Методы определения уровня воды в паровых котлах

Применение систем контроля и сигнализации уровня, а также обзор различных методов определения уровня, включая поплавковые устройства, зонды проводимости и ёмкостные датчики.

#Методы определения уровня воды в паровых котлах

На паровом котле существуют три основные задачи для приборов контроля уровня:

• Регулирование уровня - Чтобы в котёл подавалось нужное количество воды в нужный момент.
• Сигнализация низкого уровня воды - Для безопасной работы котла она обеспечивает прекращение сжигания топлива, если уровень воды в котле опустился до заданной отметки или ниже неё. Для паровых котлов с автоматическим управлением национальные нормы обычно требуют два независимых сигнала низкого уровня. В Великобритании более низкий из этих двух уровней переводит горелку в блокировку, и для возврата котла в работу требуется ручной сброс.
• Сигнализация высокого уровня воды - Срабатывает, если уровень воды становится слишком высоким, предупреждая оператора о необходимости прекратить подачу питательной воды. Хотя такая сигнализация обычно не является обязательной, её применение разумно, поскольку она снижает вероятность уноса воды с паром и гидроударов в системе парораспределения.

Методы автоматического определения уровня В следующих разделах этого модуля рассматриваются основные типы датчиков уровня, пригодных для паровых котлов.

Основы электротехники Протекание электричества можно сравнить с потоком жидкости. Жидкость течёт по трубе примерно так же, как электричество течёт по проводнику (см. Рисунок 3.16.2).

Проводник - это материал, например металлический провод, который обеспечивает свободное прохождение электрического тока. (Противоположностью проводника является изолятор, препятствующий прохождению электричества, например стекло или пластик). Электрический ток - это поток электрического заряда, переносимого крошечными частицами, называемыми электронами или ионами. Заряд измеряется в кулонах. Заряд одного кулона соответствует суммарному заряду 6.24 x 1018 электронов, что в единицах СИ эквивалентно 1 ампер-секунде.

Когда электроны или ионы приходят в движение, поток электричества измеряется в кулонах в секунду, а не в электронах или ионах в секунду. Единица измерения электрического тока называется ампером (A).

• 1 A = поток 6.24 x 1018 электронов в секунду.
• 1 A = 1 кулон в секунду.

Сила, вызывающая протекание тока, называется электродвижущей силой, или ЭДС. Её могут создавать, например, аккумулятор, велосипедный динамо-генератор или генератор электростанции.

У аккумулятора есть положительный и отрицательный выводы. Если соединить их проводом, потечёт ток. Аккумулятор действует как источник давления, аналогичный насосу в водяной системе. Разность потенциалов между выводами источника ЭДС измеряется в вольтах, и чем выше напряжение (давление), тем больше ток (расход). Цепь, по которой проходит ток, обладает сопротивлением, аналогичным сопротивлению труб и клапанов в водяной системе.

Единица сопротивления - ом (обозначается символом Ω), а закон Ома связывает ток, напряжение и сопротивление, см. Уравнение 3.16.1: Где: I = ток (амперы) V = напряжение (вольты) R = сопротивление (омы)

Ещё одно важное электрическое понятие - «ёмкость». Она характеризует способность двух проводников накапливать заряд между собой (грубо говоря, аналогична объёму сосуда) и определяется как заряд, необходимый для повышения разности потенциалов на один вольт.

Пара проводников имеет большую ёмкость, если для увеличения напряжения между ними на один вольт требуется большое количество заряда, так же как большой сосуд требует много газа, чтобы создать в нём определённое давление.

Единица ёмкости - один кулон на вольт, то есть один фарад.

Зонды проводимости Рассмотрим открытый бак с водой. В бак опущен зонд (металлический стержень), см. Рисунок 3.16.3. Если подать электрическое напряжение и включить в цепь амперметр, он покажет:

• Когда зонд погружён в воду, ток в цепи течёт.
• Если зонд поднять над водой, ток течь не будет.

На этом основан принцип работы зонда проводимости. Принцип электропроводности используется для точечного измерения. Когда уровень воды касается наконечника зонда, связанный с ним контроллер инициирует определённое действие.

Этим действием может быть:

• Пуск или останов насоса.
• Открытие или закрытие клапана.
• Подача сигнала тревоги.
• Замыкание или размыкание реле.

Но один наконечник может обеспечить только одно, то есть точечное действие. Поэтому для управления насосом по включению и выключению на заданных уровнях с помощью зондов проводимости необходимы два наконечника (Рисунок 3.16.4). Когда уровень воды понижается и обнажает наконечник в точке A, насос запускается. Уровень воды поднимается до второго наконечника в точке B, после чего насос выключается.

Зонды можно устанавливать и в закрытые сосуды, например в котёл. На Рисунке 3.16.5 показан металлический бак с закрытой верхней частью. Примечание: в месте прохода зонда через крышку бака требуется изолятор.

И снова:

• При погружённом зонде ток течёт.
• Если зонд выходит из воды, ток прекращается.

Примечание: чтобы избежать поляризации и электролиза (разложения воды на водород и кислород) на зонде, используется переменный ток. Для сигнализации низкого уровня воды в котле должен использоваться стандартный зонд проводимости. По британским правилам его необходимо проверять ежедневно.

У простого зонда есть потенциальная проблема - Если на изоляторе скапливается грязь, между зондом и металлическим баком образуется проводящий путь, и ток продолжит течь, даже если наконечник зонда окажется над водой. Это можно устранить, если выполнить зонд проводимости с длинным изолятором, большая часть которого покрыта гладким электроизоляционным материалом, например PTFE. Это минимизирует риск накопления загрязнений вокруг изолятора, см. Рисунок 3.16.6.

Проблема была решена следующим образом:

• Использование изолятора в паровом пространстве.
• Использование длинной гладкой оболочки из PTFE как изолятора почти по всей длине металлического зонда.
• Регулируемая чувствительность контроллера.

Для сигнализации низкого уровня выпускаются специальные зонды проводимости, называемые «самоконтролируемыми». В них предусмотрено несколько функций самопроверки, в том числе:

• Сравнительный наконечник, который непрерывно измеряет и сравнивает сопротивление на землю через изоляцию и через наконечник зонда.
• Контроль тока утечки между зондом и изоляцией.
• Другие процедуры самодиагностики.

По британским нормам применение таких специальных систем позволяет выполнять проверку раз в неделю, а не ежедневно. Это связано с изначально более высоким уровнем безопасности их конструкции.

Наконечник зонда проводимости необходимо отрезать до правильной длины, чтобы он точно соответствовал требуемой точке срабатывания.

Итоги по зондами проводимости Зонды проводимости:

• Обычно устанавливаются вертикально.
• Используются там, где подходит управление уровнем по схеме вкл./выкл.
• Часто поставляются группами по три или четыре в одном корпусе, хотя доступны и другие варианты.
• Подрезаются по длине при монтаже.

Поскольку для работы зондов используется электрическая проводимость, они не подходят для очень чистой воды с проводимостью менее 5 μS/cm.

#Ёмкостные зонды

Простейший конденсатор можно получить, поместив диэлектрик (вещество с очень малой или нулевой электрической проводимостью, например воздух или PTFE) между двумя параллельными пластинами из проводящего материала (Рисунок 3.16.8).

Простой конденсатор можно также представить как две параллельные проводящие пластины, погружённые в диэлектрическую жидкость (Рисунок 3.16.9). Если измерять ёмкость по мере постепенного погружения пластин, будет видно, что она изменяется пропорционально глубине погружения в диэлектрическую жидкость. По мере погружения большей площади пластин в жидкость ёмкость увеличивается (Рисунок 3.16.10). Простой конденсатор создаётся за счёт размещения диэлектрика, например воздуха, между двумя параллельными проводящими пластинами (Рисунок 3.16.8).

В случае пластин, погружённых в проводящую жидкость, такую как котловая вода, ситуация несколько иная: жидкость уже не работает как диэлектрик, а скорее становится продолжением пластин.

Поэтому ёмкостный датчик уровня состоит из цилиндрического проводящего зонда, который играет роль первой обкладки конденсатора. Этот зонд покрыт подходящим диэлектрическим материалом, обычно PTFE. Вторая обкладка образуется стенкой камеры (в случае котла - его корпусом) вместе с водой, находящейся в камере. Следовательно, при изменении уровня воды изменяется площадь второй обкладки, что влияет на общую ёмкость системы (см. Уравнение 3.16.2).

Полная ёмкость системы, таким образом, имеет две составляющие (показаны на Рисунке 3.16.12):

• CA, ёмкость над поверхностью жидкости - Ёмкость образуется между стенкой камеры и зондом. Диэлектрик состоит из воздуха между зондом и стенкой камеры, а также из покрытия PTFE.
• CB, ёмкость ниже поверхности жидкости - Ёмкость образуется между водой, соприкасающейся с зондом, и единственным диэлектриком, которым является покрытие PTFE.

Поскольку расстояние между обкладками выше поверхности воды (стенка камеры и зонд) велико, ёмкость CA мала (см. Уравнение 3.16.2). И наоборот, расстояние между обкладками ниже поверхности воды (зонд и сама вода) мало, поэтому ёмкость CB значительно больше, чем CA. В результате любое повышение уровня воды вызывает увеличение ёмкости, которое можно измерить подходящим устройством.

Однако изменение ёмкости невелико, обычно оно измеряется в пикофарадах, например 10-12 фарад, поэтому зонд используют совместно с усилительным контуром. Усиленное изменение ёмкости затем передаётся на соответствующий контроллер.

Если ёмкостный зонд применяется, например, в питательном баке (Рисунок 3.16.13), уровни жидкости могут контролироваться непрерывно. Связанный с ним контроллер можно настроить на модуляцию регулирующего клапана и/или на выполнение точечных функций, таких как сигнализация высокого или низкого уровня.

Контроллер также можно настроить на управление вкл./выкл. В этом случае точки включения и выключения задаются в одном зонде через контроллер, что исключает необходимость обрезать зонд. Поскольку ёмкостный зонд должен быть полностью заключён в изоляционный материал, его нельзя подрезать по длине.

#Поплавковое управление

Это простая форма измерения уровня. Бытовой пример такой системы - поплавок в сливном бачке. Когда бачок опорожняется, уровень воды падает, поплавок опускается и открывает впускной клапан. Когда вода вновь поступает, уровень повышается, поплавок поднимается и постепенно закрывает клапан до достижения требуемого уровня.

Система, применяемая в паровых котлах, очень похожа. Поплавок устанавливается в котле - либо в наружной камере, либо непосредственно внутри корпуса. При изменении уровня воды в котле поплавок перемещается вверх и вниз. Следующий этап - отслеживать это перемещение и использовать его для управления:

• Питательным насосом (система регулирования уровня вкл./выкл.) или
• Клапаном регулирования питательной воды (модулирующая система регулирования уровня)

Благодаря плавучести поплавок следует за изменением уровня воды.

• На противоположном конце штока поплавка расположен магнит, который перемещается внутри колпака из нержавеющей стали. Поскольку колпак выполнен из нержавеющей стали, он практически немагнитен и пропускает линии магнитного поля.

В простейшем исполнении магнитное поле управляет магнитными переключателями следующим образом:

• Нижний переключатель включает питательный насос.
• Верхний переключатель выключает питательный насос.

Однако на практике один переключатель часто используют для управления насосом вкл./выкл., а второй оставляют для сигнализации. Такая же схема может применяться и для сигнализации уровня.

Более сложная система для модулирующего управления использует катушку, намотанную на сердечник внутри колпака. Когда магнит перемещается вверх и вниз, индуктивность катушки изменяется, и это изменение используется для формирования аналогового сигнала на контроллер, а затем на клапан регулирования уровня питательной воды.

Применение поплавкового управления При вертикальном или горизонтальном монтаже выходной сигнал уровня обычно формируется магнитоуправляемым переключателем (ртутного типа или типа с воздушным разрывом) либо как модулирующий сигнал от индуктивной катушки за счёт перемещения магнита, прикреплённого к поплавку. В обоих случаях магнит воздействует через немагнитную трубу из нержавеющей стали.

#Ячейки дифференциального давления

Ячейка дифференциального давления устанавливается так, чтобы с одной стороны на неё действовал постоянный столб воды. С другой стороны создаётся столб, который изменяется в зависимости от уровня воды в котле.

Для измерения прогиба мембраны используются методы переменной ёмкости, тензометрии или индуктивности, и на основе этого измерения формируется электронный сигнал уровня.

Ячейки дифференциального давления широко применяются в следующих случаях:

• Высоконапорные водотрубные котлы, где используется высококачественная деминерализованная вода.
• Установки с очень чистой водой, например в фармацевтических процессах.

В этих применениях проводимость воды очень низка, поэтому зонды проводимости и ёмкостные зонды могут работать ненадёжно.