Dinamica degli ausiliari di centrali termoelettriche e costruzione del relativo modello per simulatori di addestramento degli operatori di centrale

L'attività si è svolta nell'ambito di una collaborazione con la Divisione Produzione e Trasmissione dell'ENEL (Unità d’addestramento specialistica di Piacenza), per lo sviluppo di un modello degli ausiliari elettrici per un simulatore utilizzato per l'addestramento degli operatori di centrale nella scuola di Piacenza dell'ENEL. In particolare la ricerca ha riguardato la costruzione del modello del sistema degli ausiliari elettrici di gruppo da 320 MW, tipico delle centrali termoelettriche dell'ENEL, con caldaia a corpo cilindrico. Il modello, sviluppato per un simulatore in tempo reale, è costituito da un insieme di moduli, ognuno dei quali riproduce il comportamento di un componente: i trasformatori, le sbarre e le linee, le utenze di MT e BT. Esso è stato sviluppato con lo scopo di rappresentare adeguatamente sia i fenomeni transitori con scala temporale superiore il secondo (variazioni delle tensioni alle sbarre e delle potenze assorbite dai vari servizi di centrale), sia gli interventi dell'operatore, delle protezioni, ecc.. Per poter simulare, inoltre, anche il comportamento dell'impianto in fase di avviamento del gruppo o in occasione di gravi disservizi, sono stati implementati anche i moduli relativi al generatore sincrono (con il sistema di eccitazione) e all'intero montante di macchina, comprendente anche il trasformatore principale, fino alle sbarre della rete di trasmissione. Quest’attività a dato luogo alla presentazione di alcuni lavori scientifici a convegni nazionali ed internazionali [1-4] Il simulatore per addestramento è stato dotato anche di un secondo modello semplificato che consente di riprodurre le caratteristiche fondamentali del riavvio di una centrale termoelettrica da centrale idroelettrica remota. Tale secondo modello comprende i moduli dei gruppi generatori, delle regolazioni di tensione e di velocità della centrale idroelettrica remota, quello della linea di riavvio con i relativi carichi e i moduli del sistema elettrico della centrale termoelettrica con le relative regolazioni. Esso può essere utilizzato sia autonomamente, per istruire gli operatori sulle diverse fasi del riavvio della centrale, sia interfacciato al simulatore in tempo reale, per l'addestramento del personale ad una pronta e sicura esecuzione delle manovre [4].
 

Dinamica delle centrali termoelettriche ripotenziate con gruppi turbo-gas durante la manovra di avvio autonomo in seguito a 'black-out'.

La ricerca, svolta inizialmente in collaborazione con il Centro di Ricerca di Automatica dell’ENEL e poi proseguita con il CESI, ha come scopo la verifica della possibilità di poter utilizzare i grandi gruppi termoelettrici ripotenziati mediante gruppi turbogas come centrali di prima accensione, sfruttando i gruppi turbogas per alimentare i servizi ausiliari della centrale termoelettrica e parte della rete circostante. Per lo studio è stato costruito un simulatore che riproduce le caratteristiche di funzionamento, nelle fasi d’avviamento e presa di carico, di un gruppo a vapore da 320 MW dotato di caldaia ad attraversamento forzato UP e ripotenziato con un gruppo turbogas da 120 MW. Il simulatore consente inoltre lo studio delle modalità necessarie all’operatore per garantire, in caso di disservizio generale del sistema elettrico, l'avviamento autonomo del gruppo ed il suo impiego per la riaccensione della rete di trasmissione. Nel simulatore sono stati introdotti i modelli sia della parte termica che di quella elettrica. I primi sono costituiti dai modelli non lineari della caldaia, comprensivi del circuito d’avviamento, delle turbine a vapore e a gas, dei cicli termici e delle rispettive regolazioni, in grado di rappresentare i transitori di potenza e di pressione; i secondi comprendono i modelli degli ausiliari di centrale, dei generatori sincroni del quinto ordine, dei regolatori di tensione e delle direttrici di riaccensione nella rete con i relativi carichi “zavorra”. Il simulatore e i modelli implementati sono stati presentati in [6], dove sono anche riportati i confronti fra alcune simulazioni e le registrazioni in centrale che hanno consentito una prima validazione del simulatore. Lo studio ha evidenziato come la regolazione del carico e della frequenza, particolarmente delicate nella fase di riavvio, necessitino di un opportuno ausilio per garantire il successo della manovra. E’ stato perciò concepito ed inserito nel simulatore un opportuno controllore di carico. Tale dispositivo è in grado di mantenere la potenza dei due gruppi pari al carico richiesto, pur caricando progressivamente la sezione a vapore sottraendo carico al gruppo a gas, e di arrestare il processo nel caso del raggiungimento di frequenze minime inaccettabili o d’insufficienti valori di pressione del gruppo a vapore. La descrizione della struttura e del funzionamento di tale regolatore sono stati presentati al congresso triennale della federazione internazionale di controlli automatici [5] e sono stati descritti con maggiore dettaglio in [7]. In [8], alcuni dei risultati ottenuti dall'attività di studio del comportamento delle centrali termoelettriche durante le fasi di ripristino del servizio e durante il funzionamento "in isola" sono stati confrontati con i risultati sia di calcolo sia sperimentali relativi a prove in centrale, ottenuti recentemente dal gestore della rete della repubblica Ceca.
 

Impianti per la produzione distribuita dell'energia elettrica

L'attività riguarda l'analisi del comportamento delle reti di distribuzione in presenza di impianti di generazione distribuita interfacciati alla rete mediante convertitori elettronici di potenza. Si tratta di im-pianti di generazione tradizionali, quali i pannelli fotovoltaici, e di tipo più innovativo, quali le microturbine a gas e le pile a combustibile. In [10] è presentato un confronto fra gli effetti in rete dovuti alla presenza di generatori, asincroni o sincroni, direttamente connessi alla rete e gli effetti prodotti dagli impianti di generazione connessi attraverso convertitori statici. L'analisi in [10] è stata effettuata ponendo particolare attenzione agli effetti della presenza di impianti di generazione distribuita sulle correnti di cortocircuito e sul coordinamento delle protezioni.
L'attività riguarda inoltre l'analisi di impianti di produzione idroelettrici costituiti da diversi gruppi di piccola taglia (decine di kW) che prevedono la sistemazione di questi gruppi nella parte terminale di pozzi per il ripristino del livello della falda freatica, in sostituzione dei più comuni dissipatori. Ogni gruppo è costituito da un'elettropompa utilizzata come turbina non regolata. In [9] sono presentati i criteri per la scelta delle macchine e un modello dinamico utile per la simulazione del comportamento dell'insieme dei gruppi in occasione dei più gravi eventi di distacco dalla rete e cortocircuito.
 

L’inquinamento prodotto dalle centrali termoelettriche è stato oggetto di un intervento del prof. Zanobetti alla giornata di studio ‘Sicurezza e impatto ambientale nella produzione di energia’ presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Bologna, il 17 dicembre 1986 [11].