Ottimizzazione delle prestazioni della turbina a gas attraverso misure precise dell'umidità

Garantire il funzionamento delle turbine a gas alla massima efficienza è un obiettivo primario per gli operatori. Nell'attuale clima economico, tutto ciò che aumenta la produttività, e quindi il profitto, è chiaramente il benvenuto. Da un punto di vista ambientale, è anche importante che le turbine funzionino nel modo più efficiente e producano il minor numero possibile di emissioni. Fortunatamente, esistono diversi metodi per migliorare la potenza della turbina a gas. Il controllo dell'umidità e della temperatura dell'aria nella camera di combustione è uno dei più importanti, in quanto ha un effetto diretto sull'efficienza, sulle emissioni e sull'affidabilità operativa della turbina.

L'aria più fresca e più densa aumenta la resa e l'efficienza

In termini di efficienza della turbina a gas, l'effetto della densità dell'aria è ben noto: l'aria di aspirazione più densa aumenta la portata massica, il che si traduce in un miglioramento della potenza e dell'efficienza della turbina. La densità dell'aria è inversamente proporzionale alla temperatura, pertanto l'aumento della temperatura diminuisce la densità dell'aria e quindi riduce l'efficienza e la potenza della turbina a gas.

Il raffreddamento dell'aria in ingresso, specialmente in ambienti caldi e temperati, viene comunemente utilizzato per compensare la perdita di efficienza causata dall'elevata temperatura dell'aria. Anche una piccola riduzione della temperatura dell'aria può portare a un aumento significativo della potenza erogata.

Una riduzione di 1°C della temperatura dell'aria può aumentare la produzione fino allo 0,5%.

Esistono diverse tecniche per raffreddare l'aria aspirata. Una soluzione comune è il nebulizzatore, un sistema che inietta acqua nel flusso d'aria attraverso degli ugelli, facendo raffreddare l'aria man mano che le goccioline d'acqua evaporano. Un vantaggio secondario della nebulizzazione è che la maggiore umidità dell'aria riduce le emissioni di NOx prodotte dal processo di combustione. Oltre al raffreddamento dell'aria in ingresso in presenza di temperature calde o temperate, l'umidità può anche essere un fattore critico per evitare la formazione di ghiaccio nei climi freddi. Se l'aria umida è vicina al punto di congelamento, sono necessari sistemi antigelo per proteggere il compressore dai danni che potrebbero causare particelle di ghiaccio in rapido movimento.

Il controllo ottimale richiede informazioni accurate sull'umidità

Data l'elevata velocità dell'aria all'interno del sistema di immissione dell'aria, è necessario impedire alle gocce d'acqua e alle particelle di ghiaccio di entrare nel compressore e nella turbina per evitare costosi danni ed erosione. Nella pratica, ciò significa che l'umidità dell'aria deve essere mantenuta al di sotto dei livelli di saturazione. In altre parole, per evitare la condensa, la temperatura del punto di rugiada dell'aria che entra nel sistema deve essere inferiore alla temperatura dell'aria e della superficie del sistema. Il sistema di controllo deve avere un margine di sicurezza per consentire incertezze di misura, nonché fluttuazioni e irregolarità nelle proprietà dell'aria da misurare. Tuttavia, più ampi sono i margini necessari a causa delle incertezze di misura, maggiore è il potenziale di efficienza che si perde. Questo è il motivo per cui una misura dall'affidabilità elevata risulta particolarmente redditizia. La misura accurata del punto di rugiada consente di eseguire il raffreddamento e la nebulizzazione, o persino il riscaldamento, il più vicino possibile al limite di condensa o di formazione di ghiaccio all'interno del sistema.

Diversi modi di esprimere l'umidità

A seconda dell'applicazione, vengono utilizzati termini differenti per esprimere l'umidità. Questi includono, ma non sono limitati a, umidità relativa, temperatura del punto di rugiada e temperatura del bulbo umido.

L'umidità relativa (RH) è il rapporto tra la pressione parziale del vapore acqueo e la sua pressione satura a una particolare temperatura. L'umidità relativa viene espressa in percentuale e viene generalmente utilizzata per descrivere l'umidità dell'aria presente nell'ambiente. Lo svantaggio dell'utilizzo dell'umidità relativa è che dipende fortemente dalla temperatura. Ad esempio, se l'umidità relativa è pari all'85% e la temperatura a 20°C, una diminuzione della temperatura dell'aria di soli 2°C modifica l'umidità relativa a un valore pari al 96%. Se l'umidità relativa viene utilizzata per misurare l'umidità dell'aria nell'ingresso di una turbina, è necessario tenere in considerazione questo legame perché, anche senza raffreddamento o riscaldamento, la temperatura dell'aria cambia nel sistema di immissione dell'aria. L'effetto principale è il raffreddamento dovuto all'accelerazione dell'aria alla bocca svasata del compressore, che può causare un calo di temperatura di diversi °C. A causa di questo effetto di raffreddamento sussiste ancora il rischio di formazione di ghiaccio anche quando la temperatura ambiente è superiore a 0°C.

La temperatura del punto di rugiada (Td) è la temperatura alla quale l'aria, quando raffreddata a pressione costante, diventa completamente satura di vapore acqueo con conseguente formazione di acqua liquida, nota come condensa. Con un valore di umidità relativa pari al 100%, la temperatura ambiente corrisponde alla temperatura del punto di rugiada, ma quando la temperatura del punto di rugiada è inferiore alla temperatura ambiente, l'aria diventa più secca e quindi sussiste un rischio minore di formazione di condensa. I due principali vantaggi dell'utilizzo della temperatura del punto di rugiada sono che non dipende dalla temperatura e fornisce direttamente il margine alle condizioni di condensazione.

La temperatura del bulbo umido (Tw) è la temperatura indicata da un termometro avvolto in una guaina bagnata. La temperatura del bulbo umido e la temperatura ambiente possono essere utilizzate per calcolare l'umidità relativa o il punto di rugiada. La temperatura del bulbo umido è un metodo tradizionale per determinare l'umidità, ma è stato in gran parte sostituito da misure dirette a causa dell'accuratezza limitata e delle competenze richieste per l'utilizzo. Tutti i parametri di umidità sopra indicati dipendono dalla pressione, ma per le applicazioni di aspirazione dell'aria i tipici cali di pressione sono così ridotti che non hanno un effetto significativo. Ad esempio, a 20°C e 1.013 mbar, una riduzione della pressione di 20 mbar provoca una diminuzione dell'1,7% dell'umidità relativa o di 0,3° C della temperatura del punto di rugiada.

Fattori che influenzano la precisione

Vi sono molti fattori che influenzano la precisione della misura dell'umidità e la tecnologia di rilevamento di base è la più ovvia. Tuttavia, è stato dimostrato che i sensori polimerici a film sottile soddisfano le esigenze più critiche nel monitoraggio dell'aria in ingresso: precisione, robustezza, stabilità a lungo termine e manutenzione ridotta. Poiché l'aria nell'ingresso può essere molto vicina alla saturazione, e forse persino alla formazione di condensa, il sensore deve mantenere la precisione anche in queste condizioni. La sfida per un sensore di umidità nell'aria di condensazione è che se il sensore si bagna, le misure continueranno a mostrare condizioni sature fino a quando il sensore non si asciuga, anche se l'aria stessa non è più satura. Per ovviare a questo problema, Vaisala ha sviluppato una tecnologia brevettata con sonda riscaldata. Ciò garantisce che la temperatura della sonda sia mantenuta al di sopra della temperatura dell'aria circostante per evitare la condensa sul sensore stesso. A seconda del sistema e della posizione esatta di installazione, eventuali schizzi d'acqua diretti potrebbero bagnare il sensore di umidità, pertanto sono disponibili accessori di montaggio specifici per evitare che ciò accada.

Nelle centrali elettriche e negli ambienti inquinati, l'aria di aspirazione può contenere contaminanti, che possono influire sulla precisione del sensore a lungo termine. Per ovviare a ciò, i sensori avanzati possono essere configurati con una funzione di spurgo chimico, che pulisce automaticamente l'elemento sensore facendo evaporare eventuali contaminanti.