Akademia automatyki: Pomiar poziomu w aplikacjach parowych na przykładzie kotła energetycznego z walczakiem


O zaletach stosowania falowodowych sond radarowych wielokrotnie pisaliśmy już na łamach „Pod kontrolą”. Pomimo bardzo rozwiniętej radarowej techniki pomiarowej jedna aplikacja była jednak wciąż przysłowiową piętą achillesową radarów. Wszystko zmieniło się wraz z wprowadzeniem nowego rozwiązania pozwalającego na skuteczny pomiar poziomu w aplikacjach parowych.

 

PARA W ENERGETYCE

akademia1Jak wiadomo, obecnie cała energetyka w Polsce opiera się na parze, a ściślej ujmując na wodzie, która cyrkuluje w sposób ciągły w obiegu wodnoparowym. Kondensat pary wodnej tłoczony jest do walczaka przez podgrzewacze. Para, która zasila turbinę napędzającą generator, wytwarzana jest w walczaku. W turbinie energia cieplna z pary przegrzanej zostaje zamieniona na energię mechaniczną, a energia mechaniczna zostaje zamieniona na energię elektryczną w generatorze.
Obieg wody w kotle jest bardzo wrażliwy na poziom wody w walczaku. Zbyt mała lub zbyt duża ilość wody w walczaku może doprowadzić do bardzo poważnych uszkodzeń. Przykładowo, w przypadku zbyt małej ilości wody może nastąpić przepalenie parowników znajdujących się nad palnikiem kotła.
Zbyt duża ilość wody może natomiast doprowadzić do pogorszenia jakości pary podawanej na przegrzewacz, co w następstwie może doprowadzić do uszkodzenia turbiny i zatrzymania pracy generatora. Jak wiadomo zatrzymanie generatora oznacza odstawienie bloku energetycznego, co wiąże się z ogromnymi stratami finansowymi oraz z kosztami związanymi z remontem i przywróceniem bloku do pracy. Poziom wody w walczaku jest zatem krytyczny dla funkcjonowania całego bloku.

 

POMIAR POZIOMU W WALCZAKU

akademia2Dla uzmysłowienia jak ekstremalne warunki panują w walczaku wystarczy przybliżyć jego parametry pracy tj. temperatura dochodząca do 340°C oraz ciśnienie do 160 bar. Większość urządzeń pomiarowych nie wytrzymałaby przy takich parametrach.
Stworzenie urządzenia odpornego na tak ekstremalne warunki pracy to tylko połowa sukcesu, gdyż konieczne jest stworzenie urządzenia, które zagwarantuje dokładny i, co najważniejsze, niezawodny pomiar.
Właśnie z uwagi na trudne warunki, pomiar poziomu w aplikacjach parowych od zawsze stanowił nie lada kłopot. Rozwiązaniem tego problemu zajęła się firma VEGA. Do pomiaru poziomu cieczy w aplikacjach parowych zaprojektowano specjalną wersję sondy radarowej z falowodem – VEGAFLEX 86.

Zasada działania sondy radarowej z falowodem polega na wysyłaniu impulsów mikrofalowych o częstotliwości około 2 GHz z prędkością 300 000 km/s. Impulsy przemieszczają się po falowodzie, którym jest pręt lub lina. Po dotarciu do powierzchni produktu, impulsy zostają odbite w kierunku elektroniki sondy.
Ilość energii docierającej do elektroniki zależy od stałej dielektrycznej produktu (dk). Przykładowo dla wody to 100% energii, natomiast dla paliw – około 5% (co oznacza, że aż 95% energii nadal będzie się przemieszczać w medium). Po odebraniu odbitego impulsu, elektronika urządzenia mierzy czas pomiędzy wysłaniem a odebraniem impulsu, przelicza to na odległość pomiędzy sondą a produktem, co na wyświetlaczu pojawia się jako poziom materiału w zbiorniku.
Zależność tę przedstawiają wzory poniżej

akademia4

c – prędkość fali elektromagnetycznej w medium
c0 – prędkość światła
µr – przenikalność względna
ɛr – stała dielektryczna

akademia5

D – odległość
Δt – czas propagacji fali elektromagnetycznej

Wiemy już, że sonda radarowa wykorzystuje falę elektromagnetyczną. akademia3Fala ta porusza się w otoczeniu z określoną prędkością, która jest zależna od warunków otoczenia. Przykładowo, w powietrzu o temperaturze 1000°C prędkość zmienia się jedynie o około 0,025% w porównaniu z 0°C.

Wpływ temperatury na pomiar radarowy w środowisku powietrza o stałym ciśnieniu 1 bar oraz Wpływ ciśnienia na pomiar radarowy w środowisku powietrza w stałej temperaturze 0°C

Wpływ temperatury na pomiar radarowy w środowisku powietrza o stałym ciśnieniu 1 bar oraz Wpływ ciśnienia na pomiar radarowy w środowisku powietrza w stałej temperaturze 0°C

Jest więc to błąd pomijalny, niemający wpływu na ostateczny wynik pomiaru. W przypadku powietrza zmiana ciśnienia co 1 bar powoduje zmianę prędkości (błąd pomiaru) o około 0,03%. Ten błąd także można pominąć ale tylko w przypadku pomiaru poziomu materiałów sypkich i w standardowych aplikacjach z cieczami.
W przypadku walczaka i pary wodnej nie jest już jednak tak różowo. Np. w walczaku dobrze znanego kotła w polskich elektrowniach – OP650, oprócz wysokiej temperatury (340°C) oraz ciśnienia (do 160 bar), dodatkowo występuje tytułowa para.
Należy pamiętać, że podana prędkość propagacji fali elektromagnetycznej (300 000 km/s) zostaje osiągnięta w otoczeniu powietrza, którego stała dielektryczna po pierwsze jest znana, a po drugie jest stała. W walczaku stała dielektryczna otoczenia w jakim pracuje sonda (mieszanki wodno-parowej) stale się zmienia w wyniku szybkich zmian ciśnienia czy temperatury. Mogą się wtedy pojawić błędy w odczycie poziomu cieczy, związane ze zmianami gęstości i ciśnienia medium. W takiej aplikacji stosowanie zwykłego radaru falowodowego wiązałoby się z uzyskaniem błędnych danych na temat aktualnego poziomu cieczy, a dokładniej ujmując, ze wskazaniem zbyt niskiego poziomu. Spowodowane jest to tym, że zwykła sonda radarowa zakłada jako otoczenie powietrze, a w przypadku gdy otoczeniem jest para, prędkość dotarcia fali do medium spada, co jest odczytywane przez radar jako niższy poziom niż rzeczywisty. Ktoś mógłby powiedzieć, że wystarczy wprowadzić w urządzeniu korektę dla pary i po problemie. Niestety, warunki (temperatura, ciśnienie) w mieszance parowo-wodnej mogą się zmieniać, zmieniając tym samym prędkość fali i właśnie dlatego nie ma możliwości uniknięcia błędów pomiarowych. Jak znaczne mogą to być błędy?

Błąd w [%] pomiaru poziomu w zależności od parametrów otoczenia dla standardowej sondy radarowej

Tabela 1. Błąd w [%] pomiaru poziomu w zależności od parametrów otoczenia dla standardowej sondy radarowej

Powyżej przedstawiona tabela 1 zawiera wartości odchylenia dla niektórych typowych gazów lub par. Warto zauważyć, że w przypadku pary i wysokich wartości temperatury i ciśnienia, czyli takich jakie panują w walczaku, wartość odchylenia to aż 76%. Taki błąd dyskwalifikowałby zatem pomiar.

 

SKOMPENSOWANA PRĘDKOŚĆ FALI

Rozwiązaniem problemu pomiaru poziomu w walczaku jest sonda VEGAFLEX 86, która dzięki zastosowaniu specjalnego oprogramowania przetwornika i, co najważniejsze, falowodu z elementem referencyjnym, posiada możliwość automatycznej kompensacji zmian prędkości rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w aplikacjach z parą nasyconą.
Zapewnia to rzetelny, powtarzalny i dokładny pomiar poziomu wody w walczaku.

Falowód sondy radarowej VEGAFLEX z wbudowanym elementem referencyjnym

Falowód sondy radarowej VEGAFLEX z wbudowanym elementem referencyjnym

Widoczny na schemacie sondy element referencyjny umożliwia automatyczną kompensację prędkości fali, co w konsekwencji umożliwia określenie rzeczywistego poziomu cieczy.

 

SKONSTRUOWANA DLA TRUDNYCH WARUNKÓW, NIE TYLKO W ENERGETYCE

Sonda radarowa z falowodem VEGAFLEX 86, dzięki zastosowaniu izolacji ceramiczno-grafi towej, może być stosowana do pomiaru poziomu mediów o temperaturze od -196°C do 450°C w zbiornikach, w których panuje ciśnienie od -1 do 400 bar. Do wyboru mamy kilka rodzajów falowodów: od falowodu linkowego o średnicy 2 mm, poprzez falowód prętowy o średnicy 16 mm, aż do falowodu z elementem referencyjnym w rurze osłonowej o średnicy 42 mm (długość falowodu wersji z elementem referencyjnym może wynosić do 6 m). Zarówno falowód jak i rura osłonowa wykonane są ze stali 316L.

Certyfikat potwierdzający spełnienie wymagań „Dyrektywy kotłowej”

Certyfikat potwierdzający spełnienie wymagań „Dyrektywy kotłowej”

W celu stosowania sondy VEGAFLEX 86 w energetyce urządzenie spełnia szereg wymagań prawnych jak np. SIL czy tzw. Dyrektywę Kotłową EN 12952-11 – Kotły wodnorurowe i urządzenia pomocnicze oraz 12953-9 – Kotły płomienicowo-płomieniówkowe. Spełnienie tych wymagań potwierdza certyfikat wystawiony przez jednostkę certyfikującą TUV NORD CERT.

Pomiar poziomu w kotłach parowych

Pomiar poziomu w kotłach parowych

Poza elektrowniami i elektrociepłowniami oczywiście istnieje jeszcze szereg aplikacji parowych, w których zastosowanie znajduje VEGAFLEX 80 – między innymi w przemyśle chemicznym, petrochemicznym i wszędzie tam gdzie wykorzystuje się generatory pary.

Widok echa standardowej sondy radarowej z falowodem

Widok echa standardowej sondy radarowej z falowodem

Widok echa sondy radarowej z falowodem wyposażonym w element referencyjny

Widok echa sondy radarowej z falowodem wyposażonym w element referencyjny

 
 

A GDY POTRZEBA SYGNALIZACJI…

W aplikacjach parowych lub aplikacjach, w których występują równie ekstremalne warunki, wymagana może być także sygnalizacja poziomu cieczy.

Wśród urządzeń spod znaku VEGA jest również wibracyjny sygnalizator poziomu cieczy VEGASWING 66. VEGASIWNG 66 jest pierwszym tego typu urządzeniem na świecie odpornym na działanie ekstremalnych warunków w zbiorniku. Sygnalizator doskonale sprawdzi się w procesie gdzie medium osiąga bardzo niskie (-198°C) oraz wysokie (do 450°C) temperatury.

Sygnalizacja poziomu w kotle parowym

Sygnalizacja poziomu w kotle parowym

Dodatkowo, sygnalizator może pracować w zbiornikach gdzie ciśnienie osiąga wartości do 160 bar. Sygnalizator VEGASWING nie wymaga kalibracji. Po zainstalowaniu wystarczy podłączyć zasilanie, a urządzenie w momencie wykrycia cieczy zasygnalizuje stan.
Ze względu na to, że sygnalizatory montowane są często w dachu zbiornika, VEGASWING może zostać wyposażony w element przedłużający w postaci rury w zakresie do 3000mm.

Należy jeszcze dodać, że ze względów bezpieczeństwa sygnalizator może posiadać dodatkowe uszczelnienie – tzw. „druga linia obrony” wykonane z ceramiki.WYSOKA TEMPERATURA I CIŚNIENIE, PARA…
Podsumowując niniejszy artykuł należy zauważyć, że pomiar poziomu realizowany jest obecnie w coraz to trudniejszych warunkach. Dowodem tego jest innowacyjne rozwiązanie polegające na automatycznej kompensacji prędkości rozchodzenia się fali w parze. Stwarza to nowe możliwości skutecznego i dokładnego pomiaru poziomu metodą radarową.
 
autor:
Mateusz Galonska
mgalonska@introl.pl