Как регулируется уровень воды котлов + методы

Эксплуатация водяных котлов (бойлеров) напрямую связана с применением регуляторов уровня жидкости. Контроль на уровень воды котлов — это одна из важных функций безопасного использования популярного оборудования. Рассмотрим применение регуляторов уровня жидкости и формирование аварийных сигналов при работе бойлеров. Также сделаем своего рода обзор методов контроля разных уровней рабочей жидкости в котле, применение поплавочных сенсоров, кондуктометрических зондов и ёмкостных устройств.

Организация контроля на классическом паровом котле

Классическая конструкция парового котла предполагает использование трёх видов устройства контроля:

1. Регулирование уровня.
2. Контроль низкого уровня.
3. Контроль высокого уровня.

Регулирование уровня как такового видится необходимой функцией обеспечения корректного добавления требуемого объёма воды в бойлер в нужное время.

Низкий уровень воды сопровождается формированием аварийного сигнала низкого уровня. Для безопасной работы котла сигнализация нижнего уровня воды гарантирует, что сжигание топлива не будет продолжаться, когда уровень воды в котле падает до или ниже заданного предела.

Стандарты автоматических паровых котлов обычно требуют применения двух независимых аварийных сигналов низкого уровня с целью обеспечения безопасности работы. Максимально низкий сигнал двух аварийных сигналов «блокирует» горелку. Для возврата котла в рабочий режим требуется ручной сброс.

Аварийный сигнал высокого уровня – также результат срабатывания сигнализации в условиях, когда уровень воды котла превышает установленный верхний предел. Этим сигналом обычно информируется оператор котла относительно отключения подачи питательной воды.

Применение сигнализации верхнего уровня считается необязательным. Однако использование аварийных сигналов высокого уровня видится разумным, поскольку уменьшает вероятность переноса воды в систему распределения пара. Этот момент, в свою очередь, предотвращает риск гидравлических ударов в котле.

Методы определения уровня воды котла автоматически

Рассмотрим основные типы устройств контроля уровня воды бойлера, которые подходят для применения в конструкциях паровых систем. Однако для лучшего понимания обратимся прежде к основам электрической теории с целью сравнения потока электроэнергии с потоком жидкости.

Логичный вывод — жидкость течёт по трубе аналогично тому, как электричество течёт через проводник.

Проводником электричества выступает материал — металлическая проволока, которая обеспечивает свободный поток электронов. Противоположность проводнику – изолятор (стекло, пластик и т.п.), который противостоит потоку электричества.

Электрический ток, как поток электрического заряда, переносится электронами (ионами). Заряд измеряется в кулонах. Количественное вычисление: 6.24×1018 электронов, составляет заряд одного кулона или по системе СИ – один ампер-секунду.

Сила, вызывающая поток электронов, известна как электродвижущая сила (ЭДС). Такую силу способны обеспечить приборы:

• аккумуляторная батарея,
• динамо машина,
• генератор и тому подобное.

Батарея АКБ имеет положительную клемму и отрицательную клемму. Если между клеммами подключить проводник, создаётся поток тока. Батарея АКБ фактически действует подобно источнику давления, например, насосу системы водоснабжения.

Разность потенциалов между клеммами АКБ измеряется в вольтах. Чем выше напряжение (давление), тем больше ток (поток). Схема, через которую протекает электрический ток, представляет собой сопротивление. Между тем, сопротивление также создаётся трубами и клапанами, традиционно присутствующими в схеме систем водоснабжения.

Единицей сопротивления электрической цепи установлен Ом. Законом Ома определяется связь тока, напряжения, сопротивления.

• I — ток (ампер),
• V — напряжение (вольт),
• R — сопротивление (Ом).

Ещё одна важная электрическая концепция — «ёмкость». Этим показателем измеряется ёмкость заряда между двумя проводниками, необходимого для повышения потенциала на величину одного вольта.

Пара проводников должна иметь большую ёмкость, если требуется большой заряд для поднятия напряжения между проводниками на один вольт. Аналогично ситуацию можно рассматривать, когда большой сосуд (котёл или бойлер) нуждается в большом количестве воды, чтобы получить определённый уровень давления.

Проводники и регулирование функциональности насоса котла

Рассмотрим вариант (картинка выше), когда имеется открытый резервуар с водой (котёл). Специальный зонд (кондуктометрический металлический стержень) установлен внутри такого резервуара. Если применяется электрическое напряжение и схема включает амперметр, прибор будет показывать:

• наличие тока, когда кондуктометрический зонд погружен в воду,
• отсутствие тока, когда кондуктометрический зонд свободен от воды.

Это основа функционирования кондуктометрического зонда котла (бойлера). Для проведения точечного измерения используется принцип проводимости. Когда уровень воды в котле достигает концевой части зонда, конкретное действие устройства определяется через соответствующий контроллер. Среди классических контрольных действий отмечаются:

• пуск / останов насоса котла,
• открытие / закрытие клапана котла,
• подача звукового сигнала тревоги,
• замыкание / размыкание контактов реле.

Однако здесь возможно только одно конкретное действие. Поэтому требуется два кондуктометрических зонда для включения и выключения водяного насоса котла на заданных уровнях. Когда уровень воды в котле падает до концевой части нижнего зонда, водяной насос включается. Набор воды в котёл продолжается до момента достижения концевой части верхнего зонда, после чего водяной насос выключится.

Для предотвращения эффектов поляризации и электролиза (расщепления воды на водород и кислород) для питания зонда используется переменный ток. Функция подачи воды в котёл, как правило, организуется с учётом применения стандартных кондуктометрических зондов.

Требования постоянного контроля поверхности кондуктометрического зонда

Использование простого зонда, однако, сопровождается потенциальной проблемой. В частности, скопление загрязнений на изоляторе прибора способствует созданию проводимости между зондом и металлическим резервуаром. Соответственно, ток продолжает течь даже в условиях освобождения тела зонда от воды.

Этот момент преодолевается путём проектирования и выполнения кондуктометрических зондов с изоляторами удлинённой площади, покрытыми гладким изоляционным материалом (например, тефлоном). Такое исполнение минимизирует риск образования загрязнений изолятора.

Проблема также разрешается:

• использованием изолятора в паровом пространстве,
• использованием тефлонового изолятора практически по всей длине металла зонда,
• регулировкой чувствительности,
• специальными датчиками проводимости.

Кроме того, практикуется включение некоторых функций самоконтроля, в том числе:

• сравнение сопротивления с землей,
• проверка на утечку тока между зондом и изоляцией.

Использование специальных систем позволяет проводить еженедельный тест установок, а не ежедневный, благодаря более высокому уровню безопасности конструкции.

Конфигурация кондуктометрического зонда бойлера (котла)

Кондуктометрический зонд – стержень прибора, отрезается до нужной длины, чтобы точно представлять желаемую точку переключения оборудования.

Кондуктометрические зонды, как правило:

• монтируются вертикально,
• обеспечивают контроль уровня включения / выключения,
• имеют конфигурацию трёх-четырёх групп в одном корпусе,
• отрезаются (подбираются) по длине.

Поскольку функциональность кондуктометрических зондов основана на электропроводности, применение приборов зачастую требует использование воды с проводимостью не менее 5μS/см.

Контрольные датчики ёмкостного типа котлов и бойлеров

Простой конденсатор может быть выполнен путём вставки диэлектрического материала (например, воздуха или тефлона) между двумя параллельными пластинами из проводящего материала. Базовое уравнение расчёта конденсатора сопровождают следующие данные:

• C — ёмкость (фарад),
• K — диэлектрическая постоянная,
• A — площадь плиты (м²),
• D — расстояние между пластинами (м).

Вследствие этого логичными видятся определения на увеличение ёмкости в целом:

• увеличение площади пластин,
• уплотнение расположения пластин,
• наращивание диэлектрической проницаемости.

Соответственно, если параметры A, D, K изменяются, параметр ёмкости также будет меняться.

Базовый конденсатор может быть сконструирован путём погружения двух параллельных проводящих пластин в диэлектрическую жидкость. Если ёмкость измеряется по мере того, как пластины постепенно погружаются в жидкость, становится очевидным, что ёмкость изменяется пропорционально глубине, на величину которой пластины погружаются в диэлектрическую жидкость.

Ёмкостный зонд на погружение в проводящую жидкость 

Ситуация несколько отличается в случае пластин, погруженных в проводящую жидкость – воду бойлера, поскольку жидкость больше не действует как диэлектрик. Поэтому ёмкостной датчик уровня котла состоит из проводящего цилиндрического зонда, который выступает в качестве первой пластины конденсатора.

Этот зонд покрыт подходящим диэлектрическим материалом, обычно тефлоном. Вторая пластина конденсатора образована стенкой камеры (стенка котла, заполненного водой). Изменение уровня воды приводит к изменению площади второй ёмкости конденсатора, что оказывает влияние на общую ёмкость системы.

Таким образом, общая ёмкость системы имеет два компонента:

1. Ёмкость «A» — над поверхностью жидкости между стенкой камеры и зондом. Диэлектрик — воздух между зондом и стенкой камеры, плюс покрытие тефлоном.
2. Ёмкость «В» — ниже поверхности жидкости между поверхностью воды, находящейся в контакте с зондом и единственным диэлектриком – тефлоновым покрытием.

Так как расстояние между двумя ёмкостными пластинами над поверхностью воды (стенкой камеры и зондом) велико, ёмкость «A» относительно мала. Напротив, расстояние между пластинами под поверхностью воды (зонд и вода) невелико, соответственно, ёмкость «B» больше по сравнению с ёмкостью «A».

В этом варианте любое повышение уровня воды приведёт к увеличению ёмкости, которую допустимо измерить с помощью соответствующего устройства. Однако изменение ёмкости относительно невелико (10-12 фарад), поэтому зонд используется в сочетании с электронной схемой усилителя. Предварительно усиленный сигнал изменения ёмкости передаётся соответствующему контроллеру.

На случаи, когда ёмкостной зонд используется, например, будучи подключенным к питающей сети, уровни жидкости непрерывно контролируются таким ёмкостным зондом. Связанный контроллер допустимо настроить для модуляции регулирующего клапана и / или для обеспечения точечных функций — сигнализации высокого уровня или сигнализации низкого уровня.

Контроллер также допустимо настроить для управления включением/отключением. Здесь точки включения «включено» и «выключено» присутствуют в схеме одного зонда и устанавливаются через контроллер, чем устраняется необходимость отрезать зонд по длине. Поскольку ёмкостной зонд должен быть полностью заключен в изоляционный материал, этот прибор нельзя разрезать по длине.

Уровень воды котлов — поплавковый контроль бойлера

Речь идёт о наиболее простой методике измерения уровня воды. Аналогичный пример — контроль уровня воды внутри сливного бачка туалета. Когда сливной бачок туалета опорожняют, уровень воды падает, поплавок перемещается вниз и открывает клапан подачи воды. Затем, по мере наполнения сливного бачка водой, поплавок поднимается и постепенно закрывает клапан подачи воды до граничного предела.

Поплавковая система, используемая в конструкциях паровых котлов (бойлеров), фактически представляет похожее исполнение. Внутри ёмкости котла устанавливается поплавок. Установка может выполняться во внешней камере или непосредственно внутри водяной ёмкости котла.

Поплавок движется вверх или вниз, по мере изменения уровня воды в котле. Остаётся отследить движения и полученный сигнал использовать для управления оборудованием:

• подающей насосной станции,
• клапана питающей воды.

На противоположном конце поплавкового стержня находится магнит, который перемещается внутри колпака, сделанного из нержавеющей стали. Поскольку колпак изготовлен из нержавеющей стали, фактически имеет место немагнитный материал, позволяющий магнитному полю проходить к датчику. Простой принцип магнитного управления работает следующим образом:

• нижний переключатель включает подачу воды.
• верхний выключатель отключает подачу воды.

Однако на практике один коммутатор часто обеспечивает включение / выключение водяного насоса, тогда как второй переключатель используется для обработки сигнала тревоги. Аналогичная компоновка может использоваться для обеспечения аварийных сигналов по уровню воды.

Более сложная система обеспечения модуляции управления использует катушку, намотанную вокруг ярмо внутри крышки. Когда магнит перемещается вверх и вниз, индуктивность катушки изменяется. Изменения индукции используются для подачи аналогового сигнала на контроллер. Затем обработанный контроллером сигнал передаётся на клапан регулировки уровня питательной воды.

Применение поплавкового регулятора в конструкции котла

Вертикально или горизонтально смонтированный выход уровня сигнала обычно осуществляется с помощью магнитного операционного переключателя (ртутного или воздушного). Также применяется модулирующий сигнал индуктивной катушки вследствие движения магнита, прикреплённого к поплавку. В обоих случаях магнит действует сквозь немагнитную трубку, выполненную из нержавеющей стали.

Ячейки дифференциального давления – устройство, одна головка которого помещается на стороне постоянного давления воды, а другая головка внутри ёмкости котла. Для измерения отклонения диафрагмы используются переменная емкость, — тензодатчик или индуктивный датчик. На основе измерения создаётся электронный сигнал уровня.

Применение ячеек дифференциального давления распространено в системах водогрейных котлов высокого давления, где используется высококачественная деминерализованная вода. Для случаев с оборудованием под очень чистую воду (например, сфера фармацевтики), такие системы неприменимы. Объясняется это плохой проводимостью чистой воды, что снижает эффект проницаемости и ёмкость зондов. Соответственно, надёжность таких устройств также резко снижается.

---

При помощи информации: SpiraxsArco