Pomiar poziomu wody w walczaku w odniesieniu do
wskazań wodowskazu

BTH-AUTOMATYKA s.c., 09/09/2008,

Publikuj.org

.

Pomiary poziomu wody w walczakach kotłów wodno-parowych są zawsze
porównywane ze wskazaniami wodowskazów. Na ogół wskazania
wodowskazów nie pokrywają się ze wskazaniami poziomu wody w walczaku.

POZIOM WODY W WALCZAKU
SIEMENS SIMATIC S7-300
SIEMENS SIMATIC S7-400
Kawala Przemysław
Sokołowski Włodzimierz

Autorzy
mgr inż. Włodzimierz Sokołowski - projekt automatyki
mgr inż. Przemysław Kawala - opracowanie algorytmu, oprogramowanie sterownika

ELIMINACJA BŁĘDÓW WODOWSKAZÓW W POMIARACH POZIOMU WODY W WALCZAKU
Pomiary poziomu wody w walczakach kotłów wodno-parowych są zawsze porównywane ze
wskazaniami wodowskazów. Na ogół wskazania wodowskazów nie pokrywają się ze wskazaniami
poziomu wody w walczaku. Powszechnie wiadomo, że wraz ze wzrostem ciśnienia pary w
walczaku, wodowskazy wskazują inną wartość (z reguły mniej) niż pomiary poziomu wody w
walczaku zrealizowane metoda hydrostatyczną. Wprowadzenie korekcji do wskazań pomiaru
poziomu w walczaku niewiele pomogło, bo jeżeli korekcja była prawidłowa i pomiar po korekcji był
poprawny, to nadal wskazania tego pomiaru nie pokrywają się z wodowskazem.Problem ten
powstaje również do rozwiązania w przypadku zastosowania nowo lansowanej metody pomiarowej
za pomocą radaru falowego z elementem referencyjnym, który w stanach ustalonych mierzy
rzeczywisty poziom wody w walczaku a w stanach dynamicznych z uwagi, iż element referencyjny
znajduje się w parze a nie w wodzie może mierzyć z błędem np.: przy znanym zjawisku pęcznienia
wody w walczaku podczas nagłych zmianach obciążenia.W związku z tym, iż wskazania
wodowskazów na walczakach kotłów są dla Urzędu Dozoru Technicznego podstawowym
miernikiem poziomu wody w walczaku kotła w szczególności przy odbiorze sygnałów
zabezpieczających kocioł przed awaryjnie niskim i awaryjnie wysokim poziomem wody w walczaku
kotła, bo te sygnały mogą doprowadzić do awarii kotła lub turbiny. W celu uniknięcia rozbieżności
wskazań pomiędzy wodowskazem a wskazaniem pomiaru poziomu wody w walczaku (wskazaniem
po korekcji) należy poznać błąd z jakim wskazuje wodowskaz i uwzględnić ten błąd we wskazaniach
uwzględniających korekcję od ciśnienia w metodzie hydrostatycznej lub korekcję za pomocą
elementu referencyjnego w radarach z falowodem. Czyli w pomiarach objętych korekcją -
pokazujących rzeczywisty pomiar poziomu wody w walczaku - należy uwzględnić błąd z jakim
wskazują wodowskazy, aby jego wskazania pokrywały się ze wskazaniami wodowskazu. Błąd
wodowskazu przy ciśnieniu 15,5MPa dla awaryjnie niskiego poziomu wody w walczaku wynosi ca.
18% - 20% zakresu pomiarowego tj. wynosi około 30mm.W rozwiązaniu zastosowanym w
Elektrowni Turów na podstawie stopnia schłodzenia wody w wodowskazie wylicza się błąd
wskazania wodowskazu, który uwzględnia się przy obliczaniu pomiaru poziomu wody
zrealizowanego metodą hydrostatyczną z korekcją od ciśnienia pary panującego w walczaku kotła.
Korektor oblicza / rys.1/ najpierw poziom wody niekorygowany / na podstawie wskazań
przetwornika różnicy ciśnień /, następnie na podstawie pomiaru ciśnienia w walczaku wyliczany jest
rzeczywisty poziom wody w walczaku /korekcja klasyczna /, a następnie po uwzględnieniu
schłodzenia wody powrotnej wodowskazu / na podstawie pomiaru temperatury / odniesiony do
wodowskazu. Jeżeli wskazania wodowskazu pokrywają się w pełnym zakresie ze wskazaniami

Strona 1 / 3

wyliczanymi odniesionymi do wodowskazu Hw, to możemy być pewni, że rzeczywisty poziom wody
w walczaku w pełni pokrywa się z z wyliczonym rzeczywistym poziomem Hrz.W związku z tym, iż
Elektrownia Turów postawiła wymóg, aby sygnał do zabezpieczenia kotła od awaryjnie niskiego
poziomu wody w walczaku kotła bazował na istniejących pomiarach poziomu wody i istniejących
pomiarach ciśnienia oraz istniejących naczyniach pomiarowych i istniejących wodowskazach a
całość winna być zrealizowana za pomocą sterownika i przekaźników separujących firmy SIMATIC
posiadających certyfikat SIL-3 to dobór sterownika uzgodniono z przedstawicielem w/w
producenta.Z pierwszych obliczeń wynikało, że aby spełnić w/w wymagania dla kotła OP-650b
posiadającego dwa walczaki i dwa pomiary poziomu wody na każdym walczaku i zrealizować
korekcję czterech pomiarów poziomu wody w walczaku od czterech ciśnień w walczaku oraz
wyliczyć błąd wskazań dla czterech wodowskazów i na podstawie tych wyliczeń wyprowadzić
redundantne dwa sygnały do zabezpieczeń od minimalnych poziomów wody w walczakach kotła,
należy zastosować sterownik S7 400 jeżeli mamy spełnić wymagania SIL-3 w zakresie
oprogramowania zgodnie z normą IEC 61508.Według normy IEC 61508 należy oddzielnie
rozpatrywać rozwiązania dla sprzętu oraz oddzielnie rozwiązania w zakresie oprogramowania dla
celów wizualizacji i oddzielnie dla celów zabezpieczeń. Aby zmniejszyć wielkość niezbędnej pamięci
sterownika i wywiązać się z nałożonych założeń postanowiono, że działanie funkcji
zabezpieczających w oferowanych rozwiązaniach będzie zrealizowane za pomocą pliku krzywych
zapisanych w postaci funkcji matematycznych obrazujących zależności pomiędzy poziomem wody
w walczaku a poziomem wody w wodowskazie w zależności od panującego ciśnienia pary w
walczaku oraz od temperatury wody powracającej z wodowskazu a nie w postaci tablic
określających te zależności. Ilość w/w krzywych, które należy zapisać w pamięci sterownika zależy
od dokładności z jaką mają zadziałać sygnały do zabezpieczeń. Przy założeniu, że do wyliczania
błędu wodowskazu niezbędne jest śledzenie co najmniej siedmiu krzywych obrazujących poziom
wody w walczaku dla awaryjnie niskiego poziomu wody w walczaku przy różnych temperaturach
wody powracającej z wodowskazu i przejściu z zapisu w/w krzywych w postaci tablic na zapis w
postaci funkcji matematycznych można zaoszczędzić około (7 x 1,0 MB) 7,0 MB pamięci i zamiast
sterownika S7 400 zastosować sterownik S7 300, bowiem korektor wodowskazu bazujący na
siedmiu krzywych, potrzebuje tylko 1,5kB pamięci.Zastosowano więc sterownik S7 315 serii F z
pamięcią 512 kB, który ma certyfikat SIL-3 na moduły wejść analogowych i na moduły wyjść
binarnych, które umożliwiają podłączenie pomiarów poziomów wody w walczaku, pomiarów ciśnień
w walczaku i pomiarów temperatur wody w wodowskazie oraz wyjść binarnych zgodnie z
konfiguracją 1oo2 (1 z 2), co oznacza, że realizacja nie wymaga zastosowania kosztownego
sterownika S7 400, a mimo to każdy z 4 inicjatorów może spowodować zadziałanie funkcji
zabezpieczających.Zgodnie z normą IEC 61508 wyliczanie progów zadziałania sygnałów do
zabezpieczeń dla awaryjnie niskich poziomów wody w walczakach kotła OP-650b jest realizowane
w Elektrowni Turów za pomocą oprogramowania narzędziowego Distributed safety posiadającego
certyfikat SIL, natomiast wyliczanie błędu wodowskazu dla celów wizualizacji realizowane jest przez
niecertyfikowane oprogramowanie narzędziowe Step 7 wersja normal. Niecertyfikowane
oprogramowanie narzędziowe dotyczy obróbki sygnałów analogowych związanych z korekcją
pomiarów poziomów wody w walczakach od ciśnienia pary w walczakach i sygnałów analogowych
dotyczących wyliczenia błędu z jakim wskazuje wodowskaz. Żadne sygnały z części
niecertyfikowanej nie są wykorzystywane w oprogramowaniu SAFETY, które służy do
wypracowywania sygnałów do systemu zabezpieczeń.Opracowane rozwiązanie jest zgłoszone do
Urzędu Dozoru Technicznego pod nr: P-382965, w którym zastrzeżono sposób wyliczania błędu
wodowskazu za pomocą czujnika temperatury podłączonego do króćca wodnego tegoż
wodowskazu. Ponadto opracowane rozwiązanie wymusiło zmianę najniższego poziomu wody w
walczaku (z -100mm na -80mm), aby było ono zgodne z Warunkami Urzędu Dozoru Technicznego,
Urządzenia Ciśnieniowe WUDT-UC-KP/04 a w szczególności z jego pkt. 5.6.c, który żąda, aby
przezroczysty element obserwacyjny miał taką długość, ażeby najniższy poziom wody w kotle
znajdował się co najmniej 25 mm powyżej najniższego widocznego punktu tego elementu, a więc
zaostrzyło wymogi ruchowe w stosunku do wymogów postawionych przez producenta kotła, aby
zachować istniejące wodowskazy na walczakach kotła OP-650b.Opisane rozwiązanie przeszło w
2007 r. pozytywnie badania sprawdzające dokonane przez Centralne Laboratorium Dozoru

Strona 2 / 3

Technicznego w Poznaniu w zakresie zabezpieczenia kotła od minimalnego poziomu wody w
kotle.

Szczegółowe informacje:
Przemysław Kawala
tel. [phone]
[e-mail]

Strona 3 / 3