analizator co w młynie produkcji firmy codel do monitorowania

Analizator CO w młynie produkcji firmy CODEL
do monitorowania zagrożeń w procesie
przygotowania węgla do spalania
– wyniki pierwszych testów w Polsce
1. Wprowadzenie – dobór przez firmę CODEL metody pomiaru CO w młynie
Wczesne wykrywanie zagrożenia pożarem w młynie węglowym ma kapitalne znaczenie dla
zapobiegania zagrożeniom bezpieczeństwa personelu eksploatacyjnego i rozległym uszkodzeniom
systemu podawania węgla do kotła (lub innego paleniska, np. pieca obrotowego w cementowni).
W powszechnej opinii użytkowników kotłów energetycznych zagrożenie pożarem młynów
węglowych znacząco wzrosło od chwili rozpoczęcia współspalania biomasy dodawanej do węgla.
Jedną z najczęściej stosowanych metod jest detekcja i pomiar poziomu stężenia tlenku węgla
powstającego w procesie spalania w młynie.
Nieprzyjazne środowisko oraz duża gęstość pyłu w mieszance pyłowo-gazowej powodują,
iż tradycyjne systemy ekstrakcyjne nie są w stanie sprostać zadaniu transportu i odpowiedniego
przygotowania próbki gazu do pomiaru. Nie jest również możliwe zastosowanie metody „In situ”
z otwartą ścieżką pomiarową. System pomiarowy opracowany przez brytyjską firmę Codel
International jest jednym z pierwszych wdrożonych i przetestowanych w praktyce przemysłowej.
Analizator „Millfire” pobiera gaz z wylotu z młyna poprzez filtr dyfuzyjny (ze spieku) zabudowany
najczęściej na ściance pyłoprzewodu w pobliżu wylotu z młyna. Sposób filtrowania próbki wydaje
się być krytycznym elementem wiarygodności i niezawodności pomiaru. Dobór materiału filtru,
konstrukcja gniazda do jego mocowania i sposób czyszczenia muszą zapewnić pomiar we
wszystkich stanach ruchowych, tj. podczas rozruchu, pracy i postoju młyna. Temperatura
zasysanej próbki waha się od temperatury otoczenia przez typowe wartości ruchowe (w zależności
od konstrukcji młyna i własności węgla zazwyczaj nieco poniżej lub powyżej 100°C) do
krótkotrwałych stanów nienormalnych, np. gdy temperatura szybko rośnie na skutek braku
dopływu węgla z podajnika. Dotychczasowe doświadczenie Codela obejmuje młyny kulowomisowe oraz kulowo-bębnowe i różne gatunki węgli kamiennych. Analizator może być
z powodzeniem stosowany również na innego rodzaju młynach, np. rolkowo-misowych bądź
bijakowych i wentylatorowych, jak też i na węglu brunatnym.
Należy brać pod uwagę dwa zjawiska mogące utrudnić właściwy pobór próbki: zagrożenie
zablokowaniem filtru przez gromadzącą się na nim warstwę pyłu oraz zagrożenie erozją
2
w przypadku zbyt głębokiego umieszczenia filtru w strumieniu mieszanki pyłopowietrznej. Istotny
wpływ na przepuszczalność filtru ma jakość przemiału – w zależności od obiektu zmienia się ona
w bardzo szerokich granicach – im przemiał drobniejszy tym zadanie trudniejsze.
Próbka gazowa po przefiltrowaniu nie wymaga żadnej obróbki i jest kierowana za pomocą węża
i pompki do komory pomiarowej wyposażonej w kompaktowy analizator gazowy pracujący
w podczerwieni. Komora pomiarowa jest grzana, aby nie dopuścić do grożącej korozją
kondensacji. Zasadę pomiaru oraz budowę analizatora przedstawiono w kolejnych rozdziałach.
2. Zasada pomiaru
Analizator w swojej pracy wykorzystuje zjawisko absorpcji promieniowania podczerwonego
o określonej długości fali charakterystycznej dla tlenku węgla. Charakterystykę pochłaniania
promieniowania podczerwonego przez CO pokazano na rysunku 1.
100
CO
0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15µm
Rysunek 1 Charakterystyka pochłaniania promieniowania podczerwonego przez CO
Zasada pomiaru oparta jest na porównaniu wskazań detektora mierzącego intensywność
promieniowania podczerwonego o określonej długości fali odpowiadającej wysokiemu stopniowi
pochłaniania przez CO - w warunkach roboczych i warunkach odniesienia. Na drodze wiązki
promieniowania podczerwonego ze źródła zabudowany jest wąskopasmowy filtr interferencyjny.
W głowicy nadawczej znajduje się również koło obracane silnikiem krokowym o stałej prędkości
obrotowej 1/s. Ma ono 2 otwory: jeden pusty a drugi z celką napełnioną CO o stężeniu 100%
o grubości 1 cm, a więc odpowiadającą stężeniu 10.000 ppm.m. Detektor znajdujący się
w głowicy odbiorczej wykonuje na przemian dwa odczyty: pierwszy referencyjny (oznaczony jako
D1 we wzorze 1 poniżej) w chwili gdy na ścieżce pomiarowej znajduje się celka z CO. Z uwagi na
nasycający się kształt charakterystyki pochłaniania promieniowania podczerwonego przez CO
(rysunek 1) pomiar referencyjny będzie niezależny od chwilowego stężenia CO w strefie
pomiarowej. Chwilę później dokonany zostanie odczyt roboczy D2 (bez udziału celki z CO), którego
wartość będzie bezpośrednio zależna od mierzonego stężenia tlenku węgla. Oba odczyty –
referencyjny i roboczy będą w tym samym stopniu podlegać czynnikom zakłócającym pomiar. Dla
wyeliminowania wpływu zakłóceń sygnał pomiarowy Y tworzony jest z ilorazu obu odczytów D2
i D1 według wzoru:
Gdzie K jest współczynnikiem proporcjonalności nastawianym podczas kalibracji przyrządu.
Rysunek 2 przedstawia zależność parametru Y od stężenia mierzonego gazu na przykładzie NO
(dla CO kształt krzywej jest identyczny).
3
Parametr Y .14
a
.12
.10
.08
Stężenie odniesienia
.06
.04
.02
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
6 [tys. ppm]
5,5
Stężenie NO
Zakres pomiarowy
Rysunek 2 Parametr Y w funkcji stężenia NO (CO)
3. Budowa analizatora
CODEL zaprojektował dwie konfiguracje analizatora, pokazane na rysunku 3: po lewej stronie
pokazana jest wersja kompaktowa z analizatorem zabudowanym na pyłoprzewodzie bezpośrednio
do kołnierza w którym zabudowane jest gniazdo z filtrem. Alternatywnym rozwiązaniem jest
zastosowanie węża do transportu próbki do analizatora zlokalizowanego w dogodnym dla obsługi
miejscu. Z uwagi na bardziej komfortowe warunki pracy analizatora (a zwłaszcza brak zagrożeń
wysoką temperaturą otoczenia i drganiami) najczęściej stosowana jest wersja z wężem. Według
dotychczasowych doświadczeń długość węża może wynosić do 20m.
Rysunek 3 Konfiguracja analizatora
W przypadku gdyby ciśnienie w miejscu poboru próbki było znacząco różne od atmosferycznego
i zmienne, istnieje możliwość zrzutu próbki w miejsce o ciśnieniu zbliżonym do poboru próbki.
Praktyka potwierdziła jednakże, iż zarówno w przypadku młynów kulowo-misowych (nadciśnienie)
4
jak i kulowo-bębnowych (podciśnienie) zakres zmian ciśnienia nie przekracza 3kPa w stosunku do
ciśnienia atmosferycznego. W żadnym z dotychczasowych przypadków zrzut próbki w rejon poboru
nie był niezbędny – przyrząd pracował poprawnie przy zrzucie próbki do atmosfery.
Zintegrowana armatura umożliwia automatyczną kalibrację oraz procedurę czyszczenia filtru.
System wykorzystuje pompkę pneumatyczną (eżektor) dla minimalizacji czynności obsługowych.
System zawiera zespół wyświetlacza oraz osobną szafę z analizatorem pracującym
w podczerwieni, komorę pomiarową oraz zespół zaworów pneumatycznych. Szafa z przyrządem
może być montowana albo bezpośrednio do obudowy filtru lub połączona z filtrem izolowanym
wężem do transportu próbki.
Na rysunku 4 pokazano wnętrze szafy pomiarowej, a na rysunku 5 schemat analizatora,
natomiast na kolejnych rysunkach 6 i 7 krócieć do poboru próbki i sam analizator zabudowany na
obiekcie.
Rysunek 4 Wnętrze szafy pomiarowej
Gaz jest zaciągany przez filtr, a następnie przez komorę pomiarową za pomocą eżektora.
Pomiędzy filtrem i eżektorem znajduje się zawór kulowy umożliwiający wybór jednej ze ścieżek
przepływu – A lub B.
Podczas normalnej pracy przepływ następuje ścieżką A. Wydajność przepływu można regulować
zmieniając ciśnienie z pomocą regulatora 1. Przyrząd toleruje bez pogorszenia jakości pomiaru
szeroki zakres zmian przepływu – od 0,5dm3/min do ok. 10 dm3/min.
Czystość filtru ze stali nierdzewnej jest regularnie kontrolowana podczas przedmuchiwania
zwrotnego systemu (częstotliwość przedmuchiwania dobierana jest empirycznie). Podczas
przedmuchiwania zwrotnego zawór kulowy ustawia ścieżkę przepływu B. Zawór
elektromagnetyczny przedmuchiwania zwrotnego podaje kilka impulsów celem oczyszczenia filtru,
a czas spadku ciśnienia jest monitorowany. Jeżeli filtr nie jest czysty spadek ciśnienia nastąpi
dopiero po kilku sekundach. Czas trwania przedmuchiwania zwrotnego nie przekracza 30 sekund
– operacja ta jest praktycznie niezauważalna dla użytkownika.
Monitor jest kalibrowany w zerze podczas prowadzonej raz na dobę kalibracji lub w dowolnej
chwili za pomocą aktywacji ręcznej. Zakres monitora może być sprawdzony poprzez podłączenie
gazu wzorcowego z CO do odpowiedniego przyłącza.
5
Rysunek 5 Schemat systemu pomiaru CO w młynie
Rysunek 6 Króciec do poboru próbki zabudowany na pyłoprzewodzie
6
Rysunek 7 Analizator CO zamontowany na młynie w elektrowni. Lewa skrzynka mieści zasilacz,
procesor z wyświetlaczem i klawiaturą oraz modem GSM, prawa to właściwy analizator pokazany
na rys. 4.
4. Dotychczasowe doświadczenia eksploatacyjne
Pierwszy analizator został uruchomiony w warunkach przemysłowych w cementowni w Indiach
w roku 2009. Od chwili uruchomienia przyrząd pracuje poprawnie. Typowym rozwiązaniem
w cementowniach jest pośrednie bunkrowanie pyłu i stosowanie pracujących na podciśnieniu
młynów kulowo-bębnowych. Jakość przemiału węgla w cementowni w Indiach jest znacznie gorsza
niż w przypadku młynów kulowo-misowych bądź rolkowo-misowych typowych w wielu polskich
elektrowniach. W praktyce nie istniał problem obstrukcji przepływu próbki przez filtr pokryty
warstwą pyłu węglowego.
Dostarczono również 16 analizatorów do Chin. Tam zostały one zastosowane na młynach kulowomisowych w elektrowniach. Klient potwierdza poprawność pracy analizatorów, ale z uwagi na
specyficzną dla Chin blokadę informacji brak jest szczegółowych danych. Dowodem na uzyskanie
pozytywnych wyników może być fakt złożenia przez tego samego klienta kolejnego zamówienia na
ok. 100 analizatorów.
W Europie rozpoczął się dopiero niedawno okres zbierania doświadczeń eksploatacyjnych
z zastosowań przemysłowych.
Jako pierwszy uruchomiono pod nadzorem producenta w kwietniu 2010r. analizator na wylocie
z młyna MKM-25 na bloku 200MW w jednej z polskich elektrowni z kotłami opalanymi węglem
kamiennym ze współspalaniem biomasy. Po dokonaniu niewielkiej modernizacji węzła poboru
próbki analizator pracował poprawnie i nie wymagał żadnych czynności serwisowych. Dzięki
zastosowanemu modemowi GSM serwisanci Codela i Pentolu mają zdalny dostęp do danych
7
konfiguracyjnych i diagnostycznych przyrządu. Dzięki temu możliwa była m.in. zdalna obserwacja
stopnia zanieczyszczenia filtra w układzie poboru próbki oraz optymalizacja ustawień analizatora.
Dotychczas elektrownia ogranicza się do obserwacji poziomu CO w różnych stanach ruchowych.
Rys. 8 pokazuje przykładowy wykres dla 12 godzin pracy młyna przy spalaniu samego węgla,
a rysunek 9 to 24-godzinny wykres dla okresu współspalania biomasy. Widać, że na pierwszym
wykresie poziom CO jest stabilny i nie przekracza 7ppm, natomiast drugi z nich pokazuje szereg
okresów wzrostu stężenia – przez kilka minut wskazania krótkotrwale przekroczyły 200ppm.
Pentol nie prowadzi ani nie uczestniczy w żadnym programie badawczym, a udostępnione przez
elektrownię przykładowe wykresy nie dają wystarczających przesłanek do uzasadnienia wniosku,
że istnieje bezpośrednia zależność między poziomem CO i współspalaniem biomasy. Nie ulega
natomiast wątpliwości, że analizator wykrywa nieregularne przypadki wzrostu stężenia CO
znacznie ponad poziom tła.
W ostatnich miesiącach uruchomiono kolejne analizatory w dwóch elektrowniach w Wielkiej
Brytanii spalających węgiel z biomasą oraz w Chorwacji (w silosie z biopaliwem w postaci pyłu
drzewnego).
Sens pomiaru ciągłego CO związany jest z możliwością wykorzystania sygnału nie tylko do
wygenerowania alarmu, ale przede wszystkim do zainicjowania działania układu „gaszącego”,
zapobiegającego rozwojowi ognisk pożaru. Systemy te najczęściej wykorzystują parę wodną lub –
co wydaje się być właściwszym rozwiązaniem – mgłę wodną.
Trzecim niezbędnym elementem po układzie pomiarowym i wykonawczym jest określenie progu
zadziałania zabezpieczenia aby ograniczyć przedwczesne zadziałania, a z drugiej strony
zagwarantować interwencję w przypadku rzeczywistego zagrożenia. Z uwagi na oczywistą niechęć
użytkowników do działań empirycznych na obiekcie, pozostają badania laboratoryjne.
Rysunek 8 Przykładowy wykres CO w młynie przy spalaniu węgla
8
Rysunek 9 Przykładowy wykres CO w młynie przy współspalaniu węgla i biomasy
***
Pentol – Enviro Polska Sp. z o.o. jest dostawcą nowoczesnych produktów
i technologii niezbędnych zarówno dla optymalizacji procesu spalania, poprawy
sprawności procesów technologicznych, jak również redukcji emisji substancji
zanieczyszczających środowisko naturalne. Firma nasza oferuje również aparaturę do
monitoringu emisji zanieczyszczeń oraz analizatory spalin do kontroli procesów
technologicznych.
Pentol to ponad 40 lat współpracy z energetyką i innymi dziedzinami przemysłu na całym
świecie – a od 25 lat również w Polsce.
Pełną informację o naszej ofercie znajdziecie Państwo na naszej stronie internetowej
www.pentol.pl
PENTOL - ENVIRO POLSKA Sp. z o.o.
Osiedle Piastów 21B, 31-624 Kraków
Tel. +48 12 686 36 86, fax +48 12 686 11 01
www.pentol.pl, e-mail: [email protected]