Controllo preciso ed efficiente dei gruppi di compressori del gas azionati meccanicamente

Le variazioni di pressione dovute al numero enorme si punti di entrata ed uscita lungo un gasdotto, alle perdite di pressione durante il trasporto, ai gradienti termici ed alle variazioni della qualità del gas, devono essere monitorate e compensate nelle stazioni di compressione. Per farlo, è importante impiegare meno energia possibile.

Per comprimere il gas da trasportare vengono usati diversi tipi di compressore. Essi vengono alimentati sia da motori elettrici che da turbine a gas, o motori a gas i quali vengono riforniti di carburante direttamente dal gasdotto. 

Il monitoraggio di una moltitudine di parametri di processo garantisce che le prestazioni del sistema siano sempre adatte alle condizioni operative permanenti e talvolta variabili molto rapidamente, pur mantenendo nel contempo la massima efficienza. Questa è la sfida principale, in particolare con i sistemi a propulsione meccanica. 

Uno dei più importanti parametri di processo è la potenza di propulsione trasmessa al compressore del gas. Risulta essenziale il controllo della sua generazione in modo che sia permanentemente disponibile la minima potenza di propulsione necessaria per la particolare situazione del compressore, perfino per carichi rapidamente variabili. Nel contempo, generare potenza di propulsione eccessiva comporta la riduzione dell'efficienza e, inoltre, l'aumento delle emissioni inquinanti (con sistemi di propulsione meccanica) ed a stati operativi critici (in particolare con sistemi di propulsione meccanica e motori a gas).  Il monitoraggio e controllo permanente della potenza di propulsione di tali sistemi richiede perciò obbligatoriamente la misurazione della velocità di rotazione e, inoltre, la misurazione della coppia trasmessa al compressore. 

Al contrario della misurazione della velocità di rotazione che può essere implementata direttamente ed in modo relativamente semplice, la misurazione della coppia risulta alquanto difficile. A tale scopo vengono spesso usate grandezze di misura quali la pressione e temperatura del cilindro quali grandezze ausiliarie come base per calcolare la coppia e quindi la potenza. Questo metodo è stato utilizzato da molti anni perfezionandolo continuamente, tuttavia esso presenta lo svantaggio che l'incertezza di misura della coppia cresce significativamente a causa del numero di parametri con elevata tolleranza impiegati allo scopo e, solitamente, non può essere provato in modo convincente. Infatti, le forti tolleranze delle grandezze di misura necessarie alla verifica, comportano inevitabilmente grandi deviazioni dai parametri operativi ottimali. Ciò può avere effetti indesiderati, specialmente con i motori a gas. Il seguente diagramma illustra la situazione. 

Campo operativo del motore a gas
Fonte: Wärtsilä Corporation

Lo schema mostra la relazione fra la Brake Mean Effective Pressure (BMEP) ed il rapporto air / fuel (aria / carburante) che consente di visualizzare le aree di Knocking (battimento) e Misfiring (accensione mancata). In nessun caso il punto operativo del motore può risiedere in una di queste zone. In particolare è essenziale garantire che in tutte le condizioni di funzionamento il punto operativo non si sposti nell'area dei battimenti, poiché ciò potrebbe causare danni al motore.

La finestra operativa ottimale è l'area situata fra quella del battimento e quella della mancata accensione, la quale si restringe verso l'alto. Ciò significa che per operare col motore a gas alla massima potenza, pur mantenendo basse le emissioni inquinanti, richiede un meccanismo i controllo molto sensibile con piccole tolleranze. Tolleranze più alte riducono necessariamente la potenza massima al fine di aumentare la distanza fra il punto operativo e le aree del battimento e dell'accensione mancata. Nel contempo è essenziale che il controllo reagisca molto velocemente, poiché possono capitare forti fluttuazioni di pressione del compressore entro un piccolo lasso di tempo, le quali diventano evidenti come variazioni di carico del motore. 

Esse devono essere compensate con rapidità e precisione dal motore per garantire che il punto operativo resi nella finestra di sicuro funzionamento. Lo schema seguente mostra che queste variazioni di carico possono raggiungere entro pochi secondi circa il 50 % della capacità del sistema. 

Variazioni di carico del gruppo compressore del gas
Fonte: Wärtsilä Corporation

Oltre al metodo precedentemente descritto esistono altri metodi per determinare la coppia trasmessa al compressore. Essi comportano la valutazione della torsione elastica dell'albero d'entrata dovuta all'applicazione della coppia. Ci sono vari altri metodi  (ad esempio la misurazione della deformazione, dello spostamento, dell'angolo e della frequenza), tutti basati sulla rilevazione di grandezze ausiliarie e successivo calcolo della coppia e, perciò - essendo montati sul treno di trasmissione - si devono considerare anch'essi metodi indiretti. Anche in questi casi devono essere prese in considerazione le tolleranze dei parametri (p. es. il materiale e la geometria dell'albero), risultando incertezze di misura relativamente della coppia misuranda. 

I metodi indiretti di misura della coppia basati sulla torsione elastica dell'albero d'ingresso possono essere convertiti in metodi di misura diretti tarando il sistema di misura della coppia misuranda. Come sopra spiegato, la taratura delle rispettive grandezze ausiliarie non è sufficiente. Ciò richiede che la sezione dell'albero d'ingresso munita del sistema di misura venga tarata con un dispositivo di taratura della coppia per determinare l'esatta relazione fra la coppia applicata ed il segnale di uscita del sistema di misura. Questo approccio presenta una serie di difficoltà:  

• adattamento della sezione dell'albero durante l'installazione del dispositivo di taratura, 
• bassa elasticità della sezione dell'albero dovuta alla sua struttura e conseguente bassa sensibilità del sistema di misura, 
• Il sistema di misura non può essere smontato dalla sezione dell'albero dopo la taratura altrimenti il certificato di taratura perde la sua validità. 

1. Transient response behaviour of gas engines (Comportamento della risposta transitoria dei motori a gas)
Position paper by the CIMAC working group Gas Engines, April 2011

2. Wärtsilä 20 Dual Fuel (DF) Engine Presentation (Presentazione del motore 20 Dual Fuel (DF)) 
Wärtsilä Corporation, 2010

3. LNG based concept development (Concetto di sviluppo basato s LNG)
 Tomas Aminoff, Wärtsilä Corporation

Klaus Weissbrodt

HBM Key Account and Project Manager
High-capacity Torque Applications