IT201600127713A1 - Gruppo bruciatore per un impianto a turbina a gas, impianto a turbina a gas comprendente detto gruppo bruciatore e metodo per operare detto impianto - Google Patents

Gruppo bruciatore per un impianto a turbina a gas, impianto a turbina a gas comprendente detto gruppo bruciatore e metodo per operare detto impianto

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IT201600127713A1
IT201600127713A1 IT102016000127713A IT201600127713A IT201600127713A1 IT 201600127713 A1 IT201600127713 A1 IT 201600127713A1 IT 102016000127713 A IT102016000127713 A IT 102016000127713A IT 201600127713 A IT201600127713 A IT 201600127713A IT 201600127713 A1 IT201600127713 A1 IT 201600127713A1
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IT
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burner
air flow
fuel
pressure tap
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Application number
IT102016000127713A
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English (en)
Inventor
Enrico Gottardo
Edoardo Bertolotto
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Ansaldo Energia Spa
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“GRUPPO BRUCIATORE PER UN IMPIANTO A TURBINA A GAS, IMPIANTO A TURBINA A GAS COMPRENDENTE DETTO GRUPPO BRUCIATORE E METODO PER OPERARE DETTO IMPIANTO”
di ANSALDO ENERGIA S.P.A.
di nazionalità italiana
con sede: VIA NICOLA LORENZI, 8
GENOVA (GE)
Inventori: GOTTARDO Enrico, BERTOLOTTO Edoardo
*** ***** ***
La presente invenzione è relativa ad un gruppo bruciatore per un impianto a turbina a gas, ad un impianto a turbina a gas comprendente detto gruppo bruciatore e ad un metodo per operare detto impianto.
Gli impianti a turbina a gas di tipo noto comprendono generalmente un compressore, una turbina a gas ed una camera di combustione.
La camera di combustione comprende almeno un gruppo bruciatore alimentato con combustibile ed aria comburente.
L’aria comburente è normalmente aria proveniente dal compressore.
Il rapporto tra la quantità di combustibile e di comburente alimentato al gruppo bruciatore è un parametro molto importante perché influisce sia sulla stabilità della
1 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) combustione che sulle quantità di inquinanti emessi dall’impianto stesso.
È pertanto fondamentale che tale rapporto venga controllato adeguatamente.
Solitamente negli impianti a turbina a gas viene controllata la sola quantità di combustibile alimentata al gruppo bruciatore. La portata di combustibile alimentata ai bruciatori viene infatti monitorata tramite tecniche di rilevamento note durante il funzionamento del gruppo bruciatore.
Tuttavia, le attuali tecniche a disposizione non consentono una misura affidabile della portata di aria comburente alimentata al gruppo bruciatore durante il funzionamento del gruppo bruciatore stesso.
Di conseguenza, le tecniche note non sono in grado di controllare adeguatamente il rapporto tra la quantità di combustibile e di comburente alimentato al gruppo bruciatore.
È pertanto uno scopo della presente invenzione quello di realizzare un gruppo bruciatore che consenta di superare gli inconvenienti sopra evidenziati in modo semplice ed economico, sia dal punto di vista funzionale, sia dal punto di vista costruttivo. In particolare, è uno scopo della presente invenzione quello di realizzare un gruppo bruciatore che sia configurato in modo da consentire una
2 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) misura affidabile della portata di aria comburente ad esso alimentata.
In accordo con tali scopi la presente invenzione è relativa ad un gruppo bruciatore per una camera di combustione di un impianto a turbina a gas estendentesi lungo un asse comprendente:
un bruciatore principale, il quale è alimentato con una portata di aria principale e con una portata di combustibile principale ed è configurato per generare una zona di combustione principale;
un bruciatore secondario, il quale è alimentato con una portata di aria secondaria e con una portata di combustibile secondaria ed è configurato per generare almeno una zona di combustione secondaria;
il bruciatore secondario estendentesi sostanzialmente lungo l’asse ed il bruciatore principale estendentesi attorno al bruciatore secondario parallelamente all’asse; il bruciatore principale essendo provvisto di almeno un dispositivo di rilevamento principale configurato per rilevare la portata di aria principale attuale;
il bruciatore secondario essendo provvisto di almeno un dispositivo di rilevamento secondario configurato per rilevare la portata di aria secondaria attuale.
Grazie alla presenza del dispositivo di rilevamento principale e del dispositivo di rilevamento secondario, è
3 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) possibile rilevare la portata di aria complessiva alimentata al gruppo bruciatore ed anche la ripartizione della portata di aria tra bruciatore principale e bruciatore secondario.
In questo modo, quindi, non solo è possibile controllare ed ottimizzare il rapporto tra combustibile e comburente alimentato al gruppo bruciatore, ma è possibile ottimizzare tale rapporto anche per ciascun singolo bruciatore del gruppo bruciatore. Ciò consente un controllo mirato della stabilità della zona di combustione principale e della zona di combustione secondaria.
È inoltre uno scopo della presente invenzione quello di realizzare un impianto a turbina a gas in cui sia possibile ottimizzare la stabilità della combustione e al contempo garantire un livello di emissioni che non superi i limiti di legge.
In accordo con tali scopi la presente invenzione è relativa ad un impianto a turbina a gas per la produzione di energia elettrica comprendente un compressore, una turbina a gas, una camera di combustione provvista di almeno un gruppo bruciatore come rivendicato in una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 10.
È infine un ulteriore scopo della presente invenzione quello di fornire un metodo per operare un impianto a turbina a gas per la produzione di energia elettrica che
4 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) sia in grado di ottimizzare la stabilità della combustione e al contempo garantire un livello di emissioni che non superi i limiti di legge.
In accordo con tali scopi la presente invenzione è relativa ad un metodo per operare un impianto a turbina a gas per la produzione di energia elettrica provvisto di almeno un gruppo bruciatore comprendente un bruciatore principale ed un bruciatore secondario; il metodo comprendendo le fasi di:
• alimentare al bruciatore principale una portata di aria principale e una portata di combustibile principale per generare almeno una zona di combustione principale;
• alimentare al bruciatore secondario una portata di aria secondaria e una portata di combustibile secondaria per generare almeno una zona di combustione secondaria;
• rilevare la portata di aria principale attuale alimentata al bruciatore principale;
• rilevare la portata di aria secondaria attuale alimentata al bruciatore secondario;
• regolare la portata di combustibile principale e la portata di combustibile secondaria sulla base dei valori di portata di aria principale attuale e portata di aria secondaria attuale.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue
5 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) di un suo esempio non limitativo di attuazione, con riferimento alle figure dei disegni annessi, in cui:
– la figura 1 è una rappresentazione schematica di un impianto a turbina a gas per la produzione di energia elettrica in accordo alla presente invenzione;
– la figura 2 è una vista schematica laterale, con parti in sezione e parti asportate per chiarezza, di un gruppo bruciatore secondo la presente invenzione;
– la figura 3 è una vista schematica laterale, con parti in sezione e parti asportate per chiarezza, di un gruppo bruciatore in accordo ad una variante secondo la presente invenzione.
In figura 1 è indicato con il numero di riferimento 1 un impianto per la produzione di energia elettrica comprendente una turbina a gas 2 estendentesi lungo un asse A, un compressore 3, una camera di combustione 4, un gruppo per alimentare combustibile 6 alla camera di combustione 4, un generatore 8, il quale trasforma la potenza meccanica fornita dalla turbina a gas 2 in potenza elettrica, ed un dispositivo di controllo 9.
La camera di combustione 4 comprende una pluralità di sedi 10, ciascuna delle quali è atta ad essere impegnata da un rispettivo gruppo bruciatore 11. Le sedi 10 sono disposte lungo un percorso circolare in prossimità di un bordo periferico della camera di combustione 4.
6 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) Nell’esempio non limitativo qui descritto ed illustrato la camera di combustione 4 è di tipo anulare e le sedi 10 ed i gruppi bruciatore 11 sono ventiquattro.
Con riferimento alla figura 2, ciascun gruppo bruciatore 11 si estende lungo un asse B e comprende un bruciatore principale 13 ed un bruciatore secondario 14.
Il bruciatore principale 13 ed il bruciatore secondario 14 sono alimentati con aria proveniente dal compressore 3 e con combustibile proveniente dal gruppo per alimentare combustibile 6.
L’aria ed il combustibile sono alimentati lungo una direzione di alimentazione D1 diretta verso l’interno della camera di combustione 4.
Il bruciatore secondario 14 si estende sostanzialmente lungo l’asse B, mentre il bruciatore principale 13 si estende attorno al bruciatore secondario 14 parallelamente all’asse B.
Il bruciatore principale 13 è alimentato con una miscela aria/combustibile ed è configurato in modo da definire una zona principale di combustione, detta genericamente anche “fiamma principale” (non illustrata per semplicità nelle figure allegate). La struttura del bruciatore principale 13 è tale da generare una fiamma principale preferibilmente premiscelata.
In dettaglio, il bruciatore principale 13 è alimentato
7 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) con una portata di aria principale QAp e con una portata di combustibile principale QCp (figura 1).
In particolare, il bruciatore principale 13 comprende un condotto principale di alimentazione aria 15 ed un condotto principale di alimentazione combustibile 16.
Il condotto principale di alimentazione aria 15 è un condotto anulare estendentesi attorno all’asse B, il quale comprende una porzione radiale 18 ed una porzione assiale 19.
La porzione radiale 18 è in comunicazione con l’interno di una cassa (non illustrata), la quale è alimentata con aria proveniente dal compressore 3.
La porzione radiale 18 è provvista di una griglia 20, la quale è preferibilmente disposta sostanzialmente all’ingresso della porzione radiale 18, e di un vorticatore principale 21 preferibilmente disposto a valle della griglia 20 lungo la direzione di flusso dell’aria.
Tra la griglia 20 e il vorticatore principale 21 è disposta una pluralità di ugelli 22 allineati ed alimentati dal condotto principale di alimentazione combustibile 16.
La griglia 20 è configurata per uniformare il flusso di aria che la attraversa grazie alla perdita di carico che essa determina ed evitare asimmetrie nella distribuzione d’aria.
Il vorticatore principale 21 è invece configurato per
8 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) favorire il mescolamento tra l’aria e il combustibile iniettato nel condotto principale di alimentazione aria 15 dagli ugelli 22. Il vorticatore principale 21 è infatti configurato per favorire la generazione di vortici in modo da facilitare il mescolamento tra aria e combustibile. In particolare, il vorticatore principale 21 è atto ad imprimere una rotazione alla miscela che lo attraversa al fine di ottenere una stabilizzazione della fiamma generata e di permettere un migliore controllo della posizione della fiamma all’interno della camera di combustione 4.
La porzione assiale 19 è definita sostanzialmente da un condotto di forma troncoconica convergente verso la camera di combustione 4. In altre parole, la porzione assiale 19 ha un’altezza radiale decrescente nella direzione di alimentazione D1.
In corrispondenza di una porzione terminale 23 della porzione assiale 19, il condotto principale di alimentazione aria 15 è provvisto di un elemento cilindrico di uscita 24 (normalmente detto “CBO= cylindrical burner outlet”), il quale si estende assialmente e ha altezza radiale costante.
Il condotto principale di alimentazione combustibile 16 si estende parallelamente all’asse B e termina con la pluralità di ugelli 22, i quali affacciano direttamente sul condotto principale di alimentazione aria 15 come descritto
9 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) in precedenza.
Il bruciatore principale 13 è provvisto di un dispositivo di rilevamento principale 25, il quale è configurato per rilevare la portata di aria principale QAp alimentata al bruciatore principale 13 attraverso il condotto principale di alimentazione aria 15.
Il dispositivo di rilevamento principale 25 (schematicamente rappresentato nella figura 2) è un tubo di Pitot provvisto di una estremità di rilevamento principale 26.
L’estremità di rilevamento principale 25 è disposta a monte della pluralità di ugelli 22. In questo modo l’estremità di rilevamento principale 25 rileva la portata di fluido che attraversa il condotto principale di alimentazione aria 15 prima che vi venga iniettato il combustibile.
Preferibilmente l’estremità di rilevamento principale 26 è disposta tra la griglia 20 e la pluralità di ugelli 22 di alimentazione combustibile.
In questo modo l’estremità di rilevamento principale 26, essendo disposta a valle della griglia 20, rileva la portata di aria principale QAp in un flusso d’aria sostanzialmente reso uniforme dalla griglia 20 e non asimmetrico.
Una variante non illustrata prevede che l’estremità di
10 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) rilevamento principale 26 sia disposta a valle del vorticatore principale 21. In tal caso alla portata rilevata dal dispositivo di rilevamento principale 25 dovrà essere sottratta la portata, nota, del combustibile alimentato al bruciatore principale 13.
Preferibilmente l’estremità di rilevamento principale 26 è rivolta contro corrente in modo che il flusso d’aria impatti direttamente contro l’estremità di rilevamento principale 26.
Preferibilmente il tubo di Pitot impiegato è del tipo multiforo.
Più preferibilmente il tubo di Pitot impiegato è del tipo a cinque fori. Un foro (non illustrato nelle figure allegate) è disposto sull’estremità di rilevamento principale 26 in modo da rilevare la pressione sostanzialmente lungo la traiettoria del flusso e in direzione contraria al flusso, mentre quattro fori (non illustrati nelle figure allegate) sono disposti in successione lungo la parete laterale del tubo per prelevare il segnale di pressione sostanzialmente in direzione ortogonale al flusso. I segnali di pressione prelevati dai quattro fori in successione vengono mediati in modo da minimizzare le oscillazioni dovute a fenomeni di turbolenza. La pressione differenziale tra il valore di pressione rilevato dal primo foro ed il valore mediato dei
11 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) valori rilevati dai fori in successione è proporzionale alla portata.
Il bruciatore secondario 14 è alimentato con una miscela aria/combustibile ed è configurato in modo da definire una zona secondaria di combustione, detta genericamente anche “fiamma secondaria” (non illustrata per semplicità nelle figure allegate).
La struttura del bruciatore secondario 14 è tale da generare una fiamma secondaria preferibilmente diffusiva o parzialmente premiscelata, la quale ha un ruolo stabilizzatore per la fiamma principale.
In dettaglio, il bruciatore secondario 14 è alimentato con una portata di aria secondaria QAs e con una portata di combustibile secondaria QCs (figura 1).
In particolare, il bruciatore secondario 14 comprende un condotto secondario di alimentazione aria 28 ed un condotto secondario di alimentazione combustibile 29.
Il condotto secondario di alimentazione aria 28 è un condotto anulare estendentesi attorno all’asse B in comunicazione con l’interno della cassa (non illustrata) alimentata con aria proveniente dal compressore 3.
Il condotto secondario di alimentazione aria 28 è un condotto anulare provvisto di un ingresso 30 in comunicazione con l’interno della cassa, e di un’uscita 31 che sfocia nella camera di combustione 4.
12 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) Il condotto secondario di alimentazione aria 28 è provvisto, inoltre, di un restringimento di sezione 33 disposto sostanzialmente in prossimità dell’ingresso 30, e di un vorticatore secondario 34, disposto a valle del restringimento di sezione 33 lungo la direzione D1. Preferibilmente, il vorticatore secondario 34 è disposto in corrispondenza dell’uscita 31.
Preferibilmente, il restringimento di sezione 33 è definito da un anello 35 accoppiato alla superficie interna della parete cilindrica 36 che definisce il condotto secondario di alimentazione aria 28 e che è disposta prossimale all’asse B.
Una variante prevede che il gruppo bruciatore sia configurato in modo tale che il restringimento di sezione sia definito da un anello accoppiato alla superficie interna della parete cilindrica che definisce il condotto secondario di alimentazione aria e che è disposta distale rispetto all’asse B.
Il restringimento di sezione 33 ha la funzione di generare un disturbo nel flusso d’aria che possa determinare un determinato profilo di velocità in corrispondenza del vorticatore. Oltretutto, il dimensionamento del restringimento di sezione 33 sostanzialmente regola la quantità d’aria che può essere alimentata al condotto secondario di alimentazione aria 28.
13 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) Il condotto secondario di alimentazione combustibile 29 è un condotto anulare che si estende parallelamente all’asse B ed è circondato dal condotto secondario di alimentazione aria 28.
Il condotto secondario di alimentazione combustibile 29 è provvisto di un’uscita 37, la quale sfocia direttamente nel condotto secondario di alimentazione aria 28. In particolare l’uscita 37 sfocia in prossimità dell’uscita 31 del condotto secondario di alimentazione aria 28 a monte del vorticatore secondario 34. In questo modo, il combustibile alimentato viene opportunamente miscelato con l’aria grazie al vorticatore secondario 34.
Il bruciatore secondario 14 è inoltre provvisto di un dispositivo di rilevamento secondario 40, il quale è configurato per rilevare la portata di aria secondaria QAs alimentata al bruciatore secondario 14 attraverso il condotto secondario di alimentazione aria 28.
Il dispositivo di rilevamento secondario 40 è un tubo di Pitot (schematicamente rappresentato nella figura 2) provvisto di una estremità di rilevamento secondaria 41.
L’estremità di rilevamento secondaria 41 è disposta a monte del vorticatore 34. Nell'esempio non limitativo qui descritto ed illustrato l’estremità di rilevamento secondaria 41 è disposta anche a monte dell’uscita 37.
Preferibilmente l’estremità di rilevamento secondaria
14 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) 41 è disposta anche a valle del restringimento di sezione 33.
In altre parole, l’estremità di rilevamento secondaria 41 è disposta lungo il condotto secondario di alimentazione aria 28 tra il restringimento di sezione 33 e il vorticatore secondario 34 del condotto secondario di alimentazione combustibile 29.
Preferibilmente l’estremità di rilevamento secondaria 41 è disposta lungo il condotto secondario di alimentazione aria 28 tra il restringimento di sezione 33 e il vorticatore secondario 34 in una posizione in cui il flusso ha sostanzialmente perso la propria componente vorticosa dovuta al restringimento di sezione 33 ed ha un profilo sostanzialmente uniforme e simmetrico.
Preferibilmente, l’estremità di rilevamento secondaria 41 è disposta in una posizione sostanzialmente mediana tra il restringimento di sezione 33 e il vorticatore secondario 34.
In questo modo l’estremità di rilevamento secondaria 41 rileva la portata di aria secondaria QAs in un flusso d’aria sostanzialmente uniforme e non asimmetrico.
Preferibilmente l’estremità di rilevamento secondaria 41 è rivolta contro corrente in modo che il flusso d’aria impatti direttamente contro l’estremità di rilevamento secondaria 41.
15 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) Preferibilmente il tubo di Pitot impiegato è del tipo multiforo.
Più preferibilmente il tubo di Pitot è del tipo a cinque fori dello stesso tipo descritto per il dispositivo di rilevamento principale 25.
Il gruppo bruciatore 11 è inoltre provvisto di almeno un sensore di temperatura (non illustrato nelle figure allegate), il quale è disposto in prossimità dell’ingresso del condotto principale di alimentazione aria 15 e/o dell’ingresso del condotto secondario di alimentazione aria 28 per rilevare la temperatura dell’aria alimentata al bruciatore principale 13 e al bruciatore secondario 14.
I valori di portata di aria principale QAp e di portata di aria secondaria QAs rilevati rispettivamente dal dispositivo di rilevamento principale 25 e dal dispositivo di rilevamento secondario 40 sono alimentati al dispositivo di controllo 9.
Preferibilmente, anche il valore di temperatura dell’aria alimentata al bruciatore principale 13 e al bruciatore secondario 14 viene inviato al dispositivo di controllo 9.
Il dispositivo di controllo 9 è configurato per regolare la portata di combustibile principale QCp e la portata di combustibile secondaria QCs alimentata rispettivamente al bruciatore principale 13 e al bruciatore
16 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) secondario 14 sulla base dei valori di portata di aria principale QAp e di portata di aria secondaria QAs rilevati in modo da ottimizzare parametri legati alla combustione.
Ad esempio, il dispositivo di controllo 9 può regolare la portata di combustibile principale QCp e la portata di combustibile secondaria QCs in modo da ottenere un andamento specifico del rapporto aria/combustibile per il bruciatore principale 13 e per il bruciatore secondario 14 del gruppo bruciatore 11.
Una combustione più ricca (rapporto combustibile/comburente maggiore di un valore di riferimento ottimale) comporta una maggiore stabilità della fiamma, ma emissioni elevate di sostanze inquinanti. Viceversa, una combustione più povera (rapporto combustibile/comburente minore del valore di riferimento ottimale) comporta una minore stabilità della fiamma, ma basse emissioni di sostanze inquinanti.
Oltretutto, nel gruppo bruciatore 11 la fiamma principale di tipo premiscelato è supportata dalla fiamma secondaria di tipo diffusivo o parzialmente premiscelato. Pertanto, un corretto bilanciamento tra questi tipi di fiamma consente di mantenere una combustione priva di instabilità termoacustiche e con una produzione limitata di agenti inquinanti quali CO e NOx.
Inoltre, tale bilanciamento può dipendere anche dal
17 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) carico termico dell’impianto 1. Quando l’impianto 1 opera a bassi carichi occorre tenere in particolar modo sotto controllo le emissioni di CO, mentre ad alti carichi occorre tenere in particolar modo sotto controllo le emissioni di NOx.
Il dispositivo di controllo 9 secondo la presente invenzione è configurato per regolare la portata di combustibile principale QCp e la portata di combustibile secondaria QCs durante il funzionamento dell’impianto 1 in modo tale che il rapporto aria combustibile sia sempre ottimizzato in modo da rendere stabile la combustione e, al contempo, mantenere i livelli di emissione degli inquinanti al di sotto delle soglie di legge in qualsiasi condizione di carico dell’impianto 1.
Ciò è reso possibile grazie al rilevamento on-line della portata di aria principale QAp e della portata di aria secondaria QAs per il gruppo bruciatore 11 durante il funzionamento dell’impianto 1.
È possibile, infatti, che errori di realizzazione durante la fase costruttiva, errori di lavorazione, variazioni di sezione dei condotti di alimentazione aria principale 15 e di alimentazione aria secondaria 28 dovute ad accumuli di sporcizia, etc. determinino una variazione inaspettata della portata di aria principale QAp e della portata di aria secondaria QAs stabilita in fase di
18 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) progetto.
Tali variazioni possono influenzare negativamente e inaspettatamente la stabilità della combustione e le emissioni di inquinanti.
Il monitoraggio continuo della portata di aria principale QAp e della portata di aria secondaria QAs consente di rilevare tali variazioni e di correggere i parametri della combustione in modo da ottimizzarne la resa.
Nota la ripartizione di aria comburente tra il condotto principale di alimentazione aria 15, che genera la fiamma principale di tipo premiscelato, e il condotto secondario di alimentazione aria 28, che genera la parte di fiamma più stabile e maggiormente inquinante, il dispositivo di controllo 9 può regolare la portata di combustibile principale QCp e la portata di combustibile secondario QCs per avere, a seconda del carico, il corretto rapporto stechiometrico nella fiamma principale e nella fiamma secondaria. Ciò consente di gestire la combustione tenendo sotto controllo le emissioni e le instabilità termoacustiche.
Preferibilmente, tutti i gruppi bruciatore 11 della camera di combustione 4 sono provvisti del dispositivo di rilevamento principale 25 e del dispositivo di rilevamento secondario 40.
19 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) In questo modo è possibile monitorare eventuali differenze di portata di aria principale QAp e di portata di aria secondaria QAs tra i gruppi bruciatore 11.
L’applicazione dei dispositivi di rilevamento su tutti i gruppi bruciatori 11 della camera di combustione 4 consente al dispositivo di controllo 9 di variare il rapporto aria/combustibile solo per alcuni gruppi bruciatore 11 in modo da modificare l’uniformità della stechiometria in camera di combustione 4 al fine di intervenire su specifiche instabilità termoacustiche che si creano all’interno della stessa.
In figura 3 è illustrato un gruppo bruciatore 111 in accordo ad una variante della presente invenzione.
Il gruppo bruciatore 111 differisce dal gruppo bruciatore 11 esclusivamente per il fatto di aver adottato una tipologia diversa di dispositivo rilevatore della portata.
Nel seguito manterremo gli stessi numeri di riferimento utilizzati in precedenza per indicare parti del gruppo bruciatore 111 sostanzialmente identiche alle rispettive parti del gruppo bruciatore 11 illustrato nelle figure 1 e 2.
Il gruppo bruciatore 111 comprende un dispositivo di rilevamento principale 124, il quale è configurato per rilevare la portata di aria principale QAp alimentata al
20 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) bruciatore principale 13 attraverso il canale principale di alimentazione aria 15.
Il dispositivo di rilevamento principale 124 è definito da una prima presa di pressione principale 125 e da una seconda presa di pressione principale 126.
La prima presa di pressione principale 125 è disposta nel condotto di alimentazione aria principale 15 a monte della pluralità di ugelli 22 e comprende uno o più fori 125a.
Preferibilmente i fori 125a sono disposti ortogonali alla direzione del flusso.
Preferibilmente la prima presa di pressione principale 125 è disposta tra la griglia 20 e la pluralità di ugelli 22 di alimentazione combustibile.
La seconda presa di pressione principale 126 è disposta a monte della griglia 20 lungo la direzione del flusso d’aria.
Preferibilmente la seconda presa di pressione principale 126 è disposta a monte della griglia 20 al di fuori del condotto di alimentazione aria 15. In sostanza la seconda presa di pressione principale 126 è alloggiata all’interno della cassa (non illustrata) alimentata con aria proveniente dal compressore 3.
Preferibilmente la seconda presa di pressione principale 126 è realizzata tramite un anello 127
21 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) (schematicamente rappresentato in figura 3) fornito di una pluralità di fori 126a disposti in successione per prelevare il segnale di pressione. I segnali di pressione prelevati pluralità di fori 126a vengono mediati in modo da minimizzare le oscillazioni dovute a fenomeni di turbolenza. La pressione differenziale tra il valore di pressione rilevato dal foro 125a ed il valore mediato dei valori rilevati dai fori 126a è proporzionale alla portata.
Il gruppo bruciatore 111 comprende inoltre un dispositivo di rilevamento secondario 130, il quale è configurato per rilevare la portata di aria secondaria QAp alimentata al bruciatore secondario 14 attraverso il canale secondario di alimentazione aria 28.
Il dispositivo di rilevamento secondario 130 è definito da una prima presa di pressione secondaria 131 e da una seconda presa di pressione secondaria 132.
La prima presa di pressione secondaria 131 è disposta a valle del restringimento di sezione 33, mentre la seconda presa di pressione è disposta a monte del restringimento di sezione 33.
Preferibilmente la prima presa di pressione secondaria 131 comprende uno o più fori 131a disposti ortogonalmente alla direzione di flusso.
Preferibilmente la prima presa di pressione secondaria 131 è disposta a monte dell’uscita 37.
22 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) In altre parole, la prima presa di pressione secondaria 131 è disposta lungo il condotto secondario di alimentazione aria 28 tra il restringimento di sezione 33 e l’uscita 37 del condotto secondario di alimentazione combustibile 29.
Preferibilmente la prima presa di pressione secondaria 131 è disposta lungo il condotto secondario di alimentazione aria 28 tra il restringimento di sezione 33 e l’ingresso del vorticatore secondario 34 in una posizione in cui il flusso ha sostanzialmente perso la propria componente vorticosa dovuta al restringimento di sezione 33 ed ha un profilo sostanzialmente uniforme e simmetrico. Preferibilmente, la prima presa di pressione secondaria 131 è disposta in una posizione sostanzialmente mediana tra il restringimento di sezione 33 e l’ingresso del vorticatore secondario 34.
Nell'esempio non limitativo qui descritto ed illustrato la prima presa di pressione secondaria 131 è disposta lungo il condotto secondario di alimentazione aria 28 anche a monte dell’uscita 37 del condotto secondario di alimentazione combustibile 29
In questo modo la prima presa di pressione secondaria 131 rileva la portata di aria secondaria QAs in un flusso d’aria sostanzialmente uniforme e non asimmetrico.
La seconda presa di pressione secondaria 132 è
23 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) preferibilmente disposta all’interno del condotto secondario di alimentazione aria 28 a monte del restringimento di sezione 33.
Preferibilmente la seconda presa di pressione secondaria 132 comprende un foro 132a disposto ortogonale alla direzione di flusso.
Una variante non illustrata prevede che la seconda presa di pressione secondaria sia provvista di una pluralità di fori ortogonali al flusso e configurati per rilevare rispettivi valori che verranno mediati al fine di ridurre l’influenza di turbolenze e vortici.
Una variante non illustrata prevede che la seconda presa di pressione secondaria sia disposta al di fuori del condotto secondario di alimentazione aria 28 all’interno della cassa (non illustrata) alimentata con aria proveniente dal compressore 3.
La pressione differenziale tra il valore di pressione rilevato dal foro 131a ed il valore di pressione rilevato dal foro 132a è proporzionale alla portata di aria secondaria QAs che attraversa il condotto secondario di alimentazione aria 28.
Il dispositivo di rilevamento principale 124 ed il dispositivo di rilevamento secondario 130 alimentano i rispettivi valori di portata di aria principale QAp e di portata di aria secondaria QAs rilevati al dispositivo di
24 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) controllo 9, il quale, come già descritto in precedenza, li elabora per regolare la portata di combustibile principale QCp e la portata di combustibile secondario QCs.
In figura 4 è illustrato un gruppo bruciatore 211 in accordo ad una ulteriore variante della presente invenzione.
Il gruppo bruciatore 211 differisce dal gruppo bruciatore 111 esclusivamente per il fatto di aver adottato una tipologia diversa di dispositivo di rilevamento principale 224.
Nel seguito manterremo gli stessi numeri di riferimento utilizzati in precedenza per indicare parti del gruppo bruciatore 211 sostanzialmente identiche alle rispettive parti del gruppo bruciatore 211 illustrato nella figura 3.
Il gruppo bruciatore 211 comprende un dispositivo di rilevamento principale 224, il quale è configurato per rilevare la portata di aria principale QAp alimentata al bruciatore principale 13 attraverso il canale principale di alimentazione aria 15.
Il dispositivo di rilevamento principale 224 è definito da una prima presa di pressione principale 225 e da una seconda presa di pressione principale 226.
La prima presa di pressione principale 225 affaccia a valle del vorticatore principale 21.
25 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) Preferibilmente, la prima presa di pressione principale 225 affaccia nel condotto di alimentazione aria principale 15 supportata da una struttura alloggiata in un rispettivo canale 228 ricavato nel corpo del gruppo bruciatore 211, ed in particolare nel corpo del bruciatore secondario 14.
In particolare, la prima presa di pressione principale 225 affaccia nel condotto di alimentazione aria principale 15 a valle del vorticatore principale 21 e a monte rispetto alla posizione assiale del vorticatore secondario 31.
Preferibilmente, la prima presa di pressione principale 225 affaccia lungo la parete interna del condotto di alimentazione aria principale 15 a valle degli ugelli ausiliari 230 di alimentazione combustibile dell’uscita di alimentazione del combustibile.
Gli ugelli ausiliari 230 sono alimentati da un rispettivo canale anulare 231 e sono disposti lungo la parete interna del condotto di alimentazione aria principale 15 in una posizione compresa tra il punto di iniezione della pluralità di ugelli 22 e l’elemento cilindrico di uscita 24.
Preferibilmente gli ugelli ausiliari 230 sono disposti a valle del vorticatore principale 21.
Nell’esempio non limitativo qui descritto ed illustrato, gli ugelli ausiliari 230 sono disposti
26 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) sostanzialmente equidistanti dal vorticatore principale 21 e dall’elemento cilindrico di uscita 24.
Nell’esempio non limitativo qui descritto ed illustrato, gli ugelli ausiliari 230 hanno sezione circolare e sono uniformemente distribuiti lungo il condotto anulare di alimentazione aria 13 del bruciatore principale 10.
La prima presa di pressione 225 comprende uno o più fori 225a.
Preferibilmente i fori 225a sono disposti ortogonali alla direzione del flusso.
La seconda presa di pressione principale 226 è sostanzialmente identica alla seconda presa di pressione 126 della figura 3 ed è pertanto disposta a monte della griglia 20 lungo la direzione del flusso d’aria.
Preferibilmente la seconda presa di pressione principale 226 è disposta a monte della griglia 20 al di fuori del condotto di alimentazione aria 15. In sostanza la seconda presa di pressione principale 226 è alloggiata all’interno della cassa (non illustrata) alimentata con aria proveniente dal compressore 3.
Preferibilmente la seconda presa di pressione principale 226 è realizzata tramite un anello 227 (schematicamente rappresentato in figura 4) fornito di una pluralità di fori 226a disposti in successione per
27 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) prelevare il segnale di pressione. I segnali di pressione prelevati pluralità di fori 226a vengono mediati in modo da minimizzare le oscillazioni dovute a fenomeni di turbolenza. La pressione differenziale tra il valore di pressione rilevato dal foro 225a ed il valore mediato dei valori rilevati dai fori 226a è proporzionale alla portata.
Dato che la prima presa di pressione 225 è disposta a valle dei punti di iniezione di combustibile alla portata calcolata dal dispositivo di rilevamento principale 224 dovrà essere sottratta la portata, nota, di combustibile alimentato al bruciatore principale 13.
Vantaggiosamente, i dispositivi di rilevamento principale 25 124 224 e i dispositivi di rilevamento secondario 40 130 sono in grado di rilevare valori attuali della di aria principale QAp e della portata di aria secondaria QAs attraversano ciascun gruppo bruciatore 11, senza stime o simulazioni.
La possibilità di misurare con esattezza la portata di aria comburente alimentata al bruciatore principale 13 e al bruciatore secondario 14 fornisce dei vantaggi in termini di validazione degli strumenti di sviluppo (ad esempio i modelli di calcolo), e anche in termini di miglioramento delle prestazioni dell’impianto 1 grazie alla possibilità di regolare l’alimentazione del combustione in modo da ottimizzare la combustione in camera di combustione 4.
28 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) Risulta infine evidente che al gruppo bruciatore, all’impianto a turbina a gas per la produzione di energia elettrica e al metodo qui descritti possono essere apportate modifiche e varianti senza uscire dall’ambito delle rivendicazioni allegate.
29 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B)

Claims (16)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Gruppo bruciatore per una camera di combustione (4) di un impianto a turbina a gas (1) estendentesi lungo un asse (B) comprendente: un bruciatore principale (13), il quale è alimentato con una portata di aria principale (QAp) e con una portata di combustibile principale (QCp) ed è configurato per generare una zona di combustione principale; un bruciatore secondario (14), il quale è alimentato con una portata di aria secondaria (QAs) e con una portata di combustibile secondaria (QCs) ed è configurato per generare almeno una zona di combustione secondaria; il bruciatore secondario (14) estendentesi sostanzialmente lungo l’asse (B) ed il bruciatore principale (13) estendentesi attorno al bruciatore secondario (14) parallelamente all’asse (B); il bruciatore principale (13) essendo provvisto di almeno un dispositivo di rilevamento principale (25; 124; 224) configurato per rilevare la portata di aria principale (QAp) attuale; il bruciatore secondario (14) essendo provvisto di almeno un dispositivo di rilevamento secondario (40; 130) configurato per rilevare la portata di aria secondaria (QAs) attuale.
  2. 2. Gruppo secondo la rivendicazione 1, in cui il 30 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) bruciatore principale (13) è provvisto di un condotto principale di alimentazione aria (15); il dispositivo di rilevamento principale (25; 124; 224) essendo disposto lungo il condotto principale di alimentazione aria (15).
  3. 3. Gruppo secondo la rivendicazione 2, in cui il condotto principale di alimentazione aria (15) comprende una griglia (20) ed una pluralità di ugelli (22) per l’alimentazione di combustibile, disposta a valle della griglia (20) lungo la direzione di avanzamento del flusso d’aria.
  4. 4. Gruppo secondo la rivendicazione 3, in cui il dispositivo di rilevamento principale (25) è un tubo di Pitot provvisto di una estremità di rilevamento principale (26).
  5. 5. Gruppo secondo la rivendicazione 4, in cui l’estremità di rilevamento principale (26) è disposta tra la griglia (20) e la pluralità di ugelli (22).
  6. 6. Gruppo secondo la rivendicazione 5, in cui l’estremità di rilevamento principale (26) è rivolta controcorrente.
  7. 7. Gruppo secondo la rivendicazione 3, in cui il dispositivo di rilevamento principale (25; 124; 224) comprende almeno una prima presa di pressione principale (125; 225) ed almeno una seconda presa di pressione principale (126; 226). 31 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B)
  8. 8. Gruppo secondo la rivendicazione 7, in cui la prima presa di pressione principale (125) è disposta tra la griglia (20) e la pluralità di ugelli (22) e la seconda presa di pressione principale (126) essendo disposta a monte della griglia (20).
  9. 9. Gruppo secondo la rivendicazione 7, in cui la prima presa di pressione principale (225) è disposta a valle del vorticatore principale (21) e la seconda presa di pressione principale (226) è disposta a monte della griglia (20).
  10. 10. Gruppo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il bruciatore secondario (14) è provvisto di un condotto secondario di alimentazione aria (28), il quale presenta un restringimento di sezione (33); il dispositivo di rilevamento secondario (40; 130) essendo disposto lungo il condotto secondario di alimentazione aria (28).
  11. 11. Gruppo secondo la rivendicazione 10, in cui il dispositivo di rilevamento secondario (40) è un tubo di Pitot comprendente una estremità di rilevamento secondaria (41); l’estremità di rilevamento secondaria (41) essendo disposta a valle del restringimento di sezione (33) lungo la direzione di avanzamento del flusso d’aria.
  12. 12. Gruppo secondo la rivendicazione 11, in cui l’estremità di rilevamento secondaria (41) è rivolta 32 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) controcorrente.
  13. 13. Gruppo secondo la rivendicazione 10, in cui il dispositivo di rilevamento secondario (40; 130) comprende almeno una prima presa di pressione secondaria (131) ed almeno una seconda presa di pressione secondaria (132); la prima presa di pressione secondaria (131) essendo disposta a valle del restringimento di sezione (33), la seconda presa di pressione secondaria (132) essendo disposta a monte del restringimento di sezione (33).
  14. 14. Impianto a turbina a gas per la produzione di energia elettrica comprendente un compressore (3), una turbina a gas (2), una camera di combustione (4) provvista di almeno un gruppo bruciatore (11; 111; 211) come rivendicato in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni.
  15. 15. Impianto secondo la rivendicazione 14, comprendente un gruppo per alimentare combustibile (6) alla camera di combustione (4) ed un dispositivo di controllo (9) configurato per regolare il gruppo per alimentare combustibile (6) sulla base dei valori di portata di aria principale (QAp) rilevati dal dispositivo di rilevamento principale (25; 124; 224) e sulla base dei valori di portata di aria secondaria (QAs) rilevati dal dispositivo di rilevamento secondario (40; 130).
  16. 16. Metodo per operare un impianto (1) a turbina a 33 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B) gas per la produzione di energia elettrica provvisto di almeno un gruppo bruciatore (11; 111; 211) comprendente un bruciatore principale (13) ed un bruciatore secondario (14); il metodo comprendendo le fasi di: • alimentare al bruciatore principale (13) una portata di aria principale (QAp) e una portata di combustibile principale (QCp) per generare almeno una zona di combustione principale; • alimentare al bruciatore secondario (14) una portata di aria secondaria (QAs) e una portata di combustibile secondaria (QCs) per generare almeno una zona di combustione secondaria; • rilevare la portata di aria principale (QAp) attuale alimentata al bruciatore principale (13); • rilevare la portata di aria secondaria (QAs) attuale alimentata al bruciatore secondario (14); • regolare la portata di combustibile principale (QCp) e la portata di combustibile secondaria (QCs) sulla base dei valori di portata di aria principale (QAp) attuale e portata di aria secondaria (QAs) attuale. p.i.: ANSALDO ENERGIA S.P.A. Angelo CICCHETTI 34 Angelo CICCHETTI (Iscrizione Albo nr.1509/B)
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