurata (in blu) e previsione (in rosso), errore di predizione 93 Fig. 13: Auto-correlazione e cross-correlazione 94 Fig. 14: Velocità misurata e previsione, errore di predizione; f = 180 Hz 95 Fig. 15: Velocità misurata e previsione, errore di predizione; f = 120 Hz 95 Fig. 16: Training effettuato con le misure fatte con portate di 2 gr/s e 4 gr/s 96 Fig. 17: Verifica effettuata con le misure fatte con portata di 3 gr/s 97 Fig. 18: Comando, posizione valvola, pressione e velocità 98 Fig. 19: Modello basato sulle misure di pressione (training set) 99 Fig. 20: Modello basato sulle misure di pressione (test set) 99 Fig. 21: Training set 101 Fig. 22: Test set 101 Fig. 23: Test set (ingrandimento della precedente) 102 Fig. 24: Auto-correlazione e cross-correlazione per il test set 102 Fig. 25: Test set (f = 120 Hz) 103 Fig. 26: Test set (f = 180 Hz) 103

LISTA DELLE TABELLE

Capitolo 2

Tab. 1: Dati tecnici della strumentazione 24 Tab. 2: Caratteristiche della sonda 34 Capitolo 3

Tab. 1: Misure anemometriche con comando sinusoidale 48 Tab. 2: Misure anemometriche con comando NSC 49 Tab. 3: Misure anemometriche e di pressione con comando sinusoidale 49 Tab. 4: Misure anemometriche e di pressione con comando NSC 50 Tab. 5: Velocità media, oscillazione e rapporto 57

VII

SIMBOLOGIA UTILIZZATA

T temperatura P, p pressione

ρ

densità

µ

coefficiente di viscosità

ν = µ

viscosità cinematica

γ

rapporto dei calori specifici U Velocità

U

Velocità media U’ Velocità fluttuante U0 Velocità allo sbocco Re numero di Reynolds V Tensione

I Corrente R

Resistenza f frequenza

L lunghezza

a velocità del suono D, d diametro

Q

portata volumetrica Q

portata massica

α coefficiente di portata del dispositivo di strozzamento ε coefficiente di comprimibilità del fluido

u(t) segnale di ingresso y(t) segnale di uscita

( )

ˆy t

risposta del modello e(t) rumore

N numero di campioni