Automatyka i pomiary w ciepłownictwie

Ciepło uzyskiwane jest najczęściej w procesie kogeneracji - równoczesna produkcja energii elektrycznej i ciepła z jednego surowca ma wiele zalet. Przede wszystkim są to: wysoka sprawność energetyczna oraz mniejsza ilość emitowanych substancji szkodliwych. Systemy kogeneracyjne występują przy tym w różnych konfiguracjach.

Na rysunku 1 przedstawiono przykładowy układ, którego główne komponenty to: kocioł parowy, turbina parowa oraz generator. Ten pierwszy ogrzewa wodę do uzyskania pary wodnej, która następnie porusza łopatki turbiny napędzającej generator wytwarzający energię elektryczną. Para wodna na wylocie turbiny jest dalej wykorzystywana do celów grzewczych.

KOTŁY PAROWE

Rys. 1. System kogeneracji z turbiną parową

Główne komponenty kotłów parowych to palenisko oraz wymiennik ciepła. W zależności od konstrukcji paleniska dzieli się m.in. na: komorowe oraz rusztowe (warstwowe). W tych ostatnich spalane są głównie paliwa stałe (drewno, węgiel) układane na ruszcie. Przerwami między jego szczeblami dopływa powietrze podsycające płomień.

W paleniskach komorowych spalana jest natomiast mieszanka paliwa (pyłu, oleju lub gazu) rozpylonego w powietrzu. Spaliny z paleniska mogą opływać rury, którymi płynie podgrzewana woda. W ten sposób budowane są kotły opłomkowe. W kotłach walczakowych (płomienicowo-płomieniówkowych) spaliny płyną rurami zanurzonymi w wodzie.

Wyposażenie kotłów parowych obejmuje także: instalacje dopływu paliwa i wody oraz odpływu spalin, dmuchawy powietrza, ekonomizer, przegrzewacz pary oraz zawory różnego typu. Ekonomizer to wymiennik ciepła, który podgrzewa wodę zasilającą kocioł (rys. 2). Ciepło do tego celu pozyskiwane jest ze spalin na wylocie kotła.

Schłodzenie tych ostatnich zmniejsza straty kominowe, a tym samym zwiększa sprawność cieplną kotła. Dzięki temu oszczędza się paliwo, łatwiejsze jest też spełnienie norm w zakresie w emisji spalin. Ciepło spalin zasila także przegrzewacz pary nasyconej, z której otrzymuje się parę suchą (przegrzaną).

AUTOMATYKA KOTŁOWA

W związku z ciągłą zmiennością obciążenia kotły parowe wymagają automatycznej regulacji. Jej przykładowe zadania to: sterowanie dopływem wody zasilającej, regulacja temperatury w procesie przegrzewania pary, regulacja dopływu paliwa i powietrza do paleniska oraz sterowanie systemami odmulania i odsalania.

Kontrola poziomu wody w kotle ma zapobiec jego przepełnieniu i całkowitemu opróżnieniu. Można ją zrealizować na kilka sposobów. Ustala się na przykład dwa poziomy - minimalny i maksymalny, których przekroczenie odpowiednio włącza lub wyłącza pompę zasilającą zbiornik. Alternatywą jest regulacja ciągła. W tym przypadku odczyty z czujnika poziomu są w sterowniku pompy na bieżąco porównywane z wartością zadaną.

Jeżeli spodziewane są gwałtowne zmiany obciążenia, takie metody nie są odpowiednie. Przy dużym poborze pary występuje bowiem silne wzburzenie i spienienie wody, które zafałszowuje wskazania mierników jej poziomu. Dane wejściowe regulatora uzupełnia się wówczas o informacje o ilości pobranej pary wodnej.

W rozszerzeniu tej metody najpierw porównywane są sygnały z przepływomierzy wody zasilającej kocioł oraz pary na jego wyjściu. Wynik tego zestawienia odnoszony jest do wskazań miernika poziomu, a dopiero na tej podstawie wyznaczany jest sygnał sterujący pompą.

ODSALANIE I ODSZLAMIANIE

Rys. 2. Ekonomizer

Pomimo uzdatniania woda zasilająca kocioł może zawierać pewną ilość rozpuszczonych soli (na przykład wapnia, magnezu, potasu). Z czasem, w następstwie kolejnych cykli odparowywania, stężenie tych substancji w wodzie kotłowej rośnie. Sprzyja to powstawaniu osadów, które nawarstwiają się na ściankach elementów kotła, zwłaszcza na wymiennikach ciepła, przegrzewaczach i parowniku.

Zmniejszają one powierzchnię wymiany ciepła oraz niszczą strukturę tych komponentów w wyniku korozji. Duża ilość soli wytwarza też pianę. Uniemożliwia ona dokładny pomiar poziomu wody, a przenoszona wraz z parą wodną do turbin i rurociągów może je uszkodzić. Oprócz twardych osadów na dnie kotła gromadzą się też osady miękkie oraz muł.

Całkowite stężenie wszystkich rodzajów rozpuszczonych soli wyznacza się pośrednio, mierząc przewodność właściwą wody kotłowej. Im jest ona większa, tym większa jest zawartość tych substancji. Czujnik przewodności składa się zwykle z dwóch elektrod, które stanowią jedną z gałęzi mostka Wheatstone'a.

Zanurza się je w wodzie kotłowej i zasila najczęściej napięciem przemiennym. Aby zwiększyć dokładność pomiaru, wodę należy odgazować. Ponadto przewodność właściwa rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Aby wpływ ten skompensować, jednocześnie trzeba mierzyć temperaturę, a następnie wyniki solomierza odpowiednio skorygować.

Zasolenie reguluje się, wymieniając wodę na świeżą po przekroczeniu granicznej wartości stężenia soli. Zawór odpływowy zwykle umieszcza się tuż przy powierzchni wody, gdzie koncentrują się te zanieczyszczenia. Unika się sterowania ręcznego tymi elementami, ponieważ ławo wtedy o duże straty wody kotłowej albo przeoczenie nadmiernego zasolenia. W zamian system automatyczny okresowo lub w sposób ciągły monitoruje stężenie soli i w zależności od potrzeb zamyka/otwiera zawór.

W pierwszym przypadku solomierz umieszcza się w przewodzie, do którego w określonych odstępach czasu upuszcza się próbkę wody z kotła. Regulacja ciągła wymaga natomiast umieszczenia sondy w kotle. Zawór odmulający, zwykle kulowy, jest z kolei montowany na dnie zbiornika. Najlepsze efekty uzyskuje się, gdy jest on okresowo i gwałtownie otwierany.

Inspekcja oddzielaczy skroplin źródło: IR Solutions Oddzielacze skroplin ulegają awariom z różnych przyczyn, na przykład mogą się zatkać z powodu brudu lub zacząć przeciekać w wyniku uszkodzenia na skutek nagłej zmiany ciśnienia pary. Gromadzenie się kondensatu prowadzi do uderzeń wodnych, natomiast przepuszczanie pary wodnej jest przyczyną strat ciepła. Właściwa konserwacja oraz okresowa inspekcja odwadniaczy pozwalają wykryć wczesne oznaki problemów. Do kontroli odwadniaczy wykorzystywane są przede wszystkim sensory dwóch typów: temperatury oraz ultradźwiękowe. Te pierwsze dzieli się z kolei na kontaktowe i bezkontaktowe. Używając kontaktowych czujników temperatury trzeba pamiętać m.in. o tym, że osady na mierzonej powierzchni mogą utrudnić przepływ ciepła i zafałszować wynik pomiaru. Wymagać może ona zatem wstępnego przygotowania. Nie jest to konieczne w przypadku sensorów termowizyjnych. Na dokładność pomiaru tymi przyrządami ma wpływ jednak rodzaj powierzchni. Parametrem o kluczowym znaczeniu jest jej emisyjność. Określa ona, w jakim stopniu dany materiał odbija promieniowanie cieplne z otoczenia. Kamera termowizyjna nie odróżnia niestety tego ostatniego od promieniowania emitowanego wyłącznie przez dany obiekt. Dlatego na przykład ten wykonany z materiału o małej emisyjności (a dużej refleksyjności) ogrzany do temperatury większej niż temperatura otoczenia będzie się "wydawał" zimniejszy, niż jest w rzeczywistości. Dużą emisyjność mają m.in. dielektryki, natomiast dużą refleksyjność m.in. metale, zwłaszcza te polerowane. Przyrządy pomiarowe ultradźwiękowe pozwalają natomiast "usłyszeć" oznaki awarii odwadniacza. Zaleca się, by korzystać z nich po sprawdzeniu sprawności tego urządzenia kamerą termowizyjną.