Phương pháp phát hiện mức nước trong lò hơi

Ứng dụng của các bộ điều khiển mức và báo động, cùng với tổng quan về các phương pháp phát hiện mức khác nhau, bao gồm bộ điều khiển kiểu phao, đầu dò dẫn điện và thiết bị điện dung.

Phương pháp phát hiện mức nước trong lò hơi

Trên lò hơi tạo hơi nước, có ba ứng dụng rõ ràng cho các thiết bị giám sát mức:

• Điều khiển mức - Đảm bảo lượng nước phù hợp được bổ sung vào lò hơi vào đúng thời điểm.
• Báo động mức nước thấp - Để vận hành lò hơi an toàn, báo động mức nước thấp đảm bảo rằng quá trình đốt cháy nhiên liệu không tiếp tục nếu mức nước trong lò hơi đã giảm xuống hoặc dưới mức quy định. Đối với các lò hơi hơi nước được điều khiển tự động, tiêu chuẩn quốc gia thường yêu cầu hai báo động mức thấp độc lập để đảm bảo an toàn. Tại Vương quốc Anh, báo động thấp hơn sẽ ‘khóa’ bộ đốt và cần phải đặt lại thủ công để đưa lò hơi trở lại hoạt động.
• Báo động mức nước cao - Báo động hoạt động nếu mức nước tăng quá cao, thông báo cho người vận hành lò hơi đóng nguồn cấp nước. Mặc dù thường không bắt buộc, việc sử dụng báo động mức cao là hợp lý vì chúng giảm nguy cơ nước bị cuốn theo và búa nước trong hệ thống phân phối hơi nước. Các phương pháp phát hiện mức tự động Các phần sau trong Mô-đun này thảo luận về các loại thiết bị phát hiện mức chính phù hợp với lò hơi hơi nước. Lý thuyết điện cơ bản Dòng điện có thể được so sánh với chất lỏng. Chất lỏng chảy qua ống tương tự như cách dòng điện chạy qua vật dẫn (xem Hình 3.16.2). Vật dẫn là vật liệu, chẳng hạn như dây kim loại, cho phép dòng điện chạy qua tự do. (Ngược lại với vật dẫn là chất cách điện ngăn dòng điện chạy qua, chẳng hạn như thủy tinh hoặc nhựa). Dòng điện là dòng ‘điện tích’ chuyển động, được mang bởi các hạt nhỏ gọi là electron hoặc ion. Điện tích được đo bằng coulomb. 6,24 x 1018 electron cùng nhau có điện tích bằng một coulomb, theo đơn vị SI cơ bản tương đương với 1 ampe giây. Khi electron hoặc ion được di chuyển, dòng điện được đo bằng coulomb trên giây thay vì electron hoặc ion trên giây. Tuy nhiên, thuật ngữ ‘ampe’ (hoặc A) được dùng cho đơn vị đo cường độ dòng điện.
• 1 A = Dòng 6,24 x 1018 electron trên giây.
• 1 A = 1 coulomb trên giây. Lực gây ra dòng điện được gọi là suất điện động hay EMF. Pin, máy phát xe đạp hoặc máy phát điện nhà máy điện (trong số các ví dụ khác) có thể cung cấp nó. Pin có cực dương và cực âm. Nếu một dây được nối giữa hai cực, dòng điện sẽ chạy. Pin hoạt động như một nguồn áp suất tương tự như bơm trong hệ thống nước. Hiệu điện thế giữa các cực của nguồn EMF được đo bằng vôn và điện áp (áp suất) càng cao thì dòng điện (lưu lượng) càng lớn. Mạch mà dòng điện chạy qua có điện trở (tương tự như điện trở của các ống và van trong hệ thống nước). Đơn vị của điện trở là ôm (ký hiệu Ω) và định luật Ohm liên hệ dòng điện, điện áp và điện trở, xem Phương trình 3.16.1: Trong đó: I = Dòng điện (ampe) V = Điện áp (vôn) R = Điện trở (ôm) Một khái niệm điện quan trọng khác là ‘điện dung’. Nó đo khả năng chứa điện tích giữa hai vật dẫn (gần tương tự với thể tích của bình chứa) tính bằng lượng điện tích cần thiết để nâng hiệu điện thế lên một vôn. Một cặp vật dẫn có điện dung lớn nếu chúng cần lượng điện tích lớn để nâng điện áp giữa chúng lên một vôn, giống như một bình lớn cần lượng khí lớn để nén đến một áp suất nhất định. Đơn vị của điện dung là một coulomb trên vôn, được gọi là một farad. Đầu dò dẫn điện Xét một bể hở chứa nước. Một đầu dò (thanh kim loại) được treo trong bể (xem Hình 3.16.3). Nếu điện áp được đặt vào và mạch bao gồm ampe kế, ampe kế sẽ cho thấy:
• Khi đầu dò ngập trong nước, dòng điện sẽ chạy qua mạch.
• Nếu đầu dò được nhấc khỏi nước, dòng điện sẽ không chạy qua mạch. Đây là nguyên lý của đầu dò dẫn điện. Nguyên lý dẫn điện được sử dụng để đo điểm. Khi mực nước chạm đầu mút đầu dò, nó kích hoạt hành động thông qua bộ điều khiển liên kết. Hành động này có thể là:
• Khởi động hoặc dừng bơm.
• Mở hoặc đóng van.
• Kêu báo động.
• Mở hoặc đóng rơle. Nhưng một đầu mút chỉ có thể cung cấp một hành động đơn lẻ hoặc tại một điểm. Do đó, hai đầu mút được yêu cầu với đầu dò dẫn điện để bật và tắt bơm ở các mức quy định trước (Hình 3.16.4). Khi mực nước giảm và để lộ đầu mút tại điểm A, bơm sẽ bắt đầu chạy. Mực nước tăng cho đến khi chạm đầu mút thứ hai tại điểm B, và bơm sẽ được tắt. Các đầu dò có thể được lắp vào các bình kín, ví dụ lò hơi. Hình 3.16.5 cho thấy một bình kim loại có nắp kín - Lưu ý: cần có chất cách điện tại vị trí đầu dò xuyên qua nắp bình. Một lần nữa:
• Khi đầu dò ngập trong nước, dòng điện sẽ chạy.
• Khi đầu dò ra khỏi nước, dòng điện ngừng. Lưu ý: Dòng điện xoay chiều được sử dụng để tránh hiện tượng phân cực và điện phân (phân tách nước thành hydro và oxy) tại đầu dò. Đầu dò dẫn điện tiêu chuẩn phải được sử dụng để cung cấp báo động mức nước thấp trong lò hơi. Theo quy định Vương quốc Anh, thiết bị này phải được kiểm tra hàng ngày. Đối với đầu dò đơn giản có một vấn đề tiềm ẩn - Nếu bụi bẩn tích tụ trên chất cách điện, một đường dẫn điện sẽ được tạo ra giữa đầu dò và bình kim loại và dòng điện sẽ tiếp tục chạy ngay cả khi đầu mút đầu dò ở ngoài nước. Điều này có thể được khắc phục bằng cách thiết kế và chế tạo đầu dò dẫn điện sao cho chất cách điện dài, và được bọc phần lớn chiều dài bằng vật liệu cách điện trơn mượt như PTFE/Teflon®. Điều này sẽ giảm thiểu nguy cơ bụi bẩn tích tụ xung quanh chất cách điện, xem Hình 3.16.6. Vấn đề đã được giải quyết bằng cách:
• Sử dụng chất cách điện trong vùng hơi nước.
• Sử dụng vỏ PTFE dài mượt làm chất cách điện dọc gần như toàn bộ chiều dài của đầu dò kim loại.
• Độ nhạy điều chỉnh được tại bộ điều khiển. Các đầu dò dẫn điện đặc biệt có sẵn cho báo động mức thấp, được gọi là ‘tự giám sát’. Nhiều tính năng tự kiểm tra được tích hợp, bao gồm:
• Đầu mút so sánh liên tục đo và so sánh điện trở nối đất qua lớp cách điện và qua đầu mút đầu dò.
• Kiểm tra rò rỉ dòng điện giữa đầu dò và lớp cách điện.
• Các quy trình tự kiểm tra khác. Theo quy định Vương quốc Anh, việc sử dụng các hệ thống đặc biệt này cho phép kiểm tra hàng tuần thay vì hàng ngày. Điều này là do mức độ an toàn vốn có cao hơn trong thiết kế của chúng. Đầu mút của đầu dò dẫn điện phải được cắt đến chiều dài chính sao cho chính xác thể hiện điểm chuyển mạch mong muốn. Tóm tắt đầu dò dẫn điện Các đầu dò dẫn điện:
• Thường được lắp theo chiều dọc.
• Được sử dụng ở những nơi điều khiển mức bật/tắt phù hợp.
• Thường được cung cấp lắp theo nhóm ba hoặc bốn trong một vỏ duy nhất, mặc dù các cấu hình khác cũng có sẵn.
• Được cắt đến chiều dài khi lắp đặt. Vì các đầu dò sử dụng tính dẫn điện để hoạt động, các ứng dụng sử dụng nước rất tinh khiết (độ dẫn điện nhỏ hơn 5 μ Siemens/cm) không phù hợp.

Đầu dò điện dung

Một tụ điện đơn giản có thể được tạo bằng cách đặt vật liệu điện môi (chất có ít hoặc không có tính dẫn điện, ví dụ không khí hoặc PTFE) giữa hai bản song song bằng vật liệu dẫn điện (Hình 3.16.8). Một tụ điện cơ bản có thể được xây dựng bằng cách nhúng hai bản dẫn điện song song vào chất lỏng điện môi (Hình 3.16.9). Nếu điện dung được đo khi các bản dần được nhúng, sẽ thấy rằng điện dung thay đổi tỷ lệ với độ sâu mà các bản được nhúng vào chất lỏng điện môi. Điện dung tăng khi nhiều diện tích bản hơn được nhúng trong chất lỏng (Hình 3.16.10). Một tụ điện đơn giản có thể được tạo bằng cách đặt vật liệu điện môi (chất có ít hoặc không có tính dẫn điện, ví dụ không khí) giữa hai bản song song bằng vật liệu dẫn điện (Hình 3.16.8). Tình hình hơi khác trong trường hợp các bản nhúng trong chất lỏng dẫn điện, chẳng hạn như nước lò hơi, vì chất lỏng không còn đóng vai trò là điện môi mà thay vào đó là phần mở rộng của các bản. Do đó đầu dò mức điện dung bao gồm một đầu dò hình trụ dẫn điện, đóng vai trò là bản tụ điện thứ nhất. Đầu dò này được phủ bằng vật liệu điện môi phù hợp, thường là PTFE. Bản tụ điện thứ hai được tạo thành bởi thành bình (trong trường hợp lò hơi, thân lò hơi) cùng với nước chứa trong bình. Do đó, bằng cách thay đổi mực nước, diện tích của bản tụ điện thứ hai thay đổi, ảnh hưởng đến tổng điện dung của hệ thống (xem Phương trình 3.16.2). Tổng điện dung của hệ thống do đó có hai thành phần (minh họa trong Hình 3.16.12):

• CA, điện dung phía trên bề mặt chất lỏng - Điện dung phát triển giữa thành bình và đầu dò. Điện môi bao gồm cả không khí giữa đầu dò và thành bình, và vỏ PTFE.
• CB, điện dung phía dưới bề mặt chất lỏng - Điện dung phát triển giữa bề mặt nước tiếp xúc với đầu dò và điện duy nhất là vỏ PTFE. Vì khoảng cách giữa hai bản tụ điện phía trên bề mặt nước (thành bình và đầu dò) lớn, nên điện dung CA nhỏ (xem Phương trình 3.16.2). Ngược lại, khoảng cách giữa các bản phía dưới bề mặt nước (đầu dò và chính nước) nhỏ và do đó, điện dung CB sẽ lớn so với CA. Kết quả ròng là bất kỳ sự tăng mực nước nào cũng sẽ gây ra sự tăng điện dung có thể đo được bằng thiết bị phù hợp. Tuy nhiên, sự thay đổi điện dung là nhỏ (thường được đo bằng picofarad, ví dụ, 10-12 farad) nên đầu dò được sử dụng kết hợp với mạch khuếch đại. Sự thay đổi điện dung được khuếch đại sau đó được truyền tín hiệu đến bộ điều khiển phù hợp. Khi đầu dò điện dung được sử dụng, ví dụ trong bể cấp nước (Hình 3.16.13), mức chất lỏng có thể được giám sát liên tục với đầu dò điện dung. Bộ điều khiển liên kết có thể được thiết lập để điều biến van điều khiển và/hoặc cung cấp các chức năng điểm như điểm báo động mức cao hoặc báo động mức thấp. Bộ điều khiển cũng có thể được thiết lập để cung cấp điều khiển bật/tắt. Ở đây, các điểm chuyển mạch ‘bật’ và ‘tắt’ được chứa trong một đầu dò duy nhất và được thiết lập thông qua bộ điều khiển, loại bỏ nhu cầu cắt đầu dò. Vì đầu dò điện dung phải được bọc hoàn toàn trong vật liệu cách điện, nó không được cắt theo chiều dài.

Điều khiển phao

Đây là một dạng đo mức đơn giản. Một ví dụ hàng ngày về điều khiển mức bằng phao là két nước trong nhà vệ sinh. Khi nhà vệ sinh xả nước, mực nước giảm trong két, phao theo mực nước xuống và mở van nước vào. Cuối cùng két đóng lại và khi nước mới chảy vào, mực nước tăng, phao nâng lên và dần đóng van nước vào cho đến khi đạt mức cần thiết. Hệ thống sử dụng trong lò hơi rất tương tự. Một phao được gắn trong lò hơi. Có thể trong một buồng bên ngoài, hoặc trực tiếp trong thân lò hơi. Phao sẽ di chuyển lên xuống khi mực nước thay đổi trong lò hơi. Giai đoạn tiếp theo là giám sát chuyển động này và sử dụng nó để điều khiển:

• Bơm cấp nước (hệ thống điều khiển mức bật/tắt) hoặc
• Van điều khiển cấp nước (hệ thống điều khiển mức điều biến) Do lực nổi, phao theo mực nước lên xuống.
• Ở đầu đối diện của thanh phao là một nam châm, di chuyển bên trong nắp inox. Vì nắp bằng inox, nó (hầu như) không từ tính, và cho phép các đường sức từ đi qua. Ở dạng đơn giản nhất, lực từ vận hành các công tắc từ như sau:
• Công tắc dưới sẽ bật bơm cấp nước.
• Công tắc trên sẽ tắt bơm cấp nước. Tuy nhiên, trong thực tế một công tắc đơn thường cung cấp điều khiển bơm bật/tắt, để công tắc thứ hai cho báo động. Cách sắp xếp tương tự có thể được sử dụng để cung cấp báo động mức. Một hệ thống tinh vi hơn để cung cấp điều khiển điều biến sẽ sử dụng một cuộn dây quấn quanh ách bên trong nắp. Khi nam châm di chuyển lên xuống, độ cảm của cuộn dây sẽ thay đổi, và điều này được sử dụng để cung cấp tín hiệu tương tự cho bộ điều khiển và sau đó đến van điều khiển mức nước cấp. Ứng dụng điều khiển phao Lắp theo chiều dọc hoặc ngang, tín hiệu mức đầu ra thường qua công tắc hoạt động bằng từ (kiểu thủy ngân hoặc kiểu ‘cắt không khí’); hoặc như tín hiệu điều biến từ cuộn cảm do chuyển động của nam châm gắn với phao. Trong cả hai trường hợp, nam châm hoạt động qua ống inox không từ tính.

Ô chênh áp

Ô chênh áp được lắp với cột nước không đổi ở một bên. Bên còn lại được sắp xếp có cột nước thay đổi theo mực nước lò hơi. Các kỹ thuật điện dung biến đổi, đo biến dạng hoặc cảm ứng được sử dụng để đo độ lệch của màng, và từ phép đo này, tín hiệu mức điện tử được tạo ra. Sử dụng ô chênh áp phổ biến trong các ứng dụng sau:

• Lò hơi ống nước áp suất cao sử dụng nước khử khoáng chất lượng cao.
• Nơi sử dụng nước rất tinh khiết, có thể trong quy trình dược phẩm. Trong các ứng dụng này, độ dẫn điện của nước rất thấp, và điều này có thể có nghĩa là đầu dò dẫn điện và điện dung sẽ không hoạt động đáng tin cậy.