Mgr inż. Krzysztof Filipowski Dyrektor Naczelny 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: pentol@pentol.pl Aparatura firmy CODEL do monitorowania zagrożeń w procesie przygotowania węgla do kotła: analizator CO w młynie oraz analizator CO i pyłu zawieszonego w rejonie nawęglania wyniki pierwszych testów w Elektrowni Dolna Odra Streszczenie Wskazano na znaczenie wczesnego wykrywania zagrożenia pożarem w młynie węglowym dla zapobiegania zagrożeniom bezpieczeństwa personelu i uszkodzeniom urządzeń. Zagrożenie pożarem młynów węglowych znacząco wzrosło z chwilą rozpoczęcia współspalania biomasy. Brytyjska firma Codel International opracowała ekstrakcyjny analizator CO w młynie pracujący na zasadzie pochłaniania promieniowania w podczerwieni. Omówiono zasady działania i konstrukcję analizatora, przedstawiono również dotychczasowe doświadczenie z zastosowań przemysłowych. Pierwszym obiektem w Europie, na którym zastosowano pomiar CO w młynie, jest Elektrownia Dolna Odra. Przedstawiono również ideę wykorzystania analizatorów CO i zapylenia do monitorowania przestrzeni w rejonie nawęglania. Przyrządy te są powszechnie stosowane w monitoringu tuneli drogowych. 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. 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. Doświadczenie Codela obejmuje młyny kulowo-misowe oraz kulowo-bębnowe i różne gatunki węgli kamiennych. Należy brać pod uwagę dwa zjawiska mogące utrudnić właściwy pobór próbki: zagrożenie zablokowaniem filtru przez gromadzącą się na nim warstwę pyłu oraz zagrożenie erozją 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 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 2. Zasada pomiaru Analizator w swojej pracy wykorzystuje zjawisko niedyspersyjnej absorpcji promieniowania podczerwonego (NDIR) o określonej długości fali charakterystycznej dla tlenku węgla. Charakterystykę pochłaniania promieniowania podczerwonego przez CO pokazano na rysunku 1. 100 C O 0 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5µm 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: Y = 1 K D2 D1 Gdzie K jest współczynnikiem proporcjonalności nastawianym podczas kalibracji przyrządu. Rysunek 2 przedstawia zależność parametru Y od stężenia mierzonego gazu na przykładzie CO (identyczna zasada obowiazuje przy pomiarze NO). Nie należy sugerować się wartościami stężeń na osi x, ponieważ każdorazowo zależą one od długości ścieżki pomiarowej (każdy analizator optyczny mierzy iloczyn stężenia i długości ścieżki pomiarowej wyrażany w ppm.m) Parametr Y.14 a.12.10.08.06 Stężenie odniesienia.04.02 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 [tys. ppm] Stężenie NO Zakres pomiarowy Stężenie CO Rysunek 2 Parametr Y w funkcji stężenia CO (również NO)
3 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. 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) 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. Rysunek 3 Konfiguracja analizatora. Po lewej wersja kompaktowa, po prawej alternatywna z wężem do poboru próbki Na rysunku 4 pokazano punkt poboru próbki zabudowany na pyloprzewodzie, na rysunku 5 wnętrze szafy pomiarowej, a na rysunku 6 schemat analizatora.
4 Rysunek 4 Króciec do poboru próbki z instalacją przedmuchu wstecznego zabudowany na pyłoprzewodzie Rysunek 5 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 0,5dm 3 /min do ok. 10 dm 3 /min.
5 Rysunek 6 Schemat systemu pomiaru CO w młynie 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. 4. Dotychczasowe doświadczenia eksploatacyjne z analizatorem CO w młynie 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 rolkowomisowych 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 kulowo-misowych 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.
6 W Europie rozpoczął się dopiero niedawno okres zbierania doświadczeń eksploatacyjnych z zastosowań przemysłowych. Pierwsze analizatory dostarczono do dwóch obiektów: Elektrowni Dolna Odra i Elektrowni Ferrybridge w Wielkiej Brytanii. W Dolnej Odrze pierwsze uruchomienie na młynie MKM-25 nr 2 kotła nr 1 nastąpiło 27 kwietnia b.r. i jest to pierwszy analizator Codela tego typu uruchomiony w Europie. Widok analizatora zabudowanego w Dolnej Odrze przedstawia rysunek 7. Rysunek 7 Analizator CO zamontowany na młynie w Elektrowni Dolna Odra Pobór próbki zlokalizowano na jednym z czterech pyłoprzewodów około 1m powyżej odsiewacza, a sam miernik na poziomie 10,5m obok podajnika węgla. Długość węża do poboru próbki wyniosła ok. 12m. W okresie uruchomienia i obserwacji pracy analizatora przez przedstawicieli Codela i Pentolu (t.j. w okresie 27-30 kwietnia b.r.) na kotle spalano węgiel bez biomasy. Jedyną modyfikacją, jaka musiała być dokonana w Dolnej Odrze była przeróbka mocowania filtru na poborze próbki. Od tej chwili analizator pracuje poprawnie i nie wymagał żadnej interwencji serwisowej. Należy dodać, że miernik wyposażony jest w modem GSM umożliwiający zdalny dostęp do diagnostyki przyrządu zarówno przez producenta jak i serwis Pentolu w Krakowie. Występuje różnica w przepływie próbki w zależności od tego, czy młyn pracuje czy jest w postoju, ale nie ma to żadnego negatywnego wpływu na poprawność wskazań. W ruchu przepływ wynosi ok. 0,5-1,5dm 3 /min, a na postoju ponad 7dm 3 /min. Niezależnie od stanu pracy młyna wskazania CO wahają się w zakresie 2-6 ppm, wg informacji personelu elektrowni okresowo wzrastając do ok. 25ppm (na węglu bez biomasy), co należy uznać za stan normalny. Przykładowy wykres wskazań pokazuje rysunek 8.
7 Rysunek 8 Przykładowy wykres przebiegu CO na wylocie z młyna w warunkach normalnych Elektrownia Dolna Odra w ciągu najbliższych trzech miesięcy będzie prowadzić z udziałem ekspertów badania przydatności analizatora dla wczesnego wykrywania stanów wskazujących na zagrożenie pożarem, również podczas spalania biomasy. W porozumieniu z gospodarzem obiektu przewidujemy zaprezentowanie pracy analizatora zainteresowanym elektrowniom i elektrociepłowniom. 5. Pomiar CO i zapylenia w pomieszczeniach technologicznych, tunelach, galeriach i zasobnikach Codel jest jednym z czołowych producentów systemów monitoringu tuneli drogowych i kolejowych (ok. 250 referencji na całym świecie). Podstawowym elementem systemu są analizatory optyczne do pomiaru CO, przejrzystości powietrza oraz (w razie potrzeby) NOx. Poniżej na rysunku 9 przedstawiono schemat typowego modułu systemu monitoringu tuneli TunnelCraft III. Rysunek 9 Schemat typowego modułu monitoringu tuneli systemu TunnelCraft III
8 Monitor jakości powietrza (ang. Air Quality Monitor - AQM), pokazany na rysunku 10 wykorzystuje kanały zarówno podczerwieni jak i światła widzialnego do pomiaru tlenku węgla (ew. dodatkowo tlenku azotu) oraz przejrzystości powietrza w jednym kompaktowym przyrządzie. Monitor AQM składa się z głowicy nadawczoodbiorczej emitującej wiązki światła podczerwonego i widzialnego w kierunku zespołu reflektora umieszczonego w odległości standardowo 3m. Odbite światło wraca do głowicy nadawczo-odbiorczej, a zmierzony specyficzny poziom absorpcji pozwala na określenie współczynnika osłabienia widoczności oraz stężenia CO/NO na drodze wiązki światła. Rysunek 10 analizator CO (NO) i zapylenia systemu TunnelCraft III Modulowana dioda LED wysokiej mocy stosowana jest jako źródło światła widzialnego, natomiast źródło ciepła (grzałka) o wysokiej trwałości służy jako źródło szerokopasmowego promieniowania podczerwonego. Przejrzystość optyczna mierzona jest przez fotodetektor krzemowy, który określa osłabienie (tłumienie) wiązki światła przez zawarte w powietrzu cząstki pyłu. Zasada pomiaru CO i NO jest identyczna jak wcześniej opisana dla analizatora CO w młynie. Opracowany przez Codela system ma unikalną możliwość zdalnej konfiguracji i diagnostyki poprzez złącze szeregowe RS232 miedzy analizatorami a komputerem z zainstalowanym oprogramowaniem TunnelCraft III software możliwe jest wyposażenie w złącze RS485 z możliwością transmisji danych w protokole Modbus. Możliwe jest zastosowanie tego typu przyrządu do pomiaru CO i zapylenia w przestrzeni otwartej (np. galerie nawęglania, przesypy) lub zasobniku (bunkrze) z węglem lub innym paliwem. Strefa pomiarowa wynosi w wersji standardowej (stosowanej w tunelach) 3 metry, natomiast w wersji do zastosowań niestandardowych może wynosić 2 do 6 metrów (w razie potrzeby może być rozszerzona do 10m). W przypadku zabudowy w tunelach praktyka pokazała, że nie istnieje obawa zanieczyszczenia powierzchni optycznych (rutynowe czyszczenie optyki odbywa się raz na rok). W przypadku zabudowy na obiektach nawęglania należy liczyć się z intensywniejszym zanieczyszczaniem się optyki. Jeżeli to zjawisko wystąpi, Codel dostarczy specjalne moduły powietrza zaporowego i niezbędne będzie doprowadzenie do głowic suchego i czystego powietrza. Pentol i Codel są obecnie na etapie poszukiwania polskich partnerów do przeprowadzenia testów przydatności analizatorów systemu tunelowego na obiektach nawęglania.