ITFI20120292A1 - "gas turbines in mechanical drive applications and operating methods" - Google Patents

Description

“TURBINE A GAS IN APPLICAZIONI DI TRAZIONE MECCANICA E METODI DI FUNZIONAMENTOâ€

DESCRIZIONE

Campo dell’Invenzione

L’oggetto qui descritto riguarda miglioramenti a sistemi a turbina a gas usati in applicazioni di trazione meccanica. In particolare, ma non esclusivamente la descrizione riguarda sistemi di turbine a gas per azionare compressori, ad esempio compressori per fluidi refrigeranti in impianti di liquefazione di gas naturale.

La descrizione concerne inoltre miglioramenti ai metodi per il funzionamento di un sistema comprendente una turbina a gas ed un carico, ad esempio un compressore per LNG (Liquefazione di Gas Naturale) o per applicazioni nell’industria del petrolio e del gas, una pompa o altro equipaggiamento ruotante.

Descrizione dell’Arte Anteriore

Il gas naturale liquefatto (LNG) deriva da un processo di liquefazione, nel quale il gas naturale viene raffreddato usando uno o più cicli di refrigerazione in una disposizione a cascata, fino a che esso diviene liquido. Il gas naturale à ̈ spesso liquefatto per scopi di stoccaggio e trasporto, ad esempio se il trasporto in gasdotto non à ̈ possibile o à ̈ economicamente inopportuno.

Il raffreddamento del gas naturale à ̈ eseguito usando cicli di refrigerazione aperti o chiusi. Un refrigerante viene elaborato in un compressore o in più compressori, condensato ed espanso. Il refrigerante espanso e raffreddato à ̈ usato per rimuovere calore dal gas naturale che fluisce in uno scambiatore di calore.

Compressori di refrigerante in LNG, compressori per applicazioni in condotti o altro equipaggio ruotante per applicazioni nell’industria del petrolio e del gas vengono spesso azionati tramite turbine a gas. La disponibilità di potenza della turbina a gas (cioà ̈ la potenza disponibile sull’albero di potenza della turbina) dipende dalle condizioni ambientali, ad esempio dalla temperatura dell’aria, e da altri fattori, quali l’età. La disponibilità di potenza della turbina aumenta con il calare delle temperature e, viceversa, decresce con l’aumentare delle temperature. Questo provoca fluttuazioni della disponibilità di potenza sia nelle 24 ore, sia anche durante l’anno, a causa di fluttuazioni giornaliere e stagionali della temperatura.

E’ stato suggerito di prevedere un motore elettrico in combinazione con una turbina a gas per azionare un carico, comprensivo ad esempio di uno o più compressori. Il motore elettrico à ̈ fatto funzionare per fornire potenza meccanica supplementare al carico, per mantenere costante la potenza sull’albero del carico, quando la disponibilità di potenza della turbina decresce e/o per aumentare la potenza meccanica totale usata per azionare il carico. Questa funzione del motore elettrico viene denominata helper duty. Lo stesso motore elettrico à ̈ usualmente usato anche come motore di lancio, per accelerare la stringa formata dalla turbina a gas e dal carico da 0 fino ad una velocità di regime.

Quando viene generata una potenza meccanica in eccesso dalla turbina, ad esempio se la temperatura ambiente cala al di sotto della temperatura di progetto e conseguentemente si ha un aumento nella disponibilità di potenza della turbina, la potenza meccanica in eccesso generata dalla turbina a gas viene convertita in potenza elettrica, usando il motore elettrico di helper come generatore.

La Fig.1 illustra schematicamente un sistema comprendente una turbina a gas disposta per applicazioni di trazione meccanica, cioà ̈ per azionare un carico differente da un generatore elettrico, in particolare per azionare un compressore o un treno di compressori. Il sistema 101 comprende una turbina a gas 103. La turbina a gas a sua volta à ̈ comprensiva di un generatore di gas 105 e di una turbina di potenza 107. Il generatore di gas 105 à ̈ comprensivo di un compressore 109 e di una turbina di alta pressione 111. Il generatore di gas 105 comprende un rotore del generatore di gas comprendente il rotore 109R del compressore 109 ed il rotore 111R della turbina di alta pressione 111. Il rotore 109R del compressore 109 e il rotore 111R della turbina di alta pressione 111 sono montati su un albero comune e formano insieme il rotore del generatore di gas.

Il compressore 109 comprime aria ambiente, che à ̈ alimentata ad una camera di combustione o combustore 113, dove l’aria compressa viene miscelata con un combustibile liquido o gassoso e la miscela combustibile/aria viene incendiata per generare gas di combustione. Il gas di combustione ad alta temperatura ed alta pressione viene parzialmente espanso nella turbina di alta pressione 111. Potenza meccanica generata dall’espansione del gas nella turbina di alta pressione 111 viene usata per azionare il compressore 109.

Gas caldo e parzialmente espanso che esce dalla turbina di alta pressione 111 fluisce attraverso la turbina di potenza o turbina di bassa pressione 107. Il gas di combustione si espande nella turbina di potenza 107 per generare potenza meccanica, disponibile su un albero di accoppiamento del carico 115. La potenza disponibile sull’albero 115 di accoppiamento del carico viene usata per azionare in rotazione un carico complessivamente indicato con 117. Il carico 117 può comprendere ad esempio un compressore o un treno di compressori. Nella forma di realizzazione della Fig.1 il carico 117 comprende un compressore doppio 117A, 117B.

Il rotore della turbina di potenza 107 à ̈ meccanicamente separato dal, cioà ̈ non torsionalmente accoppiato al rotore del generatore di gas formato dal rotore del compressore 109R e dal rotore della turbina di alta pressione 111R.

Il rotore del generatore di gas à ̈ collegato attraverso un albero 119 ad un riduttore ad ingranaggi ausiliario 121. Il riduttore ad ingranaggi ausiliario 121 ha un albero di ingresso 123 che à ̈ meccanicamente collegato ad un motore elettrico 125 che funziona da motore di lancio. Un convertitore di coppie 127 e opzionalmente una frizione 129 sono disposti fra il motore di lancio 125 e l’albero di ingresso 123 del riduttore ad ingranaggi ausiliario 121.

Il motore di lancio 125 Ã ̈ collegato ad una rete di distribuzione di potenza elettrica schematicamente indicata in G.

Il motore elettrico o motore di lancio 125 à ̈ usato per avviare la turbina a gas 103. Il lancio à ̈ eseguito alimentando il motore elettrico 125 e azionando in rotazione ad una velocità di rotazione gradualmente crescente il rotore del generatore di gas attraverso il convertitore di coppia 127. Una volta che una quantità sufficiente di aria fluisce attraverso il compressore 109, il generatore di gas può essere avviato alimen tando combustibile al combustore 113. I gas di combustione vengono convogliati attraverso la turbina di potenza 107 e la turbina a gas 103 inizia a far ruotare il carico 117. Il convertitore di coppia 127 consente un’accelerazione graduale della turbina a gas 103, mentre il motore elettrico 125 ruota ad una velocità costante secondo la frequenza di rete.

Il numero di riferimento 131 indica un motore elettrico, che funziona come helper e che à ̈ disposto all’estremità della stringa comprendente la turbina a gas 103 e il carico 117, opposta al motore elettrico 125. L’helper 131 converte potenza elettrica in potenza meccanica per azionare il carico 117 in combinazione con la turbina a gas 103, ad esempio quando la potenza disponibile dalla turbina a gas 103 cala, ad esempio a causa di un aumento della temperatura ambiente.

Il sistema 101 Ã ̈ complesso ed ha un elevato ingombro in pianta.

Sommario dell’invenzione

L’oggetto qui descritto fornisce un sistema ibrido, in cui una turbina a gas bialbero à ̈ combinata ad una macchina elettrica reversibile che può essere commutata in un modo motore o in un modo generatore. Quando commutata nel modo motore, la macchina elettrica reversibile può fornire una funzione di helper o una funzione di lancio, in funzione delle condizioni operative del sistema a turbina a gas. Quando commutata nel modo generatore, la macchina elettrica reversibile può convertire potenza meccanica disponibile, prodotta bruciando un combustibile miscelato in un flusso di aria compressa, in potenza elettrica. La potenza elettrica può essere alimentata ad una rete di distribuzione di potenza elettrica. In alcune forme di realizzazione o in alcune condizioni, ad esempio in caso di perdita o mancanza di una rete di distribuzione di potenza elettrica, il generatore può fornire potenza elettrica per gli impianti e i dispositivi ausiliari del sistema comprendente la turbina a gas e il carico da essa azionato.

La turbina a gas può comprendere un generatore di gas con un compressore del generatore di gas, un combustore e una turbina di alta pressione. I gas di combustione dal combustore sono alimentati attraverso la turbina di alta pressione per produrre potenza meccanica, che viene usata per azionare il compressore del generatore di gas. Aria aspirata e compressa dal compressore del generatore di gas viene alimentata al combustore, miscelata con un flusso di combustibile e incendiata per generare il flusso di gas di combustione. Il flusso di gas di combustione parzialmente espanso viene ulteriormente espanso nella turbina di potenza, per azionare il carico. La turbina di potenza ha un rotore di potenza montato per ruotare su un albero della turbina di potenza, che à ̈ meccanicamente indipendente dal rotore del generatore di gas. La macchina elettrica reversibile, cioà ̈ il motore/generatore elettrico à ̈ meccanicamente vincolato al o collegabile al rotore del generatore di gas, mentre il carico à ̈ meccanicamente vincolato attraverso un accoppiamento del carico o simile all’albero della turbina di potenza. Quando il motore/generatore funziona come motore, cioà ̈ fornisce una funzione di helper, potenza dal motore/generatore elettrico viene trasferita termodinamicamente alla turbina di potenza, come verrà spiegato in maggiore dettaglio più avanti, facendo riferimento ad alcune forme di realizzazione dell’oggetto qui descritto. Viceversa, se il motore/generatore elettrico à ̈ commutato nel modo generatore, si ottiene ancora termodinamicamente una riduzione del trasferimento di potenza dalla turbina di alta pressione alla turbina di potenza.

Secondo alcune forme di realizzazione, viene così previsto un sistema di azionamento per azionare un carico, che comprende una turbina a gas comprensiva di: un generatore di gas avente un rotore di generatore di gas e comprendente almeno un compressore del generatore di gas e una turbina di alta pressione che aziona il compressore del generatore di gas; e una turbina di potenza avente un rotore di turbina di potenza, che à ̈ torsionalmente indipendente dal rotore del generatore di gas. Torsionalmente indipendente significa che il rotore della turbina di potenza e il rotore del generatore di gas possono ruotare a velocità di rotazione differenti e sono costruiti e disposti come organi meccanici separati, potenza dal generatore di gas alla turbina di potenza venendo trasferita termodinamicamente, attraverso il flusso di gas di combustione. Il sistema di azionamento comprende inoltre un accoppiamento del carico che collega il rotore della turbina di potenza al carico e un motore/generatore elettrico meccanicamente collegato al rotore del generatore di gas ed elettricamente collegato ad una rete di distribuzione di potenza elettrica. Il motore/generatore elettrico à ̈ atto a funzionare alternativamente: come un generatore per convertire potenza meccanica dalla detta turbina a gas in potenza elettrica; e da motore per fornire potenza di azionamento supplementare al carico, cioà ̈ come un helper.

In alcune forme di realizzazione il motore/generatore elettrico può essere azionato in modo motore per avviare la turbina a gas. Può così essere evitato un motore di lancio separato.

Un convertitore di frequenza può essere previsto tra il motore/generatore elettrico e la rete di distribuzione di potenza elettrica. Il convertitore di frequenza consente al motore/generatore elettrico di ruotare ad una velocità che à ̈ indipendente dalla frequenza della potenza elettrica. Una frequenza operativa variabile viene usata ad esempio per accelerare gradualmente la turbina a gas all’avviamento, così che non à ̈ richiesto un convertitore di coppia. Il convertitore di frequenza à ̈ inoltre usato per condizionare potenza elettrica generata dal motore/generatore elettrico quando quest’ultimo funziona nel modo generatore e genera energia elettrica ad una frequenza differente dalla frequenza di rete.

La turbina a gas può essere provvista di un dispositivo di condizionamento del flusso, disposto e controllato per modificare un flusso di gas di combustione o di aria attraverso la turbina a gas. Una disposizione di condizionamento del flusso à ̈ una disposizione che à ̈ capace di modificare il flusso di una corrente gassosa attraverso la turbina a gas, ad esempio modificando la sezione trasversale all’ingresso di una turbomacchina. In alcune forme di realizzazione la disposizione di condizionamento del flusso può comprendere vani di guida di ingresso mobili all’ingresso del compressore del generatore di gas, per modificare la condizione di ingresso del flusso dell’aria aspirata dal compressore del generatore di gas. In alcune ulteriori forme di realizzazione il sistema di condizionamento del flusso può comprendere ugelli di ingresso mobili all’ingresso della turbina di potenza. Gli ugelli di ingresso mobili possono essere controllati per modificare la sezione trasversale di flusso e quindi le condizioni di pressione fra la turbina di alta pressione e la turbina di potenza. Agendo sugli ugelli mobili si ottiene una modifica del salto di entalpia effettuato dal gas di combustione nella turbina di alta pressione e quindi l’entalpia disponibile all’ingresso della turbina di potenza.

Secondo un ulteriore aspetto, l’oggetto qui descritto concerne un metodo per azionare un carico con una turbina a gas, detto metodo comprendendo le fasi di: comprimere aria di combustione in un compressore di un generatore di gas comprendente un rotore del generatore di gas,

miscelare l’aria di combustione con un combustibile, incendiare una miscela aria/combustibile e generare gas di combustione compresso;

parzialmente espandere il gas di combustione in una turbina di alta pressione e generare potenza meccanica per azionare il compressore del generatore di gas;

espandere ulteriormente il gas di combustione in una turbina di potenza avente un albero di turbina di potenza, che à ̈ torsionalmente scollegato dalla turbina di alta pressione;

azionare un carico con l’albero della turbina di potenza;

collegare meccanicamente un motore/generatore elettrico al rotore del generatore di gas e collegare elettricamente detto motore/generatore elettrico ad una rete di potenza elettrica;

azionare il motore/generatore elettrico selettivamente:

- in un modo motore (cioà ̈ da helper) per convertire potenza elettrica in potenza meccanica supplementare, alimentare la potenza meccanica supplementare al rotore del generatore di gas, trasferire termodinamicamente potenza addizionale alla turbina di potenza e convertire la potenza addizionale in potenza meccanica per azionare il carico;

- in un modo generatore per convertire potenza meccanica disponibile dal rotore del generatore di gas in potenza elettrica.

Caratteristiche e forme di realizzazione sono descritte qui di seguito e ulteriormente definite nelle rivendicazioni allegate, che formano parte integrale della presente descrizione. La sopra riportata breve descrizione individua caratteristiche delle varie forme di realizzazione della presente invenzione in modo che la seguente descrizione dettagliata possa essere meglio compresa e affinché i contribuiti alla tecnica possano essere meglio apprezzati. Vi sono, ovviamente, altre caratteristiche dell’invenzione che verranno descritte più avanti e che verranno esposte nelle rivendicazioni allegate. Con riferimento a ciò, prima di illustrare diverse forme di realizzazione dell’invenzione in dettaglio, si deve comprendere che le varie forme di realizzazione dell’invenzione non sono limitate nella loro applicazione ai dettagli costruttivi ed alle disposizioni di componenti descritti nella descrizione seguente o illustrati nei disegni. L’invenzione può essere attuata in altre forme di realizzazione e attuata e posta in pratica in vari modi. Inoltre si deve comprendere che la fraseologia e la terminologia qui impiegate sono soltanto ai fini descrittivi e non devono essere considerate limitative.

Gli esperti del ramo pertanto comprenderanno che il concetto su cui si basa la descrizione può essere prontamente utilizzato come base per progettare altre strutture, altri metodi e/o altri sistemi per attuare i vari scopi della presente invenzione. E’ importante, quindi, che le rivendicazioni siano considerate come comprensive di quelle costruzioni equivalenti che non escono dallo spirito e dall’ambito della presente invenzione.

Breve descrizione dei disegni

Una comprensione più completa delle forme di realizzazione illustrate dell’invenzione e dei molti vantaggi conseguiti verrà ottenuta quando la suddetta invenzione verrà meglio compresa con riferimento alla descrizione dettagliata che segue in combinazione con i disegni allegati, in cui: Fig.1 illustra una disposizione di turbina a gas secondo l’arte anteriore; le

Figg.2 e 3 illustrano due disposizioni di turbina a gas secondo la presente descrizione.

Descrizione Dettagliata di Forme di Realizzazione dell’Invenzione

La descrizione dettagliata che segue di forme di realizzazione esemplificative si riferisce ai disegni allegati. Gli stessi numeri di riferimento in disegni differenti identificano elementi uguali o simili. Inoltre, i disegni non sono necessariamente in scala. Ancora, la descrizione dettagliata che segue non limita l’invenzione. Piuttosto, l’ambito dell’invenzione à ̈ definito dalle rivendicazioni accluse.

Il riferimento in tutta la descrizione a “una forma di realizzazione†o “la forma di realizzazione†o “alcune forme di realizzazione†significa che una particolare caratteristica, struttura o elemento descritto in relazione ad una forma di realizzazione à ̈ compresa in almeno una forma di realizzazione dell’oggetto descritto. Pertanto la frase “in una forma di realizzazione†o “nella forma di realizzazione†o “in alcune forme di realizzazione†in vari punti lungo la descrizione non si riferisce necessariamente alla stessa o alle stesse forme di realizzazione. Inoltre le particolari caratteristiche, strutture od elementi possono essere combinati in qualunque modo idoneo in una o più forme di realizzazione.

La Fig.2 illustra una prima forma di realizzazione dell’oggetto qui descritto. Un sistema di azionamento meccanico 1 comprende una turbina a gas 3. La turbina a gas 3 comprende un generatore di gas 5 e una turbina di potenza o turbina di bassa pressione 7. Il generatore di gas 5 può essere comprensivo di un compressore 9 del generatore di gas e di una turbina di alta pressione 11. Il rotore del compressore à ̈ schematicamente mostrato in 9R e il rotore della turbina di alta pressione à ̈ mostrato in 11R. I rotori 9R e 11R sono montati su un albero comune 6 e insieme formano un rotore 5R del generatore di gas.

Il compressore 9 del generatore di gas comprime aria dall’ambiente, che à ̈ alimentata ad un combustore 13. Nel combustore 13 un combustibile viene aggiunto al flusso di aria e viene formata una miscela combustibile/aria che viene incendiata. Il gas di combustione generato nel combustore viene alimentato alla turbina di alta pressione 11 e parzialmente espanso in essa, generando potenza meccanica. La potenza meccanica generata dalla turbina di alta pressione 11 à ̈ usata per azionare il compressore 9 del generatore di gas.

Il gas di combustione parzialmente espanso fluisce attraverso la turbina di potenza 7, dove esso si espande ulteriormente per generare potenza meccanica addizionale. Nella forma di realizzazione illustrata in Fig.2, la turbina di potenza 7 à ̈ comprensiva di ugelli mobili di guida schematicamente indicati in 15. Gli ugelli mobili di guida 15 possono essere usati per modificare le condizioni di flusso del gas di combustione che entra nella turbina di potenza 7. In alcune forme di realizzazione gli ugelli mobili di guida 15 possono essere usati per modificare la sezione del flusso di gas di combustione, incrementando o decrementando in tal modo la pressione all’uscita della turbina di alta pressione 11. Aumentando la pressione del gas all’uscita della turbina di alta pressione 11 si riduce il salto di entalpia attraverso la turbina di alta pressione 11. Un salto di entalpia più alto viene così reso disponibile attraverso la turbina di potenza 7, che può produrre più potenza meccanica, che sarà disponibile sull’albero di uscita della turbina. Come verrà chiarito più avanti, regolando gli ugelli mobili di guida 15 la velocità di rotazione del rotore 5R del generatore di gas può essere regolata e la quantità di potenza disponibile sull’albero di uscita dalla turbina di potenza 7 può essere modulata.

La turbina di potenza 7 à ̈ comprensiva di un rotore 7R della turbina di potenza montato su un albero 17 della turbina di potenza, il quale à ̈ torsionalmente indipendente dall’albero 6 del generatore di gas 5, cioà ̈ l’albero 17 della turbina di potenza ruota indipendentemente dall’albero 6 dell’albero 5R del generatore di gas.

L’albero 17 della turbina di potenza à ̈ collegato, attraverso un albero di accoppiamento del carico 19, ad un carico generalmente indicato in 21, che à ̈ azionato in rotazione dalla potenza disponibile sull’albero 17 della turbina di potenza e che à ̈ generata dall’espansione del gas nella turbina di potenza 7. In alcune forme di realizzazione il carico 21 può comprendere uno o più compressori, ad esempio due compressori 21A, 21B, come mostrato in via esemplificativa nella forma di realizzazione della Fig.2.

Nella forma di realizzazione illustrata in Fig.2, viene previsto un accoppiamento diretto fra l’albero 17 della turbina di potenza e l’albero 19 di accoppiamento del carico. Il carico quindi ruota alla stessa velocità di rotazione della turbina di potenza. Uno o più giunti possono essere disposti fra la turbina di potenza 7 ed il carico 21, ad esempio uno o più giunti flessibili, per compensare disallineamenti angolari e/o per compensare un’espansione termica dell’accoppiamento. In altre forme di realizzazione, non mostrate, un sistema di manipolazione della velocità, quale ad esempio un riduttore a ingranaggi, può essere disposto fra la turbina di potenza 7 e il carico 21, ad esempio quando la turbina di potenza 7 ed il carico 21 ruotano a differenti velocità di rotazione.

In alcune forme di realizzazione l’estremità fredda della turbina a gas, cioà ̈ l’estremità opposta rispetto alla turbina di potenza 7, può essere collegata ad una macchina elettrica reversibile, cioà ̈ ad una macchina elettrica che può funzionare selettivamente da generatore elettrico o da motore elettrico. La macchina elettrica reversibile verrà denominata qui di seguito motore/generatore elettrico 23.

Il motore/generatore elettrico 23 può essere collegato elettricamente ad una rete di distribuzione di potenza elettrica schematicamente indicata in G. Preferibilmente il motore/generatore elettrico 23 à ̈ combinato ad una unità di condizionamento della potenza elettrica, ad esempio un convertitore di frequenza 25. Per gli scopi che diverranno chiari più avanti, il convertitore di frequenza 25 consente al motore/generatore elettrico 23 di ruotare ad una velocità che à ̈ indipendente dalla frequenza elettrica sulla rete G, così che il motore/generatore elettrico 23 può essere usato per avviare la turbina di potenza 3 e/o per fornire potenza meccanica supplementare al sistema 1, ad esempio quando la potenza disponibile dalla turbina a gas 3 cala, consentendo alla turbina a gas di ruotare ad una velocità che à ̈ indipendente dalla frequenza di rete. Lo stesso convertitore di frequenza consente anche al motore/generatore di funzionare nel modo generatore e fornire potenza elettrica alla rete, ruotando il motore/generatore elettrico 23 ad una velocità differente dalla frequenza di rete e indipendente da essa.

Fra l’albero 6 del generatore di gas 5 e il motore/generatore elettrico 23 può essere prevista una scatola di ingranaggi ausiliaria 27. La scatola di ingranaggi 27 può essere usata per azionare uno o più complessi ausiliari, quali pompe di olio lubrificante e simili, combinati alla turbina a gas 3. In altre forme di realizzazione, la scatola di ingranaggi 27 può essere omessa e un azionamento diretto può essere previsto fra il motore/generatore elettrico 23 e il generatore di gas 5.

In alcune forme di realizzazione una frizione 29 può essere interposta fra il motore/generatore elettrico 23 e la scatola di ingranaggi ausiliaria 27. In altre forme di realizzazione la frizione 29 può essere disposta fra la scatola degli ingranaggi 27 e l’albero 6 del generatore di gas 5. Se non à ̈ prevista una scatola di ingranaggi, una frizione 29 può essere disposta tra il motore/generatore elettrico 23 e l’albero 6 del generatore di gas 5.

Il funzionamento del sistema descritto fin qui à ̈ il seguente.

Per avviare il sistema il motore/generatore elettrico 23 viene commutato nel modo motore e alimentato per funzionare da motore di lancio. Attraverso il convertitore di frequenza 25 il motore/generatore elettrico 23 viene alimentato con una frequenza elettrica gradualmente crescente così che la velocità di rotazione del motore/generatore 23 può aumentare. La frizione 29 trasmette la rotazione dell’albero 23A del motore/generatore elettrico alla scatola di ingranaggi ausiliaria 27 e al rotore 5R del generatore di gas.

Quando si à ̈ raggiunta una portata di aria sufficiente all’uscita del compressore 9 del generatore di gas, il combustore 13 può essere attivato e il generatore di gas 5 inizia a funzionare. Un flusso di gas di combustione pressurizzato e caldo viene formato nel combustore 13 e alimentato attraverso la turbina di alta pressione 11, che assume gradualmente il compito di ruotare il compressore 9 del generatore di gas, e attraverso la turbina di potenza 7.

L’azionamento del generatore di gas 5 viene infine integralmente assunto dalla turbina di alta pressione 11 e la turbina di potenza 7 accelera gradualmente azionando il carico 21 in rotazione.

Quando la turbina a gas 1 ha raggiunto una condizione stazionaria, il motore/generatore elettrico 23 può essere portato in condizione non operativa e può ruotare liberamente (free-wheeling) se non à ̈ prevista una frizione fra il motore/generatore elettrico 23 e la turbina a gas 3. Alternativamente, se à ̈ prevista una frizione 29, il motore/generatore elettrico 23 può rimanere fermo. La turbina a gas 3 fornisce sufficiente potenza per azionare il carico 21. Tuttavia, come risulterà chiaro dalla descrizione che segue, in alcune situazioni il motore/generatore elettrico 23 può essere richiesto di fornire potenza alla turbina a gas. Il motore/generatore elettrico verrà commutato nel modo motore e azionato come helper (cosiddetta funzione helper). In alcune altre situazioni il motore/generatore elettrico 23 può essere richiesto di assorbire potenza meccanica disponibile dalla turbina a gas per generare potenza elettrica. Il motore/generatore elettrico 23 verrà in tal caso commutato nel modo generatore.

Più specificamente, il funzionamento del motore/generatore elettrico 23 come helper può essere richiesto ad esempio quando la potenza generata dalla turbina di potenza 3 e resa disponibile sull’albero 17 della turbina di potenza à ̈ insufficiente ad azionare il carico 21 alla velocità richiesta. Il motore/generatore elettrico 23 può essere fatto funzionare nel modo motore anche in altre situazioni, ad esempio allo scopo di risparmiare combustibile e usare in luogo di esso energia elettrica. Questo può essere utile ad esempio di notte, quando il costo dell’energia elettrica disponibile dalla rete di distribuzione elettrica G à ̈ inferiore rispetto al costo del combustibile.

Viceversa, il motore/generatore elettrico 23 può essere commutato nel modo generatore, ad esempio in caso di perdita della rete, cioà ̈ quando la potenza elettrica dalla rete di distribuzione di potenza elettrica G non à ̈ disponibile. In questo caso il motore/generatore elettrico 23 fornirà energia elettrica per azionare il sistema e qualunque altro dispositivo o unità ausiliaria ad esso associato.

In alcune forme di realizzazione, il motore/generatore elettrico 23 può essere fatto funzionare nel modo generatore anche se la potenza disponibile dalla turbina a gas supera la potenza richiesta per azionare il carico e ad esempio il costo dell’energia elettrica à ̈ maggiore del costo del combustibile, ad esempio durante le ore di punta, così che produrre energia elettrica tramite combustibile fossile (liquido o gassoso) e vendere energia elettrica prodotta diviene economicamente vantaggioso. In alcune condizioni il motore/generatore elettrico 23 può essere commutato nel modo generatore anche per correggere il fattore di potenza.

Un controllore elettronico 31 della turbina a gas può essere previsto per controllare il sistema 1 nei vari differenti modi di funzionamento.

Diversi fattori possono modificare le condizioni operative del sistema 1, rendendo un eccesso di potenza dalla turbina a gas 3 disponibile o richiedendo potenza supplementare per azionare il carico 21. Ad esempio, se il carico 21 comprende uno o più compressori, il flusso di gas attraverso i compressori può fluttuare, provocando così una fluttuazione nella potenza richiesta per azionare il carico.

Condizioni ambientali, in particolare la temperatura ambiente possono modificare le condizioni operative della turbina a gas 3. Un aumento della temperatura ambiente riduce la potenza disponibile sull’albero 17 della turbina di potenza 7. Un calo della temperatura ambiente, viceversa, provoca un incremento della disponibile sull’uscita della turbina a gas 3.

Quando il motore/generatore elettrico funziona nel modo generatore, il convertitore di frequenza 25 consente al motore/generatore elettrico 23 di ruotare ad una frequenza che à ̈ non sincrona rispetto alla frequenza della rete di distribuzione della potenza elettrica G. La potenza elettrica generata dal generatore 23 verrà quindi condizionata dal convertitore di frequenza 25, così che la potenza elettrica alimentata alla rete di distribuzione di potenza elettrica G sarà identica alla frequenza di rete. Quando il motore/generatore elettrico 23 funziona nel modo motore, il convertitore di frequenza 25 consente al motore di ruotare alla velocità richiesta, corrispondente alla velocità di rotazione del rotore R del generatore di gas, detta velocità essendo indipendente dalla frequenza elettrica delle rete di distribuzione di potenza elettrica G. La velocità di rotazione del generatore di gas diviene così indipendente dalla frequenza di rete.

Per una migliore comprensione del funzionamento del sistema sin qui descritto, verranno ora illustrati differenti esempi di condizioni operative.

Il sistema à ̈ usualmente controllato sulla base di un segnale fornito da un controllore 30 del carico. Il controllore 30 del carico genera un segnale di controllo, che viene fornito al controllore 31 della turbina a gas. In alcune forme di realizzazione il controllore 30 del carico fornisce un segnale di velocità, cioà ̈ un segnale corrispondente alla velocità di rotazione, a cui viene richiesto di far ruotare il carico 21. Il segnale di velocità può essere espresso in termini di percentuale della velocità di targa dell’albero 17 della turbina di potenza. Partendo da una condizione stazionaria, dove la turbina di potenza 7 ruota ad esempio al 95% della sua velocità di targa, se viene richiesta una maggiore portata di flusso attraverso i compressori 21A, 21B il controllore 30 del carico fornirà al controllore 31 della turbina un segnale che richiede una accelerazione dell’albero 17 della turbina di potenza, ad esempio al 100% della velocità di rotazione di targa della turbina di potenza 7. Il controllore 31 della turbina a gas incrementerà la portata del flusso di combustibile fino al raggiungimento della richiesta velocità di rotazione. L’addizionale portata del flusso di combustibile genera più potenza, che viene usata per elaborare una maggiore portata del flusso del fluido nel compressore 21.

Anche se la velocità di rotazione richiesta à ̈ all’interno del range che può essere raggiunto tramite la turbina a gas (che può operare ad esempio fra il 50% e il 105% della velocità di rotazione di targa) in alcune condizioni operative la potenza disponibile sull’albero 17 della turbina di potenza può essere insufficiente a raggiungere la velocità di rotazione richiesta. Ad esempio se la temperatura ambiente à ̈ maggiore del valore di temperatura di progetto, la turbina non sarà in grado di raggiungere la massima potenza di progetto.

La massima potenza disponibile sull’albero 17 della turbina di potenza viene raggiunta quando la temperatura del gas esausto, cioà ̈ la temperatura all’uscita della turbina di potenza, raggiunge un punto di temperatura massima. In alcune forme di realizzazione, il controllore 31 della turbina a gas può essere interfacciato ad un sensore 32 della temperatura del gas esausto. Se viene raggiunta la massima temperatura del gas esausto e la velocità di rotazione richiesta (ad esempio il 100% della velocità di targa nell’esempio presente) non à ̈ stata raggiunta, il controllore 31 della turbina a gas rileva che la potenza disponibile dalla turbina a gas 3 à ̈ insufficiente ad azionare il carico alla velocità di rotazione richiesta dal controllore 30 del carico. Il motore/generatore elettrico 23 deve essere commutato nel modo motore e fornire potenza supplementare per azionare il carico. Questo può essere ottenuto automaticamente, cioà ̈ sotto il solo controllo del controllore 31 della turbina a gas. In altre forme di realizzazione il controllore 31 della turbina a gas può innescare una richiesta di avvio del motore/generatore elettrico 23, e un operatore abiliterà il motore/generatore elettrico 23 ad operare come helper.

Una volta che il motore/generatore elettrico 23 à ̈ stato avviato, esso convertirà potenza elettrica in potenza meccanica disponibile sull’albero 6 del rotore 5R del generatore di gas. La coppia resistente sull’albero 6 del rotore del generatore di gas in questo modo calerà e la velocità del rotore 5R del generatore di gas aumenta. Un sensore di velocità 33 può fornire un segnale di velocità al controllore 31 della turbina a gas. Quando la velocità del rotore 5R del generatore di gas aumenta, il controllore 31 della turbina a gas agirà sugli ugelli mobili 15 riducendo l’area di sezione trasversale attraverso cui il gas sta fluendo, così aumentando la pressione all’uscita della turbina 11 di alta pressione e conseguentemente all’ingresso della turbina di potenza 7. Il salto di entalpia attraverso la turbina di alta pressione decresce, mentre il salto di potenza attraverso la turbina di potenza 7 aumenta, rendendo disponibile più potenza meccanica sull’albero 17 della turbina di potenza. La maggiore entalpia disponibile all’ingresso della turbina di potenza 7 accelera l’albero 17 della turbina di potenza e il carico 21 fino a quando viene raggiunta e mantenuta la velocità di rotazione richiesta.

Il motore/generatore elettrico 23 che funziona nel modo helper fornisce pertanto potenza meccanica aggiuntiva per azionare il compressore 9 del generatore di gas, così che più potenza dal gas di combustione à ̈ disponibile e può essere trasferita dalla turbina di alta pressione 11 alla turbina di potenza 7 e resa disponibile per azionare il carico 21.

Una ulteriore situazione in cui non può essere raggiunta la velocità del carico impostata può essere dovuta ad una ridotta disponibilità di combustibile. In questo caso il motore/generatore 23 à ̈ di nuovo fatto funzionare nel modo helper, per fornire potenza meccanica supplementare all’albero 6 della turbina di alta pressione, così incrementando il salto entalpico disponibile attraverso la turbina di potenza 7. Potenza dal gas di combustione viene trasferita dalla turbina di alta pressione alla turbina di potenza e resa disponibile per azionare il carico.

Ogni volta che il motore/generatore 23 viene fatto funzionare nel modo motore per fornire potenza meccanica alla turbina a gas, la riduzione della coppia resistente sul rotore 5R del generatore di gas trasferisce il salto di entalpia disponibile dalla turbina di alta pressione 11 alla turbina di potenza 7.

Come sopra descritto, in alcune situazioni il modo helper può essere attivato quando la richiesta velocità di rotazione non può essere raggiunta usando soltanto la potenza disponibile dalla turbina a gas, cioà ̈ quando l’alimentazione di combustibile raggiunge il valore massimo senza raggiungere la richiesta velocità di rotazione della turbina di potenza. Tuttavia in alcune circostanze il sistema 1 può essere controllato così che parte della potenza richiesta per azionare il carico 21 sia alimentata dal motore/generatore elettrico funzionante nel modo helper, limitando la portata di flusso di combustibile allo scopo di risparmiare combustibile anche se la turbina a gas sarebbe capace di fornire potenza sufficiente per azionare il carico da sé sola. Questo può essere fatto, ad esempio, quando il costo per unità di energia elettrica à ̈ inferiore rispetto al costo dell’equivalente quantità di combustibile, ad esempio nelle ore notturne. Può essere economicamente vantaggioso azionare il carico 21 in modo ibrido, combinando la potenza elettrica dal motore/generatore elettrico 23 che funziona in modo motore, con potenza meccanica generata dalla turbina a gas, la turbina essendo fatta funzionare al di sotto della sua massima potenza di targa, con una riduzione della quantità di combustibile alimentato ad essa. La modalità di funzionamento del si stema sarebbe la stessa come descritta sopra, ma il motore/generatore elettrico verrebbe posto in funzione nella modalità helper (modalità motore) prima che la temperatura del gas di combustione al camino raggiunga il massimo valore.

Se la potenza disponibile dalla turbina a gas supera la potenza richiesta per azionare il carico 21, il motore/generatore elettrico 23 può essere commutato nel modo generatore e portato in rotazione sfruttando parte della potenza meccanica disponibile dalla turbina a gas per produrre potenza elettrica. Se venga commutato il motore/generatore elettrico nel modo generatore per convertire parte della potenza meccanica disponibile dalla turbina a gas in potenza elettrica o se la potenza in uscita dalla turbina venga semplicemente ridotta tramite riduzione della portata del flusso di combustibile dipende ad esempio dall’effettiva convenienza economica di sfruttare combustibile per generare potenza elettrica, oppure se la rete di distribuzione di potenza elettrica non à ̈ disponibile. Ulteriori considerazioni possono essere date all’effetto della riduzione del carico sull’efficienza della turbina a gas e all’effetto negativo potenziale di una riduzione del carico sulla composizione chimica dei gas di scarico. Come noto agli esperti del ramo, infatti, facendo funzionare la turbina a gas al di sotto del punto di progetto si può provocare un aumento delle emissioni nocive.

Per migliorare il funzionamento della turbina a gas e/o per produrre potenza elettrica utile in caso di ridotta richiesta di potenza da parte del carico e/o per fornire potenza elettrica all’impianto in caso di perdita della rete, il motore/generatore elettrico 23 può funzionare nel modo generatore per generare potenza elettrica.

Assumendo che il motore/generatore 23 sia collegato alla rete di distribuzione della potenza elettrica G e che la turbina di potenza stia funzionando al di sotto della massima potenza di targa, la temperatura del gas di combustione sarà al di sotto della temperatura massima fissata. Questa situazione indica che la turbina può generare più potenza di quella effettivamente richiesta per azionare il carico 21. Il motore/generatore elettrico 23 viene commutato nel modo generatore e inizia a funzionare. La coppia resistente sull’albero 6 del rotore 5R del generatore di gas aumenta e la velocità di rotazione del rotore 5R del generatore di gas si riduce. La riduzione in velocità viene rilevata dal sensore di velocità di rotazione 33. Il controllore 31 e la turbina a gas agisce sugli ugelli mobili di ingresso 15 per controbilanciare la riduzione di velocità aprendo gli ugelli di ingresso mobili 15. Questo dà luogo ad un maggiore salto di entalpia eseguito dal gas di combustione nella turbina di alta pressione 11. Meno potenza sarà così disponibile nel gas di combustione parzialmente espanso per azionare la turbina di potenza 7. Cioà ̈ si ottiene una differente distribuzione del salto di entalpia totale disponibile, trasferendo parte del salto di entalpia disponibile dalla turbina di potenza 7 alla turbina di alta pressione 11, vincendo così l’aumentata coppia resistente sull’albero 6 del rotore 5R del generatore di gas.

Conseguentemente la velocità di rotazione della turbina di potenza 7 e dell’albero di uscita 17 decrescerà. La riduzione della velocità di rotazione à ̈ rilevata dal controllore 30 del carico, ad esempio attraverso un sensore di velocità 34. La valvola del combustibile 36 viene aperta per aumentare la portata di flusso di combustibile controbilanciando così la riduzione della velocità di rotazione della turbina di potenza, mantenendo la richiesta velocità di rotazione del carico o portando la velocità di rotazione del carico nuovamente al valore richiesto. Questo processo à ̈ ripetuto iterativamente aumentando così ad ogni passo la potenza generata dal motore/generatore elettrico 23 e compensando la caduta della velocità della turbina di potenza aumentando la portata del flusso di combustibile. Il processo può essere ripetuto fino al raggiungimento della massima temperatura dell’esausto, o fino al raggiungimento della massima capacità del motore/generatore elettrico 23, qualunque venga raggiunto per primo. Il sistema verrà poi mantenuto in questa condizione operativa facendo funzionare la turbina a gas 3 ad un livello di potenza complessivo superiore convertendo l’eccesso di potenza meccanica in potenza elettrica. Vengono ottenuti un più efficiente consumo di combustibile e potenzialmente una riduzione delle emissioni nocive, poiché la turbina a gas viene fatta funzionare vicino al punto di progetto.

In alcune forme di realizzazione, il compressore 9 del generatore di gas può essere provvisto di vani di guida di ingresso mobili. Questi ultimo possono essere controllati per modulare la sezione di ingresso sulla base della temperatura ambiente e/o della velocità di rotazione del compressore.

La Fig.3 illustra una ulteriore forma di realizzazione dell’oggetto qui descritto. Componenti, parti o elementi equivalenti o uguali a quelli della Fig.2 sono indicati con gli stessi numeri di riferimento. Il sistema di azionamento meccanico 1 della Fig.3 comprende una turbina a gas 3. La turbina a gas 3 comprende a sua volta un generatore di gas 5 e una turbina di potenza o turbina di bassa pressione 7. In alcune forme di realizzazione, il generatore di gas 5 può essere comprensivo di un compressore 9 del generatore di gas e di una turbina 11 di alta pressione. Il rotore del compressore à ̈ schematicamente indicato in 9R e il rotore della turbina di alta pressione à ̈ mostrato in 11R. I rotori 9R e 11R sono montati su un albero comune 6 e formano insieme il rotore 5R del generatore di gas.

Il compressore 9 del generatore di gas à ̈ provvisto di vani di ingresso di guida mobili schematicamente indicati in 16. I vani di guida di ingresso mobili 16 possono essere controllati per modificare la portata del flusso di aria in ingresso in funzione delle condizioni operative della turbina a gas e del carico azionato da essa, come verrà descritto in maggiore dettaglio nel seguito. Contrariamente all’esempio di realizzazione precedentemente descritto della Fig.2, la turbina di potenza 7 non à ̈ provvista di ugelli mobili di ingresso.

La turbina a gas 3 della Fig.3 può essere una turbina a gas di derivazione aeronautica, ad esempio una PGT25 o una PGT25+, disponibile da Ge Oil & Gas, Firenze, Italia. In altre forme di realizzazione la turbina a gas 3 può essere una turbina a gas heavy duty.

Il compressore 9 del generatore di gas aspira e comprime aria dall’ambiente. L’aria compressa viene alimentata ad un combustore 13 e miscelata con combustibile. La miscela combustibile/aria formata nel combustore viene incendiata per generare un flusso di gas di combustione, che viene alimentato alla turbina di alta pressione 11 e parzialmente espanso in essa, generando potenza meccanica. La potenza meccanica generata dalla turbina di alta pressione 11 viene usata per azionare il compressore 9 del generatore di gas.

Il gas di combustione parzialmente espanso dalla turbina di alta pressione 11 fluisce attraverso la turbina di potenza 7, dove esso si espande ulteriormente e genera addizionale potenza meccanica per azionare un carico.

La turbina di potenza 7 à ̈ comprensiva di un rotore 7R di turbina di potenza montato su un albero 17 di turbina di potenza, che à ̈ torsionalmente indipendente dall’albero 6 del generatore di gas 5, cioà ̈ l’albero 17 della turbina di potenza ruota indipendentemente dall’albero 6 del rotore 5R del generatore di gas.

Domanda n.FI2012A000292

L’albero 17 della turbina di potenza à ̈ collegato, attraverso un albero 19 di accoppiamento del carico, ad un carico generalmente indicato in 21, che à ̈ azionato in rotazione dalla potenza disponibile sull’albero 17 della turbina di potenza e generata dall’espansione del gas nella turbina di potenza 7. Uno o più giunti, frizioni o dispositivi di manipolazione della velocità (non mostrati) possono essere disposti fra la turbina di potenza 7 ed il carico 21. In alcune forme di realizzazione il carico 21 può comprendere uno o più compressori, ad esempio due compressori 21A, 21B come mostrato in via esemplificativa nella forma di realizzazione della Fig.3.

L’estremità fredda della turbina a gas può essere collegata ad un motore/generatore elettrico 23. Quest’ultimo può essere elettricamente collegato ad una rete di distribuzione della potenza elettrica schematicamente indicata con G. Il motore/generatore elettrico 23 può essere combinato ad una unità di condizionamento della potenza elettrica, ad esempio un convertitore di frequenza 25. L’unità di condizionamento della potenza elettrica 25 consente al motore/generatore elettrico 23 di ruotare ad una velocità che à ̈ indipendente dalla frequenza elettrica sulla rete G per gli scopi sopra menzionati in relazione alla forma di realizzazione della Fig.2.

Fra l’albero 6 del generatore di gas 5 e il motore/generatore elettrico 23 può essere prevista una scatola di ingranaggi ausiliaria 27. In altre forme di realizzazione, la scatola di ingranaggi 27 può essere omessa e può essere prevista una connessione diretta fra il motore/generatore elettrico 23 e il generatore di gas 5. In alcune forme di realizzazione una frizione 29 può essere interposta fra il motore/generatore elettrico 23 e l’albero 6 del generatore di gas 5.

L’avvio della turbina a gas 3 può essere eseguito come già sopra descritto con riferimento alla forma di realizzazione della Fig.2, usando il motore/generatore elettrico come motore di lancio.

Durante il funzionamento del sistema 1, in alcune condizioni il motore/generatore 23 può funzionare da helper. Il motore/generatore elettrico 23 in questo caso verrà commutato nel modo motore per convertire potenza elettrica in potenza meccanica e fornire potenza meccanica alla turbina a gas 3. Può essere richiesto di far funzionare il motore/generatore elettrico 23 nel modo motore ad esempio quando la potenza generata dalla turbina di potenza 3 e resa disponibile sull’albero 17 della turbina di potenza à ̈ insufficiente ad azionare il carico 21 alla velocità richiesta. Analogamente a quanto à ̈ stato descritto in relazione alla forma di realizzazione della Fig.2, il motore/generatore elettrico 23 può essere fatto funzionare nel modo motore anche in altre situazioni, ad esempio allo scopo di risparmiare combustibile e usare energia elettrica in luogo di esso.

Viceversa, il motore/generatore elettrico 23 può essere commutato al modo generatore ad esempio nel caso di perdita della rete, cioà ̈ quando la potenza elettrica dalla rete di distribuzione della potenza elettrica G non à ̈ disponibile. In questo caso il motore/generatore elettrico 23 fornirà energia elettrica per alimentare il sistema e qualunque dispositivo o unità ausiliaria associato ad essa. Il motore/generatore elettrico può essere fatto funzionare nel modo generatore anche in altre circostanze, ad esempio per correggere il fattore di potenza del sistema, oppure per aumentare il carico totale sulla turbina a gas, riducendo così le emissioni nocive e migliorando l’efficienza della turbina a gas in situazioni in cui il carico 21 richiede una potenza ridotta.

Per una migliore comprensione della flessibilità del sistema di azionamento 1 per soddisfare varie possibili condizioni operative e per una migliore comprensione della modalità di controllo del sistema, si farà qui di seguito riferimento ad alcune situazioni tipiche che possono presentarsi durante il funzionamento.

Il sistema à ̈ usualmente controllato sulla base di un segnale proveniente da un controllore 30 del carico. Il controllore 30 del carico genera un segnale di controllo, che à ̈ fornito ad un controllore 31 della turbina a gas. In alcune forme di realizzazione il controllore 30 del carico fornisce un segnale di velocità, cioà ̈ un segnale che à ̈ una funzione della velocità di rotazione del carico richiesta. Come già menzionato in relazione alla forma di realizzazione della Fig.2, il segnale di velocità può essere espresso in termini di percentuale della velocità di targa dell’albero 17 della turbina di potenza. Partendo da una condizione stazionaria, con la turbina di potenza 7 che ruota ad esempio al 95% della sua velocità di targa, se à ̈ richiesta una portata di flusso superiore attraverso i compressori 21A, 21B il controllore 30 del carico fornirà al controllore 31 della turbina un segnale che richiede un’accelerazione dell’albero 17 della turbina di potenza, ad esempio al 100% della velocità di rotazione di targa della turbina di potenza 7. Un controllore 31 della turbina a gas aumenterà la portata di flusso di combustibile fino a raggiungere la velocità di rotazione richiesta.

Come sopra notato in relazione alla forma di realizzazione della Fig.2, in alcune condizioni operative la potenza disponibile sull’albero 17 della turbina di potenza può essere insufficiente a raggiungere la richiesta velocità di rotazione. Per esempio, se la temperatura ambiente à ̈ superiore rispetto alla temperatura di progetto, la turbina non sarà in grado di raggiungere la massima potenza di progetto. Come sopra notato, la potenza massima sull’albero 17 della turbina di potenza à ̈ raggiunta quando la temperatura del gas di scarico raggiunge un punto di temperatura massima, che può essere rilevato da un sensore di temperatura del gas esausto, non mostrato in Fig.3, analogo al sensore 32 della Fig.2. Se la temperatura massima del gas di scarico à ̈ raggiunta e la velocità di rotazione richiesta non à ̈ stata raggiunta, il controllore 31 della turbina a gas determina che la potenza disponibile dalla turbina a gas 3 à ̈ insufficiente ad azionare il carico 21. Il motore/generatore elettrico 23 viene quindi commutato nel modo motore e fornisce potenza supplementare per azionare il carico 21.

Una volta che il motore/generatore elettrico 23 à ̈ stato avviato, esso convertirà potenza elettrica in potenza meccanica disponibile sull’albero 6 del rotore 5R del generatore di gas. La coppia resistente sull’albero 6 del rotore del generatore di gas calerà e la velocità del rotore 5R del generatore di gas aumenterà. Un sensore di velocità 33 può fornire un segnale di velocità al controllore 31 della turbina a gas. Quando la velocità del rotore 5R del generatore di gas aumenta, il controllore 31 della turbina a gas agirà sui vani di ingresso mobili di guida 16, aumentando la sezione trasversale dei vani di guida di ingresso. L’apertura dei vani di guida di ingresso provocherà un aumento della portata di flusso di aria attraverso il compressore 9 del generatore di gas e quindi della portata di flusso di gas di combustione attraverso la turbina di potenza 7. Questo renderà disponibile maggiore potenza meccanica sull’albero 17 della turbina per azionare il carico 21 aumentando così la velocità di rotazione di questo.

Di fatto, la maggiore portata di flusso di aria aspirata dal compressore 9 del generatore di gas farà ridurre la temperatura del gas di combustione quindi il controllore 31 della turbina aumenterà la portata di flusso di combustibile fino a raggiungere nuovamente il punto prefissato di temperatura. La maggiore entalpia e la maggiore portata di flusso di gas di combustibile all’ingresso della turbina di potenza 7 genererà più potenza meccanica sull’albero di potenza 17. Allo stesso tempo la maggiore portata di flusso di aria attraverso il compressore 9 del generatore di gas provocherà una riduzione della velocità di rotazione del rotore del generatore di gas, poiché più potenza viene richiesta per elaborare l’aumentata portata di flusso di aria.

La potenza supplementare fornita dal motore/generatore elettrico 23 funzionante nella modalità helper à ̈ così trasferita termodinamicamente sull’albero 17 della turbina e resa disponibile per lo scopo di azionare il carico.

Un’altra situazione in cui la velocità del carico richiesta non può essere raggiunta può essere dovuta a una ridotta disponibilità di combustibile. In questo caso, il motore/generatore 23 à ̈ nuovamente fatto funzionare nella modalità helper, per fornire potenza meccanica supplementare all’albero 6 della turbina di alta pressione. I vani di guida di ingresso 16 sono aperti per aumentare la portata di flusso di aria e, analogamente alla situazione sopra descritta, potenza addizionale dal gas di combustione viene trasferita dalla turbina di alta pressione alla turbina di potenza e resa disponibile per azionare il carico 21.

Come sopra menzionato, in alcune circostanze il sistema 1 può essere controllato così che parte della potenza richiesta per azionare il carico 21 à ̈ alimentata dal motore/generatore elettrico 23 che funziona nella modalità helper, limitando la portata del flusso di combustibile allo scopo di risparmiare combustibile anche se la turbina a gas sarebbe capace di fornire potenza sufficiente per azionare il carico da sola. Questo può essere fatto, ad esempio quando il costo per unità di energia elettrica à ̈ inferiore rispetto al costo dell’equivalente quantità di combustibile, ad esempio in orario notturno. Il motore/generatore elettrico 23 in questo caso viene posto in funzionamento nella modalità helper (modo motore) prima che la temperatura del gas di combustione al camino raggiunga il massimo punto fissato.

Se la potenza disponibile dalla turbina a gas supera la potenza richiesta per azionare il carico 21, il motore/generatore elettrico 23 può essere commutato al modo generatore e portato in rotazione sfruttando parte della potenza meccanica disponibile dalla turbina a gas per produrre potenza elettrica.

Assumendo che il motore/generatore elettrico 23 sia collegato alla rete di distribuzione di potenza elettrica G e che la turbina di potenza 7 stia funzionando a meno della massima potenza di targa, la temperatura del gas di combustione sarà inferiore al massimo punto di temperatura. Questa situazione indica che la turbina può generare più potenza di quella effettivamente utilizzata per azionare il carico 21. Il motore/generatore elettrico 23 viene commutato nel modo generatore e inizia a funzionare. La coppia resistente sull’albero 6 del rotore 5R del generatore di gas aumenta e la velocità di rotazione del rotore 5R del generatore di gas si riduce. Il flusso di aria aspirata dal compressore 9 del generatore di gas viene così ridotta e questo dà luogo ad una riduzione della portata del flusso dei gas di scarico attraverso la turbina di potenza 7. Sarà così disponibile meno potenza per azionare la turbina di potenza 7.

Conseguentemente, la velocità di rotazione della turbina di potenza 7 e dell’albero di uscita 17 calerà. Il calo della velocità di rotazione viene rilevato dal controllore 30 ad esempio attraverso un sensore di velocità 34. La valvola 36 del combustibile viene aperta per aumentare la portata del flusso di combustibile controbilanciando in tal modo la riduzione della velocità di rotazione della turbina di potenza, mantenendo o riportando la velocità di rotazione del carico al valore richiesto. Questo processo à ̈ ripetuto iterativamente, aumentando così ad ogni passo la potenza generata dal motore/generatore elettrico 23 e compensando il calo nella velocità della turbina di potenza aumentando la portata di flusso di combustibile. Questo processo può essere ripetuto fino a che la massima temperatura di scarico (ad esempio rilevata dal sensore 32) viene raggiunta o fino a che viene raggiunta la massima capacità del motore/generatore elettrico 23 a seconda di cosa viene raggiunto prima. Il sistema verrà poi mantenuto nella condizione operativa così raggiunta, facendo funzionare la turbina a gas 3 ad un livello di potenza complessivo superiore. La potenza meccanica in eccesso à ̈ convertita in potenza elettrica. Si ottengono anche un più efficiente consumo di combustibile e potenzialmente migliori emissioni nocive (riduzione delle emissioni nocive), poiché la turbina a gas viene fatta funzionare più vicina al punto di progetto.

Nelle forme di realizzazione sopra descritte un controllore del carico e un controllore della turbina interfacciati a rispettivi sensori attuatori sono stati descritti. Si deve comprendere che in alcune forme di realizzazione il controllo può essere eseguito da un singolo dispositivo controllore, collegato ai vari sensori e attuatori. Ciò che rileva à ̈ che i sopra descritti parametri operativi possono essere rilevati e i richiesti dispositivi azionati tramite i rispettivi attuatori, ad esempio per regolare la portata di flusso di combustibile e simili.

Mentre le forme di realizzazione descritte dell’oggetto qui illustrato sono state mostrate nei disegni e descritte integralmente in quanto sopra con particolari e dettagli in relazione a diverse forme di realizzazione esemplificative, gli esperti nell’arte comprenderanno che molte modifiche, cambiamenti e omissioni sono possibili senza uscire materialmente dagli insegnamenti innovativi, dai principi e dai concetti sopra esposti, e dai vantaggi dell’oggetto definito nelle rivendicazioni allegate. Pertanto l’ambito effettivo delle innovazioni descritte deve essere determinato soltanto in base alla più ampia interpretazione delle rivendicazioni allegate, così da comprendere tutte le modifiche, i cambiamenti e le omissioni. Inoltre, l’ordine o sequenza di qualunque fase di metodo o processo può essere variata o ridisposta secondo forme di realizzazione alternative.

Claims (26)

1. “TURBINE A GAS IN APPLICAZIONI DI TRAZIONE MECCANICA E METODI DI FUNZIONAMENTO†Rivendicazioni 1. Un sistema di azionamento per azionare un carico, comprendente: una turbina a gas comprendente un generatore di gas avente un rotore del generatore di gas e comprendente almeno un compressore del generatore di gas e una turbina di alta pressione che aziona detto compressore del generatore di gas; e una turbina di potenza avente un rotore di turbina di potenza, detto rotore della turbina di potenza essendo torsionalmente indipendente dal rotore del generatore di gas; un accoppiamento del carico che collega il rotore della turbina di potenza al carico; un motore/generatore elettrico meccanicamente collegato al rotore del generatore di gas ed elettricamente collegato ad una rete di distribuzione elettrica; in cui detto motore/generatore elettrico à ̈ atto a funzionare alternativamente: come generatore per convertire potenza meccanica da detta turbina a gas in potenza elettrica; e da motore per erogare potenza di azionamento al carico.
2. 2. Il sistema di azionamento della rivendicazione 1, in cui detto motore/generatore elettrico fornisce una funzione di motore di lancio, per avviare la turbina a gas.
3. 3. Il sistema di azionamento della rivendicazione 1 o 2, in cui detto carico comprende almeno un compressore.
4. 4. Il sistema di azionamento della rivendicazione 1 o 2 o 3, comprendente inoltre una frizione meccanica fra il motore/generatore elettrico e il rotore del generatore di gas.
5. 5. Il sistema di azionamento di una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, in cui detto motore/generatore elettrico à ̈ permanentemente collegato al rotore del generatore di gas.
6. 6. Il sistema di azionamento di una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 5, comprendente inoltre un convertitore di frequenza fra il motore/generatore elettrico e la rete di distribuzione di potenza elettrica, detto convertitore di frequenza essendo configurato e controllato per condizionare la frequenza elettrica dalla rete di distribuzione di potenza elettrica al motore/generatore elettrico e dal motore/generatore elettrico alla rete di distribuzione di potenza elettrica.
7. 7. Il sistema di azionamento di una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 6, comprendente inoltre una disposizione di condizionamento del flusso disposta e controllata per modificare un flusso di aria e/o un flusso di gas di combustione attraverso la turbina a gas.
8. 8. Il sistema di azionamento della rivendicazione 7, in cui detta disposizione di condizionamento del flusso à ̈ configurata e controllata così che: quando detto motore/generatore elettrico funziona da motore, potenza supplementare erogata da detto motore/generatore elettrico à ̈ trasferita termodinamicamente dal generatore di gas alla turbina di potenza; e quando detto motore/generatore elettrico funziona da generatore, potenza meccanica generata da detta turbina di alta pressione à ̈ convertita dal motore/generatore elettrico in potenza elettrica.
9. 9. Il sistema di azionamento della rivendicazione 7 o 8, comprendente inoltre un sistema di controllo del combustibile, per controllare una portata di flusso di combustibile al generatore di gas; e in cui detto sistema di controllo del combustibile à ̈ disposto e controllato per regolare detta portata di flusso di combustibile così da mantenere una velocità di rotazione richiesta del rotore della turbina di potenza.
10. 10. Il sistema di azionamento della rivendicazione 7 o 8 o 9, in cui detta disposizione di condizionamento del flusso comprende una serie di ugelli mobili di guida all’ingresso della turbina di potenza.
11. 11. Il sistema di azionamento della rivendicazione 10, in cui gli ugelli mobili di guida sono disposti e controllati così che quando il motore/generatore elettrico à ̈ posto nel modo generatore, una riduzione della velocità di rotazione del rotore del generatore di gas dovuto ad un aumento della coppia resistente provocato dal motore/generatore elettrico à ̈ controbilanciata aprendo gli ugelli di guida mobili così da aumentare un salto di entalpia nella turbina di alta pressione.
12. 12. Il sistema di azionamento della rivendicazione 10 o 11, in cui detti ugelli di guida mobili sono disposti e controllati così che quando il motore/generatore elettrico à ̈ posto nel modo motore, un aumento della velocità di rotazione del rotore del generatore di gas dovuto ad una coppia resistente ridotta à ̈ controbilanciato chiudendo gli ugelli di guida mobili così da ridurre il salto di entalpia nella turbina di alta pressione e aumentare l’entalpia disponibile all’ingresso della turbina di potenza.
13. 13. Il sistema di azionamento della rivendicazione 7 o 8 o 9, in cui detta disposizione di condizionamento del flusso comprende una serie di vani di guida mobili all’ingresso del generatore di gas.
14. 14. Il sistema di azionamento della rivendicazione 13, in cui detti vani di ingresso di guida mobili sono disposti e controllati così che quando il motore/generatore elettrico à ̈ posto nel modo generatore, una riduzione della velocità di rotazione del rotore del generatore di gas dovuta ad un aumento della coppia resistente viene controbilanciata riducendo il flusso di aria attraverso detti vani di guida di ingresso mobili.
15. 15. Il sistema di azionamento delle rivendicazioni 9 e 10, o 9 e 14, in cui detto sistema di controllo del combustibile à ̈ disposto e controllato così che quando il motore/generatore elettrico à ̈ posto in modo generatore, una riduzione della velocità di rotazione del rotore del generatore di gas dovuta all’aumento della coppia resistente viene controbilanciata aumentando la portata di flusso di combustibile.
16. 16. Il sistema di azionamento della rivendicazione 13 o 14 o 15, in cui detti vani di guida mobili di ingresso sono disposti e controllati così che quando il motore/generatore elettrico à ̈ posto in modo motore, un aumento della velocità di rotazione del rotore del generatore di gas dovuto a una riduzione della coppia resistente à ̈ controbilanciato aumentando il flusso di aria attraverso detti vani di guida e di ingresso mobili.
17. 17. Il sistema di azionamento delle rivendicazioni 9 e 16, in cui detto sistema di controllo di combustibile à ̈ configurato per aumentare la portata di combustibile quando detto flusso di aria attraverso i vani di guida di ingresso mobili aumenta.
18. 18. Un sistema per azionare un carico con una turbina a gas, detto metodo comprendendo le fasi di: comprimere aria di combustione in un compressore di un generatore di gas avente un rotore del generatore di gas, miscelare detta aria di combustione con un combustibile, incendiare una miscela aria/combustibile e generare gas di combustione compresso; espandere parzialmente il gas di combustione in una turbina di alta pressione e generare potenza meccanica per azionare detto compressore del generatore di gas; espandere ulteriormente il gas di combustione in una turbina di potenza avente un albero della turbina di potenza, il quale à ̈ torsionalmente scollegato da detta turbina di alta pressione; azionare un carico con detto albero della turbina di potenza; collegare meccanicamente un motore/generatore elettrico al rotore del generatore di gas e collegare elettricamente detto motore/generatore elettrico ad una rete di distribuzione di potenza elettrica; far funzionare detto motore/generatore elettrico selettivamente: in un modo motore per convertire potenza elettrica in potenza meccanica supplementare, alimentare detta potenza meccanica supplementare a detto rotore del generatore di gas, trasferire termodinamicamente potenza addizionale a detta turbina di potenza e convertire detta potenza addizionale in potenza meccanica per azionare detto carico; in un modo generatore per convertire potenza meccanica disponibile dal rotore del generatore di gas in potenza elettrica.
19. 19. Il metodo della rivendicazione 18, comprendente inoltre la fase di prevedere una disposizione di condizionamento del flusso per modificare un flusso di aria e/o gas di combustione attraverso la turbina a gas per selettivamente: ridurre la potenza trasferita dal generatore di gas alla turbina di potenza e convertire potenza meccanica disponibile dalla turbina di alta pressione in potenza elettrica; o aumentare la potenza trasferita dal generatore di gas alla turbina di potenza, quando detto motore/generatore elettrico funziona da motore e fornisce potenza meccanica al rotore del generatore di gas.
20. 20. Il metodo della rivendicazione 18, comprendente inoltre la fase di prevedere una serie di ugelli mobili di guida all’ingresso della turbina di potenza.
21. 21. Il metodo della rivendicazione 20, comprendente inoltre le fasi seguenti: commutare il motore/generatore elettrico in un modo motore e convertire potenza elettrica in potenza meccanica supplementare, applicata per azionare detto rotore del generatore di gas; trasferire potenza dal generatore di gas alla turbina di potenza chiudendo gli ugelli di guida mobili, così riducendo un salto di entalpia del gas di combustione che si espande attraverso detta turbina di alta pressione e aumentando l’entalpia disponibile all’ingresso di detta turbina di potenza.
22. 22. Il metodo delle rivendicazioni 20 o 21, comprendente inoltre le seguenti fasi: commutare il motore/generatore elettrico in un modo generatore per convertire potenza meccanica generata dalla turbina di alta pressione in potenza elettrica; aprire gli ugelli di guida mobili aumentando un salto di entalpia del gas di combustione che si espande attraverso la turbina di alta pressione e convertire potenza meccanica in eccesso prodotta dalla turbina di alta pressione in potenza elettrica in detto motore/generatore elettrico
23. 23. Il metodo della rivendicazione 22, comprendente inoltre aumentare una portata di flusso di combustibile per compensare la potenza meccanica convertita in potenza elettrica.
24. 24. Il metodo della rivendicazione 18, comprendente inoltre la fase di prevedere una serie di vani di guida mobili all’ingresso del rotore del generatore di gas.
25. 25. Il metodo della rivendicazione 24, comprendente inoltre le fasi di: commutare il motore/generatore elettrico in un modo motore e convertire potenza elettrica in potenza meccanica supplementare, applicata per azionare detto rotore del generatore di gas; aprire detti vani di guida di ingresso così incrementando una portata di flusso di aria attraverso il compressore del generatore di gas e aumentare una portata di flusso di combustibile, trasferendo così potenza supplementare dal generatore di gas alla turbina di potenza.
26. 26. Il metodo della rivendicazione 24 o 25 comprendente inoltre le seguenti fasi: commutare il motore/generatore elettrico in un modo generatore per convertire potenza meccanica generata dalla turbina di alta pressione in potenza elettrica; aumentare una portata di flusso di combustibile per compensare la potenza meccanica convertita in potenza elettrica.