Aktuální vydání

celé číslo

12

2019

Automatizace v energetice a pro efektivní využívání energie

Bezpečnost strojů a zařízení, bezpečnostní PLC moduly

celé číslo

Měření v parních okruzích

Společnost Endress+Hauser dodává snímače pro měření objemového i hmotnostního průtoku, tlaku, teploty, předaného tepla a fyzikálních a chemických vlastností vody v parních okruzích. Článek popisuje, co všechno je třeba v parních okruzích měřit, a dává doporučení pro výběr vhodných měřicích zařízení.

 
V praxi se vyskytují dva druhy parních okruhů. Uzavřený okruh je okruh, v němž je kondenzát poté, co pára uvolní v systému své teplo, navracen do kotle a cyklus začíná znovu. Tento systém má dvě základní výhody: zaprvé, teplo obsažené v horkém kondenzátu se neztrácí, ale je znovu využito v parním kotli, a zadruhé, systém nemá takovou spotřebu vody jako otevřený okruh. Otevřený okruh naproti tomu nemá vratné potrubí kondenzátu. Používá se v případech, kdy se na ohřívaný objekt přímo působí horkou párou a zkondenzovaná voda se nevrací zpět.
 
Tento článek se bude věnovat uzavřeným okruhům, protože ty se v praxi vyskytují častěji: v komunální sféře pro vytápění objektů a v průmyslu pro napájení výměníků tepla, provozních ohříváků a dalších spotřebičů páry.
 
Na obr. 1 je schéma uzavřeného parního okruhu s vyznačenými místy měření. Na tento obrázek se bude další text odvolávat.
 

Kotelna

Na obr. 2 je typický parní kotel bubnové konstrukce, často se vyskytující v menších kotelnách (na obr. 1 je kotelna vyznačena číslem 1). Voda, která se používá v kotli, musí být chemicky upravena. Úprava vody vyžaduje měření pH a vodivosti. V kotli se spaluje palivo smíchané se vzduchem. K vytvoření optimálních podmínek spalování je třeba měřit poměr paliva a vzduchu. Pro regulaci hořáku a udržování efektivního provozu kotle je zapotřebí měřit teplotu spalin. Dále je
třeba měřit tlak páry, aby byla zajištěna dodávka páry o dostatečném tlaku a přitom se zabránilo nárůstu tlaku nad maximální povolenou hodnotu. Dále je nutné hlídat hladinu vody v kotli: příliš nízká hladina může způsobit propálení trubek, příliš vysoká zhoršuje kvalitu páry, nebo dokonce způsobuje přestřik horké vody do parního okruhu. Oba stavy, málo vody i příliš mnoho vody, jsou velmi závažné a obávané a mohou způsobit explozi kotle. Více se zájemci dozvědí v článku Bezpečné měření úrovně hladiny vody v bubnu energetického kotle (Automa, 2014, č. 3, str. 29–31), kde je i blíže popsáno, jaké snímače pro toto měření, jež je jedno z nejdůležitějších v parních okruzích, použít.
 
Na výstupu z kotle (číslo 2 na obr. 1) je třeba měřit průtok páry a obsah tepla. Pára má podíl suché frakce 0,95 až 0,98 %, tlak je typicky 0,4 až 1,2 MPa. Měří se objemový průtok páry, který se prostřednictvím hustoty přepočítává na hmotnostní průtok (obvykle udávaný v tunách za hodinu). Doporučuje se navíc detekovat výskyt mokré páry. Vhodný snímač, Prowirl 200 (obr. 2), je popsán v článku Význačný pokrok v oblasti vírových průtokoměrů (Automa, 2014, č. 10, str. 42–44).
 
Měření v tomto měřicím bodě pomáhá vyhodnocovat výkon a účinnost kotle. Je-li detekován i výskyt mokré páry, lze včas diagnostikovat hrozící přestřik, což je z hlediska bezpečnosti a spolehlivosti provozu velmi důležité.
 

Distribuční síť

V místě označeném na obr. 1 číslem 3 se měří průtok, tlak a teplota páry. Také zde se doporučuje měřit výskyt mokré páry. Zatímco na výstupu z kotle má pára jasně dané parametry, v distribuční síti není její kvalita definovaná. Zvláště dlouhá potrubí, špatná tepelná izolace a špatně fungující odváděče kondenzátu (tzv. lapače kondenzátu) vedou ke zhoršení kvality páry a s tím souvisejícímu zhoršení účinnosti, popř. vzniku vodních rázů. Velké tlakové ztráty v potrubí mohou způsobit přehřátí páry. Přehřátá pára má menší tepelný obsah než sytá a snižuje účinnost spotřebičů. Tepelné ztráty mohou mít za následek kondenzaci v potrubí. Množství kondenzátu je závislé, kromě stavu izolace, na rychlosti proudění a okolní teplotě.
 
Také v distribuční síti je vhodným snímačem Prowirl F 200.
 

Redukční ventil

Výměníky tepla a jiná zařízení zpravidla pracují při nižším tlaku – např. 300 kPa – nebo při nižší teplotě, než jaká je v hlavním okruhu. Znamená to, že tlak v hlavním distribučním okruhu musí být snížen redukčním ventilem. Na obr. 3 je typická sestava takového redukčního ventilu (viz číslo 4 v obr. 1).
 
Je třeba pamatovat na to, že pokles tlaku může vést k nežádoucímu přehřátí páry. Pro výpočet parametrů přehřátí páry je třeba měřit tlak a teplotu páry.
 

Koncový uživatel

U koncového uživatele (číslo 5 v obr. 1) se pára používá ve výměnících tepla nebo provozních ohřívácích, kde pára odevzdává své teplo a kondenzuje na vodu. Měří se zde objemový průtok, tlak a teplota, vypočítá se hmotnostní průtok a předané teplo. V některých případech je vhodné detekovat také výskyt mokré páry (v případě, že hrozí zatopení, selže-li otevření odváděče kondenzátu).
 
Měření u koncových uživatelů je nutné pro správné účtování spotřeby a pro správu hospodaření s energií.
 

Vratné potrubí kondenzátu

Číslem 6 je na obr. 1 označeno vratné potrubí kondenzátu. V uzavřeném okruhu se kondenzát vrací zpět do parního kotle. Kromě šetření vodou se tím šetří i energie, protože 10 až 20 % tepelné energie zůstává v kondenzátu. Zatímco pára se potrubím pohybuje vlastní energií, kondenzát je nutné čerpat. Součástí soustavy pro návrat kondenzátu je kondenzátní nádrž a čerpadlo kondenzátu, které kondenzát čerpá do nádrže napájecí vody, v níž jsou také doplněny ztráty vody v okruhu čerstvou vodou.
 
Číslem 7 je na obr. 1 označeno měření kondenzátu, upravené vody a napájecí vody. Měření kondenzátu umožňuje sledovat stav kondenzátní soustavy a odlučovačů kondenzátu. Měří se průtok a teplota, doporučuje se měřit také přenesenou energii. Vhodným snímačem je Prosonic Flow 92F.
 

Palivo, vzduch a spaliny

Měření paliva a vzduchu má na obr. 1 číslo 8. Měření spotřeby paliva je potřebné pro výpočet účinnosti kotle a nákladů na energii. Vhodným měřičem k měření topného oleje je Coriolisův průtokoměr Promass 83I, který má integrované měření viskozity. Ta je důležitým parametrem pro optimalizaci spalování. Používá-li se jako palivo zemní plyn, lze doporučit tepelný hmotnostní průtokoměr Proline t-mass 65F. Teplotní hmotnostní průtokoměry t-mass jsou vhodné i pro měření spalovacího vzduchu. Při znalosti průtoku paliva a vzduchu lze vypočítat jejich poměr, jenž je důležitou veličinou pro optimalizaci spalování, snížení emisí a zvýšení účinnosti celého zařízení.
 
Nakonec zbývá v obr. 1 číslo 9: měření spalin. Měří se průtok, tlak, teplota, obsah kyslíku, CO2 a NOx. K měření průtoku spalin, tj. plynu nedefinovaného složení, v relativně velkém komínovém potrubí je možné použít kompenzovanou Pitotovu trubici. Podle legislativních pokynů se také pravidelně kontroluje množství emisí a jejich složení. Toto měření však může být využito i pro diagnostiku stavu kotle.
 

Závěr

Společnost Endress+Hauser dodává snímače pro všechna měřicí místa v parních okruzích. Významnou novinkou, určenou speciálně pro měření páry, je vírový průtokoměr Prowirl 200. Tento průtokoměr umožňuje mj. i detekci mokré páry. To je zvlášť důležité na výstupu z kotle jako ochrana před přestřikem, v distribuční síti a u koncových uživatelů detekce mokré páry pomáhá správně spočítat předané teplo, udržovat efektivní provoz a včas diagnostikovat počínající poruchy spotřebičů nebo odváděčů kondenzátu.
 
V parních okruzích pracuje měřicí technika často v obtížných podmínkách a správný výběr snímačů a jejich instalace nejsou jednoduchou záležitostí. Tento článek poskytuje základní informace; podrobnější doporučení dají zákazníkům zkušení odborníci firmy Endress+Hauser.
Constantin Schoo, Endress+Hauser 
Obr. 1. Místa měření v uzavřeném parním okruhu
Obr. 2. Vírový průtokoměr Prowirl 200 dokáže detekovat výskyt mokré páry
Obr. 3. Sestava redukčního ventilu