Development of a boiler water leak detection method for recovery boilers utilizing all-volatile treatment of boiler water

Abstract

Tämän diplomityön tavoitteena oli parantaa soodakattiloiden käyttöturvallisuutta kehittämällä vuodonvalvontamenetelmä, jolla voidaan paikantaa kattilavesivuodot kattilan höyrystinosasta. Tutkimuksessa keskityttiin soodakattiloihin, joissa käytetään kattilavesikemikaaleina pelkästään haihtuvia alkaleja, sillä tällöin perinteisesti käytetyillä vuodonvalvontamenetelmillä ei voida erottaa onko vuoto höyrystinosassa vai jossakin muussa osassa kattilaa.

Soodakattilan toimintaa, vesikemiaa ja vuodonvalvontamenetelmiä tarkasteltiin kirjallisuudesta ja sopivaksi menetelmäksi valittiin kattilavesivuodon seuranta merkkiainekemikaalin massataseen avulla. Merkkiaine annosteltaisiin jatkuvatoimisesti kattilaveteen, josta sen pitoisuutta analysoitaisiin jatkuvatoimisella analysaattorilla. Yhdessä syöttövesi- ja ulospuhallusvirtausten kanssa voidaan merkkiaineelle tällöin muodostaa massatase, josta voidaan laskea kattilavesivuodon suuruus ja seurata sitä siten jatkuvasti

Menetelmää testattiin suomalaisella sellutehtaalla haihtuvien alkalien vesikemialla operoivalla soodakattilalla. Merkkiaineen annostelun ei havaittu heikentävän kattilaveden ja höyryn laatua ja menetelmän avulla voitiin havaita 1,9 kg/s suuruinen vuoto kahdeksassa tunnissa.

Merkkiaineen käyttöön perustuva tiiveydenvalvontamenetelmä todettiin toteuttamiskelpoiseksi haihtuvia alkaleja käyttäville soodakattiloille. Menetelmän avulla voidaan tunnistaa jo pienetkin vuodot, joihin liittyy tulipesäräjähdyksen vaara, turvallisesti valvomossa työskennellen. Menetelmää käyttämällä voidaan siten varmistaa, että kattila ajetaan viiveettä ja henkilöturvallisuutta vaarantamatta alas aina kun kattilassa on vuoto, joka voi saada aikaan tulipesäräjähdyksen. Nykymenetelmillä vaaralliset vuodot voivat jäädä havaitsematta pitkäksi aikaa ja tulipesäräjähdyksen sattuessa voi kattilahuone olla siten miehitetty, joten menetelmän käyttöönotto parantaisi merkittävästi pelkästään haihtuvia alkaleja käyttävien soodakattiloiden käyttöturvallisuutta.

The goal of this thesis was to improve the operational safety of recovery boilers by developing a boiler water leak detection method, that can locate leaks in the steam generator part of the boiler. Focus of the study was set on boilers utilizing all-volatile treatment of the boiler water, as the conventional leak detection systems used in these cases are unable to detect if the leak is located in steam generator, or in other parts of the boiler.

Boiler operation, water chemistry, and leak detection methods were investigated through literature, and a suitable detection method was chosen to be a tracer chemical mass balance monitoring. In tracer method a continuous dosage of substance is administered into boiler water and its mass balance is continuously analyzed, together with feedwater and blowdown flows of the boiler. A continuous trend for a leak flow could then be calculated from the mass balance of the tracer element in the boiler water.

The method was tested in an all-volatile treated recovery boiler at Finnish pulp mill. During the field trials it was determined that addition of tracer chemical did not adversely affect the quality of boiler water or steam, and leak sizes down to 1.9 kg/s were able to be detected in eight hours.

The tracer method for leak detection in boiler utilizing all-volatile treatment was found to be plausible. The method can detect even small leak sizes, that may induce a risk of furnace explosion, in a reasonable time frame while working safely from the boiler control room. By utilizing this method, the boiler can be shutdown without delay and without risking the operational safety of mill personnel, in the case of leak situation. Conventional methods may leave critical leaks undetected for crucially long time, which may lead into a furnace explosion while the operational personnel are still inside the boiler room. Introduction of tracer method as part of the boiler automation could therefore significantly improve the operational safety of boilers utilizing all-volatile treatment of boiler water.