Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Bezpečné měření úrovně hladiny vody v bubnu energetického kotle

Společnost Endress+Hauser nabízí radarové hladinoměry s vedenou vlnou Levelflex M FMP54 a Levelflex FMP54, jedinečné přístroje umožňující snadno, spolehlivě a v sou­ladu se současnými provozními i bezpečnostními požadavky řídit provoz energetických parních kotlů.

 

Parovodní okruh energetického zařízení

Základem tepelné elektrárny nebo teplárny je parovodní okruh, ve kterém trvale cirkuluje napájecí voda (obr. 1). Kondenzát vodní páry získávaný za turbínou je rovnoměrně tlačen do vodotrubného parního kotle přes několi­kastupňové předehřívače, nízkotlaké i vyso­kotlaké. V bubnu kotle se sbírá ještě dále pře­hřívaná vodní pára o vysokém tlaku a teplotě, která poté napájí turbínu pohánějící generá­tor elektřiny. Následně se pára v kondenzáto­ru přemění na vodu a celý cyklus se opakuje. V turbíně se tepelná energie obsažená v pře­hřáté páře přemění na mechanickou a v ge­nerátoru na elektrickou. Bezpečný provoz kotle závisí především na parametrech vodní páry.
 

Klíčový význam úrovně hladiny vody v bubnu pro činnost kotle

Základní úlohou kotle je odpovídající pří­prava páry pro napájení turbíny. Pomocný při­rozený oběh vody v kotli je velmi citlivý na úroveň hladiny v bubnu kotle. Při příliš nízké hladině může dojít k propálení trubek výmě­níku umístěných nad topeništěm kotle, které dodávají parovodní směs do bubnu. Vysoká hladina vody způsobuje zhoršení vlastností páry dopravované do přehřívače, následkem čehož může být poškozena turbína a odsta­ven generátor. S tím spojené odstavení celé­ho energetického bloku znamená nejen velké finanční ztráty z neuskutečněné výroby, ale i velké náklady na opravu a opětovné uvede­ní energetického bloku do provozu.
 
Z uvedeného plyne, že schopnost za všech okolností přesně měřit úroveň hladiny vody v bubnu a udržet ji v požadovaném rozme­zí je jednou ze základních podmínek bezpo­ruchové činnosti kotle. Přibližně každá dru­há z větších havárií kotlů je způsobena tím, že se nepodařilo udržet hladinu vody v kotli v potřebném rozmezí.
 

Klasický způsob měření úrovně hladiny vody v bubnech

 
Úlohy měření úrovně hladiny vody v bub­nech kotlů patří v energetice k nejobtížněj­ším. Jejich realizaci komplikují podmín­ky a děje provázející provoz kotle. Zejmé­na jde o:
  • vysoký statický tlak média v kotli,
  • velký rozsah změn statického tlaku,
  • vysoké teploty,
  • velký průtok parovodní směsi,
  • chybějící výrazné rozhraní mezi vodou a párou.
Dosavadní zkušenosti ukazují, že s ohle­dem na těžké pracovní podmínky se z tradič­ních metod jako nejvhodnější k měření úrovně hladiny v bubnu jeví metoda měření hydrosta­tického tlaku s použitím snímačů rozdílu tla­ků. Je všeobecně používána, současně s vod­ním stavoznakem sledovaným kamerou. Ne­jde však o metodu, která za daných podmínek spolehlivě zaručí potřebnou správnost měření.
 
Nepatřičná úroveň hladiny vody v bubnu může být způsobena jeho nesprávnou obslu­hou a chybami vznikajícími při měření hladi­ny na principu hydrostatického tlaku.
 
Hlavními zdroji nepřesností při měření hydrostatickou metodou jsou:
  • nesprávné provedení kondenzačních nádob okruhů pro měření úrovně hladiny,
  • nesprávná montáž samotného snímače,
  • nedodržení teplotních podmínek pro správ­nou funkci kondenzačních nádob,
  • odchylka osy bubnu kotle od vodorovné roviny,
  • velký rozsah kolísání statického tlaku,
  • různé jevy spjaté s průtokem a termodyna­mikou.
Hydrostatická metoda rovněž vyžaduje velké náklady na montáž měřicího okruhu a jeho údržbu (impulzní potrubí, kondenzač­ní nádoby atd.).
 

Jedinečné radarové hladinoměry s vedenou vlnou Levelflex M FMP45 a Levelflex FMP54

Rychlost šíření elektromagnetických vln s velkou frekvencí podél vlnovodu závisí na dielektrické konstantě okolí, které vlnovod obklopuje. U standardního radarového hla­dinoměru s vedenou vlnou se počítá s tím, že jeho vlnovod pracuje v atmosféře, jejíž dielektrická konstanta je známa a nemění se. Umístěním jeho vlnovodu do bubnu kot­le však vzniknou velké chyby měření, způ­sobené měnící se dielektrickou konstantou parovodní směsi (tab. 1). Standardní radar s vedenou vlnou tyto změny a následné chy­by neumí dynamicky a spojitě kompenzovat.
 
Od standardního radarového hladino­měru se v tomto ohledu zcela odlišuje pří­stroj Levelflex M FMP45 (a jeho nástupce Levelflex FMP54 z nové typové řady) od spo­lečnosti Endress+Hauser. Jde o jedinečný ra­dar s vedenou vlnou, který jako první na trhu zaručuje jednoznačné, opakovatelné a přesné měření úrovně hladiny v bubnu kotle (obr. 2, obr. 3). Je vybaven vlnovodem s referenčním úsekem, díky kterému převodník spojitě a auto­maticky, bez nutnosti zásahu obsluhy, koriguje zobrazení úrovně hladiny podle aktuálního tla­ku a teploty páry nad hladinou vody (obr. 4).
 
Nárůst hodnoty dielektrické konstanty pa­rovodní směsi nad hladinou vody v bubnu způsobuje snížení rychlosti šíření elektro­magnetických vln podél vlnovodu. Proto stan­dardní radar ukáže nižší úroveň hladiny vody v bubnu, než je skutečnost, čímž vzroste ne­bezpečí odstavení energetického bloku pro „nedostatek“ vody v kotli.
 
Podobně pokles hodnoty dielektrické kon­stanty parovodní směsi nad hladinou vody v bubnu způsobí zvýšení rychlosti šíření elek­tromagnetických vln podél vlnovodu. Stan­dardní radar proto ukáže vyšší úroveň hladi­ny v bubnu, než odpovídá skutečnosti, takže opět vzroste nebezpečí odstavení energetic­kého bloku, v tomto případě pro „nadbytek“ vody kotli.
 
V obou uvedených případech právě Level­flex M FMP54 (FMP 45) jako jediný radar na trhu zaručuje správné měření úrovně hladi­ny vody v bubnu kotle, a to díky konstrukci vlnovodu s referenčním úsekem a použití pro­myšleného vyhodnocovacího programu v pře­vodníku. Přehledně jsou hlavní vlastnosti pří­stroje shrnuty ve vloženém textu v rámečku.
 

Závěr

Inovační radarové hladinoměry s vede­nou vlnou Levelflex M FMP45 a Levelflex FMP54 jako jediné na trhu správně a spoleh­livě měří polohu hladiny v bubnu parního kot­le nezávisle na změně hustoty vody a kolísání tlaku a teploty v bubnu kotle, tj. nezávisle na změnách výkonu bloku a vlastnostech vod­ní páry v bubnu. Přístroje jsou konstruovány a certifikovány TÜV k použití v bezpečnost­ních okruzích parovodního kotle ve shodě s platnými normami. Snadno se instalují bez nutnosti zásahu do konstrukce bubnu kotle a nevyžadují údržbu.
 
Základní vlastnosti a přínosy radarových hladinoměrů s vedenou vlnou Levelflex FMP45 a Levelflex M FMP54:
  • správný údaj polohy hladiny vody v bubnu nezávislý na změnách statického tlaku a teploty,
  • necitlivost na změny hustoty parovodní směsi,
  • pracovní rozsah Tmax = 450 °C, (400 °C pro FMP45), Pmax = 40 MPa,
  • certifikace TÜV k použití v bezpečnostních okruzích kotlů podle ČSN EN 12952-11 a ČSN EN 12953-9, jako součást bezpečnostního okruhu ve spojení s bezpečnostním PLC nebo převodníkem Endress+Hauser RMA42,
  • certifikace SIL podle ČSN EN 61508 pro SIL 2 a SIL 3 v homogenní redundanci (např. 2 ze 3),
  • unikátní jednoduchý způsob montáže,
  • dlouhá doba provozního života,
  • nevyžadující obsluhu,
  • osvědčené v bezpečnostních systémech pro odstavení kotlů.
 
Obr. 1. Principiálních schéma parovodního okruhu tradičního energetického zařízení
Obr. 2. Hladinoměr Levelflex M FMP54 vlo­žený do armatury stavoznaku k montáži na buben kotle
Obr. 3. Radar s vedenou vlnou Levelflex M FMP45 ve fázi montáže na kotel
Obr. 4. Radar Levelflex M FMP45/FMP54: princip kompenzace vlivu směru tlaku a teploty média s použitím referenčního úseku vlnovodu
 

Tab. 1. Chyba při měření úrovně hladiny v bubnu standardním radarem v závislosti na parametrech páry (údaje v procentech naměřené hodnoty; netýká se přístrojů Levelflex M FMP45 a Levelflex FMP54)