ระบบควบคุมระดับอัตโนมัติ

คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับระบบควบคุมระดับอัตโนมัติแบบ on/off, แบบปรับเปลี่ยนได้, แบบสององค์ประกอบและสามองค์ประกอบ พร้อมการเปรียบเทียบข้อดีข้อเสีย

การควบคุมแบบ On/off

วิธีการตรวจจับระดับทั้งหมดที่อธิบายไว้ข้างต้นสามารถใช้สร้างสัญญาณ on/off สำหรับการควบคุมระดับได้ วิธีการควบคุมระดับที่พบมากที่สุดคือการสตาร์ทปั๊มป้อนน้ำเมื่อระดับต่ำและปล่อยให้ทำงานจนกว่าจะถึงระดับน้ำที่สูงขึ้นภายในหม้อไอน้ำ

• สำหรับระบบควบคุมระดับแบบลอย จะใช้สวิตช์แม่เหล็กที่มีค่า hysteresis หรือ dead-band ในตัว
• สำหรับโพรบวัดค่าการนำไฟฟ้า จำเป็นต้องใช้โพรบสองตัว (เปิดปั๊มและปิดปั๊ม) ซึ่งจะให้ระดับการสลับที่แน่นอน
• โพรบความจุไฟฟ้าสามารถใช้เพื่อให้ระดับการสลับแบบ on/off ที่ปรับได้ ในสหราชอาณาจักร การควบคุมแบบ on/off เป็นที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในหม้อไอน้ำที่มีอัตราการผลิตไอน้ำต่ำกว่าประมาณ 5 000 kg/h เนื่องจากเป็นตัวเลือกที่มีราคาถูกที่สุด (ในออสเตรเลียและนิวซีแลนด์ มาตรฐานกำหนดว่าหม้อไอน้ำที่เกิน 3 MW (โดยทั่วไปคือ 5 000 kg/h) จะต้องติดตั้งระบบควบคุมแบบปรับเปลี่ยนได้) อย่างไรก็ตาม สามารถโต้แย้งได้ว่าการควบคุมแบบ on/off นี้ไม่เหมาะสำหรับการควบคุมหม้อไอน้ำ เนื่องจากอัตราการไหลที่ค่อนข้างสูงของน้ำป้อน ‘เย็น’ เมื่อปั๊มทำงานจะลดแรงดันหม้อไอน้ำ สิ่งนี้ทำให้อัตราการเผาไหม้ของหัวเผาเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องเมื่อปั๊มสลับเปิดและปิด จากตัวอย่างทั่วไป สามารถแสดงให้เห็นจากการคำนวณว่าแม้จะมีน้ำป้อนที่อุณหภูมิ 80°C อัตราการเผาไหม้ของหัวเผาอาจต้องสูงขึ้น 40% เมื่อปั๊มป้อนน้ำทำงาน เมื่อเทียบกับตอนที่ปั๊มป้อนน้ำหยุด การเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องนี้ทำให้เกิด:
• การสึกหรอของระบบควบคุมหัวเผา
• วัฏจักรอุณหภูมิของหม้อไอน้ำ
• ประสิทธิภาพลดลง
• อัตราการไหลของไอน้ำแบบ ‘ฟันเลื่อย’ ตามที่แสดงโดยเครื่องบันทึกกราฟในรูปที่ 3.17.2 หากภาระไอน้ำสูง อัตราการไหลของไอน้ำที่ผันแปรจะมีแนวโน้มเพิ่มการพาอนุภาคของน้ำไปกับไอน้ำ และจะทำให้ระดับน้ำไม่เสถียรมากขึ้น พร้อมด้วยอันตรายจากการล็อกเอาต์ระดับน้ำต่ำ โดยเฉพาะในระบบหม้อไอน้ำหลายตัว อย่างไรก็ตาม ความจริงก็คือการควบคุมแบบ on/off ถูกใช้อย่างกว้างขวางในหม้อไอน้ำขนาดเล็กถึงปานกลางตามที่กำหนดไว้ข้างต้น และปัญหาหลายประการที่เกี่ยวข้องกับหม้อไอน้ำที่ทำงานภายใต้ภาระที่เปลี่ยนแปลงมากนั้นเกิดจากระบบควบคุมระดับแบบ on/off บางส่วน

สรุปการควบคุมระดับแบบ on/off

ข้อดี:

• ง่าย
• ราคาถูก
• เหมาะสำหรับหม้อไอน้ำที่อยู่ในโหมดสแตนด์บาย ข้อเสีย:
• หม้อไอน้ำแต่ละตัวต้องมีปั๊มป้อนน้ำของตัวเอง
• การสึกหรอมากขึ้นสำหรับปั๊มป้อนน้ำและอุปกรณ์ควบคุม
• แรงดันและอัตราการไหลของไอน้ำผันแปร
• การพาอนุภาคของน้ำในหม้อไอน้ำมากขึ้น
• โอกาสเกิดปัญหาในการปฏิบัติงานประจำวันมากขึ้นภายใต้ภาระที่เปลี่ยนแปลงมาก

การควบคุมแบบปรับเปลี่ยนได้

ในระบบนี้ ปั๊มป้อนน้ำทำงานอย่างต่อเนื่อง และวาล์วอัตโนมัติ (ระหว่างปั๊มป้อนน้ำกับหม้อไอน้ำ) ควบคุมอัตราการไหลของน้ำป้อนให้ตรงกับความต้องการไอน้ำ เมื่อทำงานอย่างถูกต้อง การควบคุมแบบปรับเปลี่ยนได้สามารถทำให้กราฟอัตราการไหลของไอน้ำราบเรียบอย่างมาก และสร้างความเสถียรของระดับน้ำภายในหม้อไอน้ำให้ดียิ่งขึ้น สำหรับการควบคุมระดับแบบปรับเปลี่ยนได้ สามารถใช้วิธีต่อไปนี้ในการตรวจจับระดับน้ำ:

• โฟลตที่มีสัญญาณต่อเนื่อง
• โพรบความจุไฟฟ้า
• เซลล์ความดันต่าง

การหมุนเวียนกลับ

เพื่อป้องกันปั๊มป้อนน้ำจากการร้อนเกินไปเมื่อสูบเข้ากับวาล์วปรับเปลี่ยนที่ปิดอยู่ จะมีสายการหมุนเวียนกลับหรือสายระบายน้ำล้นเพื่อให้มั่นใจว่ามีอัตราการไหลขั้นต่ำผ่านปั๊ม การหมุนเวียนกลับนี้อาจถูกควบคุมด้วยวาล์วหรือแผ่นรูรั่ว ปริมาณน้ำที่จะหมุนเวียนกลับไม่มาก และโดยทั่วไปจะมีคำแนะนำจากผู้ผลิตปั๊ม เป็นแนวทาง ขนาดรูรั่วจะอยู่ระหว่าง 5 มม. ถึง 7 มม. สำหรับหม้อไอน้ำทั่วไป การควบคุมระดับแบบปรับเปลี่ยนได้โดยการเปลี่ยนความเร็วของปั๊มน้ำป้อนหม้อไอน้ำ ในระบบนี้ สัญญาณปรับเปลี่ยนที่แสดงถึงระดับน้ำในหม้อไอน้ำ (เช่น จากโพรบความจุไฟฟ้า) จะถูกส่งไปยังตัวควบคุมความถี่ไฟฟ้า ตัวควบคุมนี้จะเปลี่ยนความถี่ของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับไปยังมอเตอร์ปั๊มน้ำป้อนหม้อไอน้ำ และทำให้ความเร็วเปลี่ยนแปลง

• หากต้องการน้ำมาก ปั๊มจะทำงานด้วยความเร็วสูง
• หากต้องการน้ำน้อย ความเร็วปั๊มจะลดลง ด้วยวิธีนี้ ความเร็วของปั๊มจะถูกปรับเปลี่ยนเพื่อให้อัตราการไหลของน้ำป้อนตรงกับความต้องการน้ำป้อนของหม้อไอน้ำ มีสองวิธีที่เทคโนโลยีขับเคลื่อนด้วยความเร็วแปรผันถูกใช้โดยทั่วไป: มีการหมุนเวียนกลับ - เมื่อความต้องการถูกสนองแล้วและความเร็วมอเตอร์ลดลงต่ำสุด ยังจำเป็นต้องมีการหมุนเวียนน้ำป้อนกลับไปยังถังป้อนน้ำเพื่อหลีกเลี่ยงปั๊มร้อนเกินไป (ดูรูปที่ 3.17.5) ไม่มีการหมุนเวียนกลับ - ในกรณีนี้ ตัวควบคุมมอเตอร์จะหยุดปั๊มป้อนน้ำเมื่อภาระหม้อไอน้ำต่ำมาก จึงไม่จำเป็นต้องมีการหมุนเวียนกลับ ปัจจัยสำคัญสองประการที่เกี่ยวข้องกับการหยุดและสตาร์ทปั๊มคือ:
• ปั๊มจะต้องไม่ถูกสตาร์ทและหยุดภายในระยะเวลาที่กำหนดมากกว่าที่ผู้ผลิตแนะนำ
• เมื่อเริ่มสตาร์ท ตัวควบคุมความถี่ควรเพิ่มความเร็วจากต่ำขึ้นไปเรื่อยๆ เพื่อลดการสึกหรอของปั๊ม ข้อดีหลักของระบบขับเคลื่อนด้วยความเร็วแปรผันคือเมื่อความเร็วของปั๊มเปลี่ยนไป กำลังไฟที่ใช้ก็เปลี่ยนตาม และแน่นอน การลดการใช้ไฟหมายถึงค่าใช้จ่ายในการทำงานที่ลดลง อย่างไรก็ตาม การประหยัดค่าใช้จ่ายจากการใช้ระบบขับเคลื่อนด้วยความเร็วแปรผันจะต้องเทียบกับค่าใช้จ่ายที่สูงกว่าของอุปกรณ์ควบคุม โดยทั่วไปแล้วจะคุ้มค่าเฉพาะสำหรับหม้อไอน้ำขนาดใหญ่ที่มีภาระเปลี่ยนแปลงมากหรือทำงานในลักษณะ lead/lag

การควบคุมระดับน้ำแบบองค์ประกอบเดียว

ระบบควบคุมระดับน้ำในหม้อไอน้ำแบบองค์ประกอบเดียวมาตรฐาน พร้อมการควบคัดแบบสัดส่วน ให้การควบคุมที่ดีเยี่ยมในระบบหม้อไอน้ำส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตาม ในการควบคัดแบบสัดส่วนแบบองค์ประกอบเดียว ระดับน้ำจะต้องลดลงเพื่อให้วาล์วควบคุมน้ำป้อนเปิด ซึ่งหมายความว่าระดับน้ำจะต้องสูงขึ้นเมื่อมีอัตราการผลิตไอน้ำต่ำ และต่ำลงเมื่อมีอัตราการผลิตไอน้ำสูง: ลักษณะการควบคุมแบบระดับลดลง อย่างไรก็ตาม ในกรณีที่มีการเปลี่ยนแปลงภาระอย่างกะทันหัน ในหม้อไอน้ำแบบท่อน้ำบางประเภท การควบคุมแบบองค์ประกอบเดียวมีข้อจำกัด พิจารณาสถานการณ์เมื่อหม้อไอน้ำทำงานอยู่ในกำลังการผลิตที่กำหนด:

• ‘น้ำ’ ในหม้อไอน้ำจะประกอบด้วยส่วนผสมของน้ำและฟองไอน้ำ ซึ่งจะมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำเพียงอย่างเดียว
• หากความต้องการไอน้ำเพิ่มขึ้น แรงดันในหม้อไอน้ำจะลดลงในเบื้องต้น และระบบควบคุมจะเพิ่มอัตราการเผาไหม้ของหัวเผา อัตราการระเหยจะเพิ่มขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้น
• อัตราการระเหยที่เพิ่มขึ้นหมายความว่าน้ำในหม้อไอน้ำจะมีฟองไอน้ำมากขึ้นและมีความหนาแน่นน้อยลง หากมีภาระกะทันหันเกิดขึ้นกับหม้อไอน้ำ:
• แรงดันภายในหม้อไอน้ำลดลงอีก และส่วนหนึ่งของน้ำในหม้อไอน้ำจะเกิดการระเหยเป็นไอน้ำ (flash) การ flash ของน้ำในหม้อไอน้ำ ประกอบกับการเพิ่มความร้อนเข้าเมื่อหัวเผาเพิ่มขึ้นสูงสุด หมายความว่า ‘น้ำ’ ในหม้อไอน้ำจะมีฟองไอน้ำมากขึ้น และความหนาแน่นจะลดลงอีก
• เมื่อแรงดันลดลง ปริมาตรจำเพาะของไอน้ำจะเพิ่มขึ้น และความเร็วที่สูงขึ้นซึ่งไอน้ำถูกดึงออกจากหม้อไอน้ำสามารถสร้าง ‘การพองตัว’ ของส่วนผสมฟองไอน้ำ/น้ำ ส่งผลให้ระดับน้ำดูเหมือนเพิ่มขึ้น
• ระบบควบคุมระดับจะตรวจจับการเพิ่มขึ้นของระดับน้ำที่ดูเหมือนจริงนี้ และเริ่มปิดวาล์วควบคุมน้ำป้อน ทั้งๆ ที่จริงๆ แล้วต้องการน้ำมากขึ้น สถานการณ์ตอนนี้คือมีความต้องการไอน้ำสูง และไม่มีน้ำถูกเติมเข้าไปในหม้อไอน้ำเพื่อรักษาระดับ
• ถึงจุดที่ ‘การพองตัว’ ของน้ำจะยุบตัว อาจลดลงถึงระดับต่ำกว่าสัญญาณเตือนระดับต่ำ และหม้อไอน้ำอาจ ‘ล็อกเอาต์’ ทันที ทำให้ระบบหยุดทำงาน การควบคุมระดับน้ำแบบสององค์ประกอบ การควบคัดแบบสององค์ประกอบจะกลับลักษณะการควบคุมระดับลดลงเพื่อให้แน่ใจว่าระดับน้ำจะเพิ่มขึ้นเมื่อมีอัตราการผลิตไอน้ำสูง พยายามให้ปริมาณน้ำในหม้อไอน้ำคงที่ในทุกภาระ และในช่วงที่ความต้องการไอน้ำเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน วาล์วควบคุมน้ำป้อนจะเปิด ระบบทำงานโดยใช้สัญญาณจากเครื่องวัดอัตราการไหลของไอน้ำที่ติดตั้งในท่อปล่อยไอน้ำเพื่อเพิ่มค่ากำหนดของตัวควบคุมระดับเมื่อมีภาระไอน้ำสูง สัญญาณสององค์ประกอบคือ:
• องค์ประกอบแรก - สัญญาณระดับจากน้ำภายในหม้อไอน้ำ
• องค์ประกอบที่สอง - สัญญาณการไหลจากเครื่องวัดอัตราการไหลของไอน้ำในท่อปล่อยไอน้ำของหม้อไอน้ำ

สรุปการควบคุมระดับน้ำแบบสององค์ประกอบ ระบบหม้อไอน้ำที่มีการเปลี่ยนแปลงภาระกะทันหันและบ่อยครั้ง อาจทำงานได้ดีกว่าด้วยระบบควบคุมน้ำป้อนแบบสององค์ประกอบ ในกรณีที่การเปลี่ยนแปลงภาระของกระบวนการรุนแรง (โรงเบียร์เป็นตัวอย่างที่ใช้กันทั่วไป) ควรพิจารณาการควบคัดแบบสององค์ประกอบ และดูเหมือนจะจำเป็นเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงภาระกะทันหันเกิน 25% บนหม้อไอน้ำ

การควบคุมระดับน้ำแบบสามองค์ประกอบ การควบคุมแบบสามองค์ประกอบตามที่แสดงในรูปที่ 3.17.8 เกี่ยวข้องกับสัญญาณสององค์ประกอบดังที่กล่าวมาก่อน บวกกับองค์ประกอบที่สาม ซึ่งคืออัตราการไหลจริงที่วัดได้ของน้ำป้อนเข้าหม้อไอน้ำ การควบคุมแบบสามองค์ประกอบมักพบในโรงหม้อไอน้ำที่มีหม้อไอน้ำหลายตัวได้รับน้ำป้อนจากท่อวงแหวนร่วมที่มีแรงดัน ภายใต้สถานการณ์เหล่านี้ แรงดันในท่อวงแหวนน้ำป้อนสามารถเปลี่ยนแปลงได้ขึ้นอยู่กับปริมาณน้ำที่แต่ละหม้อไอน้ำดึงออกไป เนื่องจากแรงดันในท่อวงแหวนเปลี่ยนแปลง ปริมาณน้ำที่วาล์วควบคุมน้ำป้อนจะปล่อยผ่านก็จะเปลี่ยนแปลงเช่นกันสำหรับตำแหน่งเปิดของวาล์วที่เฉพาะเจาะจง สัญญาณจากองค์ประกอบที่สามจะปรับสัญญาณไปยังวาล์วควบคุมน้ำป้อน เพื่อคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงแรงดันนี้

สรุปการควบคุมระดับแบบปรับเปลี่ยนได้

ข้อดี:

• แรงดันและอัตราการไหลของไอน้ำคงที่ภายในขีดความสามารถทางความร้อนของหม้อไอน้ำ
• การทำงานของหัวเผามีประสิทธิภาพมากขึ้น
• ความเครียดทางความร้อนบนเปลือกหม้อไอน้ำน้อยลง
• การพาอนุภาคของน้ำในหม้อไอน้ำน้อยลง
• สามารถใช้สถานีปั๊มป้อนน้ำส่วนกลาง
• การสึกหรอน้อยลงสำหรับปั๊มป้อนน้ำและหัวเผา ข้อเสีย
• ราคาแพงกว่า
• ปั๊มป้อนน้ำต้องทำงานตลอดเวลา
• เหมาะน้อยสำหรับการทำงานแบบ ‘สแตนด์บาย’
• อาจใช้ไฟฟ้ามากขึ้น