Aktuální vydání

celé číslo

07

2019

Řízení dopravy a budov

celé číslo

Moderní systémy chemické analýzy vody a páry v energetice (SWAS)

Mezi hlavní dodávky společnosti JSP, s. r. o., patří systémy kontinuální chemické analýzy vody a páry v energetice. Zažitá zkratka pro tyto systémy je SWAS (Steam and Water Analytical System). Tento článek představuje účel chemické analýzy v elektrárně, přibližuje problematiku přípravy vzorků a popisuje vlastnosti moderních analyzátorů.

 

Účel chemické analýzy v elektrárně

Kvalita, chemické složení a znečištění vody mají přímý vliv na životnost a spolehlivost blokových zařízení (kotlů a turbín) klasických i jaderných elektráren. Tyto parametry mají přímou vazbu na opotřebení a celkově na ekonomiku provozu. Úroveň obsahu některých chemických prvků či nečistot je v moderních provozech nutné monitorovat on-line, 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 chemického složení vody jednotlivých okruhů postaveno na roveň řízení toku energie. Porovnáním reakce a měřením na různých místech okruhu lze také např. rychle diagnostikovat zdroj nečistot a odhadnout typ znečištění nebo poruchy zařízení chemické úpravy vody. Řetězec vzniku informace o chemickém režimu od technologického zařízení k člověku zahrnuje:
  • odběr vzorku z hlavního proudu média,
  • úpravu vzorku (snížení teploty a tlaku či kondenzace páry na kapalinu),
  • vlastní analýzu měřených hodnot,
  • zpracování signálu (filtrace, mrtvé pásmo apod.),
  • přenos do databáze a zobrazení v DCS,
  • informace o validitě měření (mohu naměřenému údaji věřit?),
  • identifikaci příčiny poruchy a poškození technologického zařízení (varovný systém),
  • zajištění vysoké bezpečnosti při provozu, obsluze a údržbě.
Právě jen při použití analyzátorů s těmito funkcemi lze hovořit o systémech s automatickou kontrolou kvality on-line analytických měření. On-line monitoring 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 dochází k minimálnímu opotřebení zařízení.
 

Kvalitní úprava vzorku

Aby mohl jakýkoliv kontinuální analyzátor spolehlivě měřit, musí mít zajištěn trvalý průtok vzorku o požadovaných fyzikálních 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 3 bar upraví na parametry vyhovující on-line analyzátorům. Tento systém zaručuje bezpečný odběr vzorků pro laboratoř, tzn. s teplotou do 45 °C a tlakem 1 až 3 bar. Odběrový systém musí být schopen poskytnout dostatečné množství vzorku, přibližně 60 l/h (tj. 1 l/min), protože při měření několika parametrů ve vzorku z jednoho měřicího místa (jednoho odběru) se použije jen jeden dostatečně dimenzovaný odběrový systém a teprve 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. Nutná 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,
  • vysokotlakého chladiče z korozivzdorné oceli 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 elektrického napájení (přerušení průtoku vzorku z důvodu vysoké teploty může být automaticky obnovitelné, informace o zastavení průtoku vzorku je odeslána do řídicího systému),
  • přepouštěcího zpětného regulátoru pro udržování konstantního tlaku na vstupu analyzátoru na hodnotě přibližně 1 bar,
  • korozivzdorného T-filtru s filtrační schopností minimálně 250 μm, který bývá (pro snadné čištění) osazen za chladičem na vychlazeném vzorku kotelní vody,
  • 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 nejen vykazovat požadovanou přesnost měřeného parametru, ale nutný je také vhodný materiál senzoru, požadované krytí apod. Pro on-line monitoring jsou rovněž zapotřebí informace o průtoku a teplotě měřeného vzorku, kontrola a upozornění na potřebu výměny či doplnění provozních náplní (katexové filtry, reagenty apod.) či přímo diagnostika a kontrola senzoru pomocí automatických kalibrací a verifikací. Často jsou používány vícekanálové analyzátory a kombinované analyzátory měřící několik parametrů současně. Předpokladem snížení provozních nákladů je snadná údržba a obsluha. Pro kontrolu toho, zda vzorek analyzátorem teče průtokem potřebným pro spolehlivé a přesné měření, je přímo na tělese moderních analyzátorů zabudováno kontinuální měření průtoku vzorku.
 
Klasický způsob přenosu měřených hodnot 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 třeba určit příčinu a zajistit nápravu.
 
V poslední době si svou cestu do elektrárenských provozů našly i moderní provozní sběrnice, např. Profibus. 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 sledují a poskytují. Někdy bývají použity jak klasické výstupy 4 až 20 mA, tak připojení Profibus-DP. V takových případech jsou analogové výstupy využity k provoznímu řízení a digitální sběrnice ke kontrole kvality měření a k údržbě.
 
Mění a vyvíjí se i vlastní princip měření. Například k měření zákalu se přechází od zastaralých kontaktních zákaloměrů s průtočnou celou a se stírátky optiky, kde je sonda trvale zanášena, k bezkontaktnímu optickému měření, kde zdroj světla, senzor ani žádná průtočná cela nepřicházejí do kontaktu s médiem, a tudíž se nešpiní. To zaručuje naprosto bezúdržbový stabilní provoz s velmi dlouhou životností.
 

Postup realizace od návrhu a projektu přes výrobu až po instalaci

Kvalita, přesnost a spolehlivost systémů on-line chemické analýzy začínají již při jejich návrhu a projektu. Mnohdy zažitý názor, že správná volba analyzátoru postačí k zajištění kvalitního provozního 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, vlastního analyzátoru, systému 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 účinný provoz technologických zařízení. Při návrhu systému je třeba dodržovat množství zásad, z nichž některé byly v tomto článku nastíněny.
 
Realizace SWAS dodávaných společností JSP je založena na osvědčených komponentách renomovaných světových výrobců. Pro komunikaci do DCS může být využita komunikační sběrnice Profibus. Celý proces návrhu, výroby a dodávky SWAS je řízen zpracovaným plánem kvality a podrobným dokumentem „program kontrol a zkoušek“ a skládá se z těchto základních kroků (obr. 5):
  • 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 komplexní zkoušky,
  • následná podpora, proškolení obsluhy, záruka, servisní služby, dodávky náhradních dílů.
Ing. Petr Fukač, MBA, JSP, s. r. o. 
Obr. 1. Kompaktní systém chemické analýzy
Obr. 2. Panel úpravy vzorku SteamSET a WaterSET
Obr. 3. Analyzátor vodivosti
Obr. 4. Instalace SWAS na PPC 880 MW Počerady (analyzátorovna)
Obr. 5. Postup výroby SWAS (konstrukce, 3D model, výroba, balení a expedice)