蒸汽锅炉水位探测方法

3.16.1蒸汽锅炉水位探测方法章节3.16第3章锅炉房蒸汽和冷凝水系统手册2793.16.2蒸汽锅炉水位探测方法章节3.16第3章锅炉房蒸汽和冷凝水系统手册蒸汽锅炉水位探测方法在蒸汽锅炉上，一般有三种水位检测装置的应用：水位控制-确保在正确的时间向锅炉内加入正确的水量。低水位报警-为了锅炉安全运行，低水位报警保证当锅炉内水位下降到，或低于一个预先设定的水位时停止锅炉燃烧。对于自动控制的蒸汽锅炉，国家标准通常要求两个独立的低水位报警，目的是确保安全。在英国，较低的水位报警将切断燃烧器，并要求人工重新复位才能再启动锅炉。高水位报警-如果水位上升太高将发出报警，通知锅炉操作人员切断给水供应。尽管不是强制的，采用高水位报警是明智的，因为这样可减少炉水携带和蒸汽输送系统中发生水锤现象的概率。自动水位探测方法本章下面部分讨论应用于蒸汽锅炉的水位探测装置的原理。基本的导电理论电子流动的方式可与液体相比较。电子流过一个电阻与液体流过管道是类似的(见图3.16.2)。导体是金属，如金属导线，它允许电流流动。（导体的反面是绝缘体，它能阻碍电子流动，如玻璃或塑料）。电流是一种电荷流动，电荷被微粒携带称为电子或离子。电荷用库仑测量。6.24x1018个电子称为一库仑电量，按照国际标准单位（SI），相当于1A·s。当电子或离子移动，测量的电流是库仑每秒而不是电子或离子每秒。但是，安培（A）是电流测量的单位。图3.16.1水位控制和报警的运行液位正常水位高水位报警泵开或给水阀全开第1低水位报警第2低水位报警2803.16.3蒸汽锅炉水位探测方法章节3.16第3章锅炉房蒸汽和冷凝水系统手册电流电池电阻流向流向电压(V)=泵压(m扬程)电流(A)=流率(L/s)电阻(Ω)=阀门流阻(kPa)图3.16.2水循环和电路的类比水流泵阀门流向流向+_1A=每秒6.24x1018个电子的流动。1A=1c/s。引起电流流动的力被称为电动势EMF。电池、发电机或电站可提供电动势。电池有正负两极。如果在两极之间连接导线，则有电流流动。电池类似于水系统的泵作为压力源。在电动势（EMF）源的两极测量电动势差为电压，电压高（压力）则电流（流量）大。电流流过的电路代表电阻（类似于水系统中管道和阀门产生的阻力）。电阻单位是欧姆（符号W），欧姆定律与电流、电压和电阻有关，见公式3.16.1：公式3.16.1式中:I=电流(A)；V=电压(V)；R=电阻(Ω)。另一个重要的电概念是“电容”。它是测量两个导体之间的电荷容量（基本与容器容积类似），根据所需要的电荷可提高电势到一伏特电压。如果一对导体需要很多电荷才能升高其两端的电压到一伏特，则表示电容很大。就像一个大的容器需要大量的气体填充才能到一定的压力一样。电容的单位1c/v，定义为1F。导电率探头考虑一个盛水的开式水箱。一个探头（金属棒）悬吊在水箱上（见图3.16.3），如果加载电压而且电路上串联电流表，则可以看到：探头浸入水中，电路有电流通过。探头脱离水面，电流消失。2813.16.4蒸汽锅炉水位探测方法章节3.16第3章锅炉房蒸汽和冷凝水系统手册图3.16.3单导电探头工作原理探头探头水水电压源安培表电压源安培表这是导电探头的基本原理。导电的原理是给出一个测量点。当水位接触了探头尖部，就通过相连的控制器触发了一个动作。这个动作可以是：启动或停止水泵。打开或关闭阀门。触发报警警铃。打开或关闭继电器。低电压源安培表绝缘体探头顶部封闭的金属水箱图3.16.5在密闭容器内的导电探头水图3.16.4双导电探头控制水泵开关泵关泵开AB水2823.16.5蒸汽锅炉水位探测方法章节3.16第3章锅炉房蒸汽和冷凝水系统手册但是一个探头仅能提供一个单一的作用点。因此，为了在预定的水位开关水泵就需要两个探头（图3.16.4）。当水位下降使A点脱离水面，水泵开始运转。水位上升直到接触第二个探头点B，这时水泵停止运转。探头能安装在密闭的容器上，例如一台锅炉。图3.16.5显示了一个密闭的金属水箱—注意，在探头穿过水箱顶部的地方要求绝缘。这样：探头浸入水中，电流流动。探头脱离水面，电流消失。注意:应使用交流电以避免在探头上发生极化和电解（使水分解为氢和氧）。必须用一个标准的导电探头提供锅炉的低水位报警。英国标准要求必须每天测试。对一个简单的探头存在可能发生的问题-如果在绝缘处聚集了污垢，在探头和金属箱体之间产生电流通道而且即使探头顶部脱离了水面电流还将继续。这个问题可以在设计和制造导电探头时加长绝缘体并用光滑的绝缘材料如PTFE/Teflon®铠装探头的大部分长度来克服。这样就最大程度减少污垢聚集在绝缘体上的危险，见图3.16.6。图3.16.6绝缘体上的污垢:问题和解决解决方案绝缘体可能的导电通道探头杂质绝缘体探头PTFE外表暴露的探头密闭容器内的水密闭容器内的水存在问题水水低压电电流表低压电电流表可能的导电通道2833.16.6蒸汽锅炉水位探测方法章节3.16第3章锅炉房蒸汽和冷凝水系统手册解决问题的方法:在蒸汽空间使用绝缘体。沿着整个金属探头的长度使用长且光滑的PTFE外套。在控制器上可调节灵敏度。有特殊的导电探头用于低水位报警，称为‘自检测型’。几种自检测功能合成一体，包括：一个比较探头，可连续测量和比较通过绝缘体和通过探头顶部的对地电阻。检查探头和绝缘之间的漏电。其它自检测程序。按英国的规定，使用这些特殊系统允许每周测试一次而不是每天测试。这是由于在这些装置的设计中固有更高的安全水平。导电探头必须截断到合适的长度以便准确的代表想得到的开关点。导电探头总结导电探头，如图3.16.7所示，是：一般是垂直安装。适用于开关水位的控制。通常是在一个腔体内安装一组3个或4个探头，尽管也提供其它配置。在安装时可截断到需要的长度。因为探头是根据导电性的原理来工作的，因此不适用于纯水（导电率小于5µS/cm）的应用。图3.16.7典型的导电探头(图示4根探头)和控制器2843.16.7蒸汽锅炉水位探测方法章节3.16第3章锅炉房蒸汽和冷凝水系统手册图3.16.8电容器电容的基本的等式，如图3.16.8所示的电容器，见公式3.16.2:电容探头在两个平行导电金属平板之间插入非导电材料（有一点或无导电性的物质如空气或PTFE）就作成了一个简单的电容器（见图3.16.8）。式中:C=电容(F)，K=绝缘常数(平板间绝缘体的作用)，A=平板面积(m2)，D=平板之间的距离(m)因此：平板面积越大，电容越高。平板越近，电容越高。绝缘常数越高，电容越高。因此当A、D或K改变了，电容也改变!用两个平行导电板浸入非导电液体就构成了基本的电容器（见图3.16.9）。随着平板的逐渐浸入测量电容，可以看到电容的改变与平板浸入非导电液体的深度成比例。公式3.16.2图3.16.9基本的在液体中的电容电流量线非导电体(空气)金属平板面积=A金属平板电压+_距离(D)电容测量电容器平板电容器平板非导电液体2853.16.8蒸汽锅炉水位探测方法章节3.16第3章锅炉房蒸汽和冷凝水系统手册图3.16.10电容的输出��������������������������随着更多的平板面积浸入液体电容增加（见图3.16.10）。在两个平行导电金属平板之间插入非导电材料（有一点或无导电性的物质如空气或PTFE）就作成了一个简单的电容器（见图3.16.8）。在平板浸入导电液体时情况有一点不同，如在锅炉水中，因为水不再作为绝缘体而是导电平板的延伸。电容水位探头因此有一个导电的圆形探头，它作为第一个电容平板。探头被适当的绝缘材料覆盖，典型的是PTFE。第二块电容平板由导电容器壁（对锅炉来说就是锅壳）和盛在容器内的水构成。因此，改变水位，第二块电容板的浸入面积改变，就影响整个系统的电容（见公式3.16.2）。电容浸入深度图3.16.11在水中的电容探头非导电材料(PTFE)水位的改变所以系统的电容有两个成分（如图3.16.12所示）：CA,液体表面上的电容-在容器壁与探头之间的电容。绝缘体包括容器壁与探头之间的空气和探头表面的PTFE涂层。CB,液体表面以下的电容-与探头接触的水面和探头之间的电容，而绝缘体仅是PTFE涂层。2863.16.9蒸汽锅炉水位探测方法章节3.16第3章锅炉房蒸汽和冷凝水系统手册在水面以上两个电容板（容器壁与探头之间）之间的距离很大，所以电容CA很小（见公式3.16.2）。相反，水面以下的电容板（探头和水）之间的距离很小，因此电容CB与CA相比很大。得到的结果是水面的上升将引起用适当的装置测量出的电容也上升。但是电容的变化依然很小（一般以法拉测量，例如10-12F），所以探头与一个放大器电路相连。放大以后的电容变化这时就可以输送到合适的控制器了。当电容探头使用在，例如一个水箱，（见图3.16.13），水位可以通过电容探头连续检测。相连的控制器可设置用于调节控制阀，而且能提供指示功能如一个高位报警或低位报警。控制器也可以设置用于开关控制。这里，“开”和“关”的转换点在一个探头上实现，而不需要切断探头。因为电容探头完全被绝缘材料包容，所以不能切断。图3.16.13在水箱上使用电容探头的典型控制(无刻度)低水位报警高水位报警阀调节控制水位在一定范围内注：电容式探头不能切割图3.16.14电容探头(包括头部)死区长度探头长度头部本体图3.16.12电容器信号的成分(不是量程)CB探头PTFE表面水腔壁(锅壳)CA2873.16.10蒸汽锅炉水位探测方法章节3.16第3章锅炉房蒸汽和冷凝水系统手册浮球控制这是一种液位测量的简单形式。每天常见的浮球水位控制例子是抽水马桶的蓄水箱。当马桶冲水，蓄水池的水位下降，浮球随着水位降低并且打开进水阀门。随着新鲜水的进入，水位上升，浮球也上升并逐步关小进水阀直到到达要求的水位，最终水箱进水阀关闭。这个系统与在蒸汽锅炉内非常类似。一个浮球安装在锅炉内，也可以安装在外部水筒，或者直接安装在锅壳内。锅炉内的水位变化时浮球跟着上下浮动。接着是检测它的动作并用于控制：一台给水泵(开关水位控制系统)或者给水控制阀(连续调节控制系统)因为浮球的浮力，浮球跟随水位上下动作。浮球杆的另一端是一块磁铁，在一个不锈钢帽内移动。由于帽是不锈钢，它实际上没有磁性并允许磁力线穿过。最简单的形式，磁力操作磁力开关：底部开关使给水泵开启。顶部开关使给水泵关闭。但是，实际上单一开关通常提供开关水泵控制，第二个开关用于报警。同样的形式可用于水位报警。更复杂的系统可提供调节控制，它是用一个线圈缠绕在帽内的轭上。随着磁体的上下运动，线圈的电感改变，这将提供一个模拟信号到控制器，然后就可以控制给水调节阀了。图3.16.15浮球控制磁力开关不锈钢帽磁铁大气压力锅炉压力浮球杆锅壳浮球水位磁力开关2883.16.11蒸汽锅炉水位探测方法章节3.16第3章锅炉房蒸汽和冷凝水系统手册图3.16.16水筒中的磁力水位控制器典型的开/关型-英国典型的美国型开关头开关单元磁铁锅炉侧面连接浮球杆浮球开关单元水筒锅炉底部连接锅炉接口锅炉接口连杆支点连杆浮球浮球控制应用对垂直或者水平安装，水位信号输出通常是通过一个磁力开关（水银型或空气断路型），或者作为从电感线圈由于附在浮球上的磁体的运动产生的调节信号。这两种情况，磁力都要穿过无磁性的不锈钢管起作用。磁力开关2893.16.12蒸汽锅炉水位探测方法章节3.16第3章锅炉房蒸汽和冷凝水系统手册差压传送器差压传送器安装的一侧有恒定的水头。另一侧的水头随着锅炉水位的变化而变化。可变的电容、张力表或电感技术被用于测量膜片的偏差，从这个测量值就产生了一个电子水位信号。差压传送器一般用于下列场合：高压水管锅炉，炉内是高质量的除盐水。使用纯水的地方，或许在制药过程。在这些应用中，水的导电率非常低，意味着导电率和电容探头都不能可靠的运行。图3.16.17使用差压传送器的水位控制(无刻度)差压传送器随水位变化的水头恒定的水头锅炉其它类型的调节控制系统也会偶然碰到。但是，为了符合英国健康和安全法规(HSE)以及保险公司的要求，锅炉必须使用上述系统之一。2903.16.13蒸