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TECNOLOGIE E SISTEMI AVANZATI PER LA NAUTICA IMPIANTI ELETTRICI DI BORDO Pierluigi Caramia Anna Rita Di Fazio A.A.2010/2011 1 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 2 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 3 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 4 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. 5 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). 6 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 7 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 8 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 9 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 10 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 11 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. 12 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. 13 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 14 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 - 15 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. 16 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. 17 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. 18 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 19 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). 20 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 21 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 22 verticale Sottosistema di produzione Gruppi elettrogeni GENERATORE SINCRONO TURBOALTERNATORE ALTERNATORE 23 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. 24 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. 25 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) 26 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. 27 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. 28 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 29 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. 30 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. 31 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 32 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). 33 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. 34 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. 35 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. 36 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. 37 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. 39 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. 40 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 41 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. 42 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 43 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). 44 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. 46 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). 47 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 48 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. 49 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. 52 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. 54 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. 55 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. 56 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 57 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. 58 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 62 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. 63 Sottosistema di produzione 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. 64 Sottosistema di produzione 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. 65 Sottosistema di produzione 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 66 Sottosistema di produzione 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. 67 Sottosistema di produzione 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). 68 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. 69 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. 70 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. 71 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. 72 Sottosistema di produzione 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. 73 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). 74 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 - 76 Sottosistema di produzione 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). 77 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. 78 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 79 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 80 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. 81 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. 82 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. 83
