Come la ventilazione dell'involucro previene il depotenziamento dei generatori a turbina a gas di piccola taglia

La ventilazione dell’involucro è spesso considerata un accessorio di un gruppo Generatore a turbina a gas di piccola taglia. In pratica, può determinare se l’unità fornisce la potenza elettrica prevista durante i periodi operativi più caldi. Quando il calore si accumula all’interno di un involucro, la turbina può aspirare aria sostanzialmente più calda rispetto alla condizione ambiente utilizzata per la sua classificazione. La conseguente perdita di densità dell’aria riduce la portata massica attraverso il compressore e può imporre una riduzione della potenza disponibile.

Per i team di approvvigionamento, non si tratta semplicemente di una questione di raffreddamento. Un gruppo può soddisfare la sua potenza nominale in condizioni di prova aperte o ben ventilate, ma subire un declassamento in servizio perché l’aria dell’involucro ricircola, il calore di scarico viene richiamato verso l’aspirazione o la capacità di ventilazione non corrisponde al carico termico installato. L’obiettivo pratico è mantenere l’ambiente di aspirazione della turbina vicino alla condizione ambiente del sito considerata nella garanzia delle prestazioni, proteggendo al contempo le apparecchiature elettriche e ausiliarie da temperature eccessive.

Perché il calore dell’involucro causa il declassamento del generatore

Una turbina a gas dipende dalla massa d’aria che entra nel suo compressore. All’aumentare della temperatura di aspirazione, l’aria diventa meno densa. Per una data dimensione del compressore e un determinato limite di velocità di rotazione, è disponibile una minore massa d’aria per la combustione. Il sistema di controllo può ridurre il flusso di combustibile o limitare la temperatura della turbina per rimanere entro limiti operativi sicuri. Il generatore produce quindi meno potenza, anche in assenza di guasti meccanici.

Il calore dell’involucro può amplificare il normale effetto di un clima caldo. Un sito può avere un’elevata temperatura ambiente diurna, che riduce già la potenza della turbina. Se l’involucro aggiunge un ulteriore incremento di temperatura tra l’aria esterna e l’aspirazione del gruppo, la capacità disponibile può scendere al di sotto del carico che l’acquirente si aspettava che l’unità sostenesse. Questo divario è particolarmente problematico quando il generatore supporta carichi di processo continui, pompe critiche, ausiliari di compressione o operazioni remote con scarsa capacità di riserva.

La ventilazione influisce anche su aspetti diversi dall’aria di aspirazione della turbina. Condizioni di elevata temperatura nell’involucro possono ridurre il margine operativo degli avvolgimenti del generatore, dei quadri di controllo, delle batterie, dell’isolamento dei cavi, delle apparecchiature dell’olio lubrificante e dei controlli elettronici. L’unità può continuare a funzionare, ma l’esposizione ripetuta a temperature elevate può aumentare allarmi, arresti, esigenze di manutenzione e l’incertezza sulla potenza affidabilmente disponibile.

La progettazione della ventilazione deve gestire il flusso d’aria, non solo movimentare aria

Un valore elevato di portata d’aria del ventilatore, da solo, non dimostra l’efficacia della progettazione dell’involucro. L’aria deve entrare in punti utili, attraversare le apparecchiature che producono calore e uscire senza creare cortocircuiti tra le aperture di immissione e di scarico. Una ventilazione mal direzionata può lasciare zone calde attorno al gruppo turbina o al quadro elettrico, mentre una grande parte dell’aria di raffreddamento bypassa tali componenti.

Un progetto funzionale considera normalmente quattro percorsi collegati:

• Aria di combustione e di aspirazione della turbina: l’aspirazione deve prelevare l’aria più fresca praticamente disponibile ed essere protetta dal ricircolo del pennacchio di scarico.
• Aria di ventilazione dell’involucro: l’aria fresca deve assorbire il calore proveniente dal carter della turbina, dal generatore, dagli accessori e dalle tubazioni locali prima di uscire dall’involucro.
• Flusso d’aria del radiatore o del refrigeratore: quando le apparecchiature di raffreddamento del gruppo dissipano calore nell’involucro o attraverso di esso, il loro percorso di scarico non deve aumentare la temperatura all’aspirazione della turbina.
• Scarico dei gas di combustione: il percorso di scarico deve impedire ai gas caldi di rientrare nelle feritoie, nei filtri di aspirazione o nelle aperture degli edifici vicini nelle condizioni di vento previste.

Questi percorsi devono essere esaminati congiuntamente. Un ventilatore può essere correttamente dimensionato, mentre il sistema complessivo può comunque non funzionare perché un camino di scarico termina vicino al lato di aspirazione, una feritoia presenta una perdita di pressione eccessiva o una tettoia antipioggia ostacola un’efficace entrata dell’aria. In uno skid compatto, anche modeste modifiche al layout possono alterare il percorso del calore e creare ricircoli assenti durante una prova del gruppo aperto.

L’aumento di temperatura è il controllo di approvvigionamento che conta

Gli acquirenti dovrebbero chiedere al fornitore di definire il previsto aumento della temperatura dell’involucro rispetto alla temperatura ambiente del sito nelle condizioni di servizio previste, anziché accettare una dichiarazione generica secondo cui il gruppo è “ventilato”. La base di progetto dovrebbe distinguere tra la temperatura ambiente esterna, la temperatura dell’aria all’aspirazione della turbina e la massima temperatura locale dell’involucro in prossimità dei componenti sensibili. Si tratta di valori correlati, ma non intercambiabili.

Il volume di ventilazione richiesto dipende dal calore dissipato all’interno dell’involucro e dall’aumento di temperatura accettabile dell’aria di ventilazione. Tale carico termico può includere irraggiamento e convezione dalla turbina, perdite del generatore, sistemi dell’olio lubrificante, apparecchiature elettriche, caricatori, illuminazione e qualsiasi apparecchiatura di raffreddamento situata nello stesso spazio. Un calcolo che considera solo il carter della turbina può sottostimare il fabbisogno. Al contrario, specificare una maggiore portata d’aria senza considerare le perdite delle feritoie, la resistenza dei condotti, la pressione statica del ventilatore e le aperture per l’aria di compensazione può creare un progetto dalle prestazioni insufficienti dopo l’installazione.

Il giusto criterio di accettazione dipende dal modello della turbina e dalle condizioni del sito. I documenti di approvvigionamento dovrebbero quindi richiedere la classificazione ambientale dichiarata dal fornitore, la temperatura di aspirazione della turbina consentita, la temperatura di progetto della ventilazione e le condizioni operative utilizzate nel calcolo della potenza. Se la potenza richiesta deve essere disponibile a una determinata condizione di temperatura ambiente elevata, tale requisito deve essere esplicito. La “potenza nominale” senza una condizione ambiente definita lascia spazio a un disallineamento evitabile.

Il layout del sito può vanificare un gruppo ben progettato

La ventilazione dell’involucro è influenzata dalle condizioni di installazione che possono rientrare al di fuori del normale ambito di fornitura del produttore del generatore. Un gruppo installato contro una parete, sotto una tettoia, all’interno di un edificio di processo o in uno stretto corridoio per apparecchiature non avrà lo stesso flusso d’aria di un’unità indipendente. Le apparecchiature vicine possono scaricare aria calda verso l’aspirazione del generatore. Il vento può migliorare l’estrazione oppure spingere i gas di scarico e l’aria calda di ventilazione di nuovo verso le feritoie.

Polvere e contaminanti aerodispersi aggiungono un ulteriore livello di rischio. La filtrazione è necessaria per proteggere la turbina, ma filtri sporchi aumentano la resistenza all’aspirazione e possono ridurre il flusso d’aria effettivamente fornito. Anche le feritoie di ventilazione e le reti antinsetto accumulano detriti. In luoghi con polveri fini, aria carica di sale, nebbia d’olio o detriti stagionali, l’accesso per l’ispezione e la pulizia dovrebbe essere considerato parte della progettazione dell’involucro anziché un aspetto secondario della manutenzione.

In un’applicazione di perforazione o alimentazione sul campo, il generatore può operare vicino ad apparecchiature azionate da motori diesel, quali unapompa fango. Il posizionamento di tali carichi è importante. Lo scarico del loro radiatore, lo scarico del motore e il pennacchio di polvere non devono poter migrare verso l’aspirazione dell’involucro della turbina. Un calcolo della capacità può essere corretto sulla carta e causare comunque un declassamento se il generatore è posizionato nella scia di aria calda dei macchinari adiacenti.

Presupposti comuni che portano a declassamenti evitabili

Un presupposto comune è che un ventilatore dell’involucro con una portata d’aria elevata fornisca automaticamente un raffreddamento sufficiente. Le prestazioni dei ventilatori sono spesso pubblicate in determinate condizioni di pressione statica. Condotti installati, feritoie, filtri, silenziatori e griglie di protezione possono ridurre sostanzialmente il flusso effettivo. Ciò che conta è il punto operativo installato, non il massimo riportato in catalogo.

Un altro presupposto è che il locale del generatore debba soddisfare soltanto una temperatura generale di comfort per il personale. Le prestazioni della turbina sono più sensibili alla temperatura dell’aria che entra nel compressore che alla temperatura media presente altrove nel locale. Un locale può sembrare adeguatamente ventilato mentre una sacca localizzata di aria calda aumenta la temperatura di aspirazione della turbina.

È inoltre rischioso affidarsi a un solo sensore di temperatura. Sensori collocati lontano dall’aspirazione, in una zona con elevato flusso d’aria o vicino a una parete fredda potrebbero non rilevare il ricircolo. Il monitoraggio della temperatura dovrebbe coprire l’area di aspirazione della turbina e le zone pertinenti dell’involucro, con allarmi impostati per sollecitare un’indagine prima che si verifichino un arresto per alta temperatura o una ricorrente carenza di potenza.

Cosa richiedere prima di effettuare un ordine

Una revisione dell’approvvigionamento non deve necessariamente prescrivere ogni dettaglio relativo a condotti e ventilatori, ma dovrebbe stabilire le evidenze necessarie per valutare l’esposizione al declassamento. Tra i documenti utili del fornitore figurano un disegno generale dell’involucro che mostri le entrate e le uscite dell’aria, informazioni sul flusso d’aria di ventilazione e sulla pressione statica, ipotesi di dissipazione del calore, percorso di scarico, specifiche del filtro e la base della potenza del generatore alla temperatura e all’altitudine dichiarate del sito.

È inoltre opportuno definire la responsabilità dell’interfaccia tra l’involucro fornito in gruppo e l’installazione. Quando il progetto aggiunge un edificio, un involucro acustico, condotti esterni o un sistema di ventilazione condiviso, le ipotesi prestazionali del gruppo originale potrebbero non essere più applicabili. La parte responsabile della conferma dei percorsi finali del flusso d’aria dovrebbe essere identificata prima della consegna delle apparecchiature.

La ventilazione dovrebbe essere valutata come parte della potenza disponibile, non come una caratteristica separata dell’involucro. Quando il percorso dell’aria è progettato per l’effettiva condizione ambiente, le fonti di calore, la geometria dell’installazione e l’ambiente di manutenzione, un Generatore a turbina a gas di piccola taglia ha molte più probabilità di fornire la potenza prevista senza regolari declassamenti dovuti ad alta temperatura.