Aktuální vydání

celé číslo

07

2021

Automatizace řízení dopravy a infrastruktury, nabíjecí stanice, autonomní vozidla

celé číslo

Radarové měření polohy rozhraní voda-pára v elektrárně PKE Łagisza

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.