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Politecnico di Bari Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Gestionale

Criteri generali di progettazione degli Impianti di Servizio

dispensa del corso di Impianti industriali a cura del Prof. Ing. Giovanni Mummolo

(Marzo 2004)

INDICE A - Definizioni e classificazioni

3

B - Progettazione di un impianto di servizio

5

C - Problemi ricorrenti nella progettazione degli impianti di servizio

8

1. Continuità di funzionamento dei componenti e degli impianti

8

1.1. I sistemi non riparabili

8

1.2. I sistemi riparabili

11

1.2.1. Disponibilità e manutenzione degli impianti 1.3. Affidabilità e disponibilità di sistemi complessi

12 14

1.3.1. Il sistema “serie”

14

1.3.2. Il sistema “parallelo”

15

1.3.3. Disponibilità di impianto con componenti soggetti a guasto e riparazione

16

1.4. Disponibilità ottimale del servizio 2. La centrale di produzione del servizio 2.1. Centralizzazione e frazionamento della generazione del servizio 2.1.1. Configurazione di minimo costo di impianto della centrale

19 21 21 22

2.1.1.1. Centrale non frazionata con unità in riserva

22

2.1.1.2. Centrale frazionata con unità in riserva: configurazione di minimo costo

23

2.2. Potenzialità della centrale di produzione

24

2.2.1. Servizio con domanda costante nel tempo

24

2.2.2. Domanda con punte di breve durata e costante in ampi intervalli di tempo

25

2.2.3. Servizio con domanda variabile in modo continuo e casuale

26

2.3. Dimensionamento degli accumulatori polmone

28

2.4. Configurazione di minimo costo del sistema “generatore - accumulatore”

30

Riferimenti bibliografici

32

2

La progettazione degli impianti di servizio

A - Definizioni e classificazioni Gli impianti di servizio sono sistemi di produzione e distribuzione dei servizi di stabilimento. Questi supportano il funzionamento degli impianti tecnologici senza partecipare direttamente alla realizzazione del processo produttivo. Gli impianti di servizio provvedono alla: - produzione e distribuzione dei servomezzi necessari al funzionamento degli impianti tecnologici; - alimentazione e scarico di materiali solidi e di fluidi; - realizzazione di condizioni di igiene e sicurezza dei luoghi di lavoro per garantire il benessere psico-fisico dei lavoratori; - protezione dell’ambiente esterno all’insediamento industriale; - realizzazione di condizioni ambientali compatibili con il processo tecnologico. In uno stabilimento industriale sono presenti gli impianti di servizio: - elettrico e di illuminazione; - idrico (acqua industriale, potabile, acque reflue); - termico (ad aria calda, acqua calda, acqua “surriscaldata”, vapore, ...); - di stoccaggio e distribuzione degli olii minerali; - di cogenerazione; - oleodinamici e pneumatici; - di condizionamento e ventilazione; - di captazione delle polluzioni atmosferiche. Gli impianti di servizio possono essere classificati in base a: a. entità servita; b. tipo di servizio; c. funzione svolta. a. Con riferimento alla entità servita si distinguono impianti di servizio di supporto a: - mezzi produttivi; - persone. Gli impianti di produzione dei servomezzi e gli impianti di movimentazione dei materiali sono esempi di impianti di servizio di supporto ai mezzi produttivi; gli impianti di climatizzazione e gli impianti di movimentazione delle persone sono invece esempi appartenenti alla seconda categoria. b. Il tipo di servizio può risultare di: - alimentazione - scarico I primi, a sviluppo “centrifugo”, prevedono generalmente una centrale di produzione del servizio che alimenta più utenze. Gli impianti di produzione e distribuzione del vapore, dell’aria compressa e dell’energia elettrica sono esempi di impianti con servizio di alimentazione. Gli impianti con tipologia di servizio di scarico hanno uno sviluppo “centripeto”. Essi prevedono una unità di trattamento di effluenti provenienti da più utenze. Esempi di questa tipologia sono gli 3

impianti di trattamento delle acque reflue, gli impianti di trattamento delle emulsioni oleose o di eliminazione dei metalli pesanti nonché gli impianti di depurazione delle polluzioni atmosferiche. c. Con riferimento alla funzione svolta, gli impianti di servizio possono suddividersi fra: - impianti di produzione e distribuzione dell’energia; - impianti di controllo delle condizioni ambientali di lavoro; - impianti di trasporto di materiali solidi e liquidi; - impianti di controllo delle interazioni con l’ambiente esterno. E’ opportuno evidenziare che nella realtà esistono strette connessioni fra impianti di servizio differenti e che, pertanto, le classificazioni riportate hanno soprattutto una funzione di ordinamento; ad esse, infatti, non corrispondono necessariamente impianti distinti. Ad esempio, in un impianto di cogenerazione coesistono i servizi ed i relativi impianti di trattamento dell’acqua, del vapore e dei fumi della combustione.

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B - Progettazione di un impianto di servizio I sottosistemi che caratterizzano un impianto di servizio sono:   

la centrale di produzione del servizio; il sistema di distribuzione; il collegamento “sistema di distribuzione - utenza”.

I sottosistemi interagiscono determinando le prestazioni tecnico - economiche dell’intero sistema. La progettazione degli impianti, pertanto, deve essere di tipo sistemico, con l’obiettivo di conferire all’intero sistema una configurazione economicamente vantaggiosa fra quelle che soddisfano le regole tecniche. Nell’ambito dello studio di fattibilità di un insediamento industriale, lo studio dei servizi di stabilimento richiede la conoscenza dei prodotti e dei relativi cicli di produzione mentre non risulta ancora definita la potenzialità produttiva dell’impianto. La potenzialità produttiva risulterà (figura 1) dallo studio economico dell’iniziativa che, a sua volta, richiede anche la valutazione dei costi di produzione dei servizi. Questi sono univocamente determinati in corrispondenza di fabbisogni di servizi che per quantità e qualità possono essere precisamente valutati quando la potenzialità dell’impianto tecnologico è nota. La circolarità del processo di progettazione impone uno studio preliminare dei servizi basato sulla conoscenza dei processi produttivi e di cifre indice che esprimono i fabbisogni di servizi per unità di prodotto. Studio dei processi produttivi

Individuazione dei servizi,dei fabbisogni unitari (cifre indice) e dei relativi costi unitari

Analisi di redditività economica dell’iniziativa

Caratteristiche di produzione di ciascuna unità operativa

Calcolo della potenzialità produttiva ottimale

Numero e layout delle unità operative

Progettazione degli impianti di servizio

Figura 1 - Schema delle fasi che conducono alla progettazione degli impianti di servizio A titolo di esempio in tabella 1 sono riportati i fabbisogni specifici medi di acqua [1] per alcune tipologie di impianto. Con tale approccio è possibile effettuare una stima preliminare dei costi di produzione per unità di prodotto; la stima consente la valutazione della redditività economica dell’iniziativa e della potenzialità ottimale dell’impianto tecnologico. Solo a questo punto sono univocamente definiti i fabbisogni qualitativi e quantitativi dei servizi occorrenti al corretto funzionamento dell’impianto tecnologico.

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Tipo di impianto

Consumo di acqua specifico

Zuccherificio

100 [kg di acqua / kg di zucchero]

Impianto di concentrazione ad effetti multipli 140 ÷ 160 [kg di acqua / kg di pomodori] Pastificio

1.2 ÷ 1.4 [kg di acqua / kg di pasta]

Cartiera

400 ÷ 600 [kg di acqua / kg di carta di giornale]

Lanificio

30 ÷ 120 [kg di acqua / kg di tessuto]

Impianto termoelettrico a condensazione

40 ÷ 60 [kg di acqua / kg di vapore] 120 ÷ 180 [kg di acqua / kWh energia elettrica]

Tabella 1 - Esempi di consumi di acqua specifici per tipologia di impianto [1]. Nota la potenzialità produttiva ottimale dell’impianto tecnologico nonché i cicli tecnologici e le caratteristiche di ciascuna unità operativa (cadenza produttiva, disponibilità) è determinato il numero di unità operative in grado di soddisfare le richieste di produzione. La scheda tecnica di ciascuna unità operativa, predisposta dal fabbricante, riporta informazioni sui fabbisogni qualitativi e quantitativi dei servizi richiesti. In tabella 2 sono riportati esempi di unità operative e le principali informazioni presenti in una scheda tecnica. Lo studio del layout dell’impianto tecnologico rende nota la disposizione plano - altimetrica di ciascuna unità operativa. Conseguentemente, è possibile definire anche il layout degli impianti di servizio. Ingombri [m]

Potenza elettrica [kW]

Consumo medio di aria compressa a 700 [kPa] [Nl / 1’]

Consumo medio di acqua [l / 1’]

Olio o emulsione Φ [inch]

4.00x1.20x1.50

50

180

-

emulsione 3/8 ”

5.50x1.30x2.00

60

20

45

olio 1/2 ”

Fresatrice

1.60x2.50x1.80

20

45

-

Dentatrice

3.20x1.10x1.80

25

45

45

Alesatrice

5.00x4.00x3.50

35

45

-

Rettificatrice

5.50x1.40x2.10

20

20

45

Piallatrice

12.00x2.50x2.80

30

20

-

Unità operativa

Tornio a torretta Tornio multiplo automatico

emulsione 3/8 ” olio 3/8 ” emulsione 3/8 ” emulsione 3/8 ” -

Tabella 2 - Fabbisogni di servomezzi di alcune macchine (adattamento da [2]) A questo punto è possibile sviluppare il processo completo di progettazione di un servizio che prevede sostanzialmente le seguenti fasi: a) Individuazione delle utenze e valutazione delle caratteristiche del servizio con, in particolare, la identificazione di: i) ubicazione delle utenze; ii) tipo e qualità del servizio (ad es.: pressione e temperatura del vapore, pressione e qualità dell’aria compressa, tensione e potenza elettrica.); 6

b) c)

d) e)

f) g)

h)

iii) quantità di servizio e sua variabilità nel tempo. Individuazione delle alternative di progetto e realizzazione del servizio che presentano, in base all’esperienza del progettista, le migliori prestazioni tecniche ed economiche. Scelta della soluzione ottima, fra quelle individuate al punto precedente, in base a considerazioni tecniche ed economiche derivanti da una progettazione di massima delle alternative poste a confronto. Scelta qualitativa dei componenti di impianto (ad es.: tipo di macchine operatrici e motrici, tipologia degli organi di regolazione) Dimensionamento dei componenti. Il dimensionamento impiantistico non impegna il progettista nella progettazione di dettaglio di ciascun componente; il suo compito è quello di definire le caratteristiche dimensionali e di funzionamento esterne, dette “di targa”, che garantiscono la necessaria coerenza della scelta con il funzionamento dell’intero sistema impiantistico. Ad esempio, la scelta di un alternatore è effettuata in base al livello di tensione, alla potenza operativa richiesta, al tipo ed al grado di parzializzazione del sistema di raffreddamento. Esame del rispetto dei vincoli di legge e delle norme di buona tecnica sulla sicurezza ed igiene del lavoro 1. Standardizzazione dimensionale, di funzionamento e dei materiali al fine di ottenere componenti di predefinita qualità, dalle prestazioni tecniche ed economiche garantite. Si perviene a precise specifiche che supportano le richieste d’offerta da sottoporre ai costruttori di componenti e, in definitiva, l’acquisto dei componenti. Ad esempio, nella scelta di una valvola di regolazione, il progettista definirà il coefficiente di portata della valvola, il rating e la rangeability 2 che sono alcuni fra i principali parametri standardizzati di scelta della valvola; in corrispondenza di questi parametri sono univocamente definite le principali prestazioni funzionali e strutturali del componente. Preparazione dei disegni esecutivi, delle specifiche di montaggio e della lista dei materiali e dei componenti da acquistare.

1

Si rammenta che con il recepimento in Italia della “Direttiva Macchine” stabilito dal DPR 24 luglio 1996, n. 459 (S.O. n. 146 alla G.U. n. 209, 6/9/1996) “Regolamento di attuazione delle direttive 89/392/CEE, 91/368/CEE, 93/44/CEE, 93/68/CEE, concernenti il riavvicinamento delle legislazioni degli Stati membri relative alle macchine”, ciascuna macchina deve essere dotata del fascicolo tecnico della costruzione, predisposto dal fabbricante. Il fascicolo tecnico della costruzione contiene, fra l’altro, una descrizione delle caratteristiche tecniche della macchina nonché il manuale d’uso della macchina. Questo documento è di assoluta importanza al punto che deve essere considerato un elemento costitutivo della macchina; esso riporta informazioni sulla sicurezza degli addetti al trasporto, installazione, collaudo, uso (accensione, preparazione, lavorazione, spegnimento), manutenzione e dismissione della macchina. 2 Il rating e la rangeability esprimono rispettivamente le caratteristiche di resistenza della valvola per definita coppia (pressione, temperatura) del fluido ed il suo campo di regolazione. 7

C - Problemi ricorrenti nella progettazione degli impianti di servizio Sono discussi alcuni fra i più ricorrenti problemi di progettazione degli impianti. Essi riguardano:   

la continuità di funzionamento dei componenti e degli impianti; la centralizzazione ed il frazionamento nella generazione dei servizi; il dimensionamento della centrale e degli accumulatori - polmone.

1. Continuità di funzionamento dei componenti e degli impianti Il mancato funzionamento di componenti di impianto può dare origine ad inattività dell’intero impianto o di una parte di esso. Il disservizio dell’impianto determina un costo, definito di inefficienza dell’impianto, conseguente alla mancata produzione. Questa è la ragione per cui in simili circostanze il costo dell’inefficienza è detto anche costo di mancanza. La mancata produzione può derivare da inefficienze di tipo organizzativo ovvero di tipo tecnico. In quest’ultimo caso le inefficienze possono interessare sia l’impianto tecnologico sia i relativi servizi 3 . E’ possibile conferire all’impianto una maggiore continuità di funzionamento mediante la installazione di componenti impiantistici in riserva o adottando componenti più affidabili, in grado cioè di garantire un funzionamento corretto dell’impianto per un tempo maggiore. Le soluzioni prospettate comportano maggiori costi di impianto; la convenienza economica ad effettuare simili investimenti deve essere valutata in relazione ai minori costi di mancanza che i medesimi investimenti determinano. Queste valutazioni richiedono una stima preliminare della continuità di funzionamento degli impianti. La continuità di funzionamento dipende dalla affidabilità e dalla disponibilità dei componenti e dell’impianto. Si tratta di misure probabilistiche che possono essere valutate una volta note le caratteristiche di affidabilità dei componenti e la configurazione del sistema impiantistico a cui essi appartengono. Le valutazioni differiscono a seconda che si tratti di sistemi riparabili ovvero di sistemi non riparabili, potendo i primi essere sottoposti a manutenzione o riparazione per migliorare il loro stato fisico e di funzionamento. Nel seguito si riportano brevi richiami di teoria dell’affidabilità al fine di fornire strumenti di pratica utilità per la stima in fase progettuale della continuità di funzionamento degli impianti.

1.1

I sistemi non riparabili

Si definisce affidabilità di un componente (o di un impianto) la probabilità che esso funzioni correttamente, senza guasti, per un tempo assegnato, in predefinite condizioni ambientali. Indicato con T, la variabile aleatoria (v.a.) “tempo al guasto” di un componente, la sua affidabilità al tempo t, R(t) (dal termine anglosassone “Reliability”), si definisce come:

R(t) = Prob {T > t }= 1 − F(t)

(1)

ove F(t ) = Pr ob {T ≤ t } è la funzione di probabilità cumulata di T al tempo t. Indicando con f(t) la funzione densità di probabilità (fdp) del tempo al guasto, risulta:

3

Sebbene ci si riferisca agli impianti di servizio, le considerazioni svolte hanno validità più generale in quanto sono riferibili anche agli impianti di produzione. 8

f(t) =

dF(t) dR(t) =− dt dt

(1’)

Le grandezze R(t), F(t) e f(t) risultano determinate una volta noto l’andamento nel tempo del “tasso di guasto” del componente. La probabilità che un componente si guasti nell’intervallo infinitesimo (t, t+dt), posto che esso abbia funzionato correttamente fino all’istante t può definirsi e calcolarsi come: Pr ob{t< T≤ t+ dt T> t}=

F( t + dt)− F(t ) R (t )

Dividendo entrambi i membri per dt, si ha la relazione di definizione del tasso di guasto del componente:

h (t) =

F( t + dt ) − F( t ) R ( t ) ⋅ dt

(2)

ovvero dalla (1’):

h(t) =

f (t ) R (t )

(2’)

Poiché risulta dF(t) = - dR(t), dalla (2) si ha: dR (t ) = − h (t ) ⋅ dt R (t ) Posto R(0) = 1 (il componente è funzionante all’istante 0) ed integrando la precedente equazione differenziale si ha:

 t  R ( t ) = exp − ∫ h (τ ) ⋅ dτ   0 

(3)

Dalle relazioni (2’) e (3) risulta anche:

 t  f ( t) = h (t ) ⋅ exp − ∫ h (τ ) ⋅ dτ   0 

(4)

Le relazioni (1), (3) e (4) consentono di caratterizzare il comportamento affidabilistico del componente noto l’andamento temporale del tasso di guasto. A seconda della natura del guasto si ha una differente funzione del tasso di guasto nel tempo. Si distinguono guasti di natura a) casuale e b) non casuale.

a) Guasti di natura casuale sono, ad esempio, caratteristici di componenti elettronici; anche il fenomeno del corto circuito di reti elettriche si manifesta generalmente a seguito di guasti di questa natura. In queste circostanze il tasso di guasto è costante nel tempo e la fdp del tempo al guasto

9

segue una distribuzione esponenziale negativa, come può facilmente ottenersi sostituendo nella (4) h(t) = λ = costante.

b) I guasti di natura non casuale (prescindendo da fenomeni di guasti precoci) si manifestano a seguito di fenomeni di degrado irreversibile la cui entità dipende dal tempo di funzionamento del componente. E’ questo il caso di componenti meccanici soggetti ad usura, fatica e corrosione, o ad una combinazione di tali fenomeni. In queste circostanze la fdp può assumere forme note (es. distribuzione di Weibull) ovvero forme determinabili dalle relazioni fondamentali precedentemente introdotte una volta noto l’andamento temporale del tasso di guasto. Una ulteriore prestazione affidabilistica del componente è il tempo medio al guasto o MTTF (Mean Time to Failure). Nel caso fossero disponibili rilevazioni sperimentali del tempo al guasto di un componente4, il MTTF può stimarsi come media aritmetica delle rilevazioni effettuate: n

∑t MTTF =

i

i=1

n

Qu...