le turbine a gas, le turbine a vapore

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



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).



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.



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



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.



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.



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


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



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


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



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



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.


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.



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


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:



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.



.

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.




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.



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.



Il livello globale di rumorosit, misurato alle bocche non silenziate, sostanzialmente elevato

e dovuto prevalentemente alla presenza del ventilatore e relativa ventilazione camera anelli.


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.



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.

le turbine a gas, le turbine a vapore

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