АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ УРОВНЯ

Уровень является косвенным показателем гидродинамического равновесия в аппарате или сооружении. Постоянство уровня свидетельствует о соблюдении материального баланса, когда приток жидкости равен стоку и скорость изменения уровня равна нулю. Следует отметить, что приток и сток здесь являются обобщенными понятиями. В простейшем случае, когда в аппарате не происходит никаких фазовых превращений (сборники, смесители, промежуточные емкости, жидкофазные сооружения), приток равен расходу жидкости, подаваемой в аппарат, а сток — расходу жидкости, отводимой из аппарата. В более сложных технологических процессах, сопровождающихся изменением фазового состояния веществ, уровень является характеристикой не только гидравлических, но тепловых и массообменных процессов, а приток и сток учитывают фазовые превращения веществ. Такие процессы протекают в испарителях, конденсаторах, выпарных установках и многих других агрегатах.

В зависимости от требуемой точности поддержания уровня применяют либо позиционное, либо его непрерывное регулирование.

Позиционное регулирование применяется в случаях, когда уровень в аппарате требуется поддерживать в заданных, но достаточно широких пределах: Т_н < Ь < Ь_в. Такие системы регулирования чаще всего устанавливают на сборниках жидкости или промежуточных емкостях (рис. 5.16). При достижении предельного значения уровня в них обычно предусматривается автоматическое переключение потока жидкости на запасную емкость.

в

Рис. 5.16. Схема позиционного

регулирования уровня:

1 — насос; 2 — аппарат; 3 — сигнализатор уровня; 4 — регулятор уровня; 5, 6 — регулирующие клапаны

Способ непрерывного регулирования используется для стабилизации уровня на заданном значении, т. е. когда необходимо обеспечивать равенство L = L₀. Особенно высокие требования предъявляются к точности регулирования уровня в теплообменных аппаратах, в которых уровень конденсата определяет фактическую поверхность теплообмена. В таких АСР для регулирования уровня без статической погрешности применяют ПИ-регуляторы. П-регуляторы используют лишь в тех случаях, когда не требуется высокое качество регулирования и возмущения в системе не имеют постоянной составляющей, которая может привести к накоплению статической погрешности.

При отсутствии фазовых превращений в аппарате уровень в нем регулируют одним из трех способов: изменением расхода жидкости на входе в аппарат (регулирование «на притоке», рис. 5.17, а)

изменением расхода жидкостей на выходе из аппарата (регулированием «на стоке», рис. 5.17, б) регулированием соотношения расхода жидкости на входе в аппарат и выходе из него с коррекцией по уровню (каскадная АСР, рис. 5.17, в).

Рис. 5.17. Схемы непрерывного регулирования уровня:

а — регулирование «на притоке»; б — регулирование «на стоке»;

в — каскадная АСР;

• 1 — измеритель уровня; 2 — регулятор уровня; 3 — регулирующий клапан;
• 4, 5 — измерители расхода; б — регулятор соотношения

Следует отметить, что при реализации каскадной АСР отклонение корректирующего контура может привести к накоплению ошибки при регулировании уровня, так как вследствие неизбежных погрешностей в настройке регулятора соотношение расхода жидкости на входе и выходе аппарата не будет одинаково и вследствие свойств объекта уровень в аппарате будет непрерывно нарастать (или убывать).

В случае когда процессы в аппарате сопровождаются фазовыми превращениями, можно регулировать уровень изменением подачи теплоносителя (или хладагента), как показано на рис. 5.18. В таких аппаратах уровень взаимосвязан с другими параметрами (например, давлением), поэтому выбор способа регулирования в каждом конкретном случае должен выполняться с учетом остальных контуров автоматического регулирования.

Регулирование уровня в инженерных системах применяют для автоматизации водонапорных, подпиточных, расширительных, пневмогидравлических и других баков и резервуаров, а также для предупредительной и аварийной сигнализации переполнения или опорожнения различных емкостей.

Рис. 5.18. Схема регулирования уровня в испарителе:

1

• 1 — испаритель; 2 — измеритель уровня; 3 — регулятор уровня;
• 4 — регулирующий орган

Наиболее простым является поплавковый камерный регулятор уровня, состоящий из поплавковой камеры и регулирующего клапана, соединенных тягой (рис. 5.19). Поплавковая камера соединена с емкостью, находящейся под давлением до 16 кгс/см² (1,6 МПа). Шаровой пустотелый поплавок жестко связан с осью, выведенной через сальник, установленный в корпусе камеры. На этой же оси снаружи закреплен рычаг 2 с контргрузом и тягой, соединенной с рычагом 4 регулирующего клапана. Полный ход поплавка составляет 160 мм. Длину рычагов поплавкового

Рис. 5.19. Поплавковый камерный регулятор уровня:

• 1 — камера; 2, 4 — рычаг;
• 3 — тяга; 5 — регулирующий клапан

устройства и клапана можно регулировать в больших пределах и тем самым изменять зону неравномерности регулятора от 10 до 500%.

Поплавковые камерные регуляторы уровня жидкости можно комплектовать пневматическими или электрическими регулирующими и сигнализирующими устройствами, которые крепят к корпусу поплавковой камеры и соединяют с рычагом. Пневматические регулирующие устройства представляют собой П-регуляторы, а электрические — трехпозиционные контактные. В качестве регуляторов уровня могут применяться и дифманометры, оснащенные различными регулирующими устройствами.

Получили распространение также пневматические регуляторы уровня, которые по принципу действия близки к поплавковым камерным регуляторам. Их выпускают на условные давления 16, 40 и 64 кгс/см² (1, 6; 4, 0 и 6, 4 МПа); пределы измерения — 400 и 800 мм. Эти регуляторы оснащены указателями положения уровня и могут иметь две пневмосистемы, одна из которых служит для дистанционной передачи (до 300 м) показаний уровня (класс точности 2,5), а другая — для регулирования. Чувствительный элемент представляет собой полый цилиндрический буек, соединенный рычагами и осью с заслонкой пневматического усилителя — преобразователя типа сопла-заслонки.

Для автоматизации откачивающих или нагнетающих насосов и для сигнализации используются различные реле уровня. Реле уровня бессальниковое (рис. 5.20, а) имеет поплавковую камеру, в которой вместе с уровнем жидкости перемещается шаровой поплавок, связанный штоком с осью. При перемещении поплавок поворачивает ведущий магнит муфты. Ведомый магнит поворачивается за ведущим магнитом и приводит в движение связанные с ним два ртутно-стеклянных контакта, которые срабатывают в крайних (верхнем и нижнем) положениях поплавка. Пределы срабатывания реле можно настроить от 20 до 150 мм, при этом один контакт будет срабатывать при максимальном уровне, а другой — при минимальном. Разрывная мощность контактов 600 В • А при переменном токе 220 В частотой 50 Гц. Электрическая проводка вводится через сальник корпуса контактного устройства. Реле можно использовать для резервуаров, находящихся под давлением. Его отличительной особенностью является бессальниковое устройство с электромагнитной связью.

Для открытых резервуаров большой высоты (до нескольких метров) применяется реле уровня (рис. 5.20, б), у которого поплавок соединен с контактным устройством с помощью троса. Поплавок и противовес укреплены на тросе, перекинутом через

Рис. 5.20. Поплавковое реле уровня:

а — бессальниковое с электромагнитной связью: 1 — поплавок;

• 2 — контактная колодка; 3 — камера; 4 — ведущий магнит; 5 — ось; б — ведомый магнит; 7 — ртутно-стеклянный контакт; б — для открытых резервуаров: 1 — поплавок; 2 — противовес;
• 3, 6 — кольца; 4 — рычаг; 5 — трос; 7 — блок

блок. При перемещении поплавка вверх до максимального значения уровня кольцо 3, укрепленное на тросе, подходит к рычагу контактного устройства и поднимает его. Контактное устройство срабатывает. При понижении уровня жидкости кольцо 6, укрепленное на другом конце троса, перемещает рычаг в обратном направлении до нового срабатывания контактного устройства. Прямое и обратное срабатывание контактного устройства настраивается перемещением колец 3 и 6 вдоль троса. Разрывная мощность контактов составляет до 2 кВ • А при переменном токе 220 В частотой 50 Гц.

Описанные поплавковые реле и регуляторы уровня не могут применяться для регулирования или сигнализации бытовых сточных вод, так как поплавковые устройства теряют плавучесть, а механизмы передачи выходят из строя. Для этого разработано специальное реле уровня колодцев.

Большое распространение в инженерных системах получили электрические и электронные реле уровня, использующие в качестве датчиков электроды, с помощью которых измеряется электропроводность или электрическая емкость. Эти реле не имеют подвижных устройств, поплавков и передаточных механизмов. Например, электрический регулятор — сигнализатор уровня предназначен для воды и неагрессивных растворов. В основу работы положен принцип замыкания электрической цепи при резком изменении электропроводности.

Электрическая цепь составлена источником питания, релейным блоком, датчиком и средой, уровень которой контролируется (рис. 5.21). При достижении средой электродного датчика электрическая цепь замыкается через заземление на источник питания. Блок релейный БР состоит из трех транзисторных релейных каскадов и трех выпрямительных элементов, питающихся от понижающего трансформатора. Каждый транзисторный каскад работает от своего датчика и собран по схеме усилителя, имеющего нагрузкой электромагнитное реле. Контакты этих реле используются для регулирования или сигнализации.

Рис. 5.21. Принципиальная схема работы регулятора — сигнализатора уровня

Каждый датчик состоит из двух частей — электрода и штуцера, электрически изолированных один от другого фторопластовым уплотнением. Датчики можно устанавливать в среду с рабочим давлением до 25 кгс/см² (2, 5 МПа) и температурой до 200 °С. Возможное удаление релейного блока от места установки датчиков определяется электрическим сопротивлением проводов (которое не должно превышать 10 Ом), соединяющих датчик с блоком. Питание комплекта производится переменным током 220 В частотой 50 Гц. Разрывная мощность контактов 500 В • А при том же переменном токе. Потребляемая мощность реле не превышает 15 В • А.