سطح سنج آب (لول کنترل دیگ بخار)

لول کنترل دیگ بخار چیست؟ راهنمای کامل عملکرد، تنظیم، نصب و انتخاب

لول کنترل دیگ بخار مجموعه‌ای از تجهیزات اندازه‌گیری و کنترلی است که سطح آب داخل بویلر را در محدوده تعیین‌شده نگه می‌دارد. این سیستم سطح واقعی یا وضعیت نقاط مشخصی از سطح را تشخیص می‌دهد و بر اساس آن، پمپ آب تغذیه یا شیر کنترل Feedwater (شیر کنترلی تغذیه) را فرمان می‌دهد. هدف، جبران آبی است که در فرایند تولید بخار از دیگ خارج می‌شود؛ بدون آنکه سطح آب بیش از حد پایین یا بالا برود.

پایین آمدن سطح می‌تواند سطوح حرارتی را از آب خارج کرده و به دیگ آسیب جدی بزند. سطح بیش از حد بالا نیز احتمال ورود قطرات آب به خط بخار، تولید بخار مرطوب و Carryover را افزایش می‌دهد. طبق راهنمای فنی Vira  و  Spirax Sarco درباره سطح آب بویلر، نگهداری سطح صحیح برای تولید ایمن و پایدار بخار ضروری است.

انواع لول کنترل دیگ بخار

سطح سنج آب را مطابق با روش اندازه گیری به ۲ دسته زیر تقسیم بندی می‌کنند‌.

سطح سنج خازنی یا مدولار

سطح را اندازه‌گیری یا تشخیص می‌دهد و برای تنظیم ورود آب، به پمپ یا شیر کنترل فرمان می‌فرستد. انواع این دسته بندی به شرح زیر است:

• پراب خازنی: اندازه‌گیری پیوسته توسط تغییر ظرفیت الکتریکی با طول غوطه‌وری پراب و سپس با ارسال سیگنال آنالوگ، کنترل مدولار شیر یا پمپ را ممکن می‌کند. برای نمونه، تجهیزات کنترل سطح VIRA از پراب خازنی و خروجی مدولار استفاده می‌کنند.
• ترنسمیتر اختلاف فشار: در بویلرهای درام‌دار، اختلاف فشار ستون مرجع (فشار پایین) و سمت آب (فشار بالا) برای محاسبه سطح به کار می‌رود و سیگنال آنالوگ می‌دهد. تغییر چگالی با فشار و دما، جبران‌سازی، کالیبراسیون و طراحی صحیح لوله‌های ایمپالس را ضروری می‌کند.

سوئیچ سطح یا Level Switch

لول سوئیچ یک تجهیز ایمنی است که با رسیدن سطح آب به حد بحرانی، آلارم یا فرمان قطع مشعل صادر می‌کند. انواع این دسته بندی عبارت اند از:

• کنترل شناوری: تغییر سطح، شناور و مکانیزم سوئیچ را جابه‌جا می‌کند و کنتاکت خروجی را تغییر وضعیت می‌دهد. قطعات متحرک، رسوب و وضعیت محفظه خارجی بر عملکرد آن اثر می‌گذارند.
• کنترل مغناطیسی: تغییر سطح، شناور درون محفظه سطح (پات کنترل سطح) را جابه‌جا می‌کند و با عبور از نقاط مغناطیسی تعیین شده کنتاکت خروجی را تغییر وضعیت می‌دهد. خرابی و سوراخ شدن شناور، رسوب و وضعیت محفظه سطح، بر عملکرد آن اثر می‌گذارند.
• الکترود رسانایی: تماس آب با الکترود، یک نقطه سطح را مشخص می‌کند و کنتاکت خروجی را تغییر وضعیت می‌دهد. این روش برای کنترل پله‌ای، آلارم و محدودکننده کم‌آبی کاربرد دارد و به Conductivity آب و سازگاری پراب و کنترلر وابسته است. برای نمونه، سوئیچ و آلارم سطح VIRA از الکترود رسانایی تک میله‌ای، دو میله‌ای و چهار میله‌ای استفاده می‌کنند.

انواع روش‌های کنترل سطح آب دیگ بخار

انواع سطح سنج آب بر اساس استراتژی و منطق کنترل عبارت‌اند از:

• کنترل روشن/خاموش (On/Off): در این ، پمپ آب تغذیه فقط دو حالت دارد: روشن یا خاموش. وقتی سطح آب به حد پایین برسد، پمپ روشن می‌شود و وقتی سطح به حد بالا برسد، پمپ خاموش می‌شود. این روش برای بویلرهای کوچک و شرایطی که بار تقریباً ثابت است مناسب است. عیب آن این است که سطح آب به صورت پیوسته و مکرر بالا و پایین می‌شود و پمپ نیز مرتب روشن و خاموش می‌شود.
• کنترل تک‌المنتی (Single Element): در این روش، کنترلر فقط سطح آب داخل بویلر را اندازه‌گیری می‌کند. اگر سطح پایین بیاید، کنترلر میزان آب ورودی را بیشتر می‌کند و اگر سطح بالا برود، میزان آب ورودی را کاهش می‌دهد. این روش ساده است و بیشتر برای بویلرهای کوچک یا بارهای نسبتاً ثابت استفاده می‌شود.
•  کنترل دو‌المنتی (Two Element):  در این روش، کنترلر اطلاعات سطح آب بویلر و دبی بخار خروجی را هم‌زمان دریافت می‌کند. اندازه‌گیری دبی بخار کمک می‌کند کنترلر تغییر بار بویلر را سریع‌تر متوجه شود. بنابراین قبل از اینکه تغییر سطح آب خیلی زیاد شود، می‌تواند میزان آب تغذیه را اصلاح کند.
•  کنترل سه‌المنتی (Three Element): در این روش، سه پارامتر سطح آب درام، دبی بخار خروجی و دبی آب تغذیه با هم بررسی می‌شوند. این روش دقیق‌تر است، چون هم وضعیت فعلی سطح آب را می‌بیند و هم مقدار بخار تولیدشده و مقدار آب ورودی را در نظر می‌گیرد. به همین دلیل برای بویلرهای بزرگ و سیستم‌هایی که بار آنها مرتب تغییر می‌کند مناسب‌تر است.

نحوه عملکرد لول کنترل دیگ بخار

عملکرد سطح سنج آب معمولاً از چهار بخش تشکیل می‌شود:

1- حسگر سطح: شناور، پراب رسانایی، پراب خازنی یا ترنسمیتر سطح، وضعیت آب را تشخیص می‌دهد.

2- کنترلر: سیگنال حسگر را با Set Point یا حدود تنظیم‌شده مقایسه می‌کند.

3- خروجی فرمان: کنترلر یک رله، سیگنال جریان مانند 4-20 mA، فرمان سه‌نقطه‌ای یا سیگنال ارتباطی تولید می‌کند.

4- عنصر نهایی کنترل: پمپ آب تغذیه روشن و خاموش می‌شود، دور پمپ تغییر می‌کند یا شیر کنترل آب تغذیه به‌صورت تدریجی باز و بسته می‌شود.

در سیستم On/Off، پمپ در حد پایین روشن و در حد بالاتر خاموش می‌شود. فاصله حد پایین سطح و حد بالای سطح، تعیین کننده زمان قطع و وصل تزریق آب به بویلر و با تعیین صحیح این فاصله می‌توان از قطع و‌ وصل سریع جلوگیری کرد. در کنترل مدولار یاModulating ، مقدار آب ورودی پیوسته تغییر می‌کند تا سطح نزدیک نقطه مطلوب (Set Point) بماند؛ روشی که کنترل بیشتر و دقیق‌تری را روی سطح آب فراهم می‌کند.

نمونه نحوه عملکرد سطح سنج آب (لول کنترل)

اثر Shrink و Swell بر اندازه‌گیری سطح آب

در بویلرهای درام‌دار (معمولا بویلرهای واتر تیوب)، سطح دیده‌شده همیشه معادل جرم آب موجود نیست. افزایش ناگهانی مصرف بخار می‌تواند حباب‌ها را منبسط و سطح ظاهری را بالا ببرد؛ این پدیده Swell است. جمع‌شدن و انقباض حباب‌ها نیز افت ظاهری یا Shrink ایجاد می‌کند. واکنش تند کنترلر به این تغییر موقت، ممکن است نوسان را تشدید کند .برای مدیریت این رفتار در دیگ‌های بزرگ از کنترل دو یا سه‌المنتی استفاده می‌شود.

نحوه تنظیم لول کنترل دیگ بخار

تنظیم لول کنترل، با نظر شخصی و دلخواه انجام نمی‌شود. مرجع اصلی، مدارک سازنده دیگ است که  Normal Water Level، دامنه مجاز و نقاط آلارم را مشخص می‌کند. روند عمومی عبارت است از:

• تأیید مرجع سطح: علامت NWL، آب‌نما، طول پراب و ارتفاع محفظه باید با نقشه و مشخصات بویلر مطابقت داده شود.
• بررسی نمایش: مقدار نشان‌داده‌شده توسط سنسور یا ترنسمیتر باید با مقدار سطح در آب‌نما و روش اندازه‌گیری مورد تأیید سازنده مقایسه شود.
• تنظیم Range: محدوده اندازه‌گیری باید طوری تنظیم شود که نقاط صفر و صد درصد یا سیگنال 4-20 mA دقیقاً با محدوده واقعی سطح مطابقت داشته باشند.
• تعیین Set Point و Control Band: نقطه مطلوب سطح آب و محدوده مجاز تغییرات آن باید بر اساس سطح نرمال، حجم آب بویلر و رفتار بار تنظیم شود. اگر باند کنترل بیش از حد باریک باشد، ممکن است شیر کنترل دچار نوسان مکرر و یا Hunting شود یا پمپ مرتب روشن و خاموش شود. اگر باند بیش از حد باز باشد، نوسان سطح آب بیشتر خواهد شد.
• تنظیم کنترلر: ضرایب PID باید ابتدا بر اساس مقادیر پیشنهادی سازنده تنظیم شوند و سپس در شرایط کنترل‌شده، در صورت نیاز، به‌تدریج اصلاح شوند.
• تست بار: عملکرد سیستم باید در زمان راه‌اندازی، بار پایین و هنگام تغییر بار بررسی شود و روند تغییرات سطح آب و موقعیت شیر کنترل ثبت گردد.
• تست مستقل حفاظت‌ها: آلارم سطح بالا، Low Water Cut-off، Lockout و trip باید به‌صورت جداگانه از حلقه کنترل عادی و مطابق دستورالعمل سازنده تست شوند.
• مقدار عمومی و ثابتی برای Set Point وجود ندارد. هندسه دیگ، فشار، ظرفیت و تأییدیه طراحی، نقاط ایمن را تعیین می‌کنند.

نحوه نصب لول کنترل دیگ بخار

نصب باید توسط فرد صلاحیت‌دار، پس از خاموش‌کردن، ایزوله‌سازی، تخلیه فشار و رسیدن به دمای ایمن انجام شود. پراب یا محفظه سطح (پات کنترل سطح) را هرگز روی دیگ تحت فشار باز نکنید.

در نصب مستقیم، طول پراب، اتصال، فاصله از بدنه باید مطابق دفترچه راهنما یا Manual باشد. در نصب خارجی، محفظه سطح از بالا به فضای بخار و از پایین به فضای آب متصل می‌شود. گرفتگی خطوط، شیر ایزوله بسته یا رسوب، قرائت کاذب ایجاد می‌کند.

ولتاژ، ارت، شیلد، طول کابل و جداسازی سیگنال از قدرت باید مطابق نقشه باشد. خروجی کنترلر نیز باید با پوزیشنر، VFD، کنتاکتور یا شیر کنترلی سازگار باشد. موقعیت نقص عملکرد یا fail position شیر و رفتار سیستم هنگام قطع برق، هوا یا سیگنال باید در طراحی ایمنی در نظر گرفته شوند.

پس از نصب، تست نشتی، کالیبراسیون، کنترل جهت عملکرد شیر یا پمپ، شبیه‌سازی آلارم‌ها و ثبت نتایج Commissioning ضروری است. دستورالعمل نصب VIRA نیز  به جزئیات دقیق نصب اشاره دارد که باید به دفترچه راهنمای مدل انتخابی مراجعه شود.

راهنمای خرید سطح‌سنج و لول کنترل دیگ بخار

خرید فقط بر اساس نام «لول کنترل بویلر» یا سایز اتصال ریسک بالایی دارد. پیش از استعلام، این اطلاعات باید آماده شود:

• نوع دیگ (فایرتیوب یا واترتیوب) یا مخزن 
• ظرفیت تولید بخار و محدوده تغییر بار
• فشار و دمای طراحی و کارکرد
• Normal Water Level و نقاط آلارم طبق نقشه سازنده
• نوع نصب: مستقیم داخل دیگ یا External Chamber
• سایز، نوع و Rating اتصال فرایندی
• کیفیت آب، Conductivity  و شرایط رسوب‌گذاری
• کنترل On/Off یا Modulating و تعداد المان‌های کنترلی
• نوع خروجی مورد نیاز
• مشخصات پمپ، شیر کنترل، اکچویتور و پوزیشنر
• ولتاژ تغذیه، درجه حفاظت و شرایط محیطی
• نیاز به آلارم High/Low،  Low Water Switchمستقل و  Redundancy
• استانداردها، تأییدیه‌ها و الزامات بازرسی پروژه

محدوده یا Scope  تأمین نیز باید روشن باشد. یک پیشنهاد ممکن است فقط پراب و پیشنهاد دیگر کنترلر، نمایشگر، لیمیت سوئیچ، محفظه، کابل و شیر کنترل را شامل شود. مقایسه قیمت بدون یکسان‌سازی محدوده تامین گمراه‌کننده است.

برای جایگزینی مدل قدیمی، مشابه‌بودن رزوه کافی نیست. طول و اصل اندازه‌گیری، فشار و دمای مجاز، Conductivity  آب، سیگنال، سازگاری سنسور و کنترلر، عملکرد Fail-safe و تأییدیه‌ها باید تطبیق یابند. جایگزینی تجهیز حفاظتی بدون تأیید فنی توصیه نمی‌شود.

برای انتخاب یا جایگزینی لول کنترل، سوئیچ سطح، پراب و شیر کنترل آب تغذیه دیگ بخار، مشخصات بویلر، فشار و دمای کار، نوع اتصال، طول پراب و سیگنال خروجی مورد نیاز را برای واحد فنی انرژی تجهیز ارسال کنید. پس از بررسی اطلاعات، مدل مناسب تجهیزات VIRA و محدوده کامل تأمین به شما پیشنهاد خواهد شد.

خطاهای رایج در عملکرد سطح سنج آب

خطای سطح همیشه از کنترلر نیست. رسوب پراب، گرفتگی محفظه، کف‌کردن آب، بازه یا Range  اشتباه، نویز کابل، سایز نامناسب شیر، فشار ناکافی آب تغذیه و تنظیم نامناسب همگی مؤثرند.

در اختلاف نمایشگر و آب‌نما، ابتدا شیرها، تمیزی خطوط، فشار و سنسور بررسی شوند. رفت‌وبرگشت مداوم شیر نیز می‌تواند از Control Band، PID، لقی اکچویتور یا Oversizing باشد. آلارم کم‌آبی را بدون یافتن علت آلارم ریست نکنید.

سوالات متداول درباره لول کنترل و سطح‌سنج آب

آیا لول کنترل همان شیشه آب‌نما است؟

خیر. شیشه آب‌نما سطح را به‌صورت بصری و عینی به اپراتور نشان می‌دهد، اما لول کنترل بر اساس سیگنال سنسور به پمپ یا شیر آب تغذیه فرمان می‌دهد. هر دو به‌طور هم‌زمان در بویلر وجود دارد.

برای دیگ بخار کنترل On/Off بهتر است یا  Modulating؟

پاسخ به ظرفیت، حجم آب، تغییرات بار، سیستم آب تغذیه و توصیه سازنده بستگی دارد. On/Off ساده‌تر است؛ Modulating معمولاً سطح و دبی آب را نرم‌تر کنترل می‌کند و برای بارهای متغیر مناسب‌تر است.

علت نوسان زیاد سطح آب دیگ بخار چیست؟

تغییر سریع بار، Shrink  و Swell، تنظیم نامناسب PID، شیر کنترل بزرگ‌تر از نیاز، رسوب سنسور، گرفتگی خطوط محفظه یا فشار نامناسب آب تغذیه از علل محتمل هستند. عیب‌یابی باید کل حلقه را پوشش دهد.

آیا می‌توان لول کنترل قدیمی را با هر مدل هم‌اتصال جایگزین کرد؟

خیر. علاوه بر اتصال مکانیکی، اصل اندازه‌گیری، طول پراب، فشار و دمای مجاز، رسانایی آب، نوع خروجی، سازگاری اجزا و تأییدیه ایمنی باید تطبیق داده شوند.

Set Point مناسب سطح آب دیگ چقدر است؟

عدد عمومی برای همه دیگ‌ها وجود ندارد. Set Point، محدوده کنترل و نقاط آلارم باید از نقشه، دیتا شیت و دستورالعمل سازنده همان بویلر استخراج و هنگام Commissioning تأیید شوند.