سوئیچ های حساس به سطح آب در مخازن بخار و آب گرم

نویسنده: Glenn Showers

ماخذ: Boiler System Engineering

مقدمه

چرا باید نگران حفاظت از تجهیزات تولید آب گرم و بخار در برابر پایین افتادن سطح آب در دیگ باشیم؟

مگر نه این است که لوله های فولادی دیگ می توانند در صورت از دست دادن آب در دمای بالا نیز مقاومت کنند؟
بر خلاف آنچه به نظر می رسد ابداً چنین نیست!

اگر از گذشته پند بگیریم، متوجه میشویم که شرایط کم آبی در دیگ می تواند صدمات جدی به سیستم تولید آب گرم و یا بخار وارد نماید. جدول ۱ خلاصه ای از حوادث رخ داده در دیگ ها را طی سال های ۱۹۹۲ تا ۲۰۰۰ نشان میدهد که توسط هیئت ملی بازرسان دیگها و مخازن فشار تهیه گردیده است. همان طور که مشاهده میکنید نکات مثبت و منفی در این اعداد وجود دارند؛ جنبه مثبت آن این است که حوادث ناشی از کم شدن سطح آب در دیگ، منجر به صدمات جانی ناچیزی شده است؛ شاید به این علت که پیشرفت شرایط مربوط به دمای بیش از حد که منجر به کاهش آب در سیستم می شود بسیار تدریجی صورت می گیرد. اما نکته منفی در این گزارش حوادث ناشی از کمبود آب در سیستم، درصد و تعداد عمده ای از حوادث و صدمات وارده به تاسیسات را طی این دوره نه ساله شامل شده است.

شکل1: نمونه ای از سوییچ حساس به سطح آب

پیش زمینه

محافظ های سطح آب در بسیاری از استاندارد های ایمنی احتراق برای حفاظت از دستگاه الزام گردیده اند از جمله استاندارد انجمن ملی حفاظت در برابر حریق تحت عنوان استاندارد برای کارکرد دیگ های تک مشعل و همچنین استاندارد انجمن مهندسین مکانیک آمریکا تحت عنوان (ASME) ابزارهای کنترل و ایمنی برای دیگ های دارای مشعل خودکار. اما این محافظ ها در برابر شرایط احتراق مشعل چنان که دیگر محافظ های احتراق مورد نیاز عمل می کنند حفاظت لازم را ارائه نمی دهند. ابزارهای حفاظت از سطح آب در سیستم تنها در سیستم های احتراقی یافت میشوند که کار اصلی آنها انتقال گرمای حاصل از احتراق به دیگ هاست.

در این مقاله از واژه دیگ برای اشاره به تجهیزات تولید بخار، آب داغ و روغن داغ استفاده شده است. هنگامی که سطح آب به پایین تر از حداقل تعیین شده می رسد، سیستم راهبری مشعل شیرهای ایمنی قطع سوخت را فعال نموده و با قطع جریان سوخت به داخل مشعل و کم کردن حرارت دیگ باعث اجتناب از صدمات ناشی از بالا رفتن بیش از حد دما می گردد.
عملکرد اصلی دیگهای بخار، آب گرمکن ها و سیستم های تولید روغن داغ انتقال حرارت تولید شده از فرآیند احتراق از لوله های بخار دیگ به مایع است که باعث تولید بخار مورد نیاز می گردد. به همین دلیل، سطح مایع باید در حد معینی حفظ شود تا از جذب حرارت توسط قطعات فولادی سیستم و بالا رفتن بیش از حد دما و به تبع آن، کم شدن استحکام این قطعات جلوگیری به عمل آید.

معمولاً سازنده دستگاه، سطح آب لازم برای تولید بخار را به منظور سرد باقی ماندن اجزای انتقال دهنده حرارت تعیین می کند. زمانی که سطح مایع خیلی پایین بیاید، اجزای انتقال دهنده حرارت بیش از اندازه داغ شده و از کار خواهند افتاد.

جدول1: تاریخچه ای از حوادث رخ داده به علت کمبود آب در دیگ

جدول2: خلاصه ای از استاندارد های NFPA و ASME

نیازمندی های تعیین شده توسط NFPA و ASME

NFPA و همچنین ASME استانداردهایی را در رابطه با محافظت های لازم برای احتراق در دیگ های آب داغ و دیگ های بخار تدوین کرده اند. این استانداردها به
طور دائم در حال بازنگری و به روزآوری بوده و به صورت دوره ای مورد اصلاح قرار میگیرند تا بتوانند حاوی آخرین اطلاعات و فناوری موجود باشند. اطلاعات ارائه شده در جدول ۲ از این استانداردها استخراج گردیده اند.
هشداردهنده ها در این فهرست گنجانده نشده اند زیرا این تجهیزات جزو محافظ های احتراق به شمار نمی آیند؛ البته در مورد سوئیچ های حساس به سطح آب معمولا از یک هشدار دهنده به منظور آگاه کردن کاربر از شرایط کم آبی سیستم استفاده می شود.

شکل2: نمونه ای از یک سوییچ الکترودی

منطق کنترل

سیستم کنترل قطع کننده مدار باید وقتی که سطح آب به پایین تر از حد تنظیم شده در سوئیچ سطح برسد، باعث بسته شدن تمام شیرهای مربوط به سوخت و پیلوت گردد از طریق یک کنترل کننده اصلی سوخت پس از فعال شدن کنترل کننده اصلی و قطع سوخت سیستم باید به طور دستی از جایی و به روشی ریست شود که بتوان علت قطع سوخت را تعیین کرده و قبل از راه اندازی مجدد سیستم، علت بروز اشکال را بر طرف نمود.

در دستورالعمل های مربوطه الزام گردیده است که قطع کننده های حساس به پایین بودن سطح آب (LWCO) با همان سوئیچ های سطح دارای طراحی ایمن از خرابی باشند، در عین حال یک قطعی مدار، قطع شدن سیم و یا اشکال در سیستم الکتریکی، باعث فعال کردن سیستم کنترل سوخت و جلوگیری از کارکرد مداوم دیگ خواهد شد. نقطه تنظیم واقعی برای سوئیچ قطع کننده حساس به پایین بودن سطح آب باید توسط شخصی تعیین شود که از مشخصات مربوط به سطح آب دیگ مورد حفاظت آگاهی داشته باشد به گونه ای که همیشه بخش های تحت فشار در مقابل شرایط کم آبی حفاظت گردند. این سطح معمولاً توسط سازنده دیگ تعیین می شود.

محل قرارگیری سوئیچ سطح

سوئیچ های قطع کننده حساس به سطح آب (سوئیچ سطح) و ابزارهای حس کننده خطر، به طور مستقیم به محفظه بخاره متصل میشوند همان طور که در بسیاری از دیگ های فایر تیوب دیده میشود و یا این که در ستون آب که از طریق لوله های حسگر به محفظه بخار متصل هستند، تعبیه می گردند.
هشدار دهنده های سطح آب و سوئیچ های قطع کننده باید طوری تنظیم شوند که هماهنگ با سطح آب قابل مشاهده در گیج شیشه ای دیگ عمی کنند.

انواع سوئیچ های سطح

سوئیچ های قطع کننده حساس به آب معمولاً یا از نوع الکترودی و یا از نوع شناور می باشند. در نوع الکترودی (شکل۲) سطح آب موجود در سیستم با بالاتر رفتن یا پایین تر رفتن از سطح الکترود، باعث قطع یا وصل شدن مدار الکتریکی می گردد. در نوع شناور (شکل۳) سطح آب به طور مکانیکی باعث به حرکت در آوردن شناور به سمت بالا یا پایین شده و بدین ترتیب یک سوئیچ برقی را حرکت میدهد و این سوئیچ در سطوح بالا و پایین مایع باز یا بسته می شود.
هر دو نوع این سوئیچ ها با اتکا پذیری مشابهی کارکرده و سطح آب را در دیگ به خوبی حفظ می کنند. اما اگر آب ورودی به هر علتی از شرایط عادی خود خارج شود هر یک از این سوییچ ها دارای نقاط ضعف و قوت خاص خود می باشند که در هنگام طراحی یک سیستم جدید باید به این مسئله توجه داشته باشید. به عنوان مثال اگر آب موجود در دیگ به روغن (که میتواند از مسیر بارگشت چگالیده به آب وارد شود) آلوده گردد آلودگی روغن باعث ایجاد کف در محفظه بخار می شود. هدایت الکتریکی این کف میتواند به جای بالاتر بودن سطح آب در سوئیچ های نوع الکترودی تعبیر شود اما در نوع شناوری این مسئله مشکل چندانی به وجود نمی آورد. از سویی دیگر اگر سختی بالای آب ورودی به دیگ بتواند باعث ایجاد رسوب بر روی شناور نیز تشکیل شده و باعث سنگین شدن آن میشود که می تواند به اشتباه به صورت پایین بودن سطح آب نمود پیدا کند اما چنین پدیده ای بر روی سوئیچ های الکترودی تاثیر چندانی ندارد.

شکل3: نمونه ای از یک سوییچ از نوع شناور

نحوه آزمایش ابزار های محافظ

پایین بودن سطح آب به عنوان علت اصلی بسیاری از مشکلات در دیگ ها معرفی گردیده است. به همین علت است که استانداردهای NFPA و ASME آزمایش های دوره ای سوئیچ های حساس به سطح آب را الزام نموده اند. تمهیدات انجام آزمایش باید در نصب سوئیچ های حساس به سطح آب و همچنین هشدار دهنده ها منظور شود. در این آزمایش، هنگامی که سطح آب از گیج شیشه ای خوانده می شود سوئیچ های بالا یا پایین باید در نقاط تنظیم شده به خوبی فعال
گردند. سطح معمول آب و نقاط تنظیم شده را می توان به طور مستقیم روی چارچوب اطراف گیج شیشه ای و نزدیک به شیشه علامت زده و بدین ترتیب نتایج حاصل از آزمایش را به سادگی بررسی نمود. در این آزمایش همچنین سیستم هشدار دهنده باید به موقع فعال شده و شیرهای ایمنی قطع سوخت در نقاط پیش بینی شده عمل نمایند.
استانداردهای NFPA و ASME هر دو به آزمایش های روزانه و نیم سالانه سوئیچ های حساس به سطح آب اشاره می کنند.

دستورالعمل های مربوطه، نصب یک سوئیچ بای پس آنی برقی در پیرامون سوئیچ های حساس به سطح آب که توسط این استانداردها تأیید شده اند و همچنین یک لامپ پیلوت که عملکرد سوئیچ را نشان دهد الزام کرده اند. زمانی که ستون آب یک بار در شیفت تخلیه میشود اپراتور کافی است مشاهده کند که چراغ در زمان پایین آمدن سطح آب در گیج شیشه ای خاموش شده که نشان میدهد سوئیچ مربوطه در حال کار کردن است. این روش به عنوان یک آزمایش سریع تلقی میگردد زیرا هدف این است که رسوب موجود از ستون آب تخلیه شود و بنابراین سرعت بالایی برای آب مورد نیاز است.
روش آزمایش دوم که به طور نیم سالانه انجام میگیرد تخلیه آهسته در حالتی است که آب داغ بوده ولی دیگ در حال کار نمی باشد. آب موجود باید به تدریج از ستون آب معمولاً از طریق مسیرهای تخلیه دیگ تخلیه شده و در همین حالت لامپ پیلوت تحت نظر قرار گیرد. این آزمایش کند در عمل واقعی بودن شرایط کم آبی در سیستم را دو چندان ساخته و می تواند نشان دهد که آیا رسوبی که بتواند عملکرد سوئیچ را دچار اختلال کند در سیستم وجود دارد یا خیر.

نتیجه گیری

مدت چندین سال است که سیستم های کنترل مشعل دیگ ها طراحی و آزمایش شده اند و مشاهده شده است که سوئیچ های حساس به پایین بودن سطح آب ممکن است دچار اشکال شوند. چنین اشکالاتی در اثر شکسته شدن الکترودها، ایجاد سوراخ در شناور سوختن اتصالات سوئیچ، قطع شدن سیم ها و غیره به وجود می آیند. آزمایش های دوره ای این قطعات مهم در دیگ ها، همان طوری که در این مقاله مورد بحث قرار گرفت و توسط استانداردهای مربوطه نیز الزام گردیده اند روش پیشگیرانه ساده ای برای نگهداری این تجهیزات بوده و می تواند از بروز خطاهای پرهزینه بعدی جلوگیری به عمل آورد.

منبع: مجله صنعت تاسیسات شماره 57

اگر شما هم مشتاق یادگیری تخصصی و حرفه ای دوره های تاسیسات مکانیکی با اساتیدی مجرب هستید میتوانید در دوره اصول طراحی تاسیسات مکانیکی ساختمانی، بیمارستانی و صنعتی ثبت نام کنید.