1. Analýza fyzikálních procesů

2.1. Skutečná hladina v bubnu - hladina ve vodoznaku

Zjednodušené schéma včetně definičního oboru je znázorněno na následujícím obrázku 1

Obr. 1 Schéma určujících veličin buben - přímý vodoznak

Fyzikální veličiny: H - rozteč mezi odběry [ m ]

h_B - skutečná hladina v bubnu [ m ] <0;H>

h_V - hladina ve vodoznaku [ m ]

p_B - absolutní tlak v bubnu [ MPa_a ]

p_B - přetlak v bubnu [ Mpa_g ]

r c +r 2 - měrná hmotnost vody a páry na mezi sytosti [ kg/m³]

r _Ve - ekvivalentní měrná hmotnost vodního sloupce h_v ve vodoznaku

D h_B - diference hladiny od středu regulačního pásma : D h_B = h_b - h_b,0 [ m,mm ]

D h_v - diference mezi skutečnou hladinou v bubnu a hladinou vodoznaku :

D h_v = h_B - h_v [ m,mm ]

t₁ - teplota media (pára, kondenzát) ve vodoznaku [°C]

t₂ - teplota vně vodoznaku (teplota okolí) [°C]

ts₁ ; ts₂- teplota vnitřní a vnější stěny skla [°C]

l _s - tepelná vodivost skla vodoznaku [W/mK]

s - tloušťka skla [ m ]

a ₁, a ₂ - součinitel přestupu tepla na vnitřní a vnější straně desky [W/m²K]

2.1.Rovnice rovnovážného stavu

h_{B.r c} + ( H - h_B). r 2 = h_v. r _Ve+ (H- h_V). r 2 [ kg/m²] (2 -1)

po úpravě :

h_{B =} h_V . (r _Ve -r 2 ) / ( r c - r 2 ) [ m ] (2 -2)

 

Pozn.: Termodynamické veličiny vody, vody a páry na mezi sytosti jsou určovány dle standardu

” IAPWS-IF97” uvedených v Parních tabulkách [ L1 ] z roku 1999.

Po tomto fyzikálním popisu si nadefinujeme problém, který zásadně ovlivňuje poměry v systému buben-vodoznak. Touto veličinou je r _{Ve -} - ekvivalentní měrná hmotnost vodního sloupce h_v ve vodoznaku.

V důsledku odvodu tepla do okolního prostředí zvyšuje se hodnota měrné hmotnosti z hodnoty r c = f (p_B) na hodnoty r _V = f (p_B, t₁) a následně z hodnot r _V po výšce, buď integrální metodou nebo váženým průměrem (lichoběžníková diferenciální metoda) určit r _{Ve .}

Jak tento problém řešit v praxi z hlediska orientace revizního technika při kontrole chování, resp. nastavení hladiny daného kotle v provozních podmínkách?

Obecně je znám fakt, že interní a externí hladiny se liší. Diskutovaným je zpravidla rozdíl skutečná hladina h_B (určovaná softwarově v ŘS) a h_V . Je to 20, 40, 60 nebo více mm ?

Pro stanovení r _Ve je možno využít komplikovaných matematicko-fyzikálních modelů např. s respektováním kondenzace syté páry, odvodu tepla do okolí a do tělesa armatur vodoznaku.

Relativně zjednodušenou metodou vycházející z lokálního odvodu tepla rovinnou ( skleněnou) stěnou, zjistíme dotykovým nebo bezdotykovým teploměrem teplotní pole na vnějším povrchu skla od hladiny vodoznaku po jeho spodní část. Pro kontrolu změříme i teplotu potrubí odvodu kondenzátu zpět do bubnu.

Pro případné použití v praxi uvádíme rovněž výchozí rovnici pro měrný tepelný tok q v rovinné desce:

q = k (t₁ - t₂) [ W/m² ] ( 2-3 )

kde součinitel prostupu tepla k určíme ze vztahu :

k = 1 / (1/a ₁ + 1/a ₂ + s/l ) [ W/m²K ] ( 2-4 )

2.1.2    Postup :

Pro podmínky měřené na EMĚ II, kotel K9, vychází r _Ve =707 kg/m³ . Dosazením do rov. ( 2-2 ) pro měřený tlak p_B = 14,6 MPa_a obdržíme : h_B = h_V . 1,1857 m.

Skutečná hladina v bubnu je-li h_V = 310 mm (-65 mm) pro podmínky EMĚ-K9, vychází h_B = 367,56 mm a D h_V = 57,6 mm.

Při přenosu na ”0” hladinu , h_B,0 = 375 mm vychází h_V = 316,27 tj. cca 316 mm a rozdíl D h_V = 58,73 mm.

Protože při kontrole byly zjištěny rozdíly D h_V = 78 až 110 mm byla provedena analýza příčin odchylek skutečné hladiny (software) versus odečet z přímého vodoznaku.

Upozorňujeme však na to, že nelze použít příliš velké zjednodušení, neboť např. [ L3 ] uvádí pro tytéž podmínky rozdíl D h_V = 79 mm.

2.2. Skutečná hladina v bubnu, vypočtená z údajů snímačů tlakové diference STD dálkového měření hladiny. Je zřejmé, že hodnota skutečné hladiny v bubnu, vypočtená pomocí údajů STD musí odpovídat výpočtu skutečné hladiny pro dané podmínky i tak říkajíc z druhé strany. Proto si znázorněme na obrázku 2 situaci, která doplňuje definiční obor viz obr. 1.

 




Obr. 2 Zjednodušené schéma měření skutečné hladiny v bubnu h_B dálkovým měřením prostřednictvím snímače tlakové diference STD.

Pro dálkové měření hladiny,zavedené do software ŘS, jsou používány zpravidla STD s výběrem ”dva ze tří”. K určení skutečné hladiny vyjděme ze základní rovnice rovnováhy, vztažené k referenčnímu bodu (oba sloupce pod referenčním bodem se odečítají stejně jako statické tlaky v bubnu)

h_B.r c + (H-h_B).r 2 + D p/g = H. r _VEK [ kg/m² ] ( 2-6 )

Po úpravě obdržíme :

h_B =[ H (r _{VEK - r 2} ) - D p/g ] / ( r c - r 2 ) [ m ] ( 2-7)

 

nebo :

h_B / H = [ (r _{VEK - r 2} ) - D p/g.H] / ( r c - r 2 ) [ 1 ] ( 2-8)

 

Je zřejmé, že obdobně, jako v případě kapitoly 2.1 je hlavní a určující veličinou tlak a ekvivalentní měrná hmotnost vodního sloupce odběru z parní větve bubnu.

V software ŘS jsou zpracovávány následující veličiny :

r c = f (p_B)

r 2 = f (p_B)

D p/g - údaj snímače STD upravený na danou hodnotu poměru

r _VEK = konst. při provozu kotle s konst. tlakem ( zpravidla se zadává jako konstanta pro celý rozsah, u nových modernějších systémů je vyhodnocováno jako funkce tlaku v bubnu, což je výhodné při najíždění soustavy a dynamických změnách, resp. klouzavém tlaku )

Úpravou rovnice (2-8 ) do tvaru :

h_B /H = [ (r _{VEK - r 2} ) /(r c - r 2 )] - [1/ g.H / (r c - r 2 )] . D p [ 1] ( 2-9)

získáváme rovnici parametrické soustavy přímek, v níž parametrem je tlak.

Praktická je rovněž úprava pro koncové body h_B=0 , h_B=H.

2.2.1. Kontrola výpočtové hodnoty skutečné hladiny v bubnu nepřímou metodou .

Parametry : r _VEK = 953 kg/m³ - určeno z měření teplotního pole od hladiny v kondenzační nádobě ( tzv. kouli) po referenční bod podle zvolené matrice na podmínky kotle EMĚ - K9

p_B = 14,6 Mpa_a

r c = 610,8 kg/m³

r 2 = 92,76 kg/m³

D p/g = 451 kg/m²

Výpočtová hladina v bubnu vychází po dosazení do rovnice (2-7)

h_B = 0,3748 m

což je prakticky ”0” hladina a rozdíl vůči skutečné hladině vychází stejně jako výsledek uvedený v kapitole 2.1.3. (h_B,0 = 375 mm ).

3.1.Pseudospojité měření vodivostními sondami

Popis:

Kotel je vybaven sadou binárních vodivostních snímačů umístěných ekvidistantně po celé výšce kotelního bubnu. Vyhodnocovací aparatura poskytuje pseudospojitou indikaci hladiny vody dvoubarevným světelným sloupcem a všechny potřebné binární hodnoty alarmů a tripů.

Známá řešení:

Hydrastep (Ledvice), Clark-Reliance (EC Kladno)

Výhody:

• Přímé měření hladiny kotelní vody bez nutnosti vyhodnocení

• Spolehlivé, stabilní a reprodukovatelné binární vyhodnocení

Nevýhody:

• Přesnost měření je omezena vzdáleností jednotlivých sond

• Vysoká cena

Popis:

Kotel je vybaven binárními vodivostními snímači s komparátory. Vyhodnocovací aparatura poskytuje

Binární hodnoty tripů (a případně také alarmů).

Známá řešení :

Hladinové elektrody Gestra NRG s vyhodnocovači NRS

Výhody :

• Přímé měření hladiny kotelní vody bez nutnosti dalších výpočtů

• Spolehlivé, stabilní a reprodukovatelné binární vyhodnocení

Nevýhody :

• Pouze binární vyhodnocení

• Vysoká cena

3.3. Analogové měření tlakové diference

Popis:

Kotel je vybaven snímači tlakové diference měřícími rozdíl hydrostatických tlaků mezi kondenzátem v impulsním potrubí a sloupcem sytá pára - kotelní voda v bubnu. Snímače tlakové diference poskytují spojitý (pasivní) signál 4 - 20 mA jako vstup pro on-line výpočet hladiny kotelní vody. Dalším vstupem pro on-line výpočet je hodnota statického tlaku v bubnu, z níž se ve funkčních generátorech odvozují měrné hmotnosti syté páry a kotelní vody.

• Jednoduché a levné řešení

• Nutnost on-line výpočtu

• Citlivost metody na ekvivalentní měrnou hmotnost kondenzátu v impulsním potrubí

• Větší chyba v měření v nestacionárních stavech

3.3.1. Alternativa 1 - HW struktura a SW vyhodnocení v příloze 1 a 2

Pro účely regulace hladiny jsou použity tři snímače tlakové diference a snímač statického tlaku. Zásah ochrany minimální a maximální hladiny je odvozen metodou ”dva ze tří” (2oo3),ochrana zasáhne, pokud je indikován zásah alespoň ve dvou kanálech. Redundantní metoda 2oo3 je z principu odolná proti jedné izolované vnitřní chybě a není nutné používat při ní certifikovaných zařízení. První kanál vyhodnocení zásahu ochrany je odvozen z výstupu řídícího systému DCS. Další dva kanály zásahu ochrany se odvozují matematickým členem ZPA INMAT 451. Matematický člen ve funkci signálového procesoru zajišťuje on-line výpočet hladiny, kontinuální komparaci s úrovněmi HH a LL zásahů ochran na max. a min. hladinu a případně také indikaci výpočtové hladiny.

3.3.2. Alternativa 2 - HW struktura a SW vyhodnocení v příloze 3 a 4

Pro účely regulace hladiny jsou použity tři snímače tlakové diference a snímač statického tlaku. Zásah ochrany minimální a maximální hladiny je odvozen metodou ”dva ze tří” (2oo3),ochrana zasáhne, pokud je indikován zásah alespoň ve dvou kanálech. Redundantní metoda 2oo3 je z principu odolná proti jedné izolované vnitřní chybě a není nutné používat při ní certifikovaných zařízení. Všechny tři kanály zásahu se odvozují matematickým členem ZPA INMAT 451. Matematický člen ve funkci signálového procesoru zajišťuje on-line výpočet hladiny, kontinuální komparaci s úrovněmi HH a LL zásahu ochran na max. a min. hladinu a případně také indikaci výpočtové hladiny. První kanál ochran používá měření statického tlaku a jedno z měření tlakové diference pro regulaci hladiny. Obvody měření jsou odděleny izolačními převodníky. Druhý a třetí kanál používá stejně jako v alternativě 1 samostatných měření tlaku a tlakové diference.

L1

Mareš, Šifner, Kadrnožka

Tabulky vlastností vody a páry

VUT v Brně, Nakladatelství VUTIUM, Brno 1999

L2

Černoch

Strojní technická příručka

SNTL, Praha 1977

L3

Michal

Výpočet hodnot pro nastavení zákonných stavoznaků měření hladin v bubnu kotlů K9, K10

Technická zpráva Škoda Praha, a.s., Mělník 1997