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Il Rumore delle Centrali di Produzione Energia; aspetti normativi, giuridici e progettuali Titolo: Le turbine a gas, le turbine a vapore e gli alternatori Ottobre 2006
Autore: ing. Massimo Sorlino pag. 1
LE TURBINE A GAS, LE TURBINE A VAPORE
E GLI ALTERNATORI
Ing. Massimo Sorlino Ansaldo Energia
1. Introduzione
La costruzione di nuovi impianti per la produzione di energia, almeno nei paesi dellEuropa
Occidentale, sempre pi rivolta verso impianti ad alta efficienza e di basso impatto
ambientale .
In questottica sta prendendo sempre pi piede lutilizzo di cicli combinati i quali, mettendo
assieme turbina a gas e turbina a vapore, attraverso lutilizzo di una caldaia a recupero dei
fumi caldi della turbina a gas, consentono di ottenere impianti con rendimento netto fino al
56% , contro il 40% medio di cicli termici convenzionali.
Se a questo si associano ulteriori sistemi di recupero calore quali il teleriscaldamento, si arriva
allo sfruttamento massimo che il potere calorifico del combustibile possiede, compatibilmente
con i vincoli del ciclo termodinamico.
Gli impianti a ciclo combinato sono caratterizzati da estrema compattezza rispetto ai
corrispettivi cicli termici convenzionali, ovviamente a parit di potenza e tipo di
condensazione. Questo in quanto la percentuale di energia prodotta attraverso lespansione del
vapore circa la met rispetto a quella generata dalla combustione diretta nel turbogas.
Questo fatto rappresenta per uno svantaggio in termini di rumorosit, dovuto alla presenza
nel ciclo di componenti estremamente rumorosi per caratteristiche intrinseche
(particolarmente la turbina a gas), che finiscono per trovarsi in posizione molto vicina al
perimetro dimpianto e necessitano pertanto di trattamenti di attenuazione acustica importanti.
2. La produzione Ansaldo Energia
Ansaldo Energia unazienda storica del panorama industriale italiano, sorta e sviluppatasi
alla fine del XIX secolo e che, nellambito della produzione di energia, ha installato un totale
di 160.000 MW in oltre 75 paesi del mondo.
Ansaldo Energia attualmente strutturata con sede e stabilimento a Genova: in grado di
progettare fornire ed installare lintera casistica di impianti di produzione energia (idraulici,
geotermici, nucleari, cogenerativi e convenzionali).
La produzione di componenti per la generazione di energia, allinterno della propria officina,
costituita da:
turbine a gas, nella gamma da 60 a 270 MW
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turbine a vapore, nella gamma da 50 MW fino a 700 MW
alternatori, nella gamma da 50 MW fino a 700 MW
3. La turbina a gas
3.1 Descrizione generale
La caratteristica principale di questa macchina quella di consentire al suo interno,
analogamente ai motori a combustione interna, la conversione diretta dellenergia termica,
contenuta nel combustibile in energia meccanica.
I motori a combustione interna utilizzati per la produzione di energia sono di tipo alternativo
ed hanno, pertanto, una intrinseca limitazione di potenza dovuta sia alla limitata portata di
miscela combustibile-comburente che possono immettere in camera di combustione anche se
sovralimentati con compressore, sia alle masse dei pistoni in movimento allinterno dei
cilindri.
Le turbine a gas invece comprimono laria comburente con un compressore assiale calettato
direttamente sullalbero su cui si trova la turbina dove avviene lespansione dei gas caldi: ci
comporta portate daria in camera di combustione decisamente pi elevate (fino a 650 kg/s di
aria)
Nella figura di seguito riportata si pu vedere lo spaccato di una turbina a gas da 270 MW di
produzione Ansaldo Energia (mod. V94.3A2).
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Laria comburente viene aspirata dal compressore attraverso una camera filtrante posta
allesterno, nella quale una successione di filtri ad efficienza crescente rimuove dallaria
polveri e particolato che, diversamente, danneggerebbero le palette della turbina.
Attraverso un condotto metallico laria giunge alla bocca daspirazione del compressore, dove si
trovano le serrande regolanti per la parzializzazione della portata daria ai carichi intermedi.
Laria quindi viene compressa allinterno dei 15 stadi del compressore fino a raggiungere i 17
bar allingresso della camera di combustione.
Qui, da una serie di bruciatori collocati intorno alla superficie della camera di combustione,
viene iniettato il gas naturale o il gasolio.
Lenergia termica contenuta nella miscela aria- combustibile viene convertita in energia
meccanica attraverso lespansione dei gas caldi generati dalla combustione attraverso le
palette dei quattro stadi della turbina. I gas lasciano lultimo stadio della turbina ad una
temperatura di ca. 580 C, non essendo conveniente, per ragioni termodinamiche, convertire
ulteriormente in energia meccanica lenergia termica ancora posseduta dai fumi.
Il recupero dellenergia termica di questi gas che, con la sola turbina a gas, andrebbe perso in
atmosfera, alla base degli impianti a ciclo combinato in cui, attraverso lo scambio termico
con acqua allinterno di una caldaia a recupero, viene prodotto vapore che evolve in un ciclo
Rankine con turbina a vapore, con un recupero di energia superiore al 30% sulle turbine di
potenzialit maggiore.
In questo modo viene convertito in energia il calore residuo dei fumi, portando la temperatura
da 580C fino a 95C alluscita della caldaia a recupero.
3.2 Sorgenti di rumore
La turbina a gas caratterizzata a quattro sorgenti di rumore ben distinte, due delle quali di
elevata intensit:
a) aspirazione compressore b) scarico turbina c) superficie esterna turbina a gas. d) sistemi ausiliari
Nelle prime due sorgenti il rumore si propaga allinterno di condotti metallici mentre nelle
seconde due il rumore si propaga direttamente in ambiente.
a) Aspirazione compressore
Di seguito riportato lo spettro della potenza sonora, in banda dottava, allaspirazione di un
compressore di una turbina a gas mod. V94.3A2, da 270 MW
Hz 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 A
dB 125 120 125 130 152 147 140 135 154
Come si pu vedere, la rumorosit incentrata su frequenze medio-alte, particolarmente tra
1000 e 4000 Hz.
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Questo rumore generato dallo sbattimento delle aria, che si trova a velocit estremamente
elevate allaspirazione, sulle palette dei vari stadi del compressore. La forma dello spettro
acustico legato al numero di giri della macchina ed al numero di palette dello stadio di
compressione. Questa rumorosit si propaga verso lesterno attraverso due percorsi:
uno attraverso il condotto di aspirazione aria, attraverso la camera filtri, fino allesterno.
Laltro attraverso la parete stessa del condotto di aspirazione che, generalmente, si trova
quasi completamente allinterno delledificio che racchiude la macchina.
b) Scarico turbina
Di seguito riportato lo spettro della potenza sonora, in banda dottava, allo scarico di una
turbina a gas mod. V94.3A2.
Hz 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 A
dB 145 140 135 140 143 152 143 135 154
Questo rumore generato dalla forte espansione della miscela aria-combustibile, una volta
infiammata allinterno della camera di combustione, che viene scaricata in maniera
estremamente turbolenta ed ad altissima velocit (ca. 200 m/s) allinterno del diffusore di
scarico.
Anche qui la trasmissione del rumore avviene in due direzioni: una verso il camino (o la
caldaia a recupero nel caso di cicli combinati) ed una attraverso le pareti del diffusore
c) Superficie esterna turbina a gas
Di seguito riportato lo spettro in banda dottava della rumorosit, espresso come pressione
sonora Lp, in campo libero, emessa dalla superficie laterale di una turbina a gas mod.
V94.3A2.
Hz 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 A
dB 95 95 95 81 80 89 92 80 95,1
Questo valore una misura media attorno alla macchina. Infatti ci sono diverse disomogeneit
superficiali che fanno s che il rumore vari, in intensit e frequenza, da punto a punto.
Per esempio la zona intorno al compressore non coibentata termicamente per cui qui
predominano le alte frequenze mentre la coibentazione termica , dalla camera di combustione
in poi fa s che le frequenze pi elevate vengano parzialmente attenuate.
d) Sistemi ausiliari
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Alcuni sistemi ausiliari necessari al corretto funzionamento della turbina e posti accanto ad
essa, fuori comunque dalleventuale cabinato, possono essere sorgenti locali di rumore.
Essi sono:
skid di regolazione portata gas
cassa olio e pompe di lubrificazione
skid di pressurizzazione valvole ad azionamento idraulico
Il primo di questi risulta decisamente il pi rumoroso, caratterizzato da un sibilo con valori
superiori a 90 dB(A) ad 1 m., dovuto alla laminazione del gas allinterno delle valvole di
regolazione di portata. Tale rumore si propaga anche alle tubazioni gas poste a valle.
La rumorosit degli altri due skids risulta generalmente pi bassa e non supera gli 85 dB(A)
ad 1 m. Il rumore generato dalle pompe di circolazione dellolio lubrificante e di
pressurizzazione del circuito olio idraulico.
3.3 Interventi di attenuazione acustica
Gli interventi di attenuazione acustica riguardano sia direttamente la turbina a gas sia
componenti accessori ad essa strettamente legati. Questi interventi sono finalizzati ad ottenere
il raggiungimento di una rumorosit residua intorno alla macchina pari al requisito
contrattuale richiesto ed, in linea di massima, sono applicabili a tutte le taglie di turbine a gas
di produzione Ansaldo Energia.
a) Aspirazione compressione
Lattenuazione verso la camera filtri e la presa daria esterna ottenuta mediante
linstallazione di un silenziatore ad assorbimento, a setti paralleli, normalmente posto tra il
filtro finale e la curva verticale del condotto. La lunghezza ed il passo dei setti paralleli
funzione dellintensit del rumore da attenuare e del suo spettro in frequenza, la sezione
trasversa del silenziatore invece funzione della perdita di carico.
Il valore di rumorosit richiesto alla bocca di aspirazione varia normalmente tra 85 ed 80
dB(A) ad 1m.
Valori inferiori ad 80 dB(A) ad 1 m non vengono perseguiti direttamente attraverso
silenziamento del condotto, per non penalizzare le prestazioni di potenza della turbina a gas.
Particolare attenzione va posta nel trattare la zona allesterno del condotto daspirazione, tra
silenziatore ed aspirazione compressore, a causa dellelevata rumorosit esistente allinterno
del condotto che deve essere attenuata dalle pareti del condotto.
Il condotto daspirazione pertanto realizzato sovrapponendo una serie di materiali isolanti a
diversa densit al di sopra del condotto metallico interno. Per ovvi motivi funzionali e di
sicurezza per la turbina a gas, la coibentazione acustica pu essere installata solamente
allesterno della superficie del condotto daspirazione.
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La criticit concentrata particolarmente nella zona di fuoriuscita dellalbero della turbina a
gas verso il generatore dove, a causa dellesistenza di diverse penetrazioni di tubi di
lubrificazione, la realizzazione della tenuta al rumore diventa un aspetto particolarmente
delicato.
b) Scarico turbina a gas
La necessit di un silenziatore caldo, ti tipo assorbitivo a setti paralleli, normalmente
richiesto solo nel caso venga effettuato lo scarico diretto in atmosfera dei fumi (turbine a gas
senza caldaia a recupero o camini di by-pass).
Questi silenziatori sono particolarmente critici a causa delle elevate temperature e velocit dei
gas caldi. Lelevata turbolenza pu infatti causare seri danneggiamenti ai materiali
fonoassorbenti inseriti allinterno dei setti silenzianti.
Anche allo scarico, come allaspirazione, un valore elevato di perdita di carico pregiudica le
prestazioni di potenza della turbina a gas
Il raggiungimento dei valori obiettivo di rumorosit quindi ottenuto agendo sullaltezza del
camino laddove non sia pi possibile agire sul dimensionamento del silenziatore
Nel caso di esistenza di caldaia a recupero, soltanto nel caso di requisiti acustici
particolarmente stringenti necessario installare un silenziatore freddo, nel camino di scarico
della caldaia a recupero.
Problemi di attenuazione acustica si possono riscontrare sulla superficie esterna del diffusore
di scarico della turbina a gas, nel caso di rispetto di limiti di rumorosit particolarmente
stringenti, al di sotto di 85 dB(A) ad 1 m, ed in funzione della taglia della turbina a gas.
In questo caso lunico intervento possibile mediante linstallazione di barriere acustiche o
cabinati insonorizzanti, non essendo possibile intervenire con laumento della coibentazione
termo-acustica superficiale.
Lispessimento dellisolamento comporterebbe infatti un minore smaltimento del calore da
parte della superficie del condotto e, conseguentemente, lincremento della temperatura
superficiale a contatto dei gas caldi provocando quindi, problemi di tenuta delle giunzioni
delle lamiere costituenti il condotto.
c) Superficie esterna turbina a gas
E ormai consuetudine, per esigenze di sicurezza e di protezione antincendio, collocare la
turbina a gas allinterno di un cabinato. Questo cabinato, oltre a consentire levacuazione
verso zona sicura di qualsiasi fuga di combustibile a bordo macchina ed a garantire la
compartimentazione antincendio necessaria per leventuale scarica di gas di spegnimento in
caso di incendio, svolge anche una funzione di isolamento acustico.
Le caratteristiche dei materiali utilizzati (pannelli di cladding di ca. 80 mm di spessore) sono
tali da garantire contemporaneamente lattenuazione acustica e la resistenza al fuoco,
necessari a soddisfare il requisito di compartimentazione acustica ed antincendio.
Poich la superficie della turbina a gas dissipa una notevole quantit di calore (nel caso di
turbogas mod. V94.3A2 ca. 250 KW) necessario dotare il cabinato di aperture per lingresso
dellaria di raffreddamento.
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Il cabinato viene infatti mantenuto in depressione, particolarmente se collocato allinterno di
edificio, per ragioni di sicurezza, onde evitare la propagazione di eventuali fughe di gas
allesterno.
Laria estratta mediante ventilatori con silenziatore dotati sempre di unit di riserva e viene
normalmente risucchiata allinterno mediante aperture laterali, dotate di serrande tagliafuoco,
controllate dal sistema antincendio, ed equipaggiate di silenziatore a setti paralleli, per la
necessaria attenuazione acustica
d) Sistemi ausiliari
Lo skid delle valvole del gas sempre posto allinterno di un cabinato che svolge la doppia
funzione di compartimentazione acustica e di sicurezza. Questo cabinato, dotato di aperture
per lingresso aria silenziate , analogamente a quello della turbina, dotato di ventilazione
ridondata per lestrazione dellaria, e di eventuali fughe di gas, direttamente allesterno
delledificio.
Le tubazioni di adduzione del gas sono invece rivestite di coibente acustico, costituito da lana
di roccia ad alta densit e lamina di piombo.
Nessun intervento particolare invece previsto sugli altri componenti, considerato il
relativamente basso impatto acustico e la dimensione della sorgente.
4. La turbina a vapore
4.1 Descrizione generale
La turbina a vapore converte in energia meccanica lespansione del vapore generato
allinterno della caldaia, sia essa a recupero, nel caso dei cicli combinati, sia con combustione,
nel caso di cicli convenzionali.
La configurazione costruttiva della turbina a vapore funzione delle caratteristiche
termodinamiche e della portata del vapore proveniente dalla caldaia: Per questa ragione le
turbina a vapore possono essere a doppio o semplice flusso, ad uno due o tre corpi, con
sezione di risurriscaldamento (RH). La posizione dello scarico (assiale, laterale, verticale)
invece funzione della posizione del condensatore
Di seguito riportato lo sketch in sezione di una turbina a vapore a due corpi a semplice
flusso, da 150 MW, mod. MT15C normalmente utilizzata sui cicli combinati associati con la
turbina a gas mod. V94.3A2
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Nella turbina il vapore evolve da una pressione che pu arrivare a 130 bar, nel caso di cicli
combinati, fino a 300 bar in caldaie convenzionali di tipo supercritico.
La pressione di scarico inferiore a quella atmosferica ed funzione del tipo di fluido
raffreddante utilizzato nel condensatore (si va da 30 mbar assoluti per la condensazione con
acqua a 100 mbar con condensazione con aria.).
Lammissione e la portata di vapore entrante in turbina viene controllata mediante opportune
valvole di stop e regolazione montate a bordo macchina. Alluscita del corpo ad alta pressione
il vapore viene reimmesso in caldaia e quindi inviato al corpo di media e, da questo, a quello
di bassa pressione.
Nel caso di brusche variazioni di carico o in avviamento la portata di vapore, che non pu
essere assorbita dalla turbina, viene scaricata direttamente al condensatore attraverso
opportune valvole di by-pass che agiscono come organi di laminazione della pressione del
vapore
4.2 Sorgenti di rumore
La generazione di rumore nella turbina a vapore dovuta alla forte variazione di pressione del
vapore evolvente e si ripercuote sia allo scarico verso il condensatore, sia sulla superficie
esterna delle casse dei vari corpi.
Il rumore allo scarico si propaga allinterno del condotto di collegamento al condensatore ed,
attraverso le pareti di questo, verso lesterno. Il rumore emesso dal corpo della turbina a
vapore si propaga direttamente nellambiente attraverso la superficie della macchina ed alcuni
componenti montati sulla stessa (tipicamente valvole e pompa di lubrificazione).
C infine da considerare il rumore generato dalle tubazioni del vapore che collegano caldaia
e turbina a vapore
a) Scarico al condensatore
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Di seguito riportato lo spettro della potenza sonora, in banda dottava, allo scarico di una
turbina a vapore mod. MT15C, utilizzata su cicli combinati.
Hz 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 A
dB 138 136 133 133 131 131 136 129 140
Lelevata rumorosit generata dalla forte espansione di volume che il vapore subisce
alluscita dellultimo stadio di bassa pressione verso il condensatore.
La velocit del vapore passa infatti da 100 m/s alla velocit 0 nel momento in cui condensa in
acqua.
Questa rumorosit si propaga allesterno attraverso il giunto tra scarico turbina e condensatore
e, nel caso particolare di condensatori ad aria, caratterizzati da un lungo condotto per
convogliare il vapore al condensatore collocato allesterno di sala macchine, dal collettore
principale del vapore.
b) Corpo turbina
Di seguito riportato lo spettro della pressione sonora Lp, in banda dottava, di una turbina a
gas mod MT15C, misurato, sulla prima riga, ad 1 m dal corpo di alta pressione e, sulla
seconda riga, ad 1 m da quello di bassa pressione.
Hz 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 A
dB 62 71 72 78 76 76 75 73 84
dB 65 75 78 83 81 81 79 80 88
Questo rumore generato dalle variazioni di pressione del vapore tra gli stadi che
compongono ogni corpo. La rumorosit accentuata sul corpo di bassa pressione in quanto, a
causa delle caratteristiche termodinamiche del vapore evolvente, non c la necessit di
installare una coibentazione termica sulla superficie della cassa. I corpi di alta e media
pressione sono infatti sempre dotati di coibentazione termica che svolge anche la funzione di
attenuazione acustica. Inoltre lo spessore della cassa in queste zone pi elevato del corpo di
bassa dove, invece, e' richiesta la resistenza a depressione, essendo la pressione relativa del
vapore inferiore a quella atmosferica : conseguentemente, anche gli spessori in gioco risultano
inferiori.
Unaltra zona di fuga di rumore sono i punti di uscita dellalbero dalle casse della turbina
causata dalla necessita' di lasciare scoperti i circuiti di lubrificazione per consentirne
lispezione.
Infine il rumore pu esssere generato dalla pompa di lubrificazione calettata allestremit
dellalbero della turbina, dal lato del corpo di alta pressione, se non adeguatamente coibentata.
c) Tubazioni vapore
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La caratteristica di emissione acustica delle tubazioni del vapore un sibilo ad alta frequenza,
superiore ai 2000 Hz., ed dovuta alla turbolenza generata allinterno del flusso di vapore,
che viaggia a velocit superiori ai 30 m/s, da discontinuit quali valvole, fittings tubazioni etc.
Analoghi fenomeni si verificano sulle tubazioni di drenaggio della turbina e del ciclo termico
in fase di avviamento e fermata della turbina a vapore, quando vengono aperte le valvole su
queste tubazioni, e sono generati dalla rapida espansione del vapore alla pressione
atmosferica.
4.3 Interventi di attenuazione acustica
Di seguito riportato la sintesi dei pi consueti interventi correttivi sullemissione acustica
delle turbine a vapore e dei componenti ad esse direttamente collegati.
a) Scarico al condensatore
Normalmente la limitata lunghezza del collegamento turbina-condensatore, nel caso di
condensatore ad acqua, e lo spessore di parete dello stesso tale da non comportare particolari
problemi a rispettare valori medi di 85 dB(A) ad 1m. dalla superficie. Da questo punto di vista
il punto pi critico rappresentato dal giunto di collegamento tra turbina e condensatore in
quanto, necessariamente, deve essere realizzato in materiale flessibile.
Se necessario la soluzione da adottare rappresentata dallinstallazione di uno scatolato in
materiale fonoisolante attorno al giunto.
Maggiori problemi si riscontrano nel caso di condensatore ad aria in quanto il collettore del
vapore pu essere lungo diverse decine di metri. In questo caso necessario dimensionare
opportunamente lo spessore di questo collettore in quanto leventuale aggiunta di
coibentazione acustica, oltre che estremamente costosa, comporterebbe una diminuita capacit
di scambio termico della superficie , quindi un sovraccarico termico sul condensatore vero e
proprio.
I problemi acustici al condensatore sono accentuati in fase di avviamento e fermata, con
lintervento delle valvole di by-pass del vapore, quando il vapore ad alta pressione deve essere
scaricato direttamente dalla caldaia al condensatore.
b) Corpo della turbina
Lutilizzo di cabinati acustici intorno alla turbina a vapore per mitigarne il rumore, salvo
particolari requisiti contrattuali, viene utilizzata qualora venga richiesta una rumorosit ad 1 m
inferiore ad 85 dB(A).
Il ricoprimento con coibentazione termica dei corpi di alta e media pressione fa s che,
mediamente, intorno alla intera turbina, possa essere garantito il rispetto degli 85 dB(A) ad
1m compensando quindi un certo sforamento dei limiti intorno al corpo di bassa pressione.
Particolari accorgimenti acustici devono per essere adottati sulle valvole di blocco e
regolazione a bordo macchina e sui giunti dellalbero turbina tra i vari corpi.
Nel primo caso pu essere necessario installare scatolati acustici attorno ai corpi valvola, con
particolare attenzione al disco dal quale fuoriesce lalbero di attuazione dellotturatore.
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Nel secondo caso pu essere necessario installare barriere acustiche in corrispondenza dei
giunti, con porte daccesso per consentire lispezione e leventuale manutenzione dei
cuscinetti.
Nel caso di elevata rumorosit della pompa di lubrificazione puo' essere installato un piccolo
cabinato intorno al banchetto del cuscinetto oppure installata coibentazione acustica.
c) Tubazioni vapore
Linstallazione della normale coibentazione termica sulle tubazioni vapore, ai vari livelli di
pressione, normalmente sufficiente a garantire unadeguata attenuazione acustica.
Le tubazioni di drenaggio di alta e media pressione hanno invece bisogno di uno specifico
trattamento acustico, non essendo normalmente previsto alcun trattamento superficiale se non
per protezione personale.
Queste tubazioni, cos come il collettore di raccolta e lo scarico allatmosfera del vapore,
risultano estremamente rumorosi in fase di avviamento, con rumorosit fino a 100 dB(A) ed
oltre, quando tutte le valvole risultano aperte.
Pertanto e' necessario installare su queste tubazioni drenaggi (particolarmente alta e media
pressione) coppelle di lana di roccia ad alta densit con lamina di piombo. Analogo
trattamento deve essere fatto sul tubo di sfiato vapore con laggiunta di un silenziatore
assorbitivo a setti paralleli sullo sfiato del vapore.
5. Lalternatore
5.1 Descrizione generale
Lalternatore accoppiato a turbina a gas o a vapore del tipo sincrono con rotore a 2 o 4 poli
lisci e con avvolgimento statore di tipo trifase, usualmente denominato turboalternatore.
Per la frequenza di 50 Hz ha velocit di rotazione di 3000 o 1500 r.p.m. (2 o 4 poli);
per la frequenza di 60 Hz ha velocit di rotazione di 3600 o 1800 r.p.m. (2 o 4 poli);
secondo lequazione: 60 x F = p x n ; dove F la frequenza espressa in Hz, p il numero di
coppie polari ed n il numero di giri al minuto.
Il turboalternatore una macchina che trasforma la potenza meccanica fornita dal motore
primo, in termini di coppia e velocit angolare, in potenza elettrica disponibile ai terminali di
statore, in termini di tensione e corrente circolante su un carico isolato o verso la rete.
Genericamente possibile suddividere il turboalternatore nelle seguenti parti principali.
Parti strutturali costituite da: la carcassa, in lamiera saldata, che ha lo scopo di sostenere lo statore e contenere il flusso
del gas di raffreddamento;
i supporti, che hanno lo scopo di sostenere il rotore.
Parti attive costituite da:
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lo statore, a sua volta formato da lamierino magnetico punzonato nel quale alloggiato
lavvolgimento statorico trifase (indotto);
il rotore, a sua volta costituito da un fucinato lavorato nel quale alloggiato
lavvolgimento rotorico di campo (induttore).
Accessori: ovviamente sono previsti anche dispositivi accessori per la ventilazione ed il
raffreddamento oltre a necessari impianti ausiliari quali il sistema di eccitazione, acqua di
raffreddamento, ecc.
Il funzionamento della macchina, con lo scopo di trasformare la potenza meccanica in potenza
elettrica, si basa fondamentalmente sullinterazione magnetica risultante dalle componenti di
campo:
quello prodotto dallavvolgimento induttore percorso da corrente continua, campo rotante per
effetto della rotazione del rotore;
quello prodotto dallavvolgimento di indotto, statorico trifase, percorso da tre correnti, campo
rotante ottenuto dalleffetto combinato delle tre correnti alternate e sfasate tra loro.
Le correnti statoriche sono dovute alla presenza del carico al quale applicata la tensione
statorica, indotta dal campo magnetico rotorico mentre la corrente continua fornita
allavvolgimento rotore da un sistema di eccitazione esterno.
Le due componenti di campo sopra citate ruotano alla stessa velocit (sincrona) sfasate di un
angolo proporzionale al valore di coppia trasmesso.
Le forze magnetiche risultanti dallinterazione dei campi rotanti originano la coppia
elettromagnetica che, in funzionamento di generazione di energia, rappresenta la coppia
resistente al motore primo.
I turboalternatori per questo tipo di applicazioni sono macchine con rendimento dellordine
del 98%, per le quali possibile schematizzare il seguente bilancio energetico: Pm = Pe + Pp dove
Pm la potenza meccanica in entrata allasse
Pe la potenza elettrica in uscita dai terminali di statore
Pp la potenza perduta dalla macchina.
Tali perdite costituiscono, come ordine di grandezza il 2% della potenza meccanica in entrata,
e possono essere suddivise in:
perdite negli avvolgimenti (statore e rotore) per effetto Joule;
perdite addizionali (causate da flussi di dispersione); perdite nel pacco magnetico statore per isteresi e per correnti parassite
(pacco suddiviso in lamierini di minimo spessore, 0.5 mm, per limitare tali perdite);
perdite per attrito e ventilazione; perdite nei supporti.
Con lesclusione delle perdite nei supporti, asportate tramite lolio di lubrificazione, le
rimanenti perdite sono asportate dal fluido di raffreddamento primario (aria o idrogeno), a sua
volta raffreddato dal fluido di raffreddamento secondario (acqua di raffreddamento in appositi
scambiatori); una minima parte delle perdite smaltita inoltre dalle superfici radianti di
macchina.
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I turboalternatori si differenziano principalmente per il fluido primario di raffreddamento, in
relazione alla potenza di macchina:
Raffreddamento con aria, per potenze fino a 300 MVA (250 MW circa)
Raffreddamento con idrogeno per potenze fino a 600 MVA (500 MW circa).
Per potenze superiori sono utilizzabili turboalternatori con sistemi di raffreddamento pi
sofisticati ed efficaci come ad esempio il sistema di raffreddamento diretto dellavvolgimento
statore con acqua deionizzata.
Nel raffreddamento a gas (aria o idrogeno) il flusso del refrigerante assicurato da due
ventilatori calettati alle estremit dellalbero. Il gas riscaldato nel passaggio attraverso rotore e
e statore, viene raffreddato attraverso scambiatori, nei quali il calore ceduto allacqua di
raffreddamento.
Di seguito sono riportate le sezioni di due alternatori tipo WY23Z da 300 MVA, in aria, e
THR-L da 500 MVA in idrogeno, entrambi utilizzati nei cicli combinati di fornitura Ansaldo
Energia, in relazione al tipo di turbina impiegato ed alla configurazione di impianto scelta.
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5.2 Sorgenti di rumore
La generazione di rumore proveniente dal turboalternatore ha le seguenti cause principali,
caratterizzate da un peculiare spettro di emissione acustica:
- vibrazioni innescate dalle parti rotanti, alla base di emissione acustica alla frequenza
nominale (50 Hz);
- vibrazioni provocate dalle forze elettromagnetiche, con emissione nello spettro di frequenza doppia del nominale (100 Hz);
- emissione sonora provocata dai ventilatori a frequenza (dipendente dal numero di pale e velocit) dellordine del kHz e superiori;
- emissione sonora provocata dal passaggio del gas nelle varie zone di macchina e condotti.
Una seconda zona di emissione acustica, presente sulle macchine con eccitazione statica,
situata in corrispondenza della camera anelli, dove la corrente continua fornita dal sistema di
eccitazione statico, addotta allavvolgimento rotore. Anche in questo caso la rumorosit
causata principalmente dal ventilatore localizzato nella camera anelli stessa.
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a) Corpo dellalternatore
Di seguito riportato lo spettro di emissione sonora ad 1 m dalla cassa (pressione sonora Lp),
di un alternatore in aria tipo WY23Z, da 300 MVA
Hz 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 A
dB 105 116 101 100 99 97 90 83 105
Il corrispondente spettro di un alternatore in idrogeno tipo THR-L, da 500 MVA il seguente
Hz 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 A
dB 98 105 85 84 78 77 73 69 88
Come si pu vedere dal raffronto degli spettri, gli alternatori in idrogeno sono generalmente
pi silenziosi rispetto a quelli in aria.
Gli spessori delle lamiere carcassa e le soluzioni costruttive adottate comportano una
maggiore rigidezza e, conseguentemente, una maggiore attenuazione nella trasmissione del
rumore interno.
La caratteristica peculiare degli spettri sonori degli alternatori, ovvero le frequenze a 50 e 100
Hz, sono dovute alle vibrazioni dei lamierini costituenti lo statore, generati dalle variazioni di
campo magnetico a cui vengono sottoposti (frequenza doppia).
La rumorosit dovuta alla ventilazione interna non solo generata dalla rotazione dei
ventilatori di raffreddamento (alte frequenze) ma anche dalla turbolenza del flusso del gas,
dovuta allattrito con laria del rotore, posto a distanza molto ravvicinata rispetto allo statore.
Inoltre la superficie del rotore dotata di cavit per la circolazione del gas di raffreddamento
per cui, durante la rotazione, si crea il tipico effetto sirena.
b) Camera anelli
La camera anelli presente su entrambe le tipologie di alternatori (in aria o in idrogeno), se
dotati di eccitazione statica.
Lo spettro sonoro sotto riportato si riferisce ai valori misurati, senza silenziamento,
allingresso ed allo sbocco delle aperture di ventilazione di una camera anelli per un
alternatore tipo WY23-Z
Hz 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 A
dB 105 107 107 104 105 100 97 92 109
Come si pu notare, lo spettro pi uniforme in quanto sono assenti gli effetti magnetici.
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Il livello globale di rumorosit, misurato alle bocche non silenziate, sostanzialmente elevato
e dovuto prevalentemente alla presenza del ventilatore e relativa ventilazione camera anelli.
5.3 Interventi di attenuazione acustica
Di seguito sono riportate le descrizioni degli interventi normalmente posti in atto per
ricondurre la rumorosit in ambiente, intorno allalternatore, entro i valori richiesti.
a) Corpo dellalternatore raffreddato in aria.
Considerati i valori di rumorosit riportati al paragrafo precedente, giocoforza collocare
questi alternatori allinterno di cabinati acustici, che svolgono anche una funzione di
compartimentazione antincendio e, laddove prevista, consentono la scarica di gas di
spegnimento in caso dincendio.
I cabinati acustici sono inoltre dotati di sistemi di ventilazione, a tuttaria esterna, per
rimuovere il calore irradiato attraverso la cassa dellalternatore. Il sistema di ventilazione
prevede la filtrazione dellaria immessa, la quale viene espulsa per sovrapressione.
Ovviamente, tutte le aperture di ingresso ed uscita aria, devono essere dotate di silenziatore,
normalmente di tipo a setti paralleli.
In particolari configurazioni impiantistiche, nel caso di alternatori accoppiati a turbine a
vapore a scarico verticale, in cui il basamento dellalternatore si sviluppa al di sotto del piano
di governo, diventano molto critiche, dal punto di vista acustico, le tamponature attorno alle
aperture nel calcestruzzo, che consentono la smontabilit dello scambiatore di raffreddamento
e lingresso delle tubazioni dellacqua. Si installano pertanto opportune cuffie acustiche
attorno a queste penetrazioni oppure, nel caso di limiti di rumorosit al di sotto di 85 dB(A),
pu essere necessario realizzare una precamera di contenimento acustico attorno al basamento
stesso.
b) Corpo dellalternatore raffreddato in idrogeno
Le problematiche di sicurezza nellutilizzo di un gas altamente infiammabile come lidrogeno
condizionano pesantemente gli interventi di attenuazione acustica su questa tipologia di
alternatori.
Fortunatamente, la minore emissione sonora causata dalla maggiore solidit della cassa
richiede interventi di isolamento acustico meno spinti.
Spesso gli alternatori in idrogeno sono installati senza alcun dispositivo di contenimento
acustico, per evitare ristagni di gas nel caso di perdite didrogeno.
Nel caso di requisiti stringenti sulla rumorosit in ambiente, la soluzione pi adatta e
rispettosa dei requisiti di sicurezza quella di realizzare barriere acustiche intorno alla
macchina, installando eventualmente pannelli verticali paralleli al di sopra, in modo da
attenuare la propagazione del rumore verso lalto, consentendo comunque la ventilazione
degli spazi allinterno mediante circolazione dellaria. Laria viene immessa allinterno delle
pareti in parte attraverso le fessure esistenti tra la cassa dellalternatore e la soletta su cui lo
stesso poggia, in parte attraverso aperture silenziate poste alla base delle pareti schermanti.
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Il basamento di questi alternatori risente, anche se in misura molto ridotta, dei problemi di
rumorosit degli alternatori in aria. Le eventuali tamponature acustiche non possono essere,
anche in questo caso, a tenuta, per la necessit di garantire comunque una circolazione daria,
necessaria per diluire eventuali fughe didrogeno.
Per rispettare i requisiti di sicurezza, richiesti dalla normativa antincendio, vengono installati
ventilatori con canalizzazione per immettere aria forzata allinterno del basamento e realizzare
la necessaria diluizione in caso di fughe di gas.
c) Camera anelli
Nel caso di alternatore in aria, la camera anelli posta allinterno del cabinato in cui
collocato lalternatore e quindi non richiede un trattamento acustico specifico.
La portata del gas di raffreddamento camera anelli prelevata direttamente allinterno del
cabinato stesso, dallaria di ventilazione di questultimo ed espulsa allesterno attraverso
condotti dotati di silenziatore assorbitivo a setti paralleli.
Nel caso di alternatore in idrogeno, la camera ad anelli deve invece essere realizzata in modo
da attenuare la propagazione del rumore interno.
Sia le aperture per lingresso aria, sia quelle di espulsione sono dotate di silenziatori.