Radary falowodowe w walczakach kotłów energetycznych

Radarowe przetworniki poziomu zostały wprowadzone do inżynierii procesowej jako przyrządy pomiarowe wykorzystujące emisję sygnału elektromagnetycznego wysokiej częstotliwości. Jego podstawową zaletą jest odporność na własności ośrodka propagacji. W większości przypadków jest nim poduszka gazowa lub para wodna znajdujące się nad powierzchnią medium. Fala elektromagnetyczna jest również odporna na zmiany ciśnienia i temperatury, które występują w każdym aparacie procesowym.

Większość dostępnych na rynku radarowych przetworników poziomu cieczy i materiałów sypkich wykorzystuje technikę pomiaru czasu przelotu fali elektromagnetycznej. Oznacza to, że przyrząd mierzy czas przelotu sygnału pomiarowego od chwili jego emisji do odbioru po odbiciu od powierzchni medium mierzonego. Częstotliwość robocza zmienia się od 1 GHz dla radarów falowodowych do 6 lub 26 GHz dla radarów bezkontaktowych o swobodnej emisji sygnału.

Propagacja fali elektromagnetycznej w próżni odbywa się z prędkością światła, zaś w innym ośrodku ulega zmniejszeniu na skutek jego własności chemicznych, falowych, temperatury i ciśnienia. Dla przykładu poduszka azotowa lub opary węglowodorów o niskiej stałej dielektrycznej powodują niewielki spadek prędkości rozchodzenia się fali elektromagnetycznej, nawet w wysokich temperaturach i ciśnieniach. Dlatego błąd pomiaru poziomu radarowym przetwornikiem poziomu w takich przypadkach jest akceptowalny. Jednakże istnieją media, których faza gazowa ma duży moment dipolowy, co jest powodem znacznego spadku prędkości propagacji sygnału pomiarowego. Typowymi przykładami są tutaj propan-butan, amoniak lub para wodna. Stała dielektryczna tej ostatniej w 100°C jest równa 1,005806, zaś w 366°C już 3,086.

Walczak kotła energetycznego w elektrowni lub elektrociepłowni jest kluczowym punktem instalacji technologicznej, w którym wytwarzana jest para zasilająca turbinę. Dokładny pomiar poziomu meniska w walczaku i utrzymanie go w żądanym przedziale jest niezwykle ważne z punktu widzenia zapewnienia właściwej jakości pary technologicznej, a tym samym ciągłości wytwarzania produktów końcowych – energii cieplnej i elektrycznej. Zbyt duża ilość wody w walczaku może oznaczać uszkodzenie turbiny lub generatora. Zbyt mała jej ilość staje się najczęściej przyczyną przepalenia ekranów umiejscowionych powyżej palnika kotła. W obu przypadkach pojawia się realne zagrożenie odstawienia bloku energetycznego, a więc dużych strat finansowych związanych z zatrzymaniem produkcji energii oraz z remontem i przywróceniem instalacji do ruchu. 

Radary falowodowe są coraz częściej używane w bardzo odpowiedzialnych punktach pomiarowych z uwagi na swoje zalety, z których kluczowe to gotowość do pracy w systemach zabezpieczeń i odcięć krytycznych SIS (poziom nienaruszalności bezpieczeństwa SIL2), dostępny wachlarz funkcji zdalnej, zaawansowanej diagnostyki przyrządu „na ruchu”, odporność na wysokie temperatury, ciśnienia, zmiany gęstości wody, pianę powierzchniową i osady pojawiające się w aparacie.

Na skutek wysokich parametrów technologicznych w walczaku para wodna ponad meniskiem wody powoduje wyraźny spadek prędkości propagacji fali elektromagnetycznej. W efekcie, typowy radar, mierzący poziom wody w walczaku, wskaże wartość mniejszą od rzeczywistej i powstanie zagrożenie odstawienia bloku energetycznego, spowodowane niedoborem wody w układzie wytwarzania pary napędzającej turbinę i generator. W takim przypadku błąd pomiaru sięga 30-40% w ścisłej zależności od bieżącej temperatury i ciśnienia na odległości między przyłączem technologicznym radaru a poziomem meniska. Najprostszym i najmniej skutecznym sposobem zmniejszenia tego błędu jest wprowadzenie współczynnika korekcyjnego do pamięci przetwornika, który można określić dla zadanej temperatury i ciśnienia. Pozwoli on na statyczne przesunięcie echa sygnału wysokiej częstotliwości na właściwe miejsce. Łatwo jednak wyobrazić sobie, że jakiekolwiek zmiany tych parametrów w walczaku natychmiast wprowadzą dodatkowy błąd pomiaru poziomu meniska, a zastosowany współczynnik korekcyjny przestanie spełniać swoje zadanie. To zjawisko będzie szczególnie widoczne w trakcie podnoszenia bloku energetycznego do ruchu lub przy zmianie jego mocy.

Radar falowodowy Endress+Hauser Levelflex M FMP45 jest pierwszym urządzeniem tego typu, które gwarantuje rzetelny, powtarzalny i dokładny pomiar poziomu wody w walczaku. Zastosowano w nim falowód z elementem referencyjnym oraz wyrafinowane oprogramowanie przetwornika, dzięki którym przyrząd w sposób ciągły i automatyczny, bez udziału służb utrzymania ruchu, dokonuje korekty wskazania poziomu wody w zależności od bieżącego ciśnienia i temperatury pary ponad lustrem wody. Sygnał referencyjny odbity od odcinka falowodu o znanej długości jest używany do dynamicznej kompensacji spadku prędkości propagacji sygnału wysokiej częstotliwości wzdłuż falowodu. Przykładowo, gdy przesunięcie odbicia referencyjnego jest małe, wówczas sygnał odbity od poziomu meniska jest korygowany z małym offsetem. Gdy zaś przyrząd rejestruje dużeprzesunięcie sygnału referencyjnego, wtedy następuje odpowiednio duże przesunięcie echa od lustra wody.

Levelflex M FMP45 jest używany na krajowych obiektach energetycznych w walczakach firmy Rafako o standarowej średnicy wewnętrznej 1 600 mm, w których utrzymywany jest poziom wody w zakresie ±250 mm od osi poziomej. Radar osiąga bardzo dobre wyniki na dużych blokach OP- 650 i OP-430, dostarczając sygnał 4…20 mA w pełni nadążny za pomiarem regulacyjnym, realizowanym za pomocą przetwornika różnicy ciśnień. Jednocześnie przyrząd wykazuje odporność na wahania ciśnienia statycznego i temperatury oraz duże przepływy mieszanki wodno-parowej, które to zjawiska są wyrażnie widoczne w przebiegu sygnału analogowego z przetwornika dP przed korektami w systemie automatyki.

Podsumowanie

Obszar zastosowań radarów wysokiej częstotliwości w energetyce poszerza się. Należy jednak pamiętać, że własności pary wodnej wyznaczają bardzo surowe kryteria dla takich przyrządów i nie jest sprawą oczywistą, że każdy radar zachowuje sięw takich zastosowaniach prawidłowo. Przetworniki radarowe Endress+Hauser są jedynymi na rynku, które biorą pod uwagę dynamikę i złożoność zjawisk fizycznych w walczaku kotła energetycznego, gwarantując użytkownikowi wysoką dokładność, powtarzalność i co najważniejsze wiarygodność pomiaru poziomu wody.

www.pl.endress.com/poziom