Prawidłowy dobór oprzyrządowania do pomiaru poziomu jest kluczowym czynnikiem gwarantującym prawidłową pracę parowych kotłów walczakowych. Falowodowe przetworniki radarowe ze względu na ich szerokie możliwości oferują najlepsze rozwiązania tego typu pomiarów.
Tworząc krótką listę czynników wpływających na polepszenie wydajności pracy elektrowni cieplnych, na jednym z czołowych miejsc powinny się znaleźć dokładne pomiary poziomu wody w walczaku parowym z powodu ich znaczącego wpływu na jakość pracy kotła. Jest to szczególnie ważne w obliczu zmian na rynku energetyki cieplnej oraz stawianych jej wymagań.
Wiele z działających już elektrowni i elektrociepłowni było zaprojektowanych do pracy ze stałym obciążeniem, co oznacza działanie w dzień i w nocy z minimalnymi zmianami obciążenia. W chwili obecnej zakłady energetyczne muszą zwiększać i zmniejszać produkcję energii każdego dnia, aby dopasować się do cyklicznych zmian ilości wytwarzanej energii ze źródeł odnawialnych. Ma to wpływ na oprzyrządowanie wymagające bardziej zaawansowanego sterowania do utrzymania wydajności i żądanego jednostkowego zużycia ciepła w szerszym zakresie warunków pracy. W tym kontekście bardzo istotnym zagadnieniem jest regulacja poziomu wody w kotłach oraz jej wpływ na ich wydajność, działanie i obsługę.
Pomiary poziomu cieczy w walczaku parowym kotła
Niezależnie od konstrukcji i wielkości większość kotłów podkrytycznych jest wyposażonych w walczak ulokowany w najwyższym punkcie instalacji, gdzie wytwarzana jest para wodna i schodzą się przewody rurowe. Zapewnienie prawidłowego poziomu wody w walczaku jest krytycznym czynnikiem gwarantującym prawidłowość jego działania. Jeśli poziom wody jest za wysoki, to może ona przedostać się do przewodów parowych, a nawet do głównej turbiny (jeśli występuje), powodując zniszczenie jej łopatek. Jeśli poziom wody jest za niski, elementy kotła mogą ulec osuszeniu i nastąpi ich przegrzanie. Obie sytuacje prowadzą do długiego i kosztownego przestoju i remontu, tak więc niepożądana zmiana poziomu wody nawet o kilka centymetrów może spowodować poważne kłopoty.
Zapewnienie stałości tego, krytycznego dla pracy kotła, parametru stanowi poważne wyzwanie, gdyż walczak parowy jest miejscem o bardzo zmiennych warunkach termodynamicznych, o wysokiej temperaturze i ciśnieniu. W idealnym przypadku woda zasilająca musi być dodawana w takiej samej ilości, jak odprowadzana para wodna. Nie stanowi to większego problemu, gdy pobór pary jest stabilny, lecz gdy obciążenie szybko rośnie lub maleje, poziom wody również szybko może się zmieniać. Zwiększenie obciążenia powoduje zwiększenie poboru pary, co skutkuje zmniejszeniem ciśnienia w walczaku i tworzeniem się większej ilości pary w rurkach. Następuje podnoszenie się poziomu cieczy i jeśli ta zmiana jest duża w krótkim czasie, to może nastąpić awaria. Zmniejszenie poboru pary ma efekt odwrotny.
Zazwyczaj urządzenia do pomiaru poziomu w walczaku kotła wszystkich typów są montowane z wykorzystaniem zewnętrznych komór (rys. 1). Te dodatkowe elementy montażowe mogą różnić się nazwami i konstrukcją, lecz zawsze mają dwa przyłącza do walczaka – powyżej i poniżej poziomu cieczy – tak więc poziom cieczy wewnątrz nich jest bardzo zbliżony do poziomu w walczaku i podąża za zmianami tego poziomu. Oba przyłącza są zawsze wyposażone w zawory odcinające, które można zamknąć w trakcie działania instalacji, umożliwiając tym samym wymianę lub serwis urządzeń pomiarowych bez konieczności wyłączania kotła. Komory pomagają również minimalizować turbulencje, które są charakterystyczne dla walczaków w kotłach.
Metody pomiarów poziomu
Poniżej zostaną opisane cztery główne technologie pomiarów poziomu, ich zalety i wady.
Pomiar ciśnienia różnicowego DP (differential pressure)
Pomiar DP jest najczęściej stosowaną metodą pomiaru poziomu w wielu aplikacjach, również w walczakach kotłów parowych. W przypadku tych ostatnich ma ona jednak kilka poważnych wad.
Po pierwsze, wyniki pomiarów zależą od gęstości wody, która może się znacznie zmieniać w przypadku kotła. Zmiana gęstości wody spowodowana zmianą ciśnienia w kotle o 70 barów może spowodować błąd pomiaru poziomu metodą DP nawet rzędu 26%. Oczywiście system automatyki sterujący pracą kotła wprowadza odpowiednie korekty i przyjmuje gęstość bliską rzeczywistym warunkom pracy, jednak może się ona zmieniać gwałtownie z powodu tworzenia się pęcherzyków pary podczas zmiany wewnętrznego ciśnienia, co zostało już wcześniej opisane. Tak więc czujnik DP może zarejestrować zmianę poziomu w sytuacji, gdy ona nie nastąpiła.
Pomiar metodą DP najlepiej nadaje się do stosowania w relatywnie ustabilizowanych warunkach ciśnienia i temperatury w walczaku. Podczas włączania do ruchu i wyłączania kotła obsługa często nie korzysta z niego, ale stosuje wizualną obserwację poziomu poprzez wskaźniki lokalne (poziomowskazy).
Innym poważnym mankamentem jest konieczność zastosowania rurek impulsowych do podłączenia przetwornika. Rurki impulsowe, często bardzo długie, wymagają intensywnej konserwacji, regularnego czyszczenia i napraw nieszczelności oraz są narażone na utratę drożności. Kłopotliwe jest również tzw. zalewanie rurek, które powinno usunąć z nich sto procent powietrza, co nie zawsze się udaje.
Ogólnie rzecz ujmując, występuje tu spora ilość elementów mogących powodować błędy pomiaru.
Czujniki wypornościowe
Tak jak metoda DP, pomiary z wykorzystaniem czujników wypornościowych zależą od gęstości cieczy, tak więc mają te same ograniczenia i wady. Czujniki wypornościowe są elementami mechanicznymi i mają ruchome części, które poruszając się w niestabilnym środowisku, wymagają częstej kalibracji i konserwacji. Obecnie stosowane są rzadko, w starych i niewielkich kotłach.
Pomiary przewodności
System kilku (kilkunastu) czujników przewodności wody różniących się długością umieszczony jest w komorze pomiarowej. Pomiar poziomu odbywa się na podstawie określenia ilości zanurzonych czujników. Tego typu pomiary działają dobrze i mogą być niezawodne, lecz oferują małą rozdzielczość, wynikającą z odległości między czujnikami. Mogą być bardzo użyteczne w systemach zabezpieczeń, lecz nie gwarantują dokładności wymaganej do regulacji poziomu. Podobnie jak czujniki wypornościowe, spotyka się je w małych obiektach.
Pomiary radarowe
Czwartą i najnowszą metodą są pomiary radarowe, które w tego typu aplikacjach wykorzystują falowodowe przetworniki radarowe (GWR – Guided Wave Radar). Nazwa ich bierze się stąd, że wykorzystują sondę jako falowód. Falowodowe przetworniki radarowe pracują bardzo dobrze w wąskich przestrzeniach komór pomiarowych, wykazując szereg niezaprzeczalnych zalet.
Po pierwsze, pomiary radarowe nie zależą od gęstości cieczy. Przetworniki radarowe śledzą punkt, w którym następuje zmiana stałej dielektrycznej, czyli miejsce na powierzchni cieczy. Po drugie, są odporne na działanie temperatur i ciśnień występujących w środowisku kotła. Po trzecie, są bardzo dokładne i mogą aktualizować odczyt wiele razy na sekundę, co oznacza możliwość szybkiej rejestracji zmian poziomu.
Falowodowe przetworniki radarowe mają również swoje wady, lecz można je łatwo zminimalizować. Po pierwsze, głowica przetwornika musi być zainstalowana powyżej najwyższego możliwego poziomu cieczy o wielkość równą co najmniej długości reflektora referencyjnego. Przed dotarciem do powierzchni cieczy impuls musi się rozchodzić w przestrzeni pozbawionej wody, czyli w parze wodnej. Z tego powodu przy modernizacjach większość istniejących komór nie może być wykorzystana bez żadnych modyfikacji. Niektóre komory muszą mieć dodane dodatkowe przedłużenia do góry w celu zwiększenia ich długości, a w innych przypadkach może zajść konieczność wykonania nowych komór.
Po drugie, tak jak pomiary ciśnienia różnicowego i wypornościowe są zależne od zmian gęstości cieczy, tak pomiary radarowe zależą od stałej dielektrycznej pary wodnej. Impuls radarowy jest spowalniany w kotle zależnie od gęstości pary – wyższe ciśnienie oznacza wolniejsze rozchodzenie się impulsu. Impulsowi radarowemu potrzeba więcej czasu na przejście do powierzchni cieczy i powrót do nadajnika podczas przechodzenia przez parę wodną w porównaniu z czasem, jaki jest potrzebny na przejście w powietrzu. Jeśli falowodowy przetwornik radarowy był kalibrowany w powietrzu, to odczyt będzie wskazywał, że poziom cieczy znajduje się niżej niż to jest w rzeczywistości. Oprzyrządowanie przetwornika może rozwiązać ten problem dzięki zastosowaniu dynamicznej kompensacji zmian wartości stałej dielektrycznej pary.
Sonda radaru charakteryzuje się skokową zmianą średnicy, a uskok, o którym mowa, znajduje się w niezmiennej odległości od przetwornika. Za każdym razem, gdy przetwornik wysyła impuls, uskok średnicy działa jako reflektor referencyjny, dając własne echo razem z echem powstającym przy odbiciu od powierzchni cieczy (rys. 2). Układ przetwarzania sygnałów mierzy czas przejścia impulsu odbitego od reflektora referencyjnego i wylicza, czy został on spowolniony i jak bardzo. Następnie następuje obliczenie współczynnika korekcyjnego, który jest stosowany do pomiarów echa od powierzchni wody. Taka procedura jest wykonywana dla każdego impulsu, tak więc korekcja jest dynamiczna i zmniejsza błąd pomiaru do wartości mniejszej od 2%.
Aby uniknąć problemów związanych z różnicą gęstości wody w komorze i walczaku kotła, zaleca się, aby komora znajdowała się blisko walczaka. Jeśli odległość jest duża, mogą wystąpić znaczne różnice w gęstości wody w walczaku i w komorze, co może powodować różne wskazania poziomu wody w komorze i walczaku.
Z definicji tej metody pomiarowej wynika, że do odbicia impulsu fali wysłanego z radaru potrzebna jest powierzchnia wody. Wraz ze wzrostem temperatury/ciśnienia w walczaku w pewnym granicznym momencie pojęcie powierzchni w zasadzie przestaje obowiązywać, gdyż intensywność parowania jest tak duża, że dolna część walczaka (woda) i górna (para) są ośrodkami bardzo już do siebie podobnymi, a w przybliżeniu cała przestrzeń walczaka wypełniona jest czymś w rodzaju mieszaniny wody i pary. Dzieje się tak w warunkach około 350°C, 160 barów i wyższych. Wtedy różnica stałych dielektrycznych wody i pary staje się zbyt mała i radarowa metoda pomiaru poziomu przestaje być stosowana. Trzeba jednak dodać, że w kotłach walczakowych te graniczne warunki dla wody z reguły nie są osiągane.
Zastosowanie technologii pomiaru poziomu
Efekty nieprawidłowej pracy kotła – zarówno przenikanie wody do przewodów parowych, jak i przyzwolenie na pracę suchego kotła – są groźne, tak więc posiadanie właściwego oprzyrządowania i strategii sterowania zapobiegającej wystąpieniu tych zjawisk jest czynnikiem krytycznym. Jednocześnie fałszywy alarm powodujący wyłączenie kotła i przerwanie wytwarzania energii oraz procedura ponownego uruchomienia kotła są procedurami bardzo kosztownymi. W rezultacie operatorzy bardzo często używają trzech urządzeń do pomiaru poziomu, a do inicjacji procedury wyłączenia stosują metodę „dwóch z trzech”, czyli procedura wyłączenia jest inicjowana, gdy dwa z trzech urządzeń pomiarowych pokazują stan nieprawidłowy kotła. To może wyglądać na skomplikowane i kosztowne rozwiązanie, jednak nawet jedna niechciana przerwa w produkcji energii jest znacznie bardziej kosztowna niż cena zastosowania trzech systemów pomiarowych.
Standardowa praktyka instalacyjna obejmuje montaż trzech komór pomiarowych wokół walczaka. Jeśli wykorzystywane są falowodowe przetworniki radarowe (GWR), projektant powinien szczególnie starannie zadbać o to, aby spełnić wszystkie zalecenia producenta tych przetworników co do wymiarów komór, a instalator winien zadbać, aby je właściwie zamontować.
W idealnym rozwiązaniu trzy komory powinny się znajdować dokładnie na tym samym poziomie, a sam walczak powinien być precyzyjnie wypoziomowany. Jednak często tak nie jest. Jeśli wysokości komór nie są jednakowe, to trzy falowodowe przetworniki radarowe nie będą dawały jednakowych odczytów poziomu. Dzieje się tak, ponieważ wynik pomiaru mierzony jest od kołnierza przetwornika do powierzchni cieczy. Jeśli położenie kołnierzy przetworników jest różne, to różne będą wyniki pomiarów. Laserowe urządzenia pomiarowe mogą być pomocne w określeniu różnic w poziomach zamontowania przetworników, co umożliwi korekcję wyników pomiarów radarowych.
Odczyty z trzech falowodowych przetworników radarowych mogą być „dopasowane” poprzez odpowiednie korekty w ich konfiguracjach, aby skorygować różnice wysokości powstałe w trakcie instalacji. Jeśli różnice są nadal widoczne podczas działania aplikacji, to może oznaczać wewnętrzne przepływy lub spiętrzenia powodujące nierównomierny rozkład poziomu wody w walczaku.
Ta sama metoda pomiarowa z wykorzystaniem radarowych przetworników poziomu z dynamiczną kompensacją stałej dielektrycznej pary ma zastosowanie nie tylko w walczaku kotła parowego, ale również w takich aparatach, jak wymienniki regeneracyjne, kondensatory, zbiorniki wody zasilającej i inne. Tym samym zakres zastosowań rozciąga się na kotły nadkrytyczne lub inne, nieposiadające walczaka w swojej konstrukcji.
Oczywiste jest, że opisane metody/urządzenia muszą spełniać warunki podane w obowiązujących dyrektywach i normach.
Dla elektrowni i elektrociepłowni zaprojektowanych na stałe obciążenie konieczność modulowania produkcji w odpowiedzi na zmiany zapotrzebowania generowane przez okresowo zmienne źródła energii odnawialnej jest poważnym problemem. W jej wyniku sterowanie pracą kotła dla uzyskania stabilności pracy elektrowni jest bardziej wymagające niż dotąd. Prawidłowa praca zależy w znacznej mierze od efektywności oprzyrządowania do pomiaru poziomu – falowodowe przetworniki radarowe 5300 mogą stanowić rozwiązanie gwarantujące stabilność, wydajność i zyskowność produkcji energii.
Cezary Szmeja jest kierownikiem Regionu Aparatury Pomiarowej w firmie Emerson Automation Solution.
