Caricamento di metalli in cicli e caldaie: come salvare la centrale elettrica

Poiché a molte centrali elettriche a carbone progettate per il servizio di carico di base viene richiesto di funzionare in ciclo, sono state introdotte sollecitazioni impreviste sulle parti in pressione della caldaia. Comprendere gli effetti e implementare strategie di mitigazione potrebbe prevenire guasti prematuri ai componenti e mantenere le strutture operative in modo affidabile.

Il 3 agosto 2015, l’Environmental Protection Agency degli Stati Uniti ha finalizzato il Clean Power Plan, che prevede la riduzione dell’inquinamento da carbonio proveniente dalle centrali elettriche esistenti. Questa regola, unita ai bassi prezzi del gas naturale, potrebbe far sì che gli impianti alimentati a gas naturale vengano utilizzati più frequentemente per l’energia di base e che gli impianti alimentati a carbone vengano riciclati, più che mai, per soddisfare i requisiti della rete.

La maggior parte delle unità alimentate a carbone sono state progettate e costruite come unità di carico di base, senza alcuna previsione di variazioni significative del carico. Ma le turbine a combustione e i generatori di vapore a recupero di calore offrono efficienze termiche più elevate (circa il 60%) rispetto alle caldaie a carbone (i migliori impianti a vapore possono funzionare con un’efficienza massima di circa il 40%), il che contribuisce anche a un cambiamento nelle tendenze di dispacciamento.

Sebbene le centrali elettriche a carbone siano ancora molto richieste, le fonti alternative sono molto interessanti dal punto di vista ambientale. Le crescenti risorse variabili di energia rinnovabile, come l’energia solare ed eolica, stanno esercitando un’ulteriore pressione sulle centrali alimentate a carbone per il successivo carico. Tuttavia, il ciclo del carico negli impianti a carbone provoca effetti negativi a lungo e breve termine sull’affidabilità e sulla disponibilità delle apparecchiature.

Il ciclo di carico può includere condizioni di carico basso, avvio a caldo, avvio a caldo e/o avvio a freddo. Proprio come suggerisce il termine, una condizione di carico basso si verifica quando la potenza viene ridotta e l'unità viene utilizzata al carico minimo senza essere spenta. Quando un'unità viene accesa e spenta quotidianamente, di solito subisce un avvio a caldo. Gli avviamenti a caldo generalmente si verificano in unità che funzionano continuamente per quattro o cinque giorni e poi si spengono durante i fine settimana, mentre un avvio a freddo segue un arresto prolungato per manutenzione (di solito l'impianto avrà implementato una procedura di layup per questi lunghi periodi di manutenzione).

Di seguito sono riportati gli effetti indesiderati più comuni di questo tipo di operazioni ciclistiche.

Fatica da strisciamento. Le caldaie utilitarie vengono costruite utilizzando materiali e spessori diversi. Questi materiali si espandono e si contraggono a velocità diverse. Oltre ai danni da scorrimento viscoso, i componenti ad alta temperatura, come i surriscaldatori e i riscaldatori, sono soggetti a fatica termica e meccanica. L'effetto cumulativo è noto come fatica da scorrimento.

Il danno risultante è molto più grave del danno da creep o fatica isolato. Sotto carico ciclico, le saldature tra tubo e collettore sviluppano fessurazioni a causa di una combinazione di sollecitazioni di fatica e sollecitazioni circolari. Le sollecitazioni da fatica possono derivare dal movimento relativo tra i componenti, in particolare durante il riscaldamento o il raffreddamento, o quando si verificano cambiamenti di carico dovuti a sollecitazioni transitorie. Possono essere presenti sollecitazioni da fatica anche a causa di una flessibilità inadeguata della gamba del tubo, di supporti/attaccamenti difettosi o di attacchi rigidi sulle parti sotto pressione.

Rottura dei legamenti. I singoli tubi di surriscaldamento (SH) e riscaldamento successivo (RH) ad alta temperatura possono funzionare a temperature diverse a causa delle variazioni nella distribuzione del calore, delle scorie, delle incrostazioni e del disallineamento. Pertanto, il vapore entra nel collettore a temperature diverse.

Il ciclo di carico aggrava la differenza di temperatura tra i singoli tubi, poiché la velocità di accensione viene regolata durante i cambiamenti di carico per mantenere la pressione e la temperatura. Durante l'aumento del carico, la caldaia va temporaneamente in sovraccarico e la condizione si inverte quando il carico viene ridotto. Ciò provoca shock termici transitori alla testata, con conseguente rottura dei legamenti.

Fatica termica del circuito ad alta temperatura. Oltre a queste sollecitazioni termiche, le sollecitazioni esterne associate all'espansione e alla contrazione della testata possono causare danni alle unità ciclistiche, con conseguenti cricche da fatica sugli attacchi. Un ulteriore componente di fatica può esistere ovunque i componenti siano uniti tramite saldatura, poiché parti diverse si espandono e si contraggono a velocità diverse. Sebbene la componente di fatica rientri nel limite di resistenza, influenzerà le proprietà di scorrimento dei componenti.