Notizie 2007

Monaco, 27 Febbraio 2007

Alta pressione - un elemento chiave negli impianti idroelettrici di potenza

Parlando in generale è abbastanza comprensibile porsi la seguente domanda: "Per cosa viene usata l'alta pressione in tali impianti idroelettrici?" Normalmente tutti sanno che in questo tipo di impianti l'energia elettrica è generata dall'acqua per mezzo di turbogeneratori e l'olio idraulico viene usato per il sistema di controllo di queste apparecchiature. Il seguente articolo aiuterà a spiegare a quei lettori tecnicamente interessati perchè ed in quale modo l'alta pressione viene usata.

La BAUER KOMPRESSOREN GmbH, conosciuta in tutto il mondo da oltre 50 anni quale leader nel campo della tecnologia dei sistemi alta pressione per aria e gas rari, e leader mondiale di mercato nel settore della subacquea e dell'aria respirabile industriale, ha prodotto e consegnato per decenni unità di compressione affidabili e personalizzate alla Voith AG. Queste unità sono impiegate esclusivamente negli impianti idroelettrici di potenza.

Storia - chi è Voith?

Quando nel 1867 la Società J.M. Voith è stata fondata, la produzione comprendeva le apparecchiature per la produzione della carta e relative tecnologie del materiale. Con il passare degli anni la produzione venne allargata fino a comprendere i settori dell'energia idraulica e meccanica, sistemi di trasmissione idrodinamica e sistemi di frenatura. Ed è in questi settori che la Voith si è guadagnata una reputazione a livello mondiale.

Tutto cominciò in un piccolo locale di Württemberg quando nel 1825 J.M. Voith rilevò il laboratorio di suo padre con 5 dipendenti a Heidenheim. Il quartier generale del gruppo Voith si trova ancor oggi a Heidenheim.

La holding Voith AG comprende principalmente tre divisioni: Voith Paper Technology, Voith Turbo e Voith Siemens Hydro Power Generation. Il gruppo in totale impiega oltre 24.000 dipendenti nel mondo, di cui circa 2.400 sono quelli che lavorano alla Voith Siemens Hydro. Nel 2002 questa divisione ha ricevuto ordini che hanno raggiunto 652 Milioni di €.

Il serbatoio dell'aria

Gli impianti idroelettrici di potenza usano vari tipi di turbine in funzione delle prestazioni e dell'altezza della cascata:

• Turbine Pelton
• Turbine ad acqua Francis e Kaplan e turbopompe

Per poter regolare la potenza generata dalle turbine e dal generatore in funzione delle variazioni delle condizioni di flusso dell'acqua, è necessario effettuare delle regolazioni sulla girante della turbina.
Questi dispositivi di regolazione vengono solitamente attuati con sistemi oleoidraulici.

Per ragioni di sicurezza, la potenza di attuazione necessaria per i dispositivi di regolazione della turbina ad acqua viene immagazzinata nel così detto "serbatoio dell'aria". Questo serbatoio viene riempito per un terzo con olio idraulico e per i rimanenti due terzi con aria diventando quindi lo stoccaggio di energia del sistema. Per ragioni fisiche, la massima pressione operativa accumulabile in questi serbatoi non può superare i 64 bar. Il suo volume geometrico dipende dalla grandezza della turbina. I serbatoi costruiti dalla società Voith hanno una capacità che varia dai 2.000 ai 15.000 litri. Dal momento che questi serbatoi non hanno un elemento di separazione fra i due fluidi olio e aria, l'aria si trova dispersa nell'olio. Di conseguenza, ogni volta che l'olio viene scaricato dal sistema, si toglie con esso anche l'aria. Un compressore aria alta pressione ripristina automaticamente, in brevissimo tempo, l'aria che non è più disponibile.

In funzione dei requisiti e delle condizioni nella stazione idroelettrica, la fornitura di aria compressa può essere realizzata in due diversi modi:

• un sistema di compressione alta pressione è accoppiato a ciascun serbatoio oppure
• un sistema centralizzato di aria alta pressione, composto da due compressori e da un serbatoio intermedio, provvede ad alimentare tutti i serbatoi.

Schema di flusso per olio idraulico e aria HP con unità di compressione e serbatoio

Scelta del compressore alta pressione

VERTICUS 5 – Versione aperta

Voith Siemens Hydro Power Generation ha acquistato, per oltre 20 anni, unità di compressione alta pressione con portate variabili fra 85 e 350 l/min dalla BAUER KOMPRESSOREN. Negli anni le portate sono state adeguate per rispondere alla sempre migliore efficienza delle turbine e, di conseguenza, il ripristino di aria alta pressione nel serbatoio può essere effettuato entro 15-20 minuti di funzionamento del compressore. Dopo un lavoro di manutenzione, comunque, l'intero serbatoio deve essere ricaricato sopra il livello olio. Durante tale processo i compressori raffreddati ad aria e quelli equipaggiati con olio in pressione devono funzionare di continuo, in funzione della capacità del serbatoio e del numero dei contenitori in pressione, in media per 2-3 giorni. Una alternativa potrebbe essere rappresentata dall'utilizzo di compressori industriali con maggiore portata quando, dopo un lavoro di manutenzione, si debba riempire l'intero volume di aria di tutti i serbatoi entro un tempo breve. Questa soluzione però non è vantaggiosa e non può essere raccomandata dal momento che il compressore che dovrebbe ripristinare il serbatoio di aria lavorerebbe soltanto per pochi minuti e quindi la sua durata potrebbe essere considerevolmente ridotta con conseguente prova di inefficienza. Una eccezione a quanto appena esposto potrebbe essere rappresentata dall'utilizzo del compressore per asservire altre installazioni pneumatiche all'interno della centrale idroelettrica.

I modelli che la Voith ha utilizzato nel corso degli anni vanno dalla piccola versione industriale del modello K13 montato su telaio al modello Verticus I, III e ci porta alla attuale versione compatta e più grande del Verticus 5. Questa nuova linea copre l'intera gamma di portate richiesta che va dagli 85 l/min agli oltre 610 l/min.

L'unità di compressione è monitorata dal BAUER B-CONTROL, un sistema di controllo elettronico a PLC programmabile e munito di display LCD. Il monitoraggio della pressione olio e della pressione finale è uno standard su questi modelli. Anche la pressione e la temperatura di ogni singolo stadio può essere monitorata.

L'aria compressa assicura vantaggi

2 sets unità di compressione alta pressione mod I 23.0-30 alimentano 5 turbine ad acqua Francis da 250 kW ciascuna. Centrale idroelettrica di Ghazi Barotha, Pakistan

Nelle vecchie centrali ci sono ancora sistemi di aria compressa installati nell'unità di controllo idraulica che operano con pressioni, per esempio, di 40 bar. Dal momento che, a lungo andare, l'acqua residua che entra nel circuito di controllo attraverso l'aria compressa può causare danni da corrosione alle valvole ed ai serbatoi, l'aria compressa dovrebbe contenere una percentuale di umidità quanto minore possibile.

Utilizzando un essiccatore a refrigerazione, l'aria compressa può essere portata ad un punto di rugiada in pressione di circa 5-7 °C, che equivale ad un punto di rugiada atmosferico di circa -35 °C. Questa procedura è tuttavia molto costosa.

Lo stesso risultato di essiccazione può essere raggiunto, ma senza l'utilizzo di un essiccatore a refrigerazione, con un sistema di compressione a 3 o 4 stadi, regolando la valvola di mantenimento pressione e non ritorno dell'unità ad un valore di pressione più alto di quello del serbatoio. La pressione del serbatoio è circa 80 bar. Regolando la valvola di mantenimento a circa 150 bar, tutti gli stadi del blocco (l'ultimo stadio a 150 bar max) sono drenati. E' stata questa considerazione che ha portato la Voith, già da diversi anni, ad integrare i loro impianti con unità di compressione alta

pressione BAUER a 4 stadi sia per centrali nuove sia per l'ammodernamento di quelle esistenti. In pratica le unità di compressione a 4 stadi hanno dimostrato di essere pienamente al top in questo settore.

Quale sarà la tendenza per il futuro?

A livello mondiale si è riscontrato un significativo aumento nella costruzione di centrali idroelettriche al fine di fornire le popolazioni e le loro industrie di energia elettrica. Questo si può maggiormente osservare in Sud America e nei Paesi Asiatici, come per esempio Cina ed India. Le centrali esistenti in Europa vengono invece ammodernate e la loro capacità produttiva aumentata, cosa che avviene assai meno negli altri paesi sopra menzionati.

Conclusione

BAUER KOMPRESSOREN, partner affidabile nel settore dell'alta pressione, applica la appropriata conoscenza per raggiungere il suo principale obiettivo: prodotti di alta qualità. Questa qualità superiore è stata determinante nella relazione di mutuo successo con il proprio cliente Voith Siemens Hydro Power Generation.

Autore:
Dipl. Ing. Ludwig Kühlwein
Ingegnere di progetto