Контрольно-измерительные приборы и автоматика (КИПиА) предназначены для измерения, контроля и регулирования температуры, давления, уровня воды в барабане и обеспечивают безопасную работу теплогенераторов и теплоэнергетического оборудования котельной.
1. Измерение температуры.
Для измерения температуры рабочего тела используются манометрические и ртутные термометры. В трубопровод вваривают гильзу из нержавеющей стали, конец которой должен доходить до центра трубопровода, заполняют ее маслом и опускают в нее термометр.
Манометрический термометр состоит из термобаллона, медной или стальной трубки и трубчатой пружины овального сечения, соединенной рычажной передачей с показывающей стрелкой.
Рис. 3.1. Манометрический термометр
1-термобаллон; 2-соединительный капилляр; 3-тяга; 4-стрелка; 5-циферблат; 6-манометрическая пружина; 7-трибко-секторный механизм
Вся система заполняется инертным газом (азотом) под давлением 1…1,2 МПа. При повышении температуры давление в системе увеличивается, и пружина через систему рычагов приводит в движение стрелку. Показывающие и самопишущие манометрические термометры прочнее стеклянных и допускают передачу показаний на расстояние до 60 м.
Действие термометров сопротивления – платиновых (ТСП) и медных (ТСМ) основано на использовании зависимости электрического сопротивления вещества от температуры.
Рис. 3.2. Термометры сопротивления платиновые, медные
Действие термоэлектрического термометра основано на использовании зависимости термоЭДС термопары от температуры. Термопара как чувствительный элемент термометра состоит из двух разнородных проводников (термоэлектродов), одни концы которых (рабочие) соединены друг с другом, а другие (свободные) подключены к измерительному прибору. При различной температуре рабочих и свободных концов в цепи термоэлектрического термометра возникает ЭДС.
Наибольшее распространение имеют термопары типов ТХА (хромель-алюмель), ТХК (хромель-копель). Термопары для высоких температур помещают в защитную (стальную или фарфоровую) трубку, нижняя часть которой защищена чехлом и крышкой. У термопар высокая чувствительность, малая инерционность, возможность установки самопишущих приборов на большом расстоянии. Присоединение термопары к прибору производится компенсационными проводами.
2. Измерение давления.
Для измерения давления используются барометры, манометры, вакуумметры, тягомеры и др., которые измеряют барометрическое или избыточное давление, а также разрежение в мм вод. ст., мм рт. ст., м вод. ст., МПа, кгс/см2, кгс/м2 и др. Для контроля работы топки котла (при сжигании газа и мазута) могут быть установлены следующие приборы:
1) манометры (жидкостные, мембранные, пружинные) – показывают давление топлива на горелке после рабочего крана;
Рис. 3.3. Деформационные манометры:
1 — мембрана; 2 — активный и компенсирующий тензорезистор; 3 — консоль; 4-стрелка
2) манометры (U-образные, мембранные, дифференциальные) – показывают давление воздуха на горелке после регулирующей заслонки;
3) тягомеры (ТНЖ, мембранные) – показывают разрежение в топке.
Тягонапоромер жидкостный (ТНЖ) служит для измерения небольших давлений или разрежений.
Рис. 3.4. Тягонапоромер типа ТНЖ-Н
Для получения более точных показаний применяют тягомеры с наклонной трубкой, один конец которой опущен в сосуд большого сечения, а в качестве рабочей жидкости применяют спирт (плотностью 0,85 г/см3), подкрашенный фуксином. Баллончик соединяется штуцером «+» с атмосферой (барометрическое давление), и через штуцер заливается спирт. Стеклянная трубка штуцером «−» (разрежение) соединяется с резиновой трубкой и топкой котла. Один винт устанавливает «нуль» шкалы трубки, а другой – горизонтальный уровень на вертикальной стенке. При измерении разрежения импульсную трубку присоединяют к штуцеру «−», а барометрического давления – к штуцеру «+».
Пружинный манометр предназначен для показания давления в сосудах и трубопроводах и устанавливается на прямолинейном участке. Чувствительным элементом служит латунная овально-изогнутая трубка, один конец которой вмонтирован в штуцер, а свободный конец под действием давления рабочего тела выпрямляется (за счет разности внутренней и наружной площадей) и через систему тяги и зубчатого сектора передает усилие на стрелку, установленную на шестеренке. Этот механизм размещен в
корпусе со шкалой, закрыт стеклом и опломбирован. Шкала выбирается из условия, чтобы при рабочем давлении стрелка находилась в средней трети шкалы. На шкале должна быть установлена красная линия, показывающая допустимое давление.
В электроконтактных манометрах ЭКМ на шкале установлены два задаточных неподвижных контакта, а подвижный контакт – на рабочей стрелке.
Рис. 3.5. Манометр с электроконтактной приставкой ТМ-610
При соприкосновении стрелки с неподвижным контактом электрический сигнал от них поступает на щит управления и включается сигнализация. Перед каждым манометром должен быть установлен трехходовой кран для продувки, проверки и отключения его, а также сифонная трубка (гидрозатвор, заполненный водой или конденсатом) диаметром не менее 10 мм для предохранения внутреннего механизма манометра от воздействия высоких температур. При установке манометра на высоте до 2 м от уровня площадки наблюдения диаметр его корпуса должен быть не менее 100 мм; от 2 до 3 м – не менее 150 мм; 3…5 м – не менее 250 мм; на высоте более 5 м – устанавливается сниженный манометр. Манометр должен быть установлен вертикально или с наклоном вперед на угол до 30° так, чтобы его показания были видны с уровня площадки наблюдения, а класс точности манометров должен быть не ниже 2,5 – при давлении до 2,5 МПа и не ниже 1,5 – от 2,5 до 14 МПа.
Манометры не допускаются к применению, если отсутствует пломба (клеймо) или истек срок проверки, стрелка не возвращается к нулевому показанию шкалы (при отключении манометра), разбито стекло или имеются другие повреждения. Пломба или клеймо устанавливаются Госстандартом при проверке один раз в год.
Проверка манометра должна производиться оператором при каждой приемке смены, а администрацией – не реже одного раза в 6 месяцев с использованием контрольного манометра. Проверка манометра производится в следующей последовательности:
1) заметить визуально положение стрелки;
2) ручкой трехходового крана соединить манометр с атмосферой – стрелка при этом должна стать на нуль;
3) медленно повернуть ручку в прежнее положение – стрелка должна стать на прежнее (до проверки) положение;
4) повернуть ручку крана по часовой стрелке и поставить ее в положение, при котором сифонная трубка будет соединена с атмосферой – для продувки; 5) повернуть ручку крана в обратную сторону и установить ее на несколько минут в нейтральное положение, при котором манометр будет разобщен от атмосферы и от котла – для накопления воды в нижней части сифонной трубки;
6) медленно повернуть ручку крана в том же направлении и поставить ее в исходное рабочее положение – стрелка должна стать на прежнее место.
Для проверки точности показаний манометра к контрольному фланцу скобой присоединяют контрольный (образцовый) манометр, а ручку крана ставят в положение, при котором оба манометра соединены с пространством, находящимся под давлением. Исправный манометр должен давать одинаковые показания с контрольным манометром, после чего результаты заносят в журнал контрольных проверок.
Манометры должны устанавливаться на оборудовании котельной:
1) в паровом котельном агрегате – теплогенераторе: на барабане котла, а при наличии пароперегревателя – за ним, до главной задвижки; на питательной линии перед вентилем, регулирующим питание водой; на экономайзере – входе и выходе воды до запорного органа и предохранительного клапана; на
водопроводной сети – при ее использовании;
2) в водогрейном котельном агрегате – теплогенераторе: на входе и выходе воды до запорного вентиля или задвижки; на всасывающей и нагнетательной линиях циркуляционных насосов, с расположением на одном уровне по высоте; на линиях подпитки теплосети. На паровых котлах паропроизводительностью более 10 т/ч и водогрейных с теплопроизводительностью более 6 МВт обязательна установка регистрирующего манометра.
3. Водоуказательные приборы.
При работе парового котла уровень воды колеблется между низшим и высшим положениями. Низший допускаемый уровень (НДУ) воды в барабанах паровых котлов устанавливается (определяется) для исключения возможности перегрева металла стенок элементов котла и обеспечения надежного поступления воды в опускные трубы контуров циркуляции. Положение высшего допускаемого уровня (ВДУ) воды в барабанах паровых котлов определяется из условий предупреждения попадания воды в паропровод или пароперегреватель. Объем воды, содержащийся в барабане между высшим и низшим уровнями, определяет «запас питания», т.е. время, позволяющее котлу работать без поступления в него воды.
На каждом паровом котле должно быть установлено не менее двух указателей уровня воды прямого действия. Водоуказательные приборы должны устанавливаться вертикально или с наклоном вперед, под углом не более 30°, чтобы уровень воды был хорошо виден с рабочего места. Указатели уровня воды соединяются с верхним барабаном котла с помощью прямых труб длиной до 0,5 м и внутренним диаметром не менее 25 мм или более 0,5 м и внутренним диаметром не менее 50 мм.
В паровых котлах с давлением до 4 МПа применяют водоуказательное стекло (ВУС) – приборы с плоскими стеклами, имеющими рифленую поверхность, в которых продольные канавки стекла отражают свет, благодаря чему вода кажется темной, а пар светлым. Стекло вставлено в рамку (колонку) с шириной смотровой щели не менее 8 мм, на которой должны быть указаны допустимые верхний ВДУ и нижний НДУ воды (в виде красных стрелок), а высота стекла должна превышать допускаемые пределы измерения не менее чем на 25 мм с каждой стороны. Стрелка НДУ устанавливается на 100 мм выше огневой линии котла.
Огневая линия – это наивысшая точка соприкосновения горячих дымовых газов с неизолированной стенкой элемента котла.
Водоуказательные приборы для отключения их от котла и проведения продувки снабжены запорной арматурой (кранами или вентилями). На арматуре должны быть четко указаны (отлиты, выбиты или нанесены краской) направления открытия или закрытия, а внутренний диаметр прохода должен быть не менее 8 мм. Для спуска воды при продувке предусматривается двойная воронка с защитными приспособлениями и отводная труба для свободного слива, а продувочный кран устанавливается на огневой линии котла.
Оператор котельной должен проверять водоуказательное стекло методом продувки не менее одного раза в смену, для чего следует:
1) убедиться, что уровень воды в котле не опустился ниже НДУ;
2) заметить визуально положение уровня воды в стекле;
3) открыть продувочный кран – продуваются паровой и водяной краны;
4) закрыть паровой кран, продуть водяной;
5) открыть паровой кран – продуваются оба крана;
6) закрыть водяной кран, продуть паровой;
7) открыть водяной кран – продуваются оба крана;
8) закрыть продувочный кран и наблюдать за уровнем воды, который должен быстро подняться и колебаться около прежнего уровня, если стекло не было засорено.
Не следует закрывать оба крана при открытом продувочном кране, так как стекло остынет и при попадании на него горячей воды может лопнуть. Если после продувки вода в стекле поднимается медленно или заняла другой уровень, или не колеблется, то необходимо повторить продувку, а если повторная продувка не дает результатов – необходимо прочистить засоренный канал.
Резкое колебание воды характеризует ненормальное вскипание за счет повышенного содержания солей, щелочей, шлама или отбора пара из котла больше, чем его вырабатывается, а также загорания сажи в газоходах котла.
Слабое колебание уровня воды характеризует частичное «закипание» или засорение водяного крана, а если уровень воды выше нормального – «закипание» или засорение парового крана. При полном засорении парового крана пар, находящийся над уровнем воды, конденсируется, вследствие чего вода полностью и быстро заполняет стекло до самого верха. При полном засорении водяного крана уровень воды в стекле будет медленно повышаться вследствие конденсации пара или займет спокойный уровень, опасность которого в том, что, не заметив колебания уровня воды и видя ее в стекле, можно подумать, что воды в котле достаточно.
Недопустимо повышать уровень воды выше ВДУ, так как вода пойдет в паропровод, что приведет к гидравлическому удару и разрыву паропровода.
При снижении уровня воды ниже НДУ категорически запрещаетсяпитать паровой котел водой, так как при отсутствии воды металл стенок котла сильно нагревается, становится мягким, а при подаче воды в барабан котла происходит сильное парообразование, что приводит к резкому увеличению давления, утончению металла, образованию трещин и разрыву труб.
Если расстояние от площадки наблюдения за уровнем воды более 6 м, а также в случае плохой видимости (освещения) приборов должны быть установлены два сниженных дистанционных указателя уровня; при этом на барабанах котла допускается установка одного ВУС прямого действия. Сниженные указатели уровня должны присоединяться к барабану на отдельных штуцерах и иметь успокоительное устройство.
4. Измерение и регулирование уровня воды в барабане.
Мембранный дифференциальный манометр (ДМ) используется для пропорционального регулирования уровня воды в барабанных паровых котлах.
Рис. 3.6. Мембранный показывающий дифференциальный манометр с вертикальной мембраной
1 — «плюсовая» камера; 2 — «минусовая» камера; 5 — чувствительная гофрированная мембрана; 4— передающий шток; 5 — передаточный механизм; 6 — предохранительный клапан и соответственно указательной стрелки, отсчитывающей на шкале прибора измеряемое давление
Манометр состоит из двух мембранных коробок, сообщающихся через отверстие в диафрагме и заполненных конденсатом. Нижняя мембранная коробка установлена в плюсовой камере, заполненной конденсатом, а верхняя – в минусовой камере, заполненной водой и соединенной с измеряемым объектом (верхним барабаном котла). С центром верхней мембраны соединен сердечник индукционной катушки. При среднем уровне воды в барабане котла перепада давления нет и мембранные коробки уравновешены.
При повышении уровня воды в барабане котла давление в минусовой камере увеличивается, мембранная коробка сжимается, и жидкость перетекает в нижнюю коробку, вызывая перемещение сердечника вниз. При этом в обмотке катушки образуется ЭДС, которая через усилитель подает сигнал на исполнительный механизм и прикрывает вентиль на питательной линии, т.е. уменьшает подачу воды в барабан. При понижении уровня воды ДМ работает в обратной последовательности.
Уровнемерная колонка УК предназначена для позиционного регулирования уровня воды в барабане котла.
Рис. 3.7. Колонка уровнемерная УК-4
Она состоит из цилиндрической колонки (трубы) диаметром около 250 мм, в которой вертикально установлены четыре электрода, способные контролировать высший и низший допускаемые уровни воды (ВДУ и НДУ), высший и низший рабочие уровни воды в барабане (ВРУ и НРУ), работа которых основана на электропроводности воды. Колонка сбоку соединена с паровым и водным объемом барабана котла с помощью труб, имеющих краны. Внизу колонка имеет продувочный кран.
При достижении уровня воды ВРУ – включается реле и контактором разрывается цепь питания магнитного пускателя, отключая привод питательного насоса. Питание котла водой прекращается. Уровень воды в барабане понижается, и при снижении его ниже НРУ – происходит обесточивание реле и включение питательного насоса. При достижении уровня воды ВДУ и НДУ электрический сигнал от электродов через блок управления идет к отсекателю подачи топлива в топку.
5. Приборы для измерения расхода.
Для измерения расхода жидкостей (воды, мазута), газов и пара применяют расходомеры:
1) скоростные объемные, измеряющие объем жидкости или газа по скорости потока и суммирующие эти результаты;
2) дроссельные, с переменным и постоянным перепадом давлений или ротаметры.
В рабочей камере скоростного объемного расходомера (водомера, нефтемера) установлена крыльчатая или спиральная вертушка, которая вращается от поступающей в прибор жидкости и передает расход счетному механизму.
Объемный ротационный счетчик (типа РГ) измеряет суммарный расход газа до 1000 м3/ч, для чего в рабочей камере размещены два взаимно перпендикулярных ротора, которые под действием давления протекающего газа приводятся во вращение, каждый оборот которого передается через зубчатые колеса и редуктор счетному механизму.
Дроссельные расходомеры с переменным перепадом давления имеют сужающие устройства – нормальные диафрагмы (шайбы) камерные и бескамерные с отверстием, меньшим сечения трубопровода.
При прохождении потока среды через отверстие шайбы скорость ее повышается, давление за шайбой уменьшается, а перепад давления до и после дроссельного устройства зависит от расхода измеряемой среды: чем больше количество вещества, тем больше перепад.
Разность давлений до и после диафрагмы измеряется дифференциальным манометром, по измерениям которого можно вычислить скорость протекания жидкости через отверстие шайбы. Нормальная диафрагма выполняется в виде диска (из нержавеющей стали) толщиной 3…6 мм с центральным отверстием, имеющим острую кромку, и должна располагаться со стороны входа жидкости или газа и устанавливаться между фланцами на прямом участке трубопровода. Импульс давления к дифманометру производится через отверстия из кольцевых камер или через отверстие с обеих сторон диафрагмы.
Для измерения расхода пара на импульсных трубках к дифманометру устанавливают уравнительные (конденсационные) сосуды, предназначенные для поддержания постоянства уровней конденсата в обеих линиях. При измерении расхода газа дифманометр следует устанавливать выше сужающего устройства, чтобы конденсат, образовавшийся в импульсных трубках, мог стекать в трубопровод, а импульсные трубки по всей длине должны иметь уклон к газопроводу (трубопроводу) и подключаться к верхней половине шайбы. Расчет диафрагм и монтаж на трубопроводах производят в соответствии с правилами.
6. Газоанализаторы предназначены для контроля полноты сгорания топлива, избытка воздуха и определения в продуктах сгорания объемной доли углекислого газа, кислорода, окиси углерода, водорода, метана.
По принципу действия они делятся на:
1) химические (ГХП, Орса, ВТИ), основанные на последовательном поглощении газов, входящих в состав анализируемой пробы;
2) физические, работающие по принципу измерения физических параметров (плотности газа и воздуха, их теплопроводности);
3) хроматографические, основанные на адсорбции (поглощении) компонентов газовой смеси определенным адсорбентом (активированным углем) и последовательной десорбции (выделении) их при прохождении колонки с адсорбентом газом.
Приборы безопасности
На каждом теплогенераторе должны быть предусмотрены приборы безопасности, обеспечивающие своевременное и надежное автоматическое отключение котла или его элементов при недопустимых отклонениях от заданных режимов эксплуатации. Паровые котлы должны иметь автоматические регуляторы питания и звуковые сигнализаторы верхнего и нижнего предельных положений уровней воды.
При камерном сжигании топлива все теплогенераторы оборудуются устройствами и приборами, которые автоматически прекращают подачу топлива к горелкам в случаях:
а) повышения или понижения давления газообразного топлива перед горелками за пределы установленных норм;
б) понижения давления жидкого топлива перед горелками до предельных значений (за исключением ротационных форсунок);
в) понижения или повышения уровня воды в барабане;
г) погасания факела горелок в топке;
д) отключении дымососов и вентиляторов, прекращения тяги, уменьшения разрежения в топке;
е) понижения давления воздуха перед горелками (с принудительной подачей воздуха).
Кроме того, в водогрейных котлах, во избежание гидравлического удара трубопроводов, автоматически прекращается подача топлива к горелкам в случаях:
а) повышения давления воды в выходном коллекторе более чем на 5 % расчетного или разрешенного давления;
б) понижения давления воды в выходном коллекторе котла до значения, соответствующего давлению насыщения;
в) повышения температуры воды на выходе из котла до значения, меньшего на 20 °С температуры насыщения;
г) уменьшения расхода воды через котел до значения, при котором недогрев воды до кипения на выходе из котла при максимальной нагрузке и рабочем давлении в выходном коллекторе достигает 20 °С.
Автоматика безопасности (АБ) состоит из датчиков, щита управления со звуковой и световой сигнализацией, клапанов-отсекателей газа. Датчики контролируют аварийные значения: газа среднего давления, давления пара в котле, давления воды на выходе из котла – электроконтактным манометром (ЭКМ); наличие пламени – фотодатчиком (ФД); газа низкого давления, давления воздуха перед горелкой, разрежения в топке – датчиком тяги (ДТ) или датчиком напора тяги (ДНТ); температуры на выходе из котла – электроконтактным термометром (ЭКТ). Клапаны-отсекатели газа типа ПКН (ПЗК) с электромагнитом и газовые клапаны типа КГ или СВГМ регулируют и отсекают подачу газа. При аварийном значении контролируемого параметра срабатывает соответствующий датчик и подает электросигнал на щит управления, где также срабатывает схема и отключает напряжение с электромагнита ПКН, который закрывает подачу газа (т.е. срабатывает клапан-отсекатель). Одновременно включается звуковая сигнализация и загорается лампочка, показывающая причину отсечки газа. Оператор проверяет исправность АБ при приеме смены. Слесарь КИПиА один раз в 10 дней в присутствии оператора проверяет исправность АБ имитацией отсечки, а один раз в месяц в присутствии оператора и ответственного за газовое хозяйство проверяет исправность АБ с фактической отсечкой газа, в каждом случае делая запись в журнале АБ.
Рис 3.8. Оснащение парового котла устройствами безопасности (для режима 24- или 72-часовой эксплуатации без постоянного операторского надзора с двухпозиционным регулированием уровня воды).
ABV - вентиль продувки по солесодержанию (с ручной установкой); ASV - быстрозапорный продувочный вентиль с мембранным приводом; D - быстрозапорный продувочный вентиль с мембранным приводом; DB - ограничитель максимального давления; DR - регулятор давления; ELV - деаэрационный клапан; HWB - ограничитель наивысшего уровня воды; LFE - электрод для измерения электропроводности; МА – манометр; MV - управляющий клапан (трехходовой электромагнитный клапан); Р - насос питательной воды; RV - обратный клапан; SF1 – грязеловушка; SF2 - грязевой фильтр; SIV - предохранительный клапан; SW - вентиль питательной воды; WB - ограничитель уровня воды; WR - регулятор уровня воды; WSA - указатель уровня водя; Х - охладитель пробоотборника; А - шкаф автоматики фирмы Viessmann со схемой блокировки по превышению давления для эксплуатации без постоянного надзора
