Un’idea “fuori orario”

 
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Per offrire maggior sicurezza ai clienti che operano nel settore delle centrali termoelettriche un team Bosch Rexroth ha sviluppato un sistema oleodinamico di sicurezza in grado di eseguire una propria autodiagnosi continua, senza dover interrompere la produzione di energia elettrica. Il Project Manager Dirk Bracht ci racconta l’inconsueta genesi del sistema di sicurezza brevettato STSS “Self Testing Safety System”.

 

Quattro anni fa, il nostro team ha equipaggiato una centrale termoelettrica in Olanda con nuovi componenti idraulici per il controllo di valvole di bypass ad alta pressione destinate ad una turbina a vapore. Finita la giornata ci siamo ritrovati per cena, ma sempre con un pensiero al “lavoro”... Durante la conversazione, un collega ha così esordito : “Per il nostro cliente ci vorrebbe una soluzione decisamente migliore!” In generale, nelle centrali termoelettriche vengono impiegate le cosiddette stazioni di bypass, che devono reagire con grande dinamismo a forti variazioni di carico – come nel caso di un arresto di emergenza, detto anche “trip function”: la catena turbina-generatore viene disalimentata in meno di un secondo e l’intero flusso di vapore viene “bypassato”: le valvole d’ingresso turbina devono chiudersi rapidamente ed altrettanto rapidamente aprire il sistema di bypass. Quest’ultimo, composto da una valvola riduttrice di pressione e da un sistema d’iniezione acqua, attraverso un sistema di tubazioni riconduce il vapore in caldaia, dove limita la temperatura del surriscaldamento dello stadio intermedio.

Lo standard utilizzato fino ad oggi: ispezioni annuali

Ciò significa che il sistema oleodinamico che gestisce i sistemi di bypass deve funzionare a dovere al momento del bisogno, anche se per solo una volta l’anno. I sistemi che non vengono utilizzati con una certa frequenza, identificati con “Low Demand Mode”, rischiano spesso di non funzionare in caso di emergenza, proprio per la loro prolungata inattività. Una delle cause è la cosiddetta “resinificazione” o “incollaggio”: poiché questi sistemi sono installati vicino alla caldaia della turbina, l’olio idraulico esposto a forte calore invecchia e diventa colloso molto rapidamente. Un’altra causa è la cosiddetta “sedimentazione”: le valvole a cursore presentano sempre un piccolo trafilamento interno; lo sporco nell’olio, quindi, si deposita nella zona tra il cursore della valvola e il corpo della stessa, riducendone la luce di passaggio.

Particelle da pochi micron ostruiscono lo spazio restante, agendo come cunei, ed inceppando definitivamente la valvola al primo movimento del cursore, proprio quando il suo intervento sarebbe più necessario. Per tale ragione, l’Unione Europea obbliga i gestori di centrali termoelettriche a verificare annualmente le valvole di bypass: un impegno laborioso e dispendioso, in quanto, oltre ai costi di personale, apparecchiature e documentazione, si sommano agli enormi costi del fermo macchina. L’addetto alla verifica, inoltre, può solo stabilire se il sistema funziona in quel dato momento, ma senza indicazioni sulla sua efficienza futura.

I componenti chiave dell’STSS: i blocchi idraulici di sicurezza la relativa unità di controllo.

 

Un’idea nuova: un test ogni 20 minuti

Dal nostro incontro fuori orario è quindi nata l’idea: perché non realizziamo un sistema idraulico che proceda ad una costante auto diagnosi? Utilizzando dei sottobicchieri da birra e un blocco note del gestore del locale, abbiamo quindi tracciato un primo schema circuitale, corredandolo con altri schizzi; quattro ore dopo ci siamo salutati, con quel sentimento di euforia che tutti noi ingegneri desideriamo ardentemente, ma che proviamo soltanto in rare occasioni : “Eureka!”. Il nostro STSS “Self-Testing Safety System” segue questa visione totalmente nuova: la sua combinazione di idraulica, sensoristica, elettronica e software si auto sorveglia costantemente, documentando inoltre l’intero processo. Il cliente può così controllare in qualsiasi momento se i suoi dispositivi di sicurezza funzionano a dovere. Poiché l’STSS utilizza esclusivamente valvole a sede e non valvole a cursore, non vi sono più trafilamenti e il problema di “sedimentazione” viene escluso alla radice.

Quanto all’incollaggio, al fine di impedirlo completamente, due valvole sono disposte in serie nello stesso circuito idraulico. Per impedire che l’auto diagnosi provochi l’arresto di emergenza, il sistema apre sempre e soltanto una valvola alla volta, in un intervallo di verifica definibile liberamente. In tale fase, la logica a commutazione attiva preleva dal cilindro una piccola portata d’olio dal lato alta pressione; la stessa portata rifluisce, poi, sul lato bassa pressione. Con un intervallo di 20 minuti, l’olio viene così completamente sostituito nell’arco di quattro – otto settimane. Tutto ciò senza andare a discapito della sicurezza sella corretta chiusura della valvola bypass vapore: prima della verifica, il sistema viene infatti completamente escluso dalla pressione di alimentazione.

La portata d’olio prelevata dal volume di compressione del sistema è talmente ridotta da non influire sulla forza di chiusura. Subito dopo il test, l’olio necessario viene nuovamente sostituito; inoltre, tale quantità è adattabile flessibilmente a qualsiasi combinazione cilindro-valvola del vapore e il consumo volumetrico è regolabile su quattro livelli. In tale modo, l’STSS può sempre operare con due terzi di pressione di chiusura in più rispetto a quanto necessario ad una chiusura ermetica: lo spazio d’azione è, quindi, più che sufficiente.

Un impianto sperimentale dell’STSS installato su un cilindro: appositi sensori di prossimità rilevano la posizione delle valvole a cartuccia.

 

Il sistema è concepito “a prova di avaria”: se i test dovessero rivelarne un funzionamento non ottimale, ad esempio per il una bobina in corto circuito, sarà il sistema stesso a segnalarlo. L’STSS consente inoltre la manutenzione durante l’esercizio, senza che questo pregiudichi il livello di sicurezza dell’intero sistema. Ciò grazie ad un PLC di sicurezza dedicato, che disinserisce l’alimentazione in sicurezza nel caso di un’avaria – e che, in altrettanta sicurezza, apre la valvola bypass del vapore. Poiché l’STSS è ridondante e procede ad una costante autodiagnosi, esso è utilizzabile in circuiti di sicurezza fino al livello SIL 3, consentendo di mantenere fino a sei anni la compatibilità con tale livello. Questo sistema non comporta costi aggiuntivi di manutenzione; inoltre, il risparmio sui costi di ispezione ne consente il completo ammortamento perfino già entro il primo intervallo di verifica.

La sicurezza è un requisito richiesto ovunque

Poco tempo dopo il nostro incontro, verificai se qualcuno avesse già avuto la stessa idea; ad un certo momento arrivò la certezza: siamo i primi! Dopo tre anni di sviluppo, anche in partnership con altre imprese, l’STSS è stato ufficialmente presentato alla Fiera Power-Gen 2014 di Colonia. Originariamente concepita per valvole di bypass di centrali termoelettriche, la gamma di impieghi possibili si è estesa enormemente: soprattutto laddove sicurezza e certezza di funzionamento rivestano un ruolo chiave, l’STSS può senz’altro apportare un contributo.

 

Autore

 

Dirk Bracht,

Sales Industry Sector Energy Technology,
Bosch Rexroth AG,
Lohr am Main, Germania