Автоматические системы регулирования уровня

Подробное объяснение систем автоматического регулирования уровня вкл./выкл., модулирующего, двухэлементного и трёхэлементного управления с сравнением их преимуществ и недостатков.

#Управление вкл./выкл.

Все описанные ранее методы определения уровня могут использоваться для формирования сигнала вкл./выкл. для регулирования уровня. Наиболее распространённый способ регулирования уровня - просто запускать питательный насос при низком уровне и оставлять его работать, пока в котле не будет достигнут более высокий уровень воды.

• В поплавковой системе уровня используется магнитный переключатель со встроенным гистерезисом или зоной нечувствительности.
• В случае зондов проводимости требуются два зонда (включение насоса и выключение насоса), которые задают фиксированные уровни переключения.
• Ёмкостный зонд может использоваться для задания регулируемых уровней включения и выключения.

В Великобритании управление типа вкл./выкл. почти повсеместно применяется на котлах с паропроизводительностью примерно до 5 000 kg/h, поскольку это наиболее дешёвое решение. (В Австралии и Новой Зеландии стандарты требуют устанавливать модулирующее управление на котлы мощностью более 3 MW, что обычно соответствует 5 000 kg/h).

Однако можно утверждать, что такой тип управления неидеален для котла, поскольку относительно высокий расход «холодной» питательной воды при включённом насосе снижает давление в котле. Это вызывает постоянное изменение тепловой мощности горелки по мере включения и выключения насоса.

На типичном примере расчётом можно показать, что даже при температуре питательной воды 80 °C тепловая мощность горелки при включённом насосе может быть на 40% выше, чем при выключенном насосе.

Такое постоянное изменение вызывает:

• Износ органов управления горелкой.
• Термоциклирование котла.
• Снижение эффективности.
• «Пилообразный» характер расхода пара, как показано на диаграмме регистратора на Рисунке 3.17.2.

При высоких паровых нагрузках переменный расход пара будет способствовать увеличению уноса воды с паром и всё большей нестабильности уровня воды с сопутствующим риском блокировки по низкому уровню, особенно на многокотельных установках.

Тем не менее факт остаётся фактом: управление вкл./выкл. очень широко используется на котлах малой и средней производительности, как было указано выше, и многие проблемы, возникающие на паровых котлах при резких колебаниях нагрузки, частично связаны именно с такими системами регулирования уровня.

#Краткие итоги по регулированию уровня вкл./выкл.

Преимущества:

• Простота.
• Низкая стоимость.
• Хорошо подходит для резервных котлов.

Недостатки:

• Каждому котлу требуется собственный питательный насос.
• Повышенный износ питательного насоса и аппаратуры управления.
• Переменные давление и расход пара.
• Больший унос котловой воды.
• Более высокая вероятность ежедневных эксплуатационных проблем при резких колебаниях нагрузки.

#Модулирующее управление

В системе этого типа питательный насос работает непрерывно, а автоматический клапан, установленный между насосом и котлом, регулирует расход питательной воды так, чтобы он соответствовал потребности в паре.

При правильной работе модулирующее управление может резко сгладить график расхода пара и обеспечить гораздо более устойчивый уровень воды внутри котла.

Для модулирующего управления уровнем можно использовать следующие методы измерения уровня воды:

• Поплавки с непрерывным выходным сигналом.
• Ёмкостные зонды.
• Ячейки дифференциального давления.

#Рециркуляция

Чтобы защитить питательный насос от перегрева при работе на закрытый модулирующий клапан, предусматривают рециркуляционную, или перепускную, линию, обеспечивающую минимальный расход через насос.

Эта рециркуляция может регулироваться клапаном или диафрагмой. Количество воды, которое требуется возвращать, невелико, и соответствующие рекомендации обычно даёт производитель насоса. В качестве ориентира можно принять, что диаметр отверстия диафрагмы для типового котла обычно составляет от 5 mm до 7 mm.

Модулирующее регулирование уровня за счёт изменения скорости питательного насоса котла В системе этого типа модулирующий сигнал, представляющий уровень воды в котле (например, от ёмкостного зонда), подаётся на электрический преобразователь частоты. Этот преобразователь, в свою очередь, изменяет частоту переменного напряжения, подаваемого на электродвигатель питательного насоса, и тем самым изменяет его скорость.

• Если требуется много воды, насос работает на высокой скорости.
• Если воды требуется меньше, скорость насоса снижается.

Таким образом скорость насоса модулируется так, чтобы обеспечивать расход питательной воды, соответствующий потребности котла.

Технология регулируемого привода обычно применяется двумя способами: С рециркуляцией - Когда потребность удовлетворена, скорость двигателя снижается до минимума, но некоторая рециркуляция питательной воды обратно в питательный бак всё же необходима, чтобы избежать перегрева насоса (см. Рисунок 3.17.5). Без рециркуляции - В этом случае контроллер двигателя останавливает питательный насос при очень малых нагрузках котла, поэтому рециркуляция не требуется.

Следует учитывать два важных фактора, связанных с остановом и пуском насоса:

• Насос нельзя пускать и останавливать чаще, чем это допускает производитель за заданный промежуток времени.
• При пуске преобразователь частоты должен обеспечивать плавный разгон с низкой скорости, чтобы минимизировать износ насоса.

Основное преимущество регулируемых приводов состоит в том, что при изменении скорости насоса меняется и его потребляемая мощность, а снижение энергопотребления означает снижение эксплуатационных затрат.

Однако экономию от применения регулируемых приводов необходимо сопоставлять с более высокой стоимостью оборудования управления. Обычно это оправдано только для крупных котлов с широкими колебаниями нагрузки или при работе в схеме ведущий/ведомый.

#Одноэлементное регулирование уровня воды

Стандартная одноэлементная система регулирования уровня воды в котле с пропорциональным управлением обеспечивает отличное регулирование на большинстве котельных установок.

Однако при одноэлементном пропорциональном управлении уровень воды должен снизиться, чтобы клапан подачи питательной воды открылся. Это означает, что при низкой паровой нагрузке уровень воды должен быть выше, а при высокой - ниже: получается ниспадающая характеристика уровня.

Тем не менее при очень резких изменениях нагрузки у некоторых типов водотрубных котлов одноэлементное управление имеет ограничения.

Рассмотрим ситуацию, когда котёл работает в пределах своей номинальной производительности:

• Котловая «вода» фактически содержит смесь воды и пузырьков пара, которая имеет меньшую плотность, чем одна только вода.
• Если потребность в паре возрастает, давление в котле сначала падает, и система управления увеличивает тепловую мощность горелки. Скорость испарения возрастает, чтобы удовлетворить повышенный спрос.
• Из-за увеличения интенсивности испарения котловая вода содержит ещё больше пузырьков пара и становится ещё менее плотной.

Если теперь к котлу резко приложить нагрузку:

• Давление внутри котла ещё больше снизится, и часть котловой воды мгновенно вскипит. Вскипание котловой воды вместе с увеличением теплоподвода при выходе горелок на максимум приводит к тому, что котловая «вода» содержит ещё больше пузырьков пара, а её плотность дополнительно снижается.
• По мере падения давления удельный объём пара увеличивается, и более высокая скорость отбора пара из котла может вызвать «вспухание» смеси воды и паровых пузырьков, что создаёт видимость повышения уровня воды.
• Приборы уровня обнаружат этот кажущийся рост уровня и начнут закрывать клапан подачи питательной воды, хотя на самом деле воды требуется больше. В результате возникает ситуация: спрос на пар высок, а в котёл не подаётся вода для поддержания уровня.
• Наступает момент, когда «вспухание» воды схлопывается, возможно до уровня ниже уставок сигнализации низкого уровня, и котёл может внезапно перейти в блокировку, выводя установку из работы.

Двухэлементное регулирование уровня воды Двухэлементное управление изменяет ниспадающую характеристику на возрастающую, чтобы уровень воды при высокой паровой нагрузке повышался. Это помогает поддерживать постоянное количество воды в котле при всех нагрузках и обеспечивает открытие клапана подачи питательной воды при резком росте потребности в паре.

Система работает за счёт использования сигнала от расходомера пара, установленного в паровом трубопроводе, для увеличения уставки контроллера уровня при высоких паровых нагрузках.

Два элемента сигнала:

• Первый элемент - Сигнал уровня воды внутри котла.
• Второй элемент - Сигнал расхода от расходомера пара в линии отбора пара из котла.

Краткие итоги по двухэлементному регулированию уровня воды На любых котельных установках, где часто происходят резкие изменения нагрузки, двухэлементная система регулирования питательной воды может работать лучше. Там, где изменения технологической нагрузки особенно велики, например на пивоваренных заводах, двухэлементное управление следует рассматривать всерьёз; по-видимому, оно необходимо, если внезапные изменения нагрузки на котле превышают 25%.

Трёхэлементное регулирование уровня воды Трёхэлементное управление, показанное на Рисунке 3.17.8, включает два ранее упомянутых сигнала, плюс третий элемент - фактически измеренный расход питательной воды, поступающей в котёл. Трёхэлементное управление чаще встречается в котельных, где несколько котлов питаются водой от общего напорного кольцевого коллектора.

В этих условиях давление в кольцевой магистрали питательной воды может меняться в зависимости от того, сколько воды отбирает каждый котёл.

Поскольку давление в кольцевой магистрали изменяется, количество воды, проходящее через клапан подачи питательной воды при одном и том же его открытии, также будет изменяться. Сигнал третьего элемента корректирует управляющий сигнал на клапан с учётом этого изменения давления.

#Краткие итоги по модулирующему регулированию уровня

Преимущества:

• Стабильные давление и расход пара в пределах тепловой производительности котла.
• Более эффективная работа горелки.
• Меньшие термические напряжения в корпусе котла.
• Меньший унос котловой воды.
• Возможность использования центральной станции питательных насосов.
• Меньший износ питательного насоса и горелки.

Недостатки

• Более высокая стоимость.
• Необходимость непрерывной работы питательного насоса.
• Меньшая пригодность для резервного режима.
• Потенциально более высокое потребление электроэнергии.