Hệ Thống Điều Khiển Mực Nước Tự Động

Giải thích chi tiết về điều khiển mực nước tự động kiểu bật/tắt, điều chỉnh, hai và ba thành phần, với so sánh ưu nhược điểm.

Điều khiển bật/tắt

Tất cả các phương pháp phát hiện mực nước được mô tả cho đến nay đều có thể được sử dụng để tạo tín hiệu bật/tắt cho điều khiển mực nước. Phương pháp phổ biến nhất của điều khiển mực nước là đơn giản khởi động bơm nước cấp ở mức thấp và cho phép nó chạy cho đến khi mực nước cao hơn đạt được trong lò hơi.

• Với điều khiển mực nước phao, công tắc từ tính với độ trễ hoặc dải chết tích hợp sẽ được sử dụng.
• Với đầu dò dẫn điện, hai đầu dò là cần thiết, (bật bơm và tắt bơm) sẽ cho mức chuyển đổi cố định.
• Đầu dò điện dung có thể được sử dụng để cho mức chuyển đổi bật/tắt điều chỉnh được. Tại Anh, điều khiển kiểu bật/tắt gần như phổ biến trên lò hơi dưới khoảng 5.000 kg/h tốc độ tạo hơi vì đây là lựa chọn ít tốn kém nhất. (Tại Úc và New Zealand, tiêu chuẩn quy định rằng đối với lò hơi vượt quá 3 MW (thường là 5.000 kg/h), điều khiển điều chỉnh bắt buộc phải được lắp). Tuy nhiên, có thể lập luận rằng loại điều khiển bật/tắt này không lý tưởng cho điều khiển lò hơi, vì tốc độ dòng chảy tương đối cao của nước cấp ‘lạnh’ khi bơm bật làm giảm áp suất lò hơi. Điều này khiến tốc độ đốt của đầu đốt liên tục thay đổi khi bơm bật và tắt. Lấy ví dụ điển hình, có thể chứng minh bằng tính toán rằng ngay cả với nước cấp ở 80°C, tốc độ đốt đầu đốt có thể phải cao hơn 40% khi bơm nước cấp bật, so với khi bơm nước cấp tắt. Sự thay đổi liên tục này gây ra:
• Mòn bộ điều khiển đầu đốt.
• Nhiệt độ lò hơi dao động.
• Giảm hiệu suất.
• Tốc độ dòng hơi kiểu ‘răng cưa’ như mô tả bởi máy ghi biểu đồ trong Hình 3.17.2. Nếu tải hơi cao, tốc độ dòng hơi thay đổi sẽ có xu hướng tăng nước mang theo hơi, và sẽ có xu hướng làm mực nước ngày càng không ổn định với nguy cơ liên quan là khóa bảo vệ mực nước thấp, đặc biệt trên lắp đặt đa lò hơi. Tuy nhiên, thực tế vẫn là điều khiển bật/tắt được sử dụng rất rộng rãi trên lò hơi sản lượng nhỏ đến trung bình, như đã định nghĩa ở trên, và rằng nhiều vấn đề liên quan đến lò hơi hơi hoạt động với dao động tải lớn là một phần do hệ thống điều khiển mực nước bật/tắt.

Tóm tắt điều khiển mực nước bật/tắt

Ưu điểm:

• Đơn giản.
• Ít tốn kém.
• Tốt cho lò hơi dự phòng. Nhược điểm:
• Mỗi lò hơi yêu cầu bơm nước cấp riêng.
• Nhiều hao mòn hơn trên bơm nước cấp và thiết bị điều khiển.
• Áp suất và tốc độ dòng hơi thay đổi.
• Nhiều nước lò hơi mang theo hơn.
• Khả năng cao hơn gặp vấn đề vận hành hàng ngày dưới dao động tải lớn.

Điều khiển điều chỉnh

Trong loại hệ thống này, bơm nước cấp chạy liên tục, và van tự động (giữa bơm nước cấp và lò hơi) điều khiển tốc độ dòng nước cấp để phù hợp với nhu cầu hơi. Khi hoạt động đúng, điều khiển điều chỉnh có thể làm mượt đáng kể biểu đồ tốc độ dòng hơi và đảm bảo ổn định mực nước tốt hơn bên trong lò hơi. Đối với điều khiển mực nước điều chỉnh, các phương pháp sau có thể được sử dụng để cảm biến mực nước:

• Phao với đầu ra tín hiệu liên tục.
• Đầu dò điện dung.
• Tế bào hiệu áp suất.

Tái tuần hoàn

Để bảo vệ bơm nước cấp khỏi quá nhiệt khi bơm chống lại van điều chỉnh đóng, đường tái tuần hoàn hoặc tràn ngược được cung cấp để đảm bảo tốc độ dòng chảy tối thiểu qua bơm. Tái tuần hoàn này có thể được điều khiển bằng van hoặc với bản lỗ. Lượng nước cần tái tuần hoàn không lớn, và hướng dẫn thường có sẵn từ nhà sản xuất bơm. Để tham khảo, kích thước bản lỗ thường sẽ nằm trong khoảng 5 mm đến 7 mm cho lò hơi điển hình. Điều khiển mực nước điều chỉnh bằng cách thay đổi tốc độ bơm nước cấp lò hơi Trong loại hệ thống này, tín hiệu điều chỉnh đại diện cho mực nước lò hơi (ví dụ, từ đầu dò điện dung) được dẫn đến bộ điều khiển tần số điện. Bộ điều khiển này lần lượt thay đổi tần số điện áp xoay chiều đến động cơ bơm nước cấp lò hơi, và do đó thay đổi tốc độ của nó.

• Nếu nhiều nước được yêu cầu, bơm chạy ở tốc độ cao.
• Nếu ít nước hơn được yêu cầu, tốc độ bơm giảm. Theo cách này, tốc độ của bơm được điều chỉnh để cung cấp tốc độ dòng nước cấp phù hợp với nhu cầu nước cấp của lò hơi. Có hai cách mà công nghệ biến tần thường được áp dụng: Với tái tuần hoàn - Khi nhu cầu được đáp ứng và tốc độ động cơ giảm đến mức tối thiểu, một số nước cấp được tái tuần hoàn về bình chứa vẫn cần thiết để tránh bơm quá nhiệt (xem Hình 3.17.5). Không tái tuần hoàn - Trong trường hợp này bộ điều khiển động cơ dừng bơm nước cấp ở tải lò hơi rất thấp, vì vậy tái tuần hoàn không cần thiết. Hai yếu tố quan trọng liên quan đến dừng và khởi động bơm là:
• Bơm không được khởi động và dừng trong một khoảng thời gian nhất định nhiều hơn khuyến nghị của nhà sản xuất.
• Khi khởi động, bộ điều khiển tần số nên được tăng dần từ tốc độ thấp, để giảm thiểu mòn bơm. Ưu điểm chính của biến tần là khi tốc độ bơm thay đổi, mức tiêu thụ điện cũng thay đổi, và tất nhiên, giảm tiêu thụ điện có nghĩa là giảm chi phí vận hành. Tuy nhiên, tiết kiệm chi phí từ việc sử dụng biến tần phải được so sánh với chi phí cao hơn của thiết bị điều khiển. Điều này thường chỉ khả thi cho lò hơi lớn với dao động tải rộng hoặc hoạt động theo kiểu chính/phụ.

Điều khiển mực nước đơn thành phần

Hệ thống điều khiển mực nước lò hơi đơn thành phần tiêu chuẩn, với điều khiển tỷ lệ, cho khả năng điều khiển tuyệt vời trên hầu hết các lắp đặt lò hơi. Tuy nhiên, với điều khiển tỷ lệ đơn thành phần, mực nước phải giảm để van điều khiển nước cấp mở. Điều này có nghĩa là mực nước phải cao hơn ở tốc độ tạo hơi thấp và thấp hơn ở tốc độ tạo hơi cao: đặc tính điều khiển mực nước giảm. Tuy nhiên, ở những nơi có thay đổi tải rất đột ngột, trên một số loại lò hơi ống nước, điều khiển đơn thành phần có giới hạn của nó. Xem xét tình huống khi lò hơi hoạt động trong công suất định mức:

• ‘Nước’ lò hơi thực sự chứa hỗn hợp nước và bong bóng hơi, sẽ có mật độ thấp hơn nước thuần.
• Nếu nhu cầu hơi tăng, áp suất trong lò hơi ban đầu giảm, và hệ thống điều khiển sẽ tăng tốc độ đốt đầu đốt. Tốc độ bay hơi sẽ tăng để đáp ứng nhu cầu tăng.
• Tốc độ bay hơi tăng có nghĩa là nước lò hơi sẽ chứa nhiều bong bóng hơi hơn và trở nên ít đặc hơn. Nếu tải đột ngột được áp dụng cho lò hơi:
• Áp suất bên trong lò hơi giảm thêm, và một phần nước lò hơi sẽ bốc hơi nhanh. Sự bốc hơi nhanh của nước lò hơi, cùng với tăng đầu vào nhiệt khi đầu đốt tăng lên tối đa, có nghĩa là ‘nước’ lò hơi sẽ chứa nhiều bong bóng hơi hơn, và mật độ sẽ giảm thêm.
• Khi áp suất giảm, thể tích riêng của hơi tăng, và tốc độ cao hơn kết quả mà hơi được rút ra từ lò hơi có thể tạo ra ‘phình’ của hỗn hợp bong bóng hơi/nước, dẫn đến tăng mực nước rõ ràng.
• Bộ điều khiển mực nước sẽ phát hiện sự tăng mực nước rõ ràng này, và bắt đầu đóng van điều khiển nước cấp, khi thực tế nhiều nước hơn được yêu cầu. Tình hình hiện tại là có nhu cầu hơi cao, và không có nước được thêm vào lò hơi để duy trì mực nước.
• Một điểm đạt được mà ‘phình’ trong nước sẽ sụp đổ, có thể xuống mức dưới báo động mức thấp, và lò hơi có thể đột ngột ‘khóa bảo vệ’, đưa thiết bị ngoại tuyến. Điều khiển mực nước hai thành phần Điều khiển hai thành phần đảo ngược đặc tính điều khiển mực nước giảm để đảm bảo rằng mực nước được nâng lên ở tốc độ tạo hơi cao. Điều này cố gắng đảm bảo rằng lượng nước trong lò hơi giữ nguyên ở mọi tải, và trong thời kỳ tăng nhu cầu hơi đột ngột, van điều khiển nước cấp mở. Hệ thống hoạt động bằng cách sử dụng tín hiệu từ đồng hồ đo lưu lượng hơi được lắp trong đường ống xả hơi để tăng điểm đặt bộ điều khiển mực nước ở tải hơi cao. Hai thành phần của tín hiệu là:
• Thành phần đầu tiên - Tín hiệu mực nước từ nước trong lò hơi.
• Thành phần thứ hai - Tín hiệu lưu lượng từ đồng hồ đo lưu lượng hơi trong đường rút hơi lò hơi.

Tóm tắt điều khiển mực nước hai thành phần Bất kỳ lắp đặt lò hơi nào trải qua thay đổi tải đột ngột thường xuyên có thể hoạt động tốt hơn với hệ thống điều khiển nước cấp hai thành phần. Nơi thay đổi tải quy trình nghiêm trọng (nhà máy bia là ứng dụng phổ biến), điều khiển hai thành phần nên được xem xét và dường như cần thiết khi có thay đổi tải đột ngột hơn 25%, trên lò hơi.

Điều khiển mực nước ba thành phần Điều khiển ba thành phần như trong Hình 3.17.8, bao gồm hai thành phần tín hiệu đã đề cập, cộng với thành phần thứ ba, là tốc độ dòng nước cấp thực tế đo được vào lò hơi. Điều khiển ba thành phần thường thấy hơn trong nhà lò hơi nơi nhiều lò hơi được cung cấp nước cấp từ đường vòng có áp suất chung. Trong những trường hợp này, áp suất trong đường vòng nước cấp có thể thay đổi tùy thuộc vào lượng nước được rút bởi mỗi lò hơi. Vì áp suất trong đường vòng thay đổi, lượng nước mà van điều khiển nước cấp cho qua cũng sẽ thay đổi cho bất kỳ vị trí van cụ thể nào. Đầu vào từ thành phần thứ ba điều chỉnh tín hiệu đến van điều khiển nước cấp, để tính đến sự thay đổi áp suất này.

Tóm tắt điều khiển mực nước điều chỉnh

Ưu điểm:

• Áp suất và tốc độ dòng hơi ổn định trong giới hạn nhiệt lò hơi.
• Hoạt động đầu đốt hiệu quả hơn.
• Ít ứng suất nhiệt trên vỏ lò hơi.
• Ít nước lò hơi mang theo hơn.
• Có thể sử dụng trạm bơm nước cấp tập trung.
• Ít hao mòn trên bơm nước cấp và đầu đốt. Nhược điểm:
• Đắt hơn.
• Bơm nước cấp phải chạy liên tục.
• Ít phù hợp cho hoạt động ‘dự phòng’.
• Có thể tiêu thụ điện nhiều hơn.