Perché i termistori ad alta temperatura sono fondamentali per il funzionamento delle centrali elettriche?

Come i termistori ad alta temperatura garantiscono la sicurezza termica in tempo reale nelle applicazioni critiche nel settore energetico

In scenari di runaway termico nei cuscinetti delle turbine, nei trasformatori e nei sistemi caldaia

Quando si verifica una corsa termica nei cuscinetti delle turbine, nei trasformatori o nei tubi della caldaia, i guasti agli impianti avvengono istantaneamente. Ad esempio, a temperature dei cuscinetti superiori a 200 gradi Celsius, i lubrificanti finiscono per degradarsi. L’isolamento dei trasformatori cede a temperature superiori a 150 gradi, mentre i tubi della caldaia che si surriscaldano eccessivamente sviluppano incrostazioni che provocano rotture. La maggior parte dei sensori tradizionali è semplicemente troppo lenta per rilevare questi repentini cambiamenti di temperatura. I termistori ad alta temperatura dispongono della tecnologia necessaria per individuare un accumulo anomalo di calore e reagire in pochissime frazioni di secondo. I termistori ad alta temperatura eseguono una misura della resistenza, poiché quest’ultima varia con una velocità pari al 90% superiore rispetto ai vecchi sensori analogici bimetallici. Ciò consente all’operatore dell’impianto di attivare un sistema di raffreddamento prima che si raggiunga una condizione di corsa termica. Recentemente, nel 2023, Doe Power Systems ha fornito analisi che dimostrano come l’evitare questi arresti non pianificati consenta agli impianti energetici di risparmiare circa mezzo milione di dollari.

Le prestazioni di precisione rappresentano un'eccellente prestazione superiore, con i termistori in grado di sopportare alte temperature con una tolleranza di ± 0,5 °C su un carico termico compreso tra 0 °C e 300 °C e per 10.000 cicli fino a 400 °C. I termistori sono inoltre significativamente migliori rispetto ai termoresistenze al platino (RTD), che presentano una deriva superiore a ± 2 °C già dopo soli 1.000 cicli fino a 300 °C. I termistori brevettati utilizzano un particolare composto di ossido metallico che mostra virtualmente alcuna degradazione cristallina sotto sollecitazioni termiche estreme, conferendo così ai termistori la capacità di offrire interessanti vantaggi quali:

1. Assenza di interferenze elettromagnetiche. Ciò contribuisce all’integrità stabile del segnale anche in prossimità di apparecchiature di commutazione da 20 kV, come mai prima d’ora.

2. Deriva della stabilità. Questa è caratterizzata da uno spostamento della calibrazione < 0,1 % durante le ore operative a 400 °C.

3. Assenza di degradazione sotto carichi vibrationali meccanici di 50 g, tipici degli ambienti operativi delle turbine.

Le valutazioni dei termistori utilizzati negli impianti a ciclo combinato hanno dimostrato una riduzione del 70% degli allarmi falsi rispetto ai sensori obsoleti. Ciò contribuisce in modo significativo al miglioramento sia della fiducia operativa sia della sicurezza complessiva. I termistori, grazie al loro tempo di risposta a livello di microsecondo, garantiscono affidabilità durante gli eventi termici, poiché forniscono il tempo operativo necessario per arresti preventivi.

Perché i termistori ad alta temperatura sono migliori dei sensori tradizionali nelle condizioni estreme degli impianti elettrici

Termistori contro RTD al platino: tempo di risposta ed EMI

I termistori ad alta temperatura hanno un tempo di risposta circa dieci volte più rapido rispetto ai tradizionali termoresistenze al platino (RTD). I termistori sono in grado di rilevare e reagire entro 2 secondi alle variazioni di temperatura causate da cambiamenti di carico alla turbina. Tempi di risposta rapidi sono fondamentali per prevenire una serie di eventi, ad esempio picchi imprevisti di livello e carico che possono provocare surriscaldamento dovuto all’afflusso di corrente di inserzione del trasformatore. Sono inoltre realizzati con materiali che garantiscono sia schermatura termica sia schermatura contro le interferenze elettromagnetiche (EMI), consentendo quindi letture di temperatura stabili, a differenza delle RTD, che nei quadri di commutazione da 100 kV possono presentare deriva fino a ±3 gradi Celsius. Nei locali contenenti generatori, affollati di apparecchiature elettriche generatrici di EMI, i termistori rappresentano l’unica soluzione praticabile per effettuare misurazioni di temperatura accurate senza interferenze continue sul segnale.

Metalli e ceramiche sigillanti per un MTBF superiore a 15 anni in presenza di gas di scarico a temperatura superiore a 400 gradi Celsius

La saldatura laser per sigilli ermetici su giunti di metallo e ceramica garantisce una durata di 15 anni agli apparecchi installati nei canali con temperature dei fumi di scarico pari a 425 gradi Celsius. I sigilli impediscono l’ingresso degli ossidi di zolfo, che distruggerebbero sensori non protetti entro 18 mesi. Test ed esami strutturali dimostrano che tali sigilli mantengono una precisione di ±0,5 gradi Celsius per oltre 50.000 cicli termici. I supporti standard per RTD perdono la loro accuratezza a causa di urti meccanici. Rispetto ai tradizionali sensori al platino, che richiedono una taratura ogni tre mesi, questi termistori funzionano in modo affidabile anche negli ambienti avversi in cui operano le caldaie a carbone. Secondo i rapporti industriali del 2023, l’impiego di questi termistori riduce i costi di manutenzione del 66%, evidenziando così il vantaggio economico a lungo termine per gli operatori degli impianti.

Rilevamento dell’incrostazione nei tubi del condensatore mediante reti di termistori periferici

Quando collegato a una rete IIoT abilitata per l’edge computing, un singolo termistore ad alta temperatura è in grado di rilevare e segnalare variazioni di temperatura con una precisione di 0,1 °C. Questo sensore di temperatura ottimizzato può monitorare attivamente la distribuzione del calore nella rete e rilevare problemi di prestazione causati da incrostazioni o restrizioni di flusso. Invece di analizzare uno o due punti isolati, reti di sensori termistori distribuite su tutta la superficie del sistema possono fornire una visione completa delle prestazioni del sistema. La mappatura termistorica consente di diagnosticare con precisione una restrizione di flusso nel tubo 7B con un’accuratezza pari al 98%. Dai dati provenienti dai sensori termistori, algoritmi predittivi possono segnalare un’elevata probabilità di restrizione di flusso con 72 ore di anticipo. I primi utilizzatori di termistori ad alta temperatura nella manutenzione predittiva riportano una riduzione del 40% dei fermi non pianificati dei sistemi di raffreddamento in una centrale elettrica. Inoltre, il personale addetto alla manutenzione riceve avvisi in meno di mezzo secondo dall’occorrenza di un evento edge, grazie all’elaborazione locale degli eventi edge. Questo semplice algoritmo può costituire la base per un algoritmo di manutenzione predittiva di ordine superiore.

Rilevanza operativa: il caso dei termistori ad alta temperatura nella generazione di energia

Gli impianti di generazione di energia ottengono un valore significativo dai termistori ad alta temperatura. Secondo l’Istituto Ponemon, ogni fermo non programmato comporta costi medi pari a 740 000 USD; la rilevazione precoce di anomalie termiche da parte dei termistori nei sistemi di monitoraggio delle turbine riduce drasticamente il numero di guasti ai cuscinetti (dal 50% all’80% dei guasti). I termistori ad alta temperatura estendono la durata utile dei trasformatori del 40–60%, poiché evitano che brusche variazioni del carico elettrico danneggino l’isolamento dei trasformatori. L'affidabilità degli impianti aumenta di oltre tre volte quando i vecchi sensori di controllo della caldaia vengono sostituiti con termistori ad alta temperatura. La maggior parte degli impianti recupera i costi dell’investimento entro 18–24 mesi. I termistori sono fondamentali per ridurre i costi, mitigare i rischi e mantenere l’efficienza operativa negli impianti termoelettrici.

Domande frequenti – Termistori ad alta temperatura

Qual è la funzione dei termistori ad alta temperatura?

I termistori ad alta temperatura vengono utilizzati in importanti sistemi di alimentazione, come turbine, trasformatori e sistemi di caldaie, per rilevare rapide aumenti di temperatura ed evitare danni ai sistemi.

Quali vantaggi offrono i termistori rispetto ai sensori di temperatura a resistenza in platino (RTD) nelle centrali elettriche?

I termistori presentano una migliore immunità alle interferenze elettromagnetiche (EMI) e una risposta transitoria più rapida, consentendo quindi misurazioni più accurate negli ambienti estremi di temperatura tipici delle centrali elettriche.

Quale ruolo svolgono i termistori nella manutenzione predittiva?

I termistori vengono impiegati nella manutenzione predittiva migliorando l’elaborazione analitica ai dispositivi periferici (edge) grazie al rilevamento di anomalie termiche minime e riducendo i fermi imprevisti.