Il sistema Hydrastep, certificato SIL 2
Una mancata adeguata protezione di una caldaia, puo’ avere un notevole impatto economico.
Le moderne caldaie utilizzate nella produzione di energia per esempio, sono progettate per fornire costantemente vapore secco e pulito, in quantità controllata.
Questo vale non solo nelle applicazione di generazione di energia, ma in generale per tutte le applicazioni di caldaie a vapore ad alta capacita’, per l’ottenimento di un prodotto finale uniforme e di qualita’.
Considerando la crescente richiesta di energia e quindi l’importanza di garantirne una continua generazione, l’utilizzo di affidabili sistemi di sicurezza e’ quindi particolarmente importante su questo tipo di caldaie.
L’importanza di sistemi di sicurezza affidabili
Se la caldaia di una centrale elettrica dovesse funzionare a secco, o se le pale della turbina a vapore venissero danneggiate dalla presenza di acqua, il risultato sarebbe drammatico e molto costoso. Infatti la riparazione di tali danni a una centrale elettrica può richiedere mesi, se non anni, per essere completata e può causare tempi di inattività dell’impianto che costano milioni in termini di perdita di produzione e reddito.
Sulla parte superiore della caldaia si trova un recipiente noto come Drum o tamburo. È qui che viene monitorato il livello del vapore/acqua. Se il livello è troppo alto, può generare vapore umido, che a sua volta può portare all’erosione delle pale della turbina. Se il livello è troppo basso, i tubi della caldaia possono surriscaldarsi, con il pericolo molto reale di un’esplosione dell’impianto. Può sembrare una cosa drammatica, ma evidenzia la necessità di dispositivi di sicurezza in questo tipo di applicazioni.
Gli standard e le legislazioni nazionali ed internazionali richiedono il monitoraggio e l’indicazione dei livelli dell’acqua di alimentazione negli impianti di generazione di vapore. L’indicazione del livello del tamburo è normalmente indicata sia localmente al tamburo che da remoto nella sala di controllo, dove i tecnici dell’impianto effettueranno un arresto di emergenza se le condizioni lo richiedono. Bisogna evidenziare anche che è necessario effettuare un monitoraggio molto accurato di questi punti per evitare falsi allarmi che potrebbero costringere un impianto a chiudere con una potenziale significativa perdita di fatturato.
Approccio tradizionale
Vi sono numerosi sistemi per la misura ed il controllo del livello dell’acqua nelle caldaie, tutti basati su principi di misura affidabili. Resta pero’ il problema dell’affidabilita’ del sistema di sicurezza.
Normalmente vengono utilizzati degli indicatori di livello a vetro o magnetici montati sul tamburo della caldaia, con l’aggiunta di un sistema per la misurazione (Ultrasuoni, Radar, Misuratori di pressione differenziale, solo per citarne alcuni) e trasmissione in sala quadro del segnale di livello dove vengono poi impostate le soglie di allarme. Oppure vengono installati semplici livellostati meccanici in combinazione con i livello a vetro ed i trasmettotori.
Questi sistemi sono collaudati ed affidabili tuttavia, possono presentare problemi di affidabilità richiedendo programmi di manutenzione intensiva e presentano anche dei limiti di applicazione sia per le elevate condizioni di Pressione e Temperatura del vapore.
Problemi dei normali indicatori di livello
Essi rappresentano quindi un diffuso sistema per entrambe le funzioni di regolazione e sicurezza, ma affinché questi dispositivi siano utilizzati in modo efficace, devono essere monitorati costantemente ed installati considerando precauzioni per proteggerli in particolare, da picchi di temperatura.
Bisogna notare che i metodi meccanici/ottici (es.indicatori locali) presentano anche lo svantaggio di essere soggetti a usura e pertanto necessitano di controlli e manutenzione piu’ frequenti. Questo aumenta i costi di manutenzione e con un funzionamento 24/365, i tempi di fermo per tale manutenzione non sono sempre possibili, il che potrebbe spingere ad effettuare controlli insufficienti con conseguenti problemi di affidabilità.
Gli indicatori di livello locali sono quindi necessari ma solo come metodo di verifica finale locale del livello del tamburo se tutti gli altri metodi non sono disponibili.
Per il settore energetico o in generale dove vi e’ una caldaia di grosse dimensioni, si richiede per la funzione di sicurezza, una tecnologia affidabile possibilmente a doppia ridondanza come la soluzione Hydrastep sviluppata grazie alle consolidate esperienze in campo.
Soluzione con Hydrastep
Il sistema Hydrastep, e’ un sistema sviluppato agli inizio degli anni ’70 ed ormai, dopo piu’ di 50 di evoluzione, si e’ consolidato come il piu’ affidabile sistema di controllo per gli impianti di generazione energia ed è ormai visto da molti come uno standard del settore. Esso e’ ampiamente utilizzato come sistema di sicurezza per monitorare e controllare i livelli dell’acqua nelle caldaie. La recente certificazione SIL 2 del sistema, ne convalida ulteriormente l’impiego come sistema di sicurezza, adeguandosi ai moderni requisiti dei sistemi di Shut-down secondo la IEC 61508.
La probabilità che Hydrastep di Delta Mobrey perda uno scatto effettivo è inferiore a 1 su 300 milioni. La probabilità di creare uno scatto insolito è inferiore a 1 su 10 milioni.
Affidabilità
L’affidabilita’ del sistema Hydrastep, si basa principalmente sulla semplicita’ del principio di funzionamento, e si basa su 2 qualita’ principali:
- L’affidabilita’ degli elettrodi di misura di costruzione originale DELTA MOBREY
- Il design meccanico del sistema, che con totale assenza di parti in movimento garantisce l’affidabilita’ e riduce le manutenzioni.
Il sistema e’ sempre lo stesso, ma la parte meccanica e’ dimensionata per 3 tipologie di caldaia:
- Applicazione su caldaie a bassa pressione (fino a 120bar e 340°C)
- Applicazione su caldaie ad alta pressione (fino a 210bar e 370°C)
- Applicazione Super-Critica (fino a 300bar e 560°C)
Il principio di funzionamento e’ semplice. La parte sensibile e’ costituita da una serie di sensori di conducibilita’ (gli elettrodi) installati all’interno di un supporto di acciaio (Water Column) direttamente collegato alla caldaia e dimensionato in base alle condizioni di funzionamento di Pressione e Temperature della stessa. Questi sono gli unici elementi che differiscono da un sistema all’altro.
Il ruolo degli elettrodi
Gli elettrodi agiscono come “occhio guida” sopra e sotto il normale livello dell’acqua. Sono disposti su ciascun lato della colonna e questa disposizione fornisce ridondanza contro guasti in qualsiasi parte del sistema.
Il ciclo di produzione degli elettrodi e’ originale Delta Mobrey e rappresenta uno dei segreti dell’affidabilita’ del sistema Hydrastep.
| Elettrodi per Alta pressione | Elettrodi per bassa Pressione | Schema di posizionamento elettrodi |
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Gli elettrodi, montati a multipli di 8 fino ad un max di 32, sono collegati alla unità elettronica (Control Unit) tramite cavi speciali progettati per questo impiego e per l’ambiente di destinazione.
La Control Unit , il cuore del sistema, misura in continuo le condizioni degli elettrodi. E’ costantemente alla ricerca di una variazione di resistenza elettrica rispetto a terra: una variazione di resistività tra due elettrodi adiacenti identifica il livello dell’acqua. L’assieme water column+elettrodi+Control unit, permette di impostare gli allarmi necessari per la sicurezza : H, HH, L, LL.
| Esempio di indicazione sulla Control Unit, locale | Ripetizione del segnale in sala quadro con display remoti | Dettaglio posizione allarmi associati agli elettrodi |
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La condizione viene visualizzata sulla catena di LED frontali: verdi rappresentano la posizione dell’acqua; rossi il vapore. Vi sono anche dei Led aggiuntivi per segnalare una condizione di allarme.
L’allarme viene trasmesso in sala quadro tramite dei relè.
L’indicazione della catena di LED Verdi/Rossi sul fronte della Control Unit, puo’ essere trasferita ad un indicatore remoto che la replica integralmente e forniscono agli operatori un’elevata visibilità dei livelli della caldaia da piu’ punti.
Allarmi per segnalare i guasti
Il sistema genera anche allarmi per segnalazione guasti all’interno del sistema o del cablaggio o dell’alimentazione, garantendo affidabilita’ globale al sistema. La condizione di allarme e’ anche visualizzata sul fronte dello strumento.
La control unit in combinazione di un regolatore PID puo’ anche essere utilizzata per la regolazione dell’acqua in caldaia, quindi non solo per fornire allarmi al sistema di sicurezza. Questa unita’ trasmette un segnale 4/20mA proporzionale al livello, che opportunamente confrontato con il set point, fornisce il segnale di ingresso per il regolatore. I moderni regolatori PID con con controllo adattivo, minimizzano le pendolazioni generate da una misura di livello a step, come quella del sistema Hydrastep.
Manutenzione ed installazione
Se installato secondo le prescrizioni del costruttore il sistema Hydrastep e’ un sistema che richiede una manutenzione minima nel tempo garantendo minimi costi di esercizio e la piu’ alta affidabilita’ e sicurezza per la protezione dell’impianto.
La qualità dell’acqua circolante nella caldaia e’ importante per qualsiasi sistema di controllo, specialmente per i sistemi meccanici ma nel sistema hydrastep ha un impatto relativo. L’unico effetto negativo rimane nel grado di pulizia degli elettrodi, ma il design del sistema che favorisce una continua circolazione di liquido, permette una continua “autopulizia” degli elettrodi ed aumenta l’ intervallo tra una manutenzione e l’altra, riducendo i costi di esercizio.
Delta Mobrey offre anche un servizio di Start-Up per verificare la corretta installazione del sistema, ed un team di ingegneri per effettuare interventi di manutenzione programmata o straordinaria, come supporto ai reparti di manutenzione operanti sugli impianti.
