8 Principi Generali PER LA Progettazione Degli Impianti DI Servizio PDF

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1 PRINCIPI GENERALI PER LA PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI DI SERVIZIO Si è già definito l’impianto industriale come un sottosistema tecnico di un sistema produttivo, costituito da un complesso di mezzi tecnici atti a produrre beni o servizi utili all’uomo con processi di vario genere, facenti parte di una più ampia organizzazione detta sistema produttivo. All’interno del sistema produttivo si posso distinguere uno o più impianti produttivi che realizzano il ciclo produttivo e più impianti complementari di servizio, volti ciascuno al soddisfacimento di una determinata esigenza del processo produttivo. impianto tecnologico: unità organica nella quale si realizza tutto o parte del ciclo di trasformazione dei beni in ingresso in beni in uscita. impianto di servizio: unità organica che realizza al suo interno un ciclo compiuto di trattamento di un servizio, come fornire acqua industriale, energia elettrica, termica, aria compressa, ecc. Classificazione degli impianti di servizio Gli impianti di servizio sono classificati attraverso i seguenti driver: 1) Entità servita a) Mezzi produttivi b) Materiali c) Persone 2) Tipo di servizio a) Alimentazione (centrifughi): il servizio prodotto da un’unità centrale viene distribuito nei punti di utilizzazione (es. energia elettrica, acqua industriale, ecc) b) Scarico (centripeti): il servizio è “raccolto” dalle utenze e convogliato ad un centro di raccolta (es. effluenti liquidi) 3) Funzione svolta a) Produzione e/o distribuzione di energia elettrica, meccanica e termica agli impianti tecnologici b) Alimentazione, trasporto e scarico di materiali solidi o fluidi (liquidi, vapori, gas) c) Realizzazione di condizioni ambientali idonee alla produzione e conservazione dei beni e al benessere dei lavoratori (illuminazione, ventilazione, condizionamento, ecc) d) Realizzazione di condizioni di igiene e sicurezza negli ambienti di lavoro e all’esterno (aspirazione e abbattimento polluzioni, sistemi antincendio, ecc) Servizi ausiliari di impianto Per servizi ausiliari di impianto si intendono tutti quei sistemi che trasportano, producono, distribuiscono e rendono usufruibile alle utenze i servomezzi necessari al funzionamento delle stesse, nei tempi, nei modi e nei luoghi richiesti. I servizi ausiliari servono per reperire/produrre un servomezzo e per renderlo disponibile alle utenze. Un servomezzo è definito come il mezzo che serve al funzionamento delle macchine e del sistema di produzione: è un flusso che permette alla macchina di effettuare una data operazione. -Vapore: è un servomezzo termico -Energia elettrica -Aria compressa: per tutti gli strumenti pneumatici -Acqua industriale: in pressione, di raffreddamento, come fluido processo, per lavaggio, di caldaia, sanitaria, ecc. Dottore Ingegnere Lombroni Riccardo

2 -Combustibili gassosi, liquidi o solidi Schema generale servizi ausiliari

S – Sorgente Rappresenta la fonte dalla quale è possibile approvvigionarsi del servomezzo. Ad esempio nel caso in cui il servomezzo sia l’acqua le sorgenti possono essere laghi, fiumi, mari, pozzi artesiani o freatici. L’esigenza o meno di una fonte di acqua preesistente può influenzare notevolmente l’ubicazione di un impianto. P / A – Produzione/Approvvigionamento In questa fase si stabilisce la quantità del servomezzo che deve essere approvvigionata o prodotta e si definiscono rispettivamente le modalità d’approvvigionamento o di produzione. I sistemi di produzione variano dal compressore per l’aria compressa ai generatori per il vapore d’acqua e per l’energia: la scelta progettuale fondamentale in questi casi è quella relativa alla centralizzazione o decentralizzazione del servizio. In genere, se i costi di produzione sono maggiori di quelli di distribuzione, si preferisce centralizzare, si sceglie invece di decentralizzare nel caso opposto. T – Trattamento In questa fase la quantità del servomezzo definita nella fase precedente, viene trattata per ottenere la qualità richiesta delle utenze. Normalmente i trattamenti si esauriscono in trasformazioni chimicofisiche. Ad esempio l’acqua utilizzata per produrre vapore è generalmente demineralizzata e sedimentata per il limitare il contenuto di impurità. A – Accumulo In alcuni casi può essere necessario prevedere un sistema di accumulo per poter soddisfare nella maniera più efficiente le richieste delle utenze anche nel caso esse siano fortemente discontinue. L’accumulo può essere inconveniente e/o addirittura non fattibile, come si verifica per l’energia. D – Distribuzione In questa fase si progetta la rete di distribuzione e si opera la scelta, in base al tipo di servizio che si sta progettando, tra una rete chiusa, definita rete a maglia, in cui ogni utenza è raggiungibile da due direzioni, e una rete aperta, definita rete a pettine, in cui ogni utenza è raggiungibile da una sola direzione. La rete di distribuzione è costituita dall’insieme di tubi e accessori di rete che servono a portare il servomezzo da dove è disponibile a dove è necessario, mantenendo per quanto possibili intatte le caratteristiche del servomezzo stesso. Le difficoltà progettuali riguardano la scelta dei materiali, della struttura della rete, ecc.

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La prima fase della progettazione consiste nell’individuazione delle caratteristiche delle utenze da servire. Tali caratteristiche sono ubicazione delle utenze, tipo di servizio richiesto, qualità (ad esempio pressione e temperatura del vapore o tensione e potenza elettrica attiva), quantità del servizio richiesto. La seconda fase consiste nella definizione delle caratteristiche dell’impianto di cui si necessita, nella rassegna delle alternative per soddisfare tali esigenze di servizio. La terza fase consiste nell’individuazione della soluzione tecnica migliore in termini tecnicoeconomici. Scelta la soluzione migliore, si passa ad individuare qualitativamente tutti i componenti necessari al sistema di servizio e si decide per ognuno di essi il “tipo” (pompe centrifughe o alternative, lampade fluorescenti o a vapori di mercurio, ecc). La quinta fase consiste nel dimensionamento dei singoli componenti individuati. Il dimensionamento non prevede di entrare nel dettaglio costruttivo di ognuno di essi, ma si limita a definirne le caratteristiche “esterne” (il diametro e lo spessore di una tubazione, il volume di un serbatoio, ecc). Il progettista procede partendo dalle utenze e risalendo fino alla centrale o punto di raccolta, dimensionando nel senso sopra definito tutti i componenti di cui via via necessità l’impianto di servizio. La sesta fase consiste nella verifica della rispondenza del progetto ai vincoli di sicurezza e igiene del lavoro al fine di valutare la compatibilità del servizio con la presenza del personale. La settima fase consiste nella standardizzazione dei materiali, ossia in una serie di operazioni, come la riduzione della varietà dei tipi, l’unificazione delle dimensioni, l’adeguamento delle dimensioni a quelle normalmente disponibili in commercio (normalizzazione), il cui fine è ridurre i costi di acquisto dei materiali, ottenere sconti quantità, facilitare la gestione. L’ottava e ultima fase della progettazione consiste nella stesura di un disegno esecutivo e la definizione delle istruzioni di montaggio. Dottore Ingegnere Lombroni Riccardo

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Problemi ricorrenti nella progettazione di un impianto di servizio Produzione/Approvvigionamento Il problema della produzione o dell’approvvigionamento di un servomezzo si pone essenzialmente per l’energia elettrica, per l’approvvigionamento idrico e per il trattamento delle acque reflue. o Energia elettrica: -Allacciamento ente fornitura esterno -Produzione in proprio -Soluzioni miste (parallelo) o Approvvigionamento idrico -Acquedotto comunale -Pozzi propri, derivazione da fiumi, ecc o Trattamento reflui -in proprio -impianto consortile Continuità di funzionamento Le interruzioni del funzionamento di un impianto che causano una riduzione del volume produttivo generano un costo di inefficienza da mancato reddito. Per un impianto industriale nella sua interezza il costo di inefficienza è pari al prodotto tra il margine di contribuzione e il volume di mancata produzione Q. Tale affermazione è valida sotto due ipotesi: -I costi variabili non vengono sostenuti quando l’impianto di servizio è fermo. Ciò non si verifica quando gli impianti di produzione continuano a realizzare prodotti nonostante la mancata fruibilità del servomezzo, i quali sono in seguito scartati per difettosità. -Non si può produrre in un altro momento né acquistare da terzi materiale per rimpiazzare prodotti non realizzati. richiami L’affidabilità è definita come la probabilità che un sistema operi nel modo richiesto per un determinato periodo di tempo se impiegato nelle condizioni prestabilite. La manutenibilità è definita come la caratteristica intrinseca di un sistema ed è relativa alla facilità, all’economia e alla sicurezza dell’assolvimento delle operazioni di manutenzione, ossia di tutte quelle azioni tecniche ed amministrative corrispondenti, intese a conservare o ripristinare il sistema nello stato nel quale può adempiere alla funzione richiesta. La disponibilità è la capacità di un sistema di svolgere la propria funzione in un prefissato istante di tempo. aumentare la continuità di funzionamento La continuità di funzionamento di un sistema può essere aumentata agendo sull’affidabilità, scegliendo i componenti con un’affidabilità migliore, aggiungendo componenti di riserva anche detti di backup (sistemi ridondanti), introducendo politiche di manutenzione preventive. Ma anche agendo sulla manutenibilità, riducendo i tempi di intervento e la durata degli interventi. tipologia dei sistemi in relazione alla continuità di funzionamento Per sistemi in un cui tutti i componenti sono in serie, il non funzionamento di ciascuno dei componenti provoca il non funzionamento del sistema. Dottore Ingegnere Lombroni Riccardo

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Dove Rs è la disponibilità del sistema e As è l’affidabilità del sistema. Quando si vuole evitare la situazione che si genera nei sistemi in serie a causa della rottura dei componenti e svincolare il funzionamento globale di un sistema dal funzionamento dei singoli macchinari si utilizzano sistemi in parallelo con ridondanza. In questi sistemi la potenzialità istallata è superiore al necessario, in particolare si sovradimensionano i componenti rispetto al numero di quelli strettamente necessari al buon funzionamento del sistema.

La disponibilità e l’affidabilità di sistemi in parallelo senza ridondanza non può essere calcolata con le stesse relazioni utilizzate per i sistemi in parallelo con ridondanza. I sistemi in parallelo con ridondanza sono differenti dagli altri in quanto questi ultimi non possiedono una potenzialità superiore al necessario in grado di garantire il buon funzionamento del sistema in caso di temporanea rottura di uno dei componenti. In tal caso la disponibilità del sistema è pari al prodotto delle disponibilità (stessa disponibilità del sistema serie al quale è assimilabile da un punto di vista affidabilistico). E’ sempre possibile migliorare la continuità di funzionamento di un sistema prevedendo opportune riserve in parallelo. Tuttavia i componenti di backup comportano costi maggiori. La soluzione ottimale è quelle che prevede costo totale minimo:

Centralizzazione e decentralizzazione Un impianto è centralizzato quando le richieste di servomezzo delle singole utenze vengono soddisfatte, globalmente, da un unico generatore. Dottore Ingegnere Lombroni Riccardo

6 Un impianto è decentralizzato quando le richieste globali sono soddisfate da più generatori decentralizzati dimensionati e posizionati opportunamente.

Motivi a favore della centralizzazione o Economie di scala di tipo tecnico: i costi di esercizio di un componente/impianto aumentano meno che proporzionalmente rispetto alle potenzialità. Un impianto centralizzato che assolve alla stessa potenzialità di un impianto decentralizzato è conveniente dal punto di vista del risparmio. o Economie dei costi di impianto: il costo di impianto di un componente, una volta fissato il tipo, aumenta meno che linearmente rispetto alle potenzialità. o Economie nei costi di esercizio: -costi dell’ammortamento -costi della manutenzione -costo del lavoro -costi dell’energia (macchine grandi hanno generalmente rendimenti migliori di macchine piccole) o Livellamento delle richieste: spesso i diagrammi di richiesta delle utenze presentano dei picchi di breve durata dovuti a sovrapposizioni del tutto casuali delle richieste. In condizioni di funzionamento indipendente delle varie utenze, considerato che in assenza di sistemi di accumulo le potenzialità degli impianti di servizio devono essere non inferiori al valore massimo delle richieste, la potenzialità complessiva richiesta ad un impianto centralizzato è inferiore alla potenzialità complessiva richiesta ad un impianto decentralizzato, in quanto i picchi di richiesta tendono a compensarsi. Motivi a favore della decentralizzazione o Elasticità: i sistemi produttivi dotati di impianti di servizio centralizzati sono meno in grado di variare i livelli produttivi senza aggravi sensibili nei costi unitari di produzione. L’elasticità è elevata suddividendo la potenzialità totale in un certo numero di unità delle quali vengono mantenute attive solo quelle necessarie.

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7 o Continuità di esercizio: in caso di assenza di una grossa unità di riserva, con la centralizzazione si perde in continuità in quanto un guasto dell’impianto può bloccare l’intero sistema o Economie di scala nei costi di distribuzione: al crescere della centralizzazione, in maniera dipendente dalla dislocazione delle utenze, cresce la distanza media del generatore dalle utenze e ciò provoca un aumento dei costi di distribuzione in termini di costi di impianto (aumento della lunghezza di tubazioni o conduttori) e di costi di esercizio (aumento dei costi di energia per compensare perdite) Scelta della soluzione migliore L’entità dei risparmi differenziali, uniti ad altri aspetti come la sicurezza, la manutenzione, l’esigenze di spazio, fanno in genere propendere per la centralizzazione, possibilmente baricentrica rispetto alle utenze per minimizzare gli effetti delle economie di scala nei costi di distribuzione, con frazionamento. Esistono chiaramente soluzioni parziali e miste specialmente nei grandi complessi industriali o per specifiche applicazioni. Il frazionamento consiste nella suddivisione della potenzialità totale in un certo numero di unità uguali di generazione, inserendo eventualmente unità di backup. I vantaggi che genera il frazionamento sono legati alla possibilità di modulare in modo discreto il ritmo di produzione del servizio al variare del ritmo produttivo legato al variare della domanda (maggiore elasticità di funzionamento), alla maggiore continuità di funzionamento, anche eventualmente a potenzialità ridotta, nel caso indisponibilità di qualche unità (maggiore disponibilità) e alla presenza di unità di riserva molto più piccole rispetto alla configurazione non frazionata.

Dimensionamento sistema Generatore-Accumulatore Un accumulatore è un componente di un impianto che ha la funzione di compensare la mancata capacità del generatore di servire soddisfacentemente gli impianti di produzione durante le fasi di punta della richiesta e di fungere da riserva di emergenza. Il sistema generatore-accumulatore deve essere tale da minimizzare i costi totali. QG è la portata alla quale si decide di dimensionare l’impianto. Dottore Ingegnere Lombroni Riccardo

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La potenzialità complessiva della centrale deve essere leggermente superiore alla richiesta totale per tener conto delle perdite.

Nel caso in cui sia possibile l’accumulo si utilizzano una o più unità per coprire la richiesta media Pm e si dimensiona un accumulatore in maniera tale da compensare la mancanza di servomezzo negli intervalli di punta della richiesta. Nel caso non sia possibile l’accumulo si utilizzano una o più unità che coprano la richiesta di base e si istalla un’unità che, con modulazione on-off, copra la richiesta massima.

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Nel caso in cui sia possibile l’accumulo si utilizzano una o più unità per garantire la potenzialità media e si dimensiona un accumulatore che compensi la mancanza di servomezzo durante i picchi casuali di richiesta. Nel in cui non sia possibile l’accumulo si installano una o più unità fino alla potenzialità massima richiesta. Altrimenti si installano una o più unità per coprire il fabbisogno minimo di servomezzo e si configura un allacciamento ad una fonte esterna, qualora sia possibile.

Chiusura dell’impianto Una volta che il servomezzo ha raggiunto le utenze ed è stato utilizzato secondo quanto previsto dalla sua natura, nel caso in cui il servomezzo sia rinnovabile è possibile prevedere a valle delle utenze un trattamento di rigenerazione o ricondizionamento per riportare il fluido evolvente nelle condizioni iniziali prima di riversarlo nel dispositivo di accumulo. Nel caso in cui il servomezzo non sia rinnovabile è invece opportuno prevedere un opportuno trattamento che ne permetta lo scarico nell’ambiente esterno.

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Confrontando le due strutture dei costi, a parità di costi sostenuti per l’accumulo e la distribuzione:

Si osserva che all’aumentare dei costi di trattamento per lo scarico risulta più conveniente la soluzione che prevede il riciclo.

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