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In questo lavoro di tesi, svolto presso Baker Hughes – Nuovo Pignone, si è costruito un modello dinamico orientato al controllo di una turbina a gas bi-albero appartenente alla famiglia Nova LT. La serie NovaLT è la prima famiglia di turbine a gas ad alte prestazioni del settore, progettate per l'idrogeno e per altri combustibili a basso contenuto di carbonio. Essa, essendo una turbina a gas bi-albero, è composta da un gas generator (GG) costituito da un compressore ed una turbina di alta pressione (HPT) collegati da un primo albero, mentre, svincolata dal GG, vi è una turbina di bassa pressione (LPT) con un secondo albero, il quale è collegato direttamente ad un generatore elettrico, nel caso di utilizzo della turbina a gas come generator drive, o direttamente al carico resistente nel caso di utilizzo mechanical drive.
Questa turbina a gas presenta due zone di palettatura (Inlet Guide Vanes e Nozzle Guide Vanes) che sono fondamentali nella regolazione del flusso e quindi del comportamento dell’intera macchina. Le IGV si trovano all’ingresso del compressore e vengono regolate sulla base della velocità del primo albero; il loro scopo è quello di far aspirare meno aria ad un carico parziale in modo tale da mantenere le temperature di accensione e di scarico vicine al "pieno carico". Le NGV sono posizionate tra il GG e la LPT, esse, oltre a regolare il flusso, sono in grado di bilanciare il carico cambiando il ciclo di espansione termodinamico tra HPT e LPT.
Lo sviluppo del modello si è basato su una parte di modellazione statica effettuata tramite un tool interno all’azienda (chiamato "Cycle Deck") che consente di ottenere i dati di macchina; con quest’ultimo si è ricavata, in particolare, la relazione che lega la variazione di angolo di NGV con il volume del flusso tra turbina di alta e bassa pressione. Conoscendo suddetto volume si è potuta fare l’analisi termodinamica dell’intera espansione nel piano PV, sfruttando le equazioni di espansione adiabatiche.
Le dinamiche presenti nel modello sono quelle relative alle velocità dei due alberi, denominate rispettivamente TNL (velocità dell’albero della turbina di bassa pressione) e TNH (di alta pressione). La prima viene utilizzata da un regolatore PI che determina l’ammontare di carburante necessario a garantire la massima velocità di quest’albero (7800 rpm), essa viene scalata da un riduttore ad un valore di 1500 rpm che è la velocità alla quale il generatore utilizzato produce una frequenza di rete pari a 50Hz.
Il TNH ottenuto dalla seconda dinamica, invece, permette di ricavare in schedula il valore di IGV; entrambi entrano in una opportuna mappa che determina il flusso d’aria in ingresso al compressore e il salto di pressione che quest’ultimo deve realizzare.
È stato utilizzato un secondo regolatore PI con cui regolare l’NGV in modo tale da raffrescare la macchina ed avere una temperatura di scarico pari a quella reale, per realizzare ciò è stata fondamentale la conoscenza della precedente relazione NGV-Volume che permette di variare l'espansione e di conseguenza anche la temperatura di scarico della macchina.
Infine, si è passati alla validazione del modello, prima dal punto di vista statico, confrontando i punti di funzionamento a cui arriva la macchina, per ogni step di carico, con quelli nominali ed in seguito dal punto di vista dinamico andando ad osservare le riposte al gradino. Per fare ciò è stato necessario identificare il modello e ricavare le funzioni di trasferimento tra gli ingressi di controllo (Fuel e NGV) e le uscite di interesse, inserendo opportunamente degli eventuali filtri lag laddove il tempo di assestamento e il valore finale non era prossimo a quello reale.
Dalle analisi condotte il modello risponde accuratamente, in termini di stabilità e convergenza, alle richieste di carico e raggiunge i punti di funzionamento che ci si aspetta con un minimo errore percentuale.

With the following thesis work, developed at Baker Hughes - Nuovo Pignone, the aim is to build a control-oriented dynamic model of a twin-shaft gas turbine in the Nova LT family. The NovaLT series is the industry's first family of high-performance gas turbines designed for hydrogen and other low-carbon fuels.
Being a a twin-shaft gas turbine, is consisting of a gas generator (GG) made up of a compressor and a high-pressure turbine (HPT) connected by a first shaft, while, released from the GG, there is a low-pressure turbine (LPT) with a second shaft, which is connected directly to an electric generator, in the case of using the gas turbine as a generator drive, or directly to the load resisting in the case of using mechanical drive.
This type of gas turbine has two vane zones (Inlet Guide Vanes and Nozzle Guide Vanes) that are crucial in regulating the flow and hence the behavior of the whole machine. The IGVs are located at the inlet of the compressor and are adjusted based on the speed of the first shaft; their purpose is to get less air sucked in at partial load so that ignition and exhaust temperatures are kept close to "full load." NGVs instead are placed between the GG and LPT; as well as regulating the flow, they are able to balance the load by changing the thermodynamic expansion cycle between HPT and LPT.
The development of the model was based on a part of static modeling done through an internal tool (called "Cycle Deck") in order to obtain real data; with the latter, in particular, the relationship associating the change in NGV angle with the flow volume between the high-pressure and low-pressure turbine was derived. By knowing mentioned volume, the thermodynamic analysis of the entire expansion in the PV plane could be done, using the adiabatic expansion equations.
The dynamics present in the model are those related to the velocities of the two shafts, named TNL (low-pressure turbine shaft speed) and TNH (high-pressure), respectively. The first one is used by a PI controller that sets the amount of fuel needed to guarantee the maximum speed of this shaft (7800 rpm), it is scaled by a gearbox to a value of 1500 rpm, that is the speed at which our generator produces a grid frequency of 50Hz.
The TNH obtained from the second dynamic, on the other hand, is used to calculate the value of IGV in schedula; both inputs into an appropriate map that determines the airflow inlet to the compressor and the pressure drop to be made by the latter.
A second PI controller was used with which to regulate the NGV so that it cools the machine and has a discharge temperature equal to the targettemperature; to achieve this, it was essential the previous NGV-Volume relationship, which permits to vary the expansion and consequently also the discharge temperature of the machine.
Finally, we proceeded to validate the model, first from the static point of view by comparing the operating points reached by the machine, for each load step, with the nominal ones and then from the dynamic point of view by observing the step responses. This was accomplished by identifying the model and extracting the transfer functions between the control inputs (Fuel and NGV) and the desidered outputs, appropriately fitting lag filters where the rise time and final value differed.
From the analyses conducted, the model responds accurately, in terms of stability and convergence, to the load demands and reaches the expected operating points with minimal percent error.