In che modo l’ammissione parziale influisce su una turbina a vapore ad azione?

L’ammissione parziale interessa una turbina a vapore ad azione quando il vapore viene alimentato solo attraverso una parte della circonferenza degli ugelli. Può ridurre le perdite per laminazione ai carichi parziali rispetto alla regolazione di tutti gli ugelli tramite una valvola di laminazione comune, ma comporta anche perdite per ventilazione, perdite ai bordi dei settori e carichi ripetuti sulle pale. Il vantaggio in termini di rendimento è quindi subordinato al fatto che la riduzione delle perdite per laminazione superi le perdite aerodinamiche aggiuntive, mantenendo le sollecitazioni delle pale entro i limiti di progetto.

Questo compromesso è importante quando una turbina funziona per periodi considerevoli al di sotto della potenza nominale. Una variazione nel funzionamento dei gruppi di ugelli può migliorare il consumo di vapore a un determinato carico, ma causare un calo del rendimento o vibrazioni più intense a un altro. La valutazione utile non consiste semplicemente nello stabilire se sia disponibile l’ammissione parziale, ma nel capire come si comporta ciascuna configurazione di ammissione nell’intervallo di funzionamento previsto.

La frazione di ammissione non coincide con il carico della turbina

La frazione di ammissione è la proporzione della circonferenza degli ugelli che alimenta attivamente il vapore a uno stadio specifico. Per gli ugelli distribuiti lungo la circonferenza, può essere espressa comeε = arco di ammissione attiva / circonferenza totale. La regolazione per gruppi di ugelli modifica l’area di ammissione effettiva aprendo o chiudendo le valvole che servono gruppi distinti.

In uno stadio ad azione, la maggior parte della caduta di pressione dello stadio avviene negli ugelli fissi. Le pale mobili estraggono lavoro deviando e rallentando i getti risultanti. In condizioni di ammissione parziale, ogni pala attraversa ripetutamente un settore attivo con vapore e poi un settore inattivo, anziché essere investita da un flusso pressoché continuo lungo la circonferenza.

La frazione di ammissione, da sola, non determina la portata massica né la potenza erogata. Sono rilevanti anche l’area della gola degli ugelli, le condizioni del vapore a monte, la pressione a valle, l’apertura delle valvole e le condizioni di flusso critico. Due configurazioni con lo stesso arco attivo possono avere capacità di portata e perdite diverse.

L’ammissione parziale è spesso concentrata nello stadio di regolazione, anziché essere applicata nello stesso modo a tutta la turbina. Il flusso si ridistribuisce lungo la circonferenza negli stadi a valle, sebbene possa persistere una certa disuniformità. Una variazione del rendimento nello stadio di regolazione non deve quindi essere considerata equivalente a una variazione dello stesso valore nel rendimento dell’intera turbina.

Da dove deriva il vantaggio in termini di rendimento ai carichi parziali

Con la laminazione tramite valvola comune, la riduzione del carico abbassa la pressione fornita a tutti gli ugelli. La laminazione è approssimativamente isoentalpica, ma aumenta l’entropia e riduce il potenziale di lavoro disponibile per la turbina. La regolazione per gruppi di ugelli può invece chiudere gruppi selezionati, mantenendo le condizioni di ingresso dei gruppi aperti più vicine a quelle previste.

Questa distinzione spiega perché l’ammissione parziale possa essere vantaggiosa per le applicazioni con carico variabile. Ciò non significa che i gruppi aperti funzionino sempre senza laminazione. Durante l’apertura sequenziale delle valvole, un gruppo può essere parzialmente aperto mentre gli altri sono completamente aperti o chiusi. Le perdite di pressione nelle valvole, il rapporto di pressione dello stadio di regolazione e le condizioni a valle cambiano quindi simultaneamente.

Per un confronto significativo, utilizzare le stesse condizioni del vapore in ingresso, la stessa pressione di scarico, la stessa velocità e la stessa base di potenza. Valutare la turbina completa, includendo le perdite meccaniche pertinenti e il consumo degli ausiliari. Un calcolo dello stadio al punto di progetto non permette di stabilire quale strategia di regolazione riduca maggiormente il consumo di vapore durante un ciclo di servizio reale.

Perdite che compensano la riduzione della laminazione

• Perdite per ventilazione nei settori inattivi: Le pale che attraversano le zone non ammesse rimescolano e accelerano il fluido circostante senza ricevere lavoro utile dai getti. La perdita dipende dalla velocità, dalla densità del fluido, dalla geometria delle pale e dall’arco inattivo.
• Perdite di riempimento e svuotamento: Nei canali tra le pale che entrano ed escono da un settore attivo, il flusso si instaura e si attenua in modo transitorio. Questi effetti diventano più significativi quando il numero dei confini dei settori è elevato rispetto all’arco ammesso.
• Miscelazione ai bordi dei settori: I getti in prossimità dei confini di ammissione interagiscono con il fluido a quantità di moto inferiore, generando velocità e angoli di incidenza non uniformi e dissipazione.

Quando l’ammissione si riduce notevolmente, le perdite parassite possono assorbire una quota maggiore della potenza utile dello stadio. Non esiste una frazione di ammissione universale al di sotto della quale le prestazioni siano inaccettabili. Il limite applicabile dipende dalla geometria dello stadio, dalle condizioni operative e dai requisiti di carico minimo.

La configurazione degli ugelli modifica sia le perdite sia l’eccitazione

Frazioni di ammissione uguali non garantiscono prestazioni uguali. Un singolo settore attivo continuo e più settori separati generano un numero diverso di confini di ingresso e uscita. Suddividere l’ammissione in più settori può aumentare le perdite associate ai confini, modificando al contempo la distribuzione circonferenziale delle forze e il contenuto in frequenza dell’eccitazione delle pale.

Un numero ridotto di settori ampi può diminuire il numero dei confini, ma generare una maggiore disuniformità del flusso ai bassi ordini circonferenziali. I settori distribuiti possono migliorare l’equilibrio circonferenziale, ma sottopongono ogni pala a un numero maggiore di transizioni di carico per giro. Nessuna configurazione è automaticamente superiore: le valutazioni aerodinamiche e strutturali devono basarsi sull’effettiva sequenza di apertura delle valvole.

Anche la velocità del vapore negli ugelli varia con il rapporto di pressione. Il rapporto tra velocità periferica della pala e velocità del getto, così come l’angolo di incidenza in ingresso, può quindi discostarsi dai valori di progetto durante il funzionamento delle valvole. Mantenere la pressione in un gruppo di ugelli aperto non garantisce triangoli di velocità ottimali in tutto l’intervallo di regolazione.

Il carico periodico sulle pale è un problema di fatica, non solo di vibrazioni

Ogni pala mobile subisce un aumento della forza aerodinamica quando entra in un settore ammesso e una riduzione quando ne esce. L’eccitazione risultante contiene armoniche legate alla velocità di rotazione e alla configurazione di ammissione. L’ampiezza, la spaziatura dei settori e gli stati delle valvole influenzano tale spettro.

Quando una componente dell’eccitazione si avvicina alla frequenza naturale di una pala o di un gruppo di pale, la sollecitazione dinamica può aumentare. La valutazione dovrebbe considerare le forme modali, lo smorzamento, il comportamento dei collegamenti tra pale o delle legature, se pertinenti, e le condizioni operative a caldo. Un diagramma di Campbell è utile, ma il semplice rilevamento dell’incrocio di una frequenza non determina l’ampiezza della sollecitazione né l’accettabilità a fatica.

Un basso livello di vibrazioni sui cuscinetti non dimostra che la sollecitazione dinamica delle pale sia ridotta. I modi locali delle pale potrebbero non generare una risposta significativa nei sensori montati sulla carcassa o sui cuscinetti. Al contrario, un livello complessivo di vibrazioni elevato può dipendere da squilibrio, allineamento, cuscinetti o altre cause, anziché dall’ammissione parziale.

Per le applicazioni a carico variabile prolungato, richiedere la conferma che la valutazione dell’eccitazione delle pale abbia coperto le combinazioni di ammissione consentite e le transizioni pertinenti. Il funzionamento ripetuto in prossimità di una condizione problematica può essere più rilevante di un breve passaggio attraverso tale condizione.

Indagine su un calo del rendimento o una variazione delle vibrazioni

Quando un fenomeno si manifesta in prossimità della transizione tra gruppi di ugelli, occorre innanzitutto stabilire se segua lo stato delle valvole o un’altra variabile operativa. Confrontare punti di funzionamento stazionario con condizioni del vapore e pressione di scarico equivalenti, anziché basarsi solo sulla potenza erogata.

1. Registrare lo stato di ammissione. Acquisire, se disponibili, le posizioni delle singole valvole, le pressioni della camera valvole o dei gruppi di ugelli, la velocità, la portata di vapore e la potenza. Verificare che il movimento effettivo delle valvole corrisponda alla sequenza comandata.
2. Distinguere il comportamento transitorio da quello stazionario. Un breve disturbo durante il movimento delle valvole è diverso da perdite o eccitazioni persistenti dopo la stabilizzazione delle condizioni.
3. Esaminare gli spettri di vibrazione. Confrontare le componenti in frequenza prima e dopo la transizione. Correlare le variazioni con gli ordini di rotazione, la configurazione di ammissione e i modi identificati, anziché considerare solo l’ampiezza complessiva.
4. Verificare le cause alternative. Perdite o inceppamenti delle valvole, variazioni delle condizioni del vapore, variazioni della pressione di scarico ed errori di misura possono essere simili a un problema legato all’ammissione.

Non modificare la sovrapposizione delle valvole o l’ordine di apertura esclusivamente per eliminare un calo del rendimento. Tali modifiche possono alterare l’eccitazione, la stabilità della regolazione e la risposta al carico. Le regolazioni devono rimanere entro la mappa operativa e le procedure di controllo approvate dal produttore.

Cosa richiedere prima di accettare un progetto per carico variabile

Una documentazione tecnica utile include le prestazioni garantite a carichi rappresentativi, le corrispondenti combinazioni di valvole, il carico minimo continuo e le eventuali zone operative limitate. Dovrebbe distinguere i calcoli dello stadio di regolazione dalle prestazioni della macchina completa e indicare le ipotesi utilizzate per le perdite dovute all’ammissione parziale.

I confronti delle prestazioni richiedono inoltre limiti di misura e metodi di correzione concordati. Il consumo di vapore, la potenza all’albero e la potenza elettrica non sono grandezze intercambiabili. Le condizioni di ingresso, la pressione di scarico, le portate di estrazione, se pertinenti, e il trattamento dell’incertezza devono essere definiti prima di valutare le offerte concorrenti.

A livello di impianto, la valutazione può includere anche un motore primo diverso. La gamma di turbine a gas fornita offre modelli con potenze indicate da 2 a 114.5 MW e opzioni di combustibile che variano in base al modello. Si tratta di un confronto tra architetture diverse, non di un rimedio alle perdite di ammissione dello stadio a vapore: la disponibilità di vapore, la fornitura di combustibile, la domanda di calore e le prestazioni ai carichi parziali devono essere valutate separatamente.

Per la turbina a vapore stessa, l’elemento decisivo è una mappa operativa supportata da dati che colleghi potenza erogata, stato delle valvole, consumo di vapore e condizioni operative consentite. Un rendimento nominale favorevole non è sufficiente quando il ciclo di servizio previsto comporta una quota significativa del tempo di funzionamento a carichi con ammissione parziale o in prossimità delle transizioni tra gruppi di ugelli.