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5. CONCLUSIONI
Le recenti normative hanno imposto limiti sempre più restrittivi alle emissioni di inquinanti che le turbine a gas possono emettere, sia in campo aeronautico che industriale. Questo ha portato allo sviluppo dei combustori DLN, con cui si ottengono ridotte emissioni di ossidi di azoto miscelando aria e combustibile prima dell’immissione nella camera di combustione. L’utilizzo di miscele magre comporta problemi di instabilità di combustione.
Per estendere il campo di funzionamento stabile di un combustore verso configurazioni a più bassa emissione di inquinanti, può essere necessario ricorrere al controllo attivo delle instabilità di combustione. Tale controllo può essere effettuato su combustori reali modulando la portata di combustibile in modo da generare rilasci termici oscillanti in opposizione di fase rispetto alle fluttuazioni di pressione.
Il sistema di controllo attivo attualmente allo studio presso i laboratori ENEL prevede l’utilizzo di una valvola ad alta frequenza in grado di modulare la portata di combustibile della lancia pilota. Durante la sperimentazione su combustori in piena grandezza, è emersa la necessità di conoscere la dinamica del sistema di attuazione per poter realizzare un adeguato sistema di controllo attivo.
Lo studio del campo fluidodinamico prodotto dai combustori a bassa emissione di inquinanti è oggetto, da diversi anni, della collaborazione tra il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell’Università di Pisa ed il Polo Termico Enel di Livorno.
Il presente lavoro, frutto di questa collaborazione, consiste nell’esecuzione di una campagna sperimentale per caratterizzare il comportamento del sistema di adduzione del combustibile.
L’intera attività sperimentale è stata svolta presso i laboratori del Polo Termico Enel di Livorno. Tale attività ha richiesto la messa a punto di un banco prova e degli strumenti per la misura della portata media e delle componenti oscillanti delle grandezze fluidodinamiche che caratterizzano il comportamento di un condotto: velocità e pressione.
Il banco prova riproduce il sistema di adduzione del combustibile dell’impianto turbogas in esame, ed è composto dalla valvola ad alta frequenza per la modulazione della portata, dalla lancia combustibile e da un tratto di condotto rettilineo che li unisce. Su tale impianto sono state effettuate le misure di velocità e pressione, utilizzando l’aria come fluido di lavoro. L’aria in pressione è fornita da un compressore a viti a bagno d’olio e la portata è stata regolata tramite un riduttore di pressione. Il segnale di comando, generato con appositi strumenti, e la risposta del sistema, sono stati campionati e salvati mediante un apposito sistema di acquisizione dati.
Le misure di velocità sono state effettuate con anemometro a filo caldo, posizionando la sonda in corrispondenza dei fori di uscita del gas, le misure di pressione sono state realizzate con un sensore al quarzo in grado di misurare la sola componente oscillante della pressione. Entrambi i metodi di misura hanno una risposta in frequenza più che sufficiente per misurare componenti oscillanti di alcune centinaia di Hz.
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Per indagare il comportamento al variare delle condizioni di funzionamento che possono essere rilevate in esercizio, sono state effettuate prove variando lunghezza del condotto, portata media ed ampiezza del segnale di comando.
La risposta del sistema di adduzione del combustibile è più ampia ad alcune frequenze;
tale fenomeno è legato all’effetto di amplificazione del condotto in corrispondenza della frequenza di risonanza e dei multipli di essa.
Poiché il fenomeno dell’instabilità di combustione è legato alle caratteristiche acustiche del combustore, le frequenze a cui le instabilità si manifestano sono legate ai modi propri di vibrazione del fluido nel combustore. E’ quindi op portuno utilizzare un condotto della lunghezza ottimale per controllare le instabilità di maggiore ampiezza, in modo da aumentare la capacità smorzante del sistema di controllo.
Sull’impianto ENEL di Sesta le instabilità di maggior ampiezza si manifestano alla frequenza di 160 Hz; in base ai risultati ottenuti sperimentalmente utilizzando aria come fluido di lavoro, è stata calcolata la lunghezza del condotto che rende massima la risposta a tale frequenza per il gas metano. Le prove effettuate con il condotto modificato hanno mostrato un miglioramento nelle capacità del sistema di controllare le instabilità di combustione
I risultati delle prove evidenziano che la risposta del sistema non è lineare rispetto agli ingressi; questo è dovuto all’ampiezza delle oscillazioni, superiori a quelle ammissibili per la validità dei modelli acustici lineari ed alla forma complessa della lancia combustibile. La costruzione di un modello matematico risulta quindi laboriosa.
Per questo motivo si è fatto ricorso alle reti neurali per ottenerne un modello del condotto. Le reti neurali permettono l’identificazione di sistemi dinamici mediante un approccio black box, in cui l’identificazione è basata esclusivamente sui dati misurati:
ingressi ed uscite. Per poter identificare il sistema in maniera adeguata è necessario disporre di un set di dati in cui tutte le ampiezze e le frequenze vengano rappresentate.
Per questo è stato creato con il software Labview un segnale di ingresso che risponde alle caratteristiche desiderate, detto N-samples-constant e, tramite un generatore di segnali, utilizzato per sollecitare il sistema. L’ingresso del sistema è quindi il segnale utilizzato per pilotare la valvola ad alta frequenza, mentre l’uscita di interesse è la portata di combustibile uscente dalla lancia, di cui velocità e pressione sono le caratteristiche misurabili.
Dai set di dati ottenuti sono stati ricavati modelli del sistema in grado di predire le uscite al passo successivo (1-step-ahead prediction).
Il modello NNOE non utilizza le uscite precedenti del sistema per prevedere le successive, ma si basa sul segnale di comando e sulle stime delle uscite precedenti calcolate dal modello stesso. Per predire l’ampiezza e la fase della portata all’uscita dalla lancia, tale metodo non necessita pertanto di misurare la velocità o la pressione durante il funzionamento dell’impianto.
La risposta per il segnale di tipo N-samples-constant con cui è stato effettuato il
“training” del modello viene prevista con sufficiente accuratezza, mentre è meno accurata per gli ingressi di tipo sinusoidale: in questo caso il modello è in grado di prevedere correttamente la fase dell’uscita, ma fornisce un’indicazione poco precisa per l’ampiezza.
I modelli NNARX e NNARMAX utilizzano come ingressi il segnale di comando e le uscite del sistema misurate ai passi precedenti per predire la risposta agli istanti
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successivi. Tali modelli hanno dimostrato di prevedere correttamente la risposta sia per segnali di tipo analogo a quello con cui è stato effettuato il “training” del modello, sia per segnali sinusoidali, con cui tipicamente verrà comandato il sistema.
Per utilizzare questi modelli è necessario misurare lo stato del sistema durante il funzionamento. Questo può essere fatto determinando la pressione all’interno del condotto del combustibile mediante un sensore di pressione. La posizione del sensore utilizzata per le prove creerebbe eccessiva interferenza con il flusso del combustibile e con quello dell’aria comburente; è quindi necessario modificare la lancia combust ibile in modo da collocare il sensore all’interno del condotto centrale della lancia, normalmente utilizzato per il combustibile liquido. Lo strumento utilizzato per le prove è adatto a tale scopo, infatti, può essere raffreddato ed utilizzato anche per le misure su combustori in funzione.
Questo modello ci dà la possibilità di predire l’ampiezza e la fase della modulazione di portata in funzione di una variazione nell’ingresso, e quindi, nota la mandata di combustibile di cui ho bisogno per controllare l’i nstabilità della fiamma, mi consente di stabilire l’ampiezza del segnale di comando da utilizzare per ottenere tale portata.
Un possibile sviluppo di questo lavoro sono la comprensione dei fenomeni non lineari rilevati e la costruzione di un modello “fisico” del sistema, la cui validità può essere verificata grazie all’ampio data -base ottenuto con questa campagna di prove.
Mediante il confronto tra i risultati ottenuti con l’anemometro a filo caldo e quelli del sensore di pressione, è stato validato l’util izzo di quest’ultimo strumento per identificare il comportamento del sistema di adduzione del combustibile.
I risultati raggiunti, se uniti ad un modello della combustione, possono essere sufficienti alla creazione di un sistema di controllo in ciclo chiuso che, basandosi sull’ampiezza delle oscillazioni termoacustiche misurate dai sensori inseriti in camera di combustione, stabilisca l’ampiezza e la fase dell’azione di controllo.
