Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Novému fluidnímu kotli elektrárny PKE Elektrownia Łagisza v Polsku (obr. 1) patří světové prvenství v instalovaném výkonu 460 MW s použitím moderní metody CFB (Circulating Fluid Bed). Při přípravě projektu se ve všech oborech přihlíželo k bezpečnosti, spolehlivosti a také k ekonomickým faktorům budoucího provozu. Podle stejných hledisek byla za hlavního dodavatele techniky pro měření spojitých provozních veličin vybrána firma Rosemount.
Velká pozornost v projektu byla věnována také měření polohy hladiny v kondenzátorech a ohřívácích vody, které připravují vodu pro kotel. Tyto měřicí okruhy byly z hlediska funkční bezpečnosti vyhodnoceny jako okruhy vyžadující splnění podmínek SIL 2. Pro dosažení maximální spolehlivosti jsou tyto měřicí okruhy ve výsledku okruhy ztrojeny s výběrem 2oo3 v řídicím systému. Při výběru typu snímače polohy hladiny bylo posuzováno několik možných principů. Vybrán byl radarový snímač s vedenou vlnou Rosemount 5300 (tzv. kontaktní, viz vložený text). V současnosti, po delším než ročním provozu, lze potvrdit, že to byla správná volba.
Měření polohy hladiny vody v kondenzátorech
Tak jako ve většině parních elektráren, jsou i v daném bloku dva kondenzátory. Větší zachycuje a kondenzuje páru přímo za turbínou, menší za turbonapáječkou. Chybné měření polohy hladiny vody v kondenzátoru může ovlivnit účinnost přenosu tepla ve výměníku kondenzátoru, způsobit nestabilitu regulace otáček čerpadel, popř. ohrozit čerpadla a v krajním případě i turbínu a nebo turbonapáječku.
Výška hladiny vody v kondenzátorech se většinou měří hydrostaticky snímačem tlakové diference, popř. vztlakovým plovákovým snímačem polohy hladiny. Má-li snímač tlakové diference správně měřit, je nutné správně nastavit jeho měřicí rozsah, snímač správně vynulovat a také zaplnit „mínusovou“ větev kondenzátem, což – vzhledem k 97% vakuu – představuje značný problém ovlivňující spolehlivost měřicího řetězce a také komplikující každé spouštění technologického zařízení. Vztlakové plovákové snímače sice nemají žádnou „mínusovou“ větev, kterou by bylo nutné před každým spouštěním zařízení zaplňovat, ale náklady na jejich pořízení jsou větší a také jejich provoz je v důsledku náročné údržby a nutných kalibrací výrazně dražší. Navíc jde o přístroje s pohyblivými díly, které špatně odolávají případným vibracím.
Téměř ideálním řešením v daném případě je kontaktní radarový hladinoměr Rosemount 5301 umístěný v obtokové komoře (obr. 2). Přístroj splňuje požadavky na SIL 2, není závislý na změnách tlaku a na vakuu, díky použitému elektronickému štítku EDDL se snadno nastavuje a diagnostikuje, pracuje bez problémů i během spouštění, popř. odstavování technologického zařízení, nevyžaduje téměř žádnou údržbu a nemají na něj vliv vibrace.
Měření polohy hladiny vody v ohřívácích
Fluidní kotel elektrárny PKE Elektrownia Łagisza je napájen vodou, která je postupně předehřívána v osmi stupních ohříváků parou odebíranou za vysokotlakým stupněm turbíny. Měření polohy hladiny vody v ohřívácích je z hlediska bezpečnosti, spolehlivosti a také účinnosti celého parního cyklu opět jedním z velmi důležitých. Kontaktní radary Rosemount 5300 jsou zde použity k měření polohy rozhraní voda-pára až do provozní teploty 287 °C a tlaku 7,1 MPa (obr. 3). Konstrukční požadavky jsou zde ale podstatně vyšší: až 400 °C při tlaku 8,7 MPa, což vede ke speciální konstrukci antény (obr. 4).
Za uvedených podmínek se podstatně mění hustota i dielektrická konstanta εr (relativní permitivita) vody a páry (tab. 1).
Při měření polohy hladiny vody v páře metodami závislými na hydrostatickém tlaku (snímače rozdílu tlaků, vztlakové plováky) je chyba měření ovlivněna především změnou hustoty vody a páry. Z tab. 1 je patrné, že např. při teplotě 300 °C jde již o chybu větší než 30 %, a že se tudíž nelze obejít bez její složité kompenzace v řídicím systému.
Na rozdíl od hydrostatických metod je převodní charakteristika kontaktního radarového hladinoměru Rosemount 5300 z jeho fyzikálního principu na hustotě vody i páry nezávislá. Rychlost šíření elektromagnetické vlny radaru ovšem závisí na hodnotě dielektrické konstanty páry podle vztahu
v = c/(√εrp) (1)
kde
v je rychlost šíření radarové vlny v páře,
c rychlost šíření světla ve vakuu,
εrp dielektrická konstanta páry.
Při teplotě 200 °C se chyba v určení polohy hladiny vody v páře způsobená změnou dielektrické konstanty páry blíží 2 % a při této a vyšší teplotě je vhodné ji kompenzovat. Lze to provést v řídicím systému při použití známé závislosti εrp na tlaku a teplotě nebo mnohem jednodušším způsobem pomocí funkce DVC (Dynamic Vapor Compensation) přímo v radarovém hladinoměru Rosemount 5300 (obr. 5).
Závěr
Firma Rosemount je částí společnosti Emerson Process Management. Vlastní vývoj ve firmě Rosemount a také spojení s firmou Saab Tank Radar a později i s firmou Mobrey daly vzniknout širokému sortimentu přístrojů k měření a detekci polohy hladiny zahrnujícímu především snímače tlaku a tlakové diference, vibrační a plovákové spínače a snímače a ultrazvukové a radarové snímače polohy hladiny této značky.
Milan Goldmann,
Obr. 1. Nový blok elektrárny PKE Elektrownia Łagisza s moderním fluidním kotlem s největším instalovaným výkonem na světě
Obr. 2. Radarové snímače hladiny Rosemount 5301 na kondenzátoru turbíny
Obr. 3. Radarové snímače polohy hladiny Rosemount 5300 na vysokotlakém ohříváku
Obr. 4. Konstrukce antény pro vysokou teplotu a tlak: anténa radarového hladinoměru Rosemount 5300 je tepelně izolována keramickými kroužky těsněnými grafitovým těsněním
Obr. 5. Princip funkce dynamické kompenzace dielektrické konstanty páry (Dynamic Vapor Compensation – DVC) v radarovém hladinoměru Rosemount 5300
Radarový hladinoměr s vedenou vlnou (kontaktní)
Radarový hladinoměr s vedenou vlnou neboli kontaktní radarový hladinoměr využívá k šíření vlny povrch kovové antény vnořené do měřené látky. Na rozhraní látek s rozdílnou dielektrickou konstantou se část energie odráží a vrací jako signál od hladiny. Čím větší je dielektrická konstanta, tím větší část energie se odrazí, a tím silnější signál je vrácen zpět k vysílači. Zbylá energie pokračuje dál po povrchu antény, dokud není pohlcena, popř. se odrazí od další vrstvy. Kontaktní radarový hladinoměr lze tudíž s výhodou využít i k měření polohy mezihladiny např. ropných produktů a vody.
Rosemount 5300
Hladinoměr Rosemount 5300 je špičkový radarový hladinoměr s vedenou vlnou pro náročné úlohy měření polohy hladiny. Díky patentovanému přepínači vysokofrekvenčního signálu a optoelektronickému galvanickému oddělení poskytuje pětkrát větší odstup signálu od šumu než jiné přístroje daného typu. Může přímo měřit média s dielektrickou konstantou 1,2 a větší. Pro zvýšení spolehlivosti zejména při měření sypkých látek využívá projekci konce antény (Probe End Projection – PEP) při ztrátě signálu. Nachází uplatnění také díky vynikající přesnosti měření do 3 mm, potvrzené schválením typu TCM 141/09-4651. V přístrojových bezpečnostních okruzích (Safety Instrumented Systems – SIS) ho lze s výhodou využít pro úroveň SIL 2 (podíl bezpečných poruch SFF = 91,35 %). Sondy pro vysoké tlaky a teploty snesou až 34,5 MPa, popř. 400 °C. Pro měření polohy rozhraní vody a páry je připravena kompenzace dielektrické konstanty. Je ale vhodný také k měření kapalných plynů od teploty –196 °C nahoru.