Komplexní řešení moderních systémů chemické analýzy vody a páry v energetice

Společnost JSP, s. r. o., je přední český výrobce a dodavatel systémů měření a regulace. Vyrábí a dodává především snímače pro měření teploty, tlaku, průtoku, výšky hladiny a dalších veličin a zařízení pro chemickou analýzu pro energetiku, chemickou výrobu a jiné průmyslové obory. Rovněž zajišťuje kompletní řešení MaR při výstavbě nových a rekonstrukci již existujících energetických celků. Jde většinou o ucelené dílo včetně kompletního inženýrinku – od projektových prací přes vlastní dodávky, montáž nebo šéfmontáž, testy a uvedení do provozu až po zajištění záručního a pozáručního servisu, dodávek náhradních dílů a další potřebné podpory, jako je např. pravidelná kalibrace snímačů ve vlastní akreditované laboratoři (AKL) či ověření pro fakturační měření v autorizovaném měřicím středisku (AMS) JSP.

Mezi hlavní dodávky patří systémy kontinuální chemické analýzy vody a páry v energetice (obr. 1). Zažitá zkratka pro tyto systémy je SWAS (Steam and Water Analytical System).

Účel chemické analýzy v elektrárně

Kvalita, chemické složení a znečištění vody mají přímý vliv na životnost a spolehlivost zejména blokových zařízení (kotlů a turbín) klasických i jaderných elektráren. Tyto parametry mají přímou vazbu na opotřebení a celkově na ekonomické výsledky provozu. Úroveň obsahu některých chemických prvků či nečistot je v moderních provozech nutné monitorovat „online“, v reálném čase a s přímou vazbou do řídicího systému, tak aby obsluha mohla včas diagnostikovat stav a preventivně na měnící se parametry reagovat adekvátní úpravou či zásahem. V současné době je dokonce řízení chemie okruhů postaveno na roveň řízení toku energie. Pomocí porovnání reakce a měřením na různých místech okruhu lze také např. rychle diagnostikovat zdroj nečistot, odhadnout typ znečištění nebo poruchy.

Řetězec vzniku informace o chemickém režimu od technologických zařízení k člověku zahrnuje:

• odběr vzorku z hlavního proudu média,
• úpravu vzorku (snížení teploty a tlaku či kondenzace páry na kapalinu),
• vlastní analýzu vzorku,
• zpracování signálu (filtrace, mrtvé pásmo apod.),
• přenos do databáze a zobrazení v DCS,
• informace o validitě měření,
• identifikaci příčiny poruchy a poškození technologického zařízení (varovný systém),
• zajištění vysoké bezpečnosti při provozu, obsluze a údržbě.

Právě při použití analyzátorů s těmito funkcemi lze hovořit o systémech s automatickou kontrolou kvality online analytických měření. Online monitorování poskytuje dokonalou informovanost o chemickém režimu kotlů, hlídá dodržování technologické kázně obsluhy, umožňuje kontinuálně řídit např. dávkování čpavku do napájecí vody, fosfátu do kotle, řídit odluh, sledovat účinnost a funkčnost odplynění atd. Díky dostatku aktuál­ních a přesných informací o systému je možné udržovat stabilní chemický režim, kdy jsou korozní procesy v okruhu zpomaleny na minimum a zařízení se minimálně opotřebovává.

Kvalitní úprava vzorku

Aby mohl jakýkoliv kontinuální analyzátor spolehlivě měřit, musí mít zaručen trvalý průtok vzorku o požadovaných parametrech. Správnou teplotu a konstantní tlak vzorku zajišťuje odběrový systém předřazený analyzátoru, který všechny vzorky o teplotě vyšší než 50 °C a tlaku vyšším než 300 kPa upraví na parametry vyhovující online analyzátorům a zajišťující bezpečný odběr vzorků pro laboratoř, tzn. teplotu do 45 °C a tlak vzorku 100 až 300 kPa. Odběrový systém musí být schopen poskytnout dostatečné množství vzorku, tj. přibližně šedesát litrů vzorku za hodinu (tj. 1 l/min), protože při měření více parametrů ve vzorku z jednoho měřicího místa (jednoho odběru) se použije jeden dostatečně dimenzovaný odběrový systém a upravený vzorek se dále rozvětví do jednotlivých analyzátorů. Každý připojený analyzátor vyžaduje průtok vzorku v rozmezí 5 až 15 l/h a přebytečný vzorek trvale protéká větví laboratorního odběru přes regulátor zpětného tlaku do odpadu. Samozřejmostí je i teplotní pojistka odběrového systému, která uzavře průtok vzorku, jestliže teplota na výstupu z chladiče překročí určitou mez (např. 46 °C).

Odběrový systém se nejčastěji skládá ze:

• vstupního vysokotlakého ventilu pro uzavření přívodu vzorku na panelu,
• vysokotlakého odkalovacího ventilu, umožňujícího odkalení přívodu vzorku na vstupu,
• korozivzdorného vysokotlakého chladiče na straně vysokého tlaku dimenzovaného pro maximální provozní parametry měřeného média,
• redukčního ventilu ke snížení vysokého tlaku vzorku,
• teplotního pojistného uzavíracího systému pracujícího bez potřeby napájení (přerušení průtoku vzorku z důvodu vysoké teploty může být automaticky obnovitelné a zastavení průtoku vzorku je detekováno do řídicího systému),
• přepouštěcího zpětného regulátoru pro udržování konstantního tlaku na vstupu analyzátoru na hodnotě přibližně 100 kPa,
• korozivzdorného 250μm T-filtru, který bývá umístěn za chladičem vzorku kotelní vody (umístění musí umožňovat snadné čištění),
• místního ukazatele teploty vychlazeného vzorku na výstupu za chladičem pro snadnou orientaci obsluhy.

Všechny komponenty jsou namontovány a propojeny na samostatném montážním panelu z korozivzdorné oceli.

JSP vyrábí a dodává ucelené teplotně-tlakové systémy pro úpravu vzorků v energetice SteamSET a WaterSET (obr. 2).

Vlastnosti moderních analyzátorů

Moderní analyzátory musí splňovat více než jen parametry požadované přesnosti měřeného parametru. Je třeba brát ohled na vhodné materiálové provedení senzoru, požadované krytí apod. Pro online monitorování jsou potřebné další funkce jako informace o kontrole průtoku a teploty měřeného vzorku, kontrole a upozornění na výměnu či doplnění provozních náplní (katexové filtry, reagenty atd.) či přímo diagnostika a kontrola senzoru pomocí automatických kalibrací a verifikací. Často se používají vícekanálové analyzátory a kombinované analyzátory měřící několik parametrů současně. Snadná údržba a obsluha jsou předpokladem pro snížení provozních nákladů.

Pro kontrolu, zda vzorek analyzátorem protéká, a to průtokem potřebným pro spolehlivé a přesné měření, mají moderní analyzátory zabudováno kontinuální měření průtoku vzorku přímo v tělese analyzátoru. Klasický způsob přenosu měřených dat pouze pomocí analogových smyček 4 až 20 mA není z hlediska automatizovaného systému zajištění kontroly kvality měření dostatečný vzhledem k tomu, že neumožňuje přenos diagnostických dat a parametrů přístrojů. Pro kontrolu kvality je nutné zavést do nadřazeného systému více analogových smyček a také alespoň binární výstupy sdružené indikace alarmových podmínek jednotlivých analyzátorů (systémový alarm). Takový signál je pro operátora informací, že analyzátor zjistil porušení podmínek měření (ztráta průtoku vzorku, špatný výsledek automatické kalibrace, nevyhovující teplota vzorku, výpadek napájení, atd.) a je potřeba zjistit příčinu a zjednat nápravu. V poslední době si svou cestu do elektrárenských provozů nacházejí i moderní Fieldbus nebo Profibus způsoby přenosu dat. Tento způsob přenosu dat je pro automatický systém kontroly kvality měření přímo ideální a umožňuje mít na dálku pohodlný přístup ke kompletním informacím, které analyzátory monitorují a poskytují. Někdy bývají použity jak klasické výstupy 4 až 20 mA, tak připojení Profibus. V takových případech jsou analogové výstupy využity k provoznímu řízení a digitální sběrnicový systém k zajištění kontroly kvality (jakosti) měření a údržbě. Mění a vyvíjí se i vlastní princip měření. Například pro měření zákalu se přechází od zastaralých kontaktních zákaloměrů s průtočnou celou a se stírátky optiky, kde se trvale zanáší sonda, k bezkontaktnímu měření (vysílač světla, přijímač světla ani jakákoliv průtočná cela nepřicházejí do kontaktu s médiem, a tudíž se nešpiní; to zaručuje naprosto bezúdržbový stabilní provoz a velmi dlouhou životnost).

Parametry pro moderní systémy on-line chemické analýzy splňují např. přístroje renomovaného švýcarského výrobce Swan nebo výrobců Murtac, Sigrist, Polymetron a dalších.

Postup realizace od návrhu a projektu přes výrobu až po instalaci

Kvalita, přesnost a spolehlivost systému on-line chemické analýzy začínají již při vypracovávání jeho návrhu a projektu. Mnohdy zažitý názor, že správná volba analyzátoru postačí k zajištění kvalitního měření pro energetické provozy, je již minulostí. Na systém SWAS je třeba pohlížet komplexně. Pouze správně navržená a vyprojektovaná sestava celého řetězce, od správné volby odběrového místa přes všechny komponenty dopravy a úpravy vzorku, vlastní analyzátor, systém přívodu a odvodu chladicí vody až po převod výstupního signálu a jeho zpracování a zapojení do databází a řídicího systému, zajistí požadovanou přesnost, spolehlivost měření, ale zejména bezchybný a efektivní provoz technologického zařízení (obr. 3). Při navrhování systému je třeba postupovat komplexně a dodržovat mnoho zásad, z nichž některé byly nastíněny právě v tomto článku.

Celý proces návrhu, výroby a dodávky SWAS je řízen zpracovaným plánem kvality a podrobným programem kontrol a zkoušek a skládá se z těchto základních kroků:

• návrh (funkční schéma),
• projekt technologického zařízení,
• výroba a přejímka ve výrobním závodě (FAT),
• balení, doprava a logistika dodávek,
• montáž, uvedení do provozu, individuální, funkční a kompletní zkoušky,
• následná podpora, proškolení obsluhy, záruka, servisní služby, dodávky náhradních dílů.

Ukázky SWAS realizovaných společností JSP v posledních letech

Pro projekt kompletní obnovy elektrárny Prunéřov II dodává společnost JSP SWAS, zařízení pro detekci úniku ropných látek, snímače teploty včetně příslušenství (teploměrné jímky apod.), měření průtoku (clony a clonové tratě) a další drobné dodávky pro jednotlivé dodavatele obchodních balíčků (obr. 3). V roce 2013 byl úspěšně dokončen projekt dodávky SWAS a provozní přístrojové techniky (snímače teploty, jímky atd.) pro paroplynový cyklus (PPC) 880 MW Počerady (obr. 4). V letech 2014 a 2015 dodávala společnost JSP SWAS pro teplárnu a oba bloky PPC ve Vřesové pro Sokolovskou uhelnou a. s. (obr. 5).

Ing. Petr Fukač, MBA, JSP, s. r. o.

Obr. 1. Kompaktní systém chemické analýzy

Obr. 2. Postup výroby SWAS (konstrukce, 3D model, výroba, balení a expedice)

Obr. 3. Dodávky pro kompletní obnovu elektrárny Prunéřov II (vzorkovna a úprava vzorku na blokové úpravně kondenzátu)

Obr. 4. Instalace SWAS na PPC 880 MW Počerady (místnost úpravy vzorku a analyzátorovna)

Obr. 5. Instalace SWAS v Sokolovske uhelne (teplarna, SWAS na PPC a měřeni chloridů)