Nieodpowiednie sterowanie poziomem cieczy w kotłach z naturalnym obiegiem wody może skutkować ich niezaplanowanymi wyłączeniami, przerwami w pracy, z częstotliwością od kilku razy na rok do kilku razydziennie. Każde takie wyłączenie związane jest z dodatkowymi kosztami, które zależnie od okoliczności mogą sięgać dziesiątek, a nawet setek tysięcy dolarów. Zapobiec temu mogą inżynierowie-automatycy, organizując kompleksowe działania zmierzające do usprawnienia kontroli i sterowania poziomu cieczy w kotle, poprzez prowadzenie przeglądów aparatury monitorującej i sterującej, zmianę algorytmów sterowania oraz dobór odpowiednich nastaw urządzeń systemowych. Działania te mogą znacząco wpłynąć na poprawę skuteczności sterowania poziomem cieczy, sprzyjając ograniczeniu liczby przerw w pracy kotła i tym samym uzyskaniu istotnych oszczędności związanych z jego eksploatacją.
Podstawy funkcjonowania kotłów z obiegiem naturalnym
Kotły z naturalnym obiegiem wody są szeroko stosowane w różnych procesach przemysłowych. Zasada ich działania opiera się na różnicy gęstości pomiędzy wodą w chłodniejszym przewodzie opadowym a mieszaniną wody i pary wodnej w tzw. przewodach wznośnych, która w rezultacie napędza obieg wody w całym układzie. W samym kotle następuje oddzielenie pary od wody i jej przygotowanie do wykorzystania w dalszych etapach procesu. Woda wchodząca do rury wznoszącej jest podgrzewana i ulega przetworzeniu z cieczy w mieszaninę pary wodnej i cieczy nasyconej. Ze wzrostem temperatury rośnie też ilość pary wodnej w rurze wznoszącej.
Jak już wspomniano, zadaniem priorytetowym dla inżynierów-automatyków w omawianym procesie jest bardzo precyzyjne monitorowanie i sterowanie poziomem wody w kotle. Gdy poziom ten byłby nazbyt wysoki, może to doprowadzić do przeniesienia wody do układu przegrzewacza pary lub samej turbiny parowej i ich uszkodzenia lub awarii oraz związanych z tym przestojów w procesie. Z kolei przy zbyt niskim poziomie może dojść do odsłonięcia wylotów rur wodnych układu kotła z naturalnym obiegiem, co z kolei może doprowadzić do ich złamania, przerwania itp. Co prawda tak znacznym uszkodzeniom zapobiegają stosowane dodatkowo środki ochronne w postaci blokad i wzmocnień konstrukcyjnych, jednak wspomniane uszkodzenia wymagają znacznych nakładów finansowych i czasowych (czyszczenie, korekta itd.), w czasie których reszta urządzeń, zwykle bardzo kosztownych, nie wykonuje swych zadań, oczekując na przywrócenie normalnego funkcjonowania pozostałych modułów.
Cofki i spiętrzenia
Współczynnik objętościowej frakcji pary wyraża się stosunkiem procentowej ilości pary do objętości rury wznoszącej. Z kolei jakość pary to stosunek jej procentowego udziału w mieszaninie do wagi mieszaniny w rurze wznoszącej. Wynika stąd, że wzrost jakości pary jest równoznaczny ze wzrostem współczynnika frakcji objętościowej. Szybsze zmiany frakcji objętościowej następują przy mniejszej jakości i niższym ciśnieniu pary. Zwiększenie obciążenia cieplnego kotła zwiększa poziom frakcji objętościowej, co powoduje wypchanie wody z rury wznoszącej, zwiększając jej poziom w kotle. Zjawisko to nazywa się spiętrzeniem. Podobnie zmniejszeniu obciążenia cieplnego kotła towarzyszy redukcja wskaźnika frakcji objętościowej i woda opada do rury, obniżając swój poziom w kotle. To zjawisko cofki.
Przy wzroście wypływu pary z kotła ciśnienie w jego wnętrzu opada, skutkiem czego przyspiesza się proces wrzenia wody i zwiększa wskaźnik frakcji objętościowej w rurach i samym kotle. W efekcie woda wypychana jest z rur, rośnie jej poziom w kotle ? powstaje spiętrzenie. Zapas wody w kotle musi być w związku z tym zmniejszony, by poradzić sobie ze wzrostem frakcji objętościowej. Zjawisko odwrotne ma miejsce w sytuacji, gdy zmniejsza się wypływ pary z kotłalub gdy doprowadzi się do niego chłodną wodę. Wtedy może się pojawić cofka.
Trzeba mieć jednak na uwadze, że nawet jeżeli inżynier-automatyk, opracowując strategię sterowania poziomem cieczy kotle uwzględni wszystkie działające w niej zależności i zjawiska, w trakcie eksploatacji rzeczywistej aplikacji może się okazać, że czasem niektóre związki przyczynowo-skutkowe mogą zadziałać nie tak, jak się spodziewano. Na przykład zwiększenie dostawy chłodnej wody do kotła powinno spowodować zwiększenie poziomu zapasu cieczy w kotle i podniesienie jej ogólnego poziomu. Jednak w krótkim czasie, zaraz po zwiększeniu dostawy wody, może wystąpić zjawisko ?zduszenia? procesu wrzenia w kotle i rurach doprowadzających. Jak pokazuje wykres 3, może to skutkować okresowym obniżeniem poziomu cieczy w kotle. Ostatecznie, po pewnym czasie poziom wzrasta na skutek powiększającego się zapasu cieczy. Omawiane zjawisko działa też w stronę przeciwną ? zmniejszenie dostaw wody powoduje okresowe przyspieszenie procesu wrzenia w kotle i rurach oraz krótkotrwałe podniesienie poziomu cieczy. Jeżeli jednak temperatura dostarczanej wody będzie wyższa i bliska temperaturze kotła, skala wspomnianego zjawiska jest mniejsza i mogą być one praktycznie niezauważalne.
Pomiary poziomu cieczy w kotle
Podstawowym i pierwszym krokiem przy organizacji systemu sterowania poziomem cieczy w kotle jest zapewnienie bardzo dokładnego pomiaru tego poziomu. Zadanie to nie jest jednak trywialne ? w szczególności, jeśli weźmie się pod uwagę, że kotły zwykle same w sobie nie są stabilne, ponieważ w wyniku zachodzących w nich procesów wrzenia, wytwarzania się pary, kocioł wpada w drgania, a poziom cieczy wciąż się waha. Ponadto potencjalnym źródłem błędów w pomiarach jest również zmienne tempo dostaw wody do kotła i spuszczania pary z kotła. Jeżeli automatycy zdecydują się na wykorzystanie czujników różnicy ciśnień w kotle, konieczne jest uwzględnienie fizykalnych własności cieczy. Trzeba pamiętać, że w kotle znajduje się w rzeczywistości mieszanina wody i pary wodnej w stanie nasycenia, a ich gęstość zmienia się razem ze zmianami temperatury i ciśnienia. Dlatego też w precyzyjnych pomiarach trzeba uwzględnić gęstość pary nasyconej znajdującej się bezpośrednio ponad wodą, jak również tej wypełniającej pozostałą przestrzeń kotła. Producenci czujników dedykowanych do tego typu aplikacji zawsze dołączają do nich instrukcję służącą ich poprawnej kalibracji bezpośrednio w procesie.
Dynamika odpowiedzi układu
Dobór nastaw pętli sterujących wymaga dobrego zrozumienia dynamiki zjawisk zachodzących w aplikacji kotłów oraz odpowiedzi układu na sygnały sterujące. Warto w tym celu przeprowadzić analizy i testy odpowiedzi układu pracującego w pętli otwartej (rysunek 5). Przy odpowiednim stopniowaniu otwarcia i zamknięcia zaworu w układzie opadania wody obserwuje się jednocześnie przepływ w rurach dostarczania wody, zmiany poziomu wody w kotle oraz spust pary. Na przykładzie pokazanym na rysunku 6 odpowiedź układu w postaci przepływu cieczy w układzie dostarczania wody, w odniesieniu do zmian ustawienia zaworu, w zaznaczonym na czerwono obszarze nie jest zadowalająca. Problemem jest w tym przypadku lepkość w zaworze i żadne nastawy w układzie sterującym nie pomogą go rozwiązać. Tu konieczna jest wymiana zaworu. Oczywiście trzeba mieć świadomość, że nie istnieją zawory idealne i wszystkie obarczone są pewnymi mankamentami, jednak norma dopuszcza rozbieżności odpowiedzi układu sterowania na poziomie ok. 0,5%.
Gdy już pętla sterująca układem zasilającym kocioł w wodę pracuje poprawnie, automatyk przechodzi do kwestii sterowania samym poziomem cieczy w kotle. Celem głównym strategii sterowania jest tu uzyskanie bardzo szybkich przejść układu sterowania przy każdej zmianie tempa podawania wody do kotła, gdyż jakiekolwiek opóźnienia i tzw. czasy martwe (bez odpowiedzi) powodują destabilizację układu. Na rysunku 8 pokazano przykład systemu działającego praktycznie bez żadnych opóźnień. Wspomniane czasy martwe często wynikają z samej dynamiki aplikacji kotła i nie mogą być wyeliminowane, dlatego w takiej sytuacji jej stabilność można zapewnić tylko poprzez spowolnienie pracy sterownika.
Rodzaje układów sterowania poziomem
W pokazanym na rysunku 9 jednoelementowym układzie sterowania poziomem wykorzystuje się tylko prosty element pomiaru poziomu i zawór regulujący dostarczanie wody do kotła. Sterownik reaguje na sygnał z czujnika poziomu, generując odpowiedni, proporcjonalny sygnał do urządzenia wykonawczego ? zaworu. Ten sposób sterowania stosuje się przy uruchamianiu kotłów, bez wypływu pary lub gdy uszkodzony jest przepływomierz. Jego podstawową wadą jest możliwość wystąpienia niekontrolowanych zaburzeń poziomu cieczy od głowicy pary oraz układu zasilania w wodę. Na przykład przy wzroście ciśnienia na wylocie układu dostarczania wody rośnie też przepływ cieczy do kotła. Jeżeli nie zastosuje się odpowiedniej pętli sterowania tego elementu, możliwe jest doprowadzenie do niekontrolowanych zmian poziomu cieczy w kotle. Te z kolei mogą mieć w niekorzystnych (nieodpowiednie charakterystyki zaworu w układzie zasilającym) warunkach bardzo szeroki zakres.
W układzie dwuelementowym pokazanym na rysunku 10 dodano sygnał z czujników przepływu pary jako element sprzężenia dodatniego w dyskutowanym już układzie sterowania poziomem wody w kotle. Sygnał pomiarowy przepływu masy pary wypływającej z kotła wykorzystywany jest do sterowania przepływem dostarczanej do niego wody, dzięki czemu zapotrzebowanie na wodę może być regulowane natychmiast, zależnie od obciążenia kotła (poboru pary). Sam sterownik pełni rolę układu odpowiedzialnego za utrzymanie ustalonej równowagi pomiędzy masami pary wydostającej się z kotła i wody napływającej do niego. Taki algorytm sterowania jest bardziej skuteczny, niż wspomniany wcześniej układ jednoelementowy, a najlepiej sprawdza się w aplikacjach z pojedynczym kotłem, z jedną pompą zasilającą i stałym ciśnieniem wody zasilającej. Obszarem potencjalnych niedogodności jego zastosowania jest wspomniana już w poprzednim przypadku możliwość rozszerzenia zakresu zmian regulacji poziomu cieczy, przy źle dobranym zaworze układu zasilającego. Konieczne jest też precyzyjne dobranie nastaw pętli sprzężenia od czujnika przepływu pary.
Kolejnym układem sterowania powszechnie stosowanym w układach sterowania poziomem cieczy w kotłach jest system trójelementowy, pokazany na rysunku 11. Wprowadzono w nim dodatkową pętlę sprzężenia zwrotnego o charakterze drugorzędnym, w stosunku do pętli omawianej w poprzednim rozwiązaniu. W ten sposób doprowadzono do linearyzacji charakterystyki przepływu wody w układzie zasilania kotła, z zachowaniem szybkości i precyzji reakcji na sygnały z czujnika poziomu oraz pętli sterowania z przepływu pary. Pętla sterująca w takim układzie nadąża za objętościowymi zmianami dostarczanej wody, a nie tylko za zmianami pozycji zaworu i w ten sposób cały układ sterowania kompensuje wpływ zaburzeń poziomu od dostaw wody i ciśnienia pary w kotle, bazując na zachowaniu równowagi masy dostarczanej i wydobywającej się z kotła. Wpływ wspomnianych we wcześniejszych rozwiązaniach charakterystyk zaworów został wyeliminowany.
Nastawy parametrów pętli sterujących
Na etapie doboru nastaw układu sterowania poziomem wody w kotle w pierwszym rzędzie zaleca się ustawienie pożądanego dla danej aplikacji przepływu wody zasilającej do kotła, który powinien być dość szybki, stabilny, bez tendencji do przekraczania wartości nominalnej (przeregulowania). Następnie dla tych nastaw automatycy powinni przeprowadzić test w układzie otwartej pętli, zaczynając od najmniejszych wartości, ustalając charakter odpowiedzi układu dla kolejnych poziomów parametru wejściowego. Prawidłowe zachowanie się aplikacji kotła w takim teście pokazano na rysunku 12 ? bez żadnych opóźnień i anomalii.
Uzyskanie stabilności w pętlach sterujących zwykle uzyskuje się z pomocą metody strojenia lambda. Na rysunku 13 niebieską linią zaznaczono odpowiedź układu właśnie dla metody lambda, pozwalającej na wyeliminowanie zaburzeń. Wartość parametru lambda (?) to czas, dla którego odchylenie jest maksymalne i odpowiada on 1/6 całkowitego czasu powrotu do stanu nominalnego. Równanie strojenia metodą lambda przedstawia się następująco:
TR
KC = ___________
(KP (? + Td))
gdzie: TR = 2TARR + Td = 2? + Td
TARR to czas opóźnienia odpowiadający parametrowi lambda. Im większa strefa martwa układu, tym większa wymagana wartość tego parametru. Parametr sprzężenia dodatniego ustawia się zwykle w proporcji 1:1 ? relacja masy dostarczanej wody do masy pobieranej pary wodnej. W obu przepływomierzach ustawia się identyczne skale, w tych samych jednostkach, a wartość parametru sprzężenia wynosi wtedy 1. Warto również uwzględnić wypływ pary z kotła, związany z układami zdmuchiwania sadzy i odpływem spalin. Dynamiczne podejście zwykle okazuje się znacznie lepsze od statycznego, bazującego na raz przyjętych, ustalonych nastawach.
Co zrobić z zaburzeniami?
Jak wspomniano wcześniej, w kotle mogą się pojawić różnego typu zaburzenia na powierzchni wody. Ich uwzględnienie to duże wyzwanie dla inżynierów-automatyków opracowujących systemy sterowania i monitoringu. Np. na rysunku 14 pokazano zaburzenia spowodowane przez zmienne zapotrzebowanie na wytwarzaną parę. W tej szczególnej aplikacji zaburzenia przepływu pary są nieodłącznym elementem procesu jej wytwarzania i nie mogą być wyeliminowane, skorygowane. Tu właśnie doskonale sprawdza się trójelementowy system sterowania, który dzięki opisanym wcześniej pętlom sprzężeń sterujących umożliwia utrzymanie wartości poziomu wody w okolicach zakładanej, nominalnej wartości. Rozbieżności i zmiany poziomu mogą pojawić się dopiero przy przejściu na sterowanie ręczne.
Jeżeli przepływ pary wzrośnie, wywołując spiętrzenie, poziom wody w kotle się podniesie, ale jednocześnie sygnał sprzężenia dodatniego spowoduje otwarcie zaworu w układzie dostarczania wody, potencjalnie zwiększając to niekorzystne zjawisko. W większości kotłów spiętrzenia i cofki nie są zbyt duże, ponieważ są one w procesie odpowiednio ogrzane i dodatkowo stosuje się układy wspomagające. Dlatego układ sterowania poziomem powinien wytworzyć przeciwakcję niwelującą działanie sprzężenia. W wielu tego typu aplikacjach stosuje się dodatkowe filtry sygnałowe lub opóźnienia sygnału toru sprzężenia z przepływomierza pary wyjściowej.
Problemy z regulacją poziomu wody w kotle mogą być przyczyną spadku jego sprawności, obniżenia jakości pary wyjściowej, a w niektórych przypadkach powodować zagrożenie bezpieczeństwa całego procesu. W przypadkach szczególnych straty wynikające z tych problemów mogą sięgać nawet milionów dolarów rocznie. Dlatego warto wiedzieć i pamiętać, że wypracowano już sporo metod i narzędzi umożliwiających sprawne i dokładne sterowanie poziomem. Ich wybór wymaga wcześniejszego przeprowadzenia odpowiednich analiz, zmierzających do ustalenia głównych przyczyn problemów i ich wyeliminowania lub ograniczenia w celu ustalenia nominalnych i optymalnych warunków pracy kotła.
Andrew W. R. Waite, Emerson Kanada.
Opracował dr inż. Andrzej Ożadowicz, AGH Kraków
CE
