Diapositiva 1

TECNOLOGIE E SISTEMI
AVANZATI PER LA NAUTICA
IMPIANTI ELETTRICI DI BORDO
Pierluigi Caramia
Anna Rita Di Fazio
A.A.2010/2011
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Classificazione degli impianti elettrici
a bordo delle navi
E’ stato già spiegato che l’impianto elettrico a bordo di
una nave può essere suddiviso in tre parti fondamentali:
A) IMPIANTO PRINCIPALE
B) CIRCUITI AUSILIARI
C) IMPIANTI SPECIALI
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Classificazione degli impianti elettrici
a bordo delle navi
A) IMPIANTO PRINCIPALE
E’ costituito essenzialmente dal sistema di propulsione
elettrico.
La propulsione della nave è realizzata attraverso una o più eliche, ognuna
delle quali è messa in rotazione attraverso un albero dall’energia meccanica
fornita da un motore di propulsione (motore primo).
Tradizionalmente il motore primo era
costituito da turbine a vapore o da
motori diesel a due o a quattro tempi.
MOTORE
PRIMO
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Classificazione degli impianti elettrici
a bordo delle navi
A) IMPIANTO PRINCIPALE
Con l’aumento della stazza delle navi, ed in particolare con le navi di grande taglia,
come le navi da crociera che negli ultimi anni hanno assunto dimensioni e
tonnellaggi impensabilmente elevati, si è affermata la propulsione elettrica che
consiste nell’utilizzare un motore elettrico come propulsore per le eliche della nave.
Rispetto alla propulsione tradizionale la propulsione elettrica realizza una doppia
conversione di energia: un motore primo aziona un generatore elettrico la cui
corrente alimenta un motore elettrico che aziona le eliche di propulsione.
MOTORE
PRIMO
GENERATORE
ELETTRICO
MOTORE
ELETTRICO
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Classificazione degli impianti elettrici
a bordo delle navi
A) IMPIANTO PRINCIPALE
Svantaggi
In generale la propulsione elettrica non risulta conveniente rispetto alla
propulsione tradizionale di tipo meccanico in quanto richiede l’utilizzo di
due macchine elettriche ulteriori: il generatore elettrico ed il motore
elettrico. Ne consegue infatti:
- maggior peso;
- maggior occupazione di spazio;
- maggior i costi di installazione;
- minor rendimento.
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Classificazione degli impianti elettrici
a bordo delle navi
A) IMPIANTO PRINCIPALE
Vantaggi
Tuttavia, poiché con la propulsione elettrica il motore primo non è più
collegato meccanicamente all’albero di propulsione, il gruppo [motore
primo + generatore] è assolutamente svincolato dal gruppo [motore
di propulsione + elica], eliminando il vicolo di un lunghissimo asse di
trasmissione.
In tal modo è possibile allocare pesi ed ingombri in maniera più
razionale, avendo una maggiore flessibilità nella gestione degli spazi.
In realtà i vantaggi offerti dalla propulsione elettrica sono molteplici
(maggiore facilità a ridurre il numero di giri dell’elica in navigazione,
minore emissione di rumore e vibrazioni, riduzione dell’impatto
ambientale, ecc).
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Classificazione degli impianti elettrici
a bordo delle navi
E’ stato già spiegato che l’impianto elettrico a bordo di
una nave può essere suddiviso in tre parti fondamentali:
A) IMPIANTO PRINCIPALE
B) CIRCUITI AUSILIARI
C) IMPIANTI SPECIALI
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Classificazione degli impianti elettrici
a bordo delle navi
I circuiti ausiliari (di ausilio all’impianto principale) a loro
volta comprendono:
A) IMPIANTO PRINCIPALE
- SOTTOSISTEMA DI PRODUZIONE,
B) CIRCUITI AUSILIARI
- SOTTOSISTEMA DI DISTRIBUZIONE,
- SOTTOSISTEMA DI UTILIZZAZIONE.
C) IMPIANTI SPECIALI
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Classificazione degli impianti elettrici
a bordo delle navi
B) CIRCUITI AUSILIARI
SOTTOSISTEMA DI DISTRIBUZIONE
G
G
RETE PRIMARIA
GROSSE
UTENZE
SOTTOSISTEMA DI UTILIZZAZIONE
Comprende i motori con i relativi
dispositivi di avviamento (utenze
forza) e l’illuminazione (utenze luce).
Classificazioni:
- Normali/ Emergenza.
RETE SECONDARIA
PICCOLE
UTENZE
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Classificazione degli impianti elettrici
a bordo delle navi
I circuiti ausiliari (di ausilio all’impianto principale) a loro
volta comprendono:
A) IMPIANTO PRINCIPALE
- SOTTOSISTEMA DI PRODUZIONE,
B) CIRCUITI AUSILIARI
- SOTTOSISTEMA DI DISTRIBUZIONE,
- SOTTOSISTEMA DI UTILIZZAZIONE.
C) IMPIANTI SPECIALI
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Sottosistema di produzione
Il sottosistema di produzione è costituito dall’insieme
delle centrali elettriche che forniscono energia all’intero
impianto elettrico navale in servizio normale, in servizio di
sosta nel porto e in servizio di emergenza.
-SERVIZIO NORMALE : In base al tipo di nave si ha un diverso numero di centrali.
Nelle navi più grandi ci sono almeno due centrali elettriche ubicate sul lato destro e sul
lato sinistro della nave, in maniera tale che un eventuale danneggiamento laterale non
pregiudichi entrambe.
- SERVIZIO DI SOSTA NEL PORTO: Per espletare il servizio di porto vi può essere
una terza centrale realizzata in apposito locale.
- SERVIZIO DI EMERGENZA: Per obbligo c’è sempre una centrale di emergenza ubicata
a poppa, sopra al ponte delle paratie stagne, al fine di rendere più sicuro il funzionamento
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dell’impianto elettrico in caso di incendio o di allagamento.
Sottosistema di produzione
La centrale elettrica
In generale, la centrale elettrica è il luogo in cui sono
presenti:
- gruppi elettrogeni o gruppi di generazione;
- il quadro elettrico;
- le apparecchiature di controllo della produzione di energia elettrica;
- le apparecchiature di controllo della distribuzione di energia elettrica.
Tale definizione deve essere poi adattata ad ogni tipo di
centrale.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
La generazione d’energia elettrica a bordo di una nave è
principalmente affidata a gruppi elettrogeni, costituiti da un
generatore elettrico accoppiato ad un motore primo con i
relativi accessori, i quali devono fornire energia a tutto
l’impianto elettrico in qualsiasi condizione di funzionamento.
Bisogna distinguere i gruppi elettrogeni utilizzati nelle
centrali principali da quelli utilizzati nelle centrali di
emergenza.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
CENTRALI PRINCIPALI
GRUPPO
ELETTROGENO
Turboalternatori
Turbogas
Dieselalternatori
Generatori asse
MOTORE
PRIMO
+
Turbina a vapore
+
Generatore Sincrono
+
Generatore Sincrono
+
Generatore Sincrono
+
Generatore Sincrono
Turbina a gas
Motore diesel
Motore di propulsione
GENERATORE
ELETTRICO
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
CENTRALI DI EMERGENZA
GRUPPO
ELETTROGENO
Turbogas
Dieselalternatori
Batterie di accumulatori
MOTORE
PRIMO
Turbina a gas
Motore diesel
+
GENERATORE
ELETTRICO
+
Generatore Sincrono
+
Generatore Sincrono
-
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
Le diverse modalità di generazione sono spesso legate alla tipologia di nave.
Ad esempio impianti termoelettrici con turbina a vapore che utilizzano combustibili
tradizionali (carbone, gas naturale, olio combustibile) sono presenti sulle navi da
guerra, mentre impianti termoelettrici con turbina a vapore che utilizzano
combustibili nucleari sono utilizzati nei sottomarini.
Impianti termoelettrici con turbine a gas trovano applicazione su diverse varietà di
navi caratterizzate principalmente dalla esigenza di avere elevate velocità di
navigazione come fregate, cacciatorpediniere o per imbarcazioni della guardia
costiera.
Per le navi da carico o le navi da crociera la generazione più comunemente
utilizzata è quella che si ottiene dall’accoppiamento del motore diesel con il
generatore.
Una delle alternative alle soluzioni precedenti può essere quella definita come
generazione ad asse.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
GENERATORE SINCRONO
La macchina elettrica comunemente utilizzata per la produzione
di energia elettrica è il generatore sincrono.
Il generatore sincrono è una macchina elettrica che serve per
convertire l’energia meccanica prodotta da un motore primo in
energia elettrica in corrente alternata.
Il generatore sincrono è detto anche alternatore perché la
tensione da esso prodotta è alternata sinusoidale.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
GENERATORE SINCRONO
E’ noto che:
- la rotazione di un magnete
- produce forze elettromotrici
- in un avvolgimento trifase fisso
La parte mobile del generatore sincrono è detta rotore.
La parte fissa del generatore sincrono è detta statore.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
GENERATORE SINCRONO
Per consentire la regolazione,
in pratica il rotore deve essere
un elettromagnete, alimentato
in corrente continua addotta
tradizionalmente attraverso
anelli con contatti striscianti.
Anelli
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
GENERATORE SINCRONO
Nel generatore sincrono, all’interno dello statore ruota il rotore,
calettato su un albero posto in rotazione dal motore primo.
Gli avvolgimenti di statore e gli
avvolgimenti di rotore sono sempre
sostenuti da strutture in acciaio al silicio che
Avvolgimento
statorico
- fungono da scheletro trasmettendo le forze;
- intensificano il campo magnetico (rispetto
Avvolgimento
rotorico
all’aria).
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
GENERATORE SINCRONO
Cava
Gli avvolgimenti statorici sono sempre
alloggiati in fori detti cave (avv. distribuiti).
Gli avvolgimenti rotorici possono, in
alternativa, esseri sostenuti da strutture
dette poli (avv. concentrati).
Lo spazio tra rotore e statore si chiama
traferro.
Traferro
Polo saliente
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
GENERATORE SINCRONO
In generale il rotore di un generatore sincrono può presentare:
- avvolgimenti rotorici distribuiti
o “poli lisci”
TURBO
ALTERNATORE
- 2 o 4 poli
- da 3600 a 1500 g/m
La costruzione è
snella e lunga;
utilizza come motore
primo turbine a
gas/vapore e piccoli
diesel veloci; l’asse è
orizzontale
- avvolgimenti rotorici concentrati
o “poli salienti”
ALTERNATORE
- più di 4 poli
-- meno di 1500 g/m
La costruzione è a
raggio grande e
corta; utilizza come
motore primo turbine
idrauliche e grandi
diesel lenti; l’asse è
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verticale
Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
GENERATORE SINCRONO
TURBOALTERNATORE
ALTERNATORE
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
GENERATORE SINCRONO
La tensione generata deve essere sinusoidale nel tempo.
Per questo motivo, l’intensità del campo magnetico prodotto nel
traferro dal rotore deve avere una forma sinusoidale nello spazio,
come un’onda.
Questo negli ALTERNATORI si ottiene con la forma del ferro del polo, mentre
nei TURBOALTERNATORI si ottiene con la disposizione degli avvolgimenti.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
GENERATORE SINCRONO
In un generatore sincrono la tensione generata ha un andamento sinusoidale
nel tempo.
In particolare:
- La frequenza della tensione generata dipende dalla velocità di rotazione del rotore.
- L’ampiezza della tensione generata dipende dalla corrente che circola negli avvolgimenti di
rotore.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
GENERATORE SINCRONO
La frequenza della tensione generata dipende dalla velocità di rotazione del
rotore.
Se p è il numero di coppie polari ed n è la velocità di rotazione del rotore, la
frequenza f delle f.e.m. indotta nello statore sarà pari a:
f = n p / 60.
Esempi:
- se p=1 ed f=60 Hz allora n = 3600 g/m (turboalternatori);
- se p=3 ed f=60 Hz allora n = 1200 g/m (alternatori)
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
GENERATORE SINCRONO
In un generatore sincrono la tensione generata ha un andamento sinusoidale
nel tempo.
In particolare:
- La frequenza della tensione generata dipende dalla velocità di rotazione del rotore.
- L’ampiezza della tensione generata dipende dalla corrente che circola negli avvolgimenti di
rotore.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
GENERATORE SINCRONO
L’ampiezza della tensione generata dipende dalla corrente che circola negli
avvolgimenti di rotore.
Per poter fornire tale corrente continua c’è bisogno di una sorgente in corrente
continua.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
CENTRALI PRINCIPALI
GRUPPO
ELETTROGENO
Turboalternatori
Turbogas
Dieselalternatori
Generatori asse
MOTORE
PRIMO
+
Turbina a vapore
+
Generatore Sincrono
+
Generatore Sincrono
+
Generatore Sincrono
+
Generatore Sincrono
Turbina a gas
Motore diesel
Motore di propulsione
GENERATORE
ELETTRICO
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
TURBOALTERNATORI
Il gruppo elettrogeno detto turboalternatore utilizza come motore
primo una turbina a vapore e come generatore elettrico un
generatore sincrono.
Come anticipato, questa tipologia di gruppo elettrogeno trova
applicazione nelle centrali principali.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
TURBOALTERNATORI
La turbina a vapore è una macchina motrice inserita in un ciclo
termodinamico.
In un ciclo termodinamico avviene la conversione di energia
termica in energia meccanica e viceversa. Il calore viene prodotto
attraverso la combustione di un combustibile che può essere di
tipo convenzionale (combustibili fossili) o di tipo nucleare. La
conversione di calore in energia meccanica è realizzata attraverso
la turbina.
In particolare, un fluido di lavoro (per es. acqua) è sottoposto attraverso l’utilizzo di macchine ad
una successione finita di trasformazioni termodinamiche (ad es. isoterme, isocore, isobare o
adiabatiche) al termine delle quali torna al suo stato iniziale.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
TURBOALTERNATORI
Tra i cicli termici più seguiti da una turbina a vapore il più semplice è quello a
surriscaldamento (ciclo di Hirn). In tale ciclo il calore è prodotto con l’utilizzo di
combustibili tradizionali. Il fluido di lavoro è acqua.
P = POMPA DI ALIMENTAZIONE DELLA CALDAIA
GV
GV = GENERATORE DI VAPORE
T = TURBINA A VAPORE
C= CONDENSATORE
Schema elementare di un impianto
che realizza il ciclo Hirn
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
TURBOALTERNATORI
Tra i cicli termici più seguiti da una turbina a vapore il più semplice è quello a
surriscaldamento (ciclo di Hirn). In tale ciclo il calore è prodotto con l’utilizzo di
combustibili tradizionali. Il fluido di lavoro è acqua.
1 – 2’ COMPRESSIONE DELL’ACQUA DI CONDENSAZIONE
2’ – 2 RISCALDAMENTO DELL’ACQUA
2 – 3’ EVAPORAZIONE DELL’ACQUA
3’ – 3 SURRISCALDAMENTO DEL VAPORE
3 – 4 ESPANSIONE DEL VAPORE
4 - 1 CONDENSAZIONE DEL VAPORE
Trasformazioni secondo le quali evolve il
fluido di lavoro nel piano T –s
(temperatura assoluta- entropia specifica).
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
TURBOALTERNATORI
Ogni turboalternatore è costituito da una turbina a vapore (con
relativo ciclo termodinamico), da un riduttore di velocità e dal
generatore sincrono.
GV
Il riduttore di velocità è ad
ingranaggi (è una ruota dentata).
Il riduttore permette di passare dal
numero di giri della turbina a
vapore (3600 g/m) a quello che
consente al generatore sincrono di
generare energia elettrica a f = 60
Hz.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
La valutazione delle prestazioni del motore primo può essere fatta in
termini di
- REGOLARITA’ DELLA COPPIA MOTRICE;
- TEMPI DI AVVIAMENTO;
- SOVRACCARICABILITA’;
- REGOLAZIONE DEL NUMERO DI GIRI.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
REGOLARITA’ DELLA COPPIA MOTRICE
La coppia motrice che viene trasmessa dal motore primo al
generatore sincrono può venire erogata in maniera continua ed
uniforme durante la rotazione dell'albero o in maniera pulsante.
Il principio di D’Alembert afferma (principio di conservazione dell’energia) :
Cm-Cr=Jd .
dt
Di conseguenza, dalla regolarità della coppia dipende la costanza della velocità di rotazione
dell’albero motore e quindi della frequenza della tensione generata.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
TEMPO DI AVVIAMENTO
Il tempo di avviamento del motore primo dipende dalla quantità di
tempo necessaria a portare il fluido motore nelle condizioni
termodinamiche di pressione e temperatura adeguate per lo sviluppo
della coppia motrice.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
SOVRACCARICABILITA’
I motori primi di un gruppo elettrogeno erogano una potenza in grado
di alimentare il carico e di garantire il massimo rendimento
dell’impianto di produzione. In alcune condizioni, i motori primi
possono fornire una potenza più elevata di quella per i quali sono
state progettati.
REGOLAZIONE DEL NUMERO DI GIRI
La velocità con cui è possibile agire sulla velocità di rotazione del
motore primo dipende dal grado di comprimibilità del fluido motore.38
Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
TURBOALTERNATORI
REGOLARITA’ DELLA COPPIA MOTRICE
La coppia motrice sviluppata dalla turbina a vapore è costante
durante un angolo giro dell’albero motore.
Di conseguenza la velocità di rotazione del motore primo e, dunque,
la frequenza della tensione generata sono costanti.
TEMPI DI AVVIAMENTO
I tempi di avviamento della turbina a vapore sono molto lunghi (ore)
perché sono legati alla generazione di vapore surriscaldato nel ciclo
termodinamico.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
TURBOALTERNATORI
SOVRACCARICABILITA’
Le turbine a gas lavorano al massimo rendimento quando il
generatore sincrono lavora all’ 80 % della potenza nominale.
Essi possono fornire:
- una sovrapotenza del 10 % rispetto a quella nominale in regime continuativo;
- una sovrapotenza del 25 % rispetto a quella nominale per 2 h;
- una sovrapotenza del 50 % rispetto a quella nominale per 5’ a basso fattore di potenza.
REGOLAZIONE DEL NUMERO DI GIRI
Essendo il vapore surriscaldato un fluido comprimibile è possibile variare il numero
di giri dell’albero motore con una certa velocità.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
CENTRALI PRINCIPALI
GRUPPO
ELETTROGENO
Turboalternatori
Turbogas
Dieselalternatori
Generatori asse
MOTORE
PRIMO
+
Turbina a vapore
+
Generatore Sincrono
+
Generatore Sincrono
+
Generatore Sincrono
+
Generatore Sincrono
Turbina a gas
Motore diesel
Motore di propulsione
GENERATORE
ELETTRICO
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
TURBOGAS
Il gruppo elettrogeno detto turbogas utilizza come motore primo una
turbina a gas e come generatore elettrico un generatore sincrono.
Come anticipato, questa tipologia di gruppo elettrogeno trova
applicazione nelle centrali principali e nelle centrali di emergenza.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
TURBOGAS
Il ciclo termico più semplice seguito da una turbina a gas è quello a pressione
costante.
CC
C = COMPRESSORE
CC = CAMERA DI COMBUSTIONE
T = TURBINA A GAS
Schema elementare di un impianto
con turbina a gas
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
TURBOGAS
Il ciclo termico più semplice seguito da una turbina a gas è quello a pressione
costante.
1 – 2 COMPRESSIONE DELL’ARIA
2 – 3 RISCALDAMENTO
3 – 4 ESPANSIONE DEI PRODOTTI DELLA COMBUSTIONE
4 - 1 RAFFREDDAMENTO DEI GAS ESAUSTI
Trasformazioni secondo le quali evolve il
fluido di lavoro nel piano T –s (temperatura
assoluta- entropia specifica).
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
TURBOGAS
Ogni turbogas è costituito da una turbina a gas (con relativo ciclo
termodinamico), da un riduttore di velocità e dal generatore sincrono.
G
C’è un grosso divario tra la
velocità di rotazione delle turbine
a gas e quella degli alternatori e
dei turboalternatori.
La velocità di rotazione delle
turbine a gas può superare i
30000 g/m. Per questo motivo il
riduttore ad ingranaggi è molto più
complesso rispetto a quello
presente nei gruppi elettrogeni
45
detti turboalternatore.
Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
TURBOGAS
REGOLARITA’ DELLA COPPIA MOTRICE
Date le elevate velocità di rotazione della turbina a gas, la coppia
motrice sviluppata è molto regolare.
TEMPI DI AVVIAMENTO
Presentano la massima rapidità di avviamento. Per questa ragione gli
elettrogeni azionati da turbine a gas risultano adeguate per il servizio
di emergenza.
REGOLAZIONE DEL NUMERO DI GIRI
Molto rapida.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
TURBOGAS
A fronte di questi vantaggi, i turbogas presentano dei rilevanti
inconvenienti:
- presentano un basso rendimento (il rendimento complessivo di una centrale con
turbina a gas è superiore al 35 % rispetto allo 0.43 di una con turbina a vapore);
- utilizzano per la combustione combustibili pregiati e dunque più costosi;
- immettono nell’ambiente gas combusti ad alta temperatura (600-700 °C).
Tra i vantaggi da sottolineare c’è anche la compattezza dell’impianto
(peso e ingombro ridotto).
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
CENTRALI PRINCIPALI
GRUPPO
ELETTROGENO
Turboalternatori
Turbogas
Dieselalternatori
Generatori asse
MOTORE
PRIMO
+
Turbina a vapore
+
Generatore Sincrono
+
Generatore Sincrono
+
Generatore Sincrono
+
Generatore Sincrono
Turbina a gas
Motore diesel
Motore di propulsione
GENERATORE
ELETTRICO
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
DIESELALTERNATORE
Il gruppo elettrogeno detto dieselalternatore utilizza come motore
primo una motore diesel e come generatore elettrico un generatore
sincrono.
Come anticipato, questa tipologia di gruppo elettrogeno trova
applicazione nelle centrali principali e nelle centrali di emergenza.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
DIESELALTERNATORE
Il motore diesel è un motore a combustione interna, costituito da uno o più cilindri
in cui c’è un meccanismo che trasforma il moto traslatorio del pistone in un moto
rotatorio. In un motore a 4 tempi, l’aria viene immessa nel cilindro attraverso la
valvola di aspirazione. La valvola si chiude e il pistone sale, comprimendo l’aria e
surriscaldandola.
Attraverso un iniettore viene immesso
combustibile nell’aria arroventata. La
miscela esplode e crea una
sovrapressione che spinge il pistone
verso il basso. La valvola di scarico si
apre ed il pistone risalendo fa
fuoriuscire l'aria che è viene espulsa.
50
Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
DIESELALTERNATORE
Ogni dieselalternatore è costituito da una un motore diesel e dal
generatore sincrono. L’accoppiamento è realizzato senza riduttori di
velocità, ma spesso con un giunto elastico. E’ previsto anche un
sistema di avviamento del motore (che viene realizzato con un
piccolo motore alimentato in corrente continua) e un sistema di
raffreddamento del motore.
MOTORE DIESEL
G
I motori diesel impiegati a bordo possono
essere del tipo veloce o semiveloce. I diesel
veloci (1800 e 1200 g/m) possono essere
accoppiati con generatori sincroni a 2 o 3
coppie polari. Diesel semiveloci a 720 g/m
possono essere accoppiati con generatori
51
sincroni a 5 coppie polari.
Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
DIESELALTERNATORE
REGOLARITA’ DELLA COPPIA MOTRICE
Poiché il diesel è una macchina alternativa, la coppia motrice da esso
sviluppata e quindi la sua velocità non sono costanti ma pulsanti.
Questo fatto si esprime dicendo che il diesel ha un grado di
irregolarità i non nullo, definito dal rapporto
i= (nmax-nmin)/n,
dove nmax è la velocità massima dell’albero motore in un giro, nmin è la
velocità minima dell’albero motore in un giro e n è la velocità media.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
DIESELALTERNATORE
REGOLARITA’ DELLA COPPIA MOTRICE
L’irregolarità si ripercuote sulla frequenza della tensione generata, che non è
costante ma pulsante.
Le oscillazioni eccessive disturbano il corretto funzionamento dei motori elettrici e
possono provocare noiosi ‘sfarfallamenti’ nell’illuminazione.
Nel caso peggiore può accadere che le frequenza propria dell’irregolarità sia uguale
alla frequenza di risonanza del sistema elettrico di bordo: in tal caso tutto il sistema
entra in risonanza e comincia a pendolare.
Per ridurre tali svantaggi, vengono impiegati motori diesel molto veloci e con
elevato momento di inerzia, in modo tale da non risentire troppo della irregolarità
della coppia. Per contro tali motori presentano una maggiore rumorosità e
richiedono una grossa manutenzione in quanto sono soggetti a grosse sollecitazioni
53
meccaniche, proprie delle macchine alternative.
Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
DIESELALTERNATORE
REGOLARITA’ DELLA COPPIA MOTRICE
Le norme R.I.N.A. richiedono che devono essere rispettati dei valori
limite del grado di irregolarità, in maniera da non compromettere il
buon funzionamento dell’impianto elettrico di bordo.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
DIESELALTERNATORE
TEMPI DI AVVIAMENTO
Il motore diesel non è autoavviante (non origina spontaneamente il
ciclo di compressione-infiammazione) ma è molto veloce.
L’avviamento del gruppo può essere realizzato da un motore in
corrente continua alimentato con una batteria di accumulatori.
REGOLAZIONE DEL NUMERO DI GIRI
L’elevata inerzia del motore diesel rende difficoltosa la regolazione
del numero di giri.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
DIESELALTERNATORE
SOVRACCARICABILITA’
Il motore diesel è una macchina volumetrica è quindi poco
sovraccaricabile. Essi possono fornire:
- una sovrapotenza del 10 % rispetto a quella nominale per 2 h;
- una sovrapotenza del 50 % rispetto a quella nominale per 5’ a basso fattore di
potenza.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
CENTRALI PRINCIPALI
GRUPPO
ELETTROGENO
Turboalternatori
Turbogas
Dieselalternatori
Generatori asse
MOTORE
PRIMO
+
Turbina a vapore
+
Generatore Sincrono
+
Generatore Sincrono
+
Generatore Sincrono
+
Generatore Sincrono
Turbina a gas
Motore diesel
Motore di propulsione
GENERATORE
ELETTRICO
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
GENERATORE ASSE
Il gruppo elettrogeno detto generatore utilizza come motore primo
una motore di propulsione e come generatore elettrico un
generatore sincrono.
Come anticipato, questa tipologia di gruppo elettrogeno trova
applicazione nelle centrali principali.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
GENERATORE ASSE
L’idea del generatore asse si manifesta verso la fine degli anni ‘60
quando i progettisti, prendendo coscienza della crisi energetica,
intuirono la possibilità di risparmiare sul carburante necessario al
motore primo del gruppo elettrogeno, prelevando la potenza
necessaria all’approvvigionamento degli utenti elettrici dal motore di
propulsione.
59
Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
GENERATORE ASSE
Il sistema tradizionale della propulsione:
MOTORE
PROPULSIONE
evolve nel sistema della propulsione + generazione:
MOTORE
PROPULSIONE
GENERATORE
SINCRONO
60
Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
GENERATORE ASSE
La generazione asse può essere adottata sia nelle navi monoelica
sia nelle navi bielica; in quest’ultimo caso si installa un generatore
per ogni elica.
I generatori sincroni spillano dal motore di propulsione una quantità
di energia durante la fase di navigazione. Naturalmente devono
essere previsti dei gruppi elettrogeni ‘convenzionali’ ed ‘indipendenti’
che siano in grado di fornire energia elettrica durante la navigazione
nel caso in cui la nave rallenti e la velocità dell’elica sia troppo bassa
(es. in condizioni di mare agitato) e durante la sosta e le manovre nel
61
porto.
Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
GENERATORE ASSE
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
GENERATORE ASSE
L’utilizzo della generazione asse è legato a vantaggi economici:
- in esercizio: a parità di potenza elettrica da installare, è più
conveniente usare il motore di propulsione come motore primo
perché presenta un rendimento più elevato; ne consegue un
risparmio in termini di combustibile.
- in manutenzione: i gruppi elettrogeni indipendenti rimangono
inutilizzati durante la navigazione; ne conseguono costi di
manutenzione ridotti.
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Gruppi elettrogeni
GENERATORE ASSE
I principali svantaggi dell’adozione della generazione asse sono:
- frequenza della tensione generata: la velocità di rotazione
dell’elica dipende dal regime di navigazione con conseguente
variabilità della frequenza della tensione di alimentazione;
- realizzazione dell’asse: complicazioni dell’accoppiamento
meccanico tra asse dell’elica e generatore;
- coppia motrice: alto grado di irregolarità dovuto alle diverse
posizioni delle pale dell’elica rispetto alla superficie del mare
durante la rotazione.
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Gruppi elettrogeni
GENERATORE ASSE
Il problema della regolarità della coppia sviluppata dal motore di
propulsione è stato in parte risolto con l’introduzione di eliche con
pale orientabili. Tale soluzione ha favorito una diffusione del
generatore asse.
Il problema della costanza della frequenza della tensione di
alimentazione dell’impianto elettrico di bordo è stato risolto con
l’adozione di due soluzioni impiantistiche.
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Gruppi elettrogeni
GENERATORE ASSE
1) Generazione in corrente continua a tensione costante che alimenta un motore in
corrente continua che a sua volta aziona un generatore sincrono per la produzione
di energia elettrica in corrente alternata a tensione e frequenza costanti.
MOTORE
PROPULSIONE
GENERATORE
IN CORRENTE
CONTINUA
MOTORE IN
CORRENTE
CONTINUA
GS
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Gruppi elettrogeni
GENERATORE ASSE
2) Generazione in corrente alternata con conversione in corrente continua e
successiva inversione della corrente continua in corrente alternata a tensione e
frequenza costanti.
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Gruppi elettrogeni
GENERATORE ASSE
Per poter effettuare una valutazione sulla convenienza del
generatore asse, bisognerebbe determinare il costo del kWh
prodotto da un gruppo elettrogeno convenzionale e prodotto dalla
generazione asse, tenendo conto dei costi fissi (essenzialmente
legati all’installazione) e dei costi variabili (essenzialmente legati
all’esercizio e alla manutenzione).
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
GENERATORE ASSE
Per quanto riguarda i costi fissi: bisogna tenere conto dei maggiori costi di
installazione dovuti alla presenza di un motore di propulsione di potenza più
elevata.
Si deve tenere conto del costo della trasmissione meccanica tra l’elica e il
generatore sincrono. Difatti, è necessaria la presenza di una catena d’ingranaggi
per ottenere una velocità di rotazione del rotore del generatore sincrono superiore
a quella dell’ elica che è inferiore a quella necessaria. Quest’ultimo costo sarà
tanto minore quanto maggiore è la velocità di rotazione dell’ elica che per le navi
moderne è ≥1200giri/min.
Si devono inoltre tenere presenti il costo dei convertitori elettronici e di eventuali
sistemi di filtraggio legati alle distorsioni della forma d’onda della tensione dovuti
alla presenza di apparecchiature in tecnica elettronica.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
GENERATORE ASSE
Per quanto riguarda i costi variabili: bisogna valutare quello del combustibile e
della manutenzione.
Da alcune indagini, eseguite da società d’armatori tedesche, è emerso che
l’installazione dei generatori asse riduce il costo del kWh.
Esiste un grosso scetticismo. Di sicuro, i vantaggi della generazione asse sono
tanto maggiori quanto maggiore è la durata della navigazione rispetto a quella di
sosta nel porto.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
CICLI COMBINATI
Anche se non sono stati precedentemente classificati, è opportuno
menzionare una nuova tipologia di gruppi elettrogeni detti a ciclo
combinato.
Tali impianti stanno avendo molto successo soprattutto perché
hanno un elevato rendimento, un ridotto impatto ambientale e
nascono da una logica costruttiva estremamente semplice.
Si esegue, infatti, un primo ciclo termodinamico con impianti a gas
e poi con l’energia termica prelevata dai gas di scarico mediante
uno scambiatore di calore si produce vapore in un ciclo
termodinamico con turbina a vapore.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
CICLI COMBINATI
L’unico componente non
presente in un gruppo
elettrogeno con turbina a
vapore e in un gruppo
elettrogeno con turbina a
gas è il generatore di
vapore a recupero.
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Gruppi elettrogeni
CENTRALI DI EMERGENZA
Per tutte le navi mercantili di stazza lorda superiore o
uguale alle 500 t e per tutte le navi passeggeri abilitate a
navigazioni internazionali, i registri i registri impongono la
presenza di una fonte autonoma di alimentazione
dell’energia elettrica indipendente dalla centrale principale,
che viene denominata centrale di emergenza.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
CENTRALI DI EMERGENZA
La centrale d’emergenza deve essere sistemata a poppavia delle
paratie di collisione, fuori del cofano dell’apparato motore e sopra il
ponte delle paratie stagne, in modo che il suo funzionamento sia
sicuro in caso d’incendio o d’altri incidenti che mettano fuori uso la
centrale elettrica principale.
Da notare che tali prescrizioni si riferiscono non solo all’elettrogeno
ma a tutti i componenti della centrale stessa (quadri elettrici, serbatoi
di combustibile,accumulatori, apparecchiature d’avviamento e simili,
vale a dire a tutti i componenti della centrale stessa).
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
CENTRALI DI EMERGENZA
La centrale di emergenza è costituita da:
- uno o più gruppi elettrogeni autonomi del tipo dieselgeneratore
che devono fornire in condizione di emergenza l’energia necessaria
per alimentare i carichi elettrici preposti per la sicurezza delle persone
e dell’impianto;
- una batteria di accumulatori capace di sopperire al carico di
emergenza.
Data l’elevata velocità di avviamento dei turbogas, spesso gli elettrogeni azionati
da turbine a gas risultano adatti per le centrali di emergenza.
Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
CENTRALI DI EMERGENZA
GRUPPO
ELETTROGENO
Turbogas
Dieselalternatori
Batterie di accumulatori
MOTORE
PRIMO
Turbina a gas
Motore diesel
+
GENERATORE
ELETTRICO
+
Generatore Sincrono
+
Generatore Sincrono
-
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Gruppi elettrogeni
DIESELALTERNATORE
Il gruppo elettrogeno dieselalternatore deve essere in grado di
avviarsi anche quando la rete principale non è in grado di fornire
energia (black start).
Per ottenere tale risultato si deve tenere a disposizione la quantità
d’energia necessaria per l’avviamento e ciò di solito viene fatto
immagazzinando aria compressa o prevedendo un collegamento al
sistema UPS (Uninterruptible Power Supply).
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
BATTERIA DI ACCUMULATORI
Il sistema di accumulatori è presente allo scopo di disporre di
energia anche durante il tempo di avviamento dell’elettrogeno di
emergenza. Ovviamente tale batteria deve essere inserita
automaticamente in caso di mancanza della fonte principale. A
questo provvedono gli UPS che garantiscono una continuità in
sostanza assoluta dell’alimentazione a tutte quelle utenze che non
tollerano neppure una breve interruzione dell’alimentazione.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
alimentazione
proveniente dalla
centrale principale
BATTERIA DI ACCUMULATORI
In condizione di normale
funzionamento (in presenza
di tensione sulla rete fornita
dalla centrale principale) un
raddrizzatore ha il compito
di fornire alle batterie di
accumulatori l’energia
necessaria per mantenerli
alla massima carica.
raddrizzatore
batterie
di accumulatori
interruttore
statico
inverter
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carichi di emergenza
Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
alimentazione
proveniente dalla
centrale principale
BATTERIA DI ACCUMULATORI
In caso d’assenza di tensione,
l’interruttore statico commuta
in modo rapido (pochi
millisecondi) l’alimentazione
dei carichi dalla rete alle
batterie d’accumulatori, che
forniscono l’energia
precedentemente accumulata
attraverso l’inverter,che dovrà
essere naturalmente a
commutazione forzata.
raddrizzatore
interruttore
statico
batterie
di accumulatori
inverter
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carichi essenziali
Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
BATTERIA DI ACCUMULATORI
Nel caso in cui avvenga un guasto che metta fuori uso le
centrali principali, la centrale di emergenza deve alimentare tutti
quei servizi che sono necessari per la sicurezza dei passeggeri,
dell’ equipaggio e dell’impianto elettrico di bordo (impianto di
illuminazione di emergenza, impianto antincendio, servizi
ausiliari per l’avviamento dei gruppi elettrogeni, allarmi
essenziali).
Le centrali di emergenza devono sopportare il carico di
emergenza per almeno 36 ore nel caso di nave passeggeri, per
un periodo più breve nel caso di navi mercantili.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
BATTERIA DI ACCUMULATORI
Le batterie di accumulatori impiegate negli impianti elettrici a
bordo delle navi sono o al piombo o alcaline.
Gli accumulatori alcalini più utilizzati sono al Nichel–Cadmio.
Altri tipi di batterie che si stanno impiegando a bordo sono
quelle al litio (superiori alle batterie alcaline) e si utilizzano per
l’alimentazione degli strumenti oceanografici e dei sistemi
ecogoniometrici.
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Sottosistema di produzione
Gruppi elettrogeni
BATTERIA DI ACCUMULATORI
Relativamente alla disposizione delle batterie di accumulatori,
le norme CEI impongono che quelle di bassa potenza devono
essere sistemate in armadi adeguatamente ventilati e in locali a
temperatura inferiore ai 45 °C; quelle di potenza elevata
devono essere ubicate in locali diversi da quelli dell’apparato
motore, ventilati in modo che la temperatura non sia superiore
ai 45 °C.
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