一種新型預(yù)防水垢影響的鍋爐液位傳感技術(shù)

王鵬鵬 李德念

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

本文研究對(duì)象為蒸汽自動(dòng)清洗機(jī)，是一種集成式小型水蒸汽發(fā)生設(shè)備，通過(guò)產(chǎn)生高溫高壓蒸汽來(lái)達(dá)到清洗的目的。在清洗機(jī)所使用的自來(lái)水中包含有大量的鈣離子和硅酸根離子等物質(zhì)，在高溫作用下會(huì)產(chǎn)生水垢，附著在鍋爐內(nèi)部?；谶@種情況，傳統(tǒng)的電極式液位傳感器在長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)因?yàn)樗竼?wèn)題而導(dǎo)致誤差偏大甚至傳感器失效，無(wú)法滿足實(shí)際使用的需要。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種適用于集成式小型水蒸汽發(fā)生設(shè)備的磁浮式液位傳感技術(shù)，能夠有效解決因?yàn)樗竼?wèn)題而導(dǎo)致的檢測(cè)誤差。

1 蒸汽清洗機(jī)的概述

蒸汽自動(dòng)清洗機(jī)（如圖1所示）是一種集成式小型水蒸汽發(fā)生設(shè)備，設(shè)備由油路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、鍋爐燃燒系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、電路電氣系統(tǒng)組成。設(shè)備小型鍋爐中的水經(jīng)高溫加熱后轉(zhuǎn)化為飽和高溫水蒸汽，通過(guò)軟管輸送到噴槍?zhuān)M(jìn)行清洗作業(yè)。其工作原理圖如圖2所示。鍋爐中的水由于高溫加熱，需對(duì)水的液位進(jìn)行有效監(jiān)控，以避免出現(xiàn)干燒安全隱患。

圖1 蒸汽自動(dòng)清洗機(jī)

圖2 蒸汽洗車(chē)機(jī)工作原理圖

1.1 常見(jiàn)的鍋爐液位傳感器類(lèi)型

液位傳感器，又稱(chēng)水位開(kāi)關(guān)，是通過(guò)液位來(lái)控制線路通斷的開(kāi)關(guān)；目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的液位傳感器主要有石墨棒、鎢鋼棒、不銹鋼棒、SKDII、干簧管浮球磁性傳感器。

1）石墨棒（缺點(diǎn)：無(wú)法完整可靠密封安裝，鎖緊后石墨棒易脆斷，長(zhǎng)期在高溫蒸汽環(huán)境中使用容易失效，可靠性差）

2）鎢鋼棒、不銹鋼棒、SKDII（缺點(diǎn)：長(zhǎng)期在水中使用，容易在其表面形成一層致密的水垢，導(dǎo)致鎢棒也無(wú)法導(dǎo)電，使其功能喪失）

3）干簧管浮球磁性傳感器（缺點(diǎn)：干簧管工作范圍是（-40～125）°，當(dāng)使用環(huán)境溫度超出這個(gè)溫度后，干簧管的AT值，即靈敏度會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致產(chǎn)品不能正常吸合或斷開(kāi)；②在高溫水中，由于燒開(kāi)的水液位波動(dòng)幅度大，直接影響浮球上、下波動(dòng)，嚴(yán)重影響干簧管的壽命，使傳感器失效。）

2 鍋爐水垢對(duì)液位傳感器的影響分析

自來(lái)水中含有較高含量的Ca2+、Mg2+、SiO2和其它重金屬離子，然而眾所周知，自來(lái)水經(jīng)過(guò)高溫加熱后，容易產(chǎn)生水垢。鍋爐水垢形成機(jī)理，是經(jīng)過(guò)復(fù)雜的物理、化學(xué)變化, 特別是在運(yùn)行中鍋水中發(fā)生受熱、蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶及物質(zhì)間反應(yīng)等理化變化, 導(dǎo)致了鍋爐水中沉淀物的析出, 從而形成水垢。而當(dāng)水垢吸附在傳感器上，將使其無(wú)法有效監(jiān)測(cè)水位。

3 外置磁控式液位開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

防止水垢對(duì)清洗機(jī)水位檢測(cè)系統(tǒng)造成影響的方案有兩個(gè)方向：一個(gè)是通過(guò)水過(guò)濾裝置對(duì)自來(lái)水進(jìn)行凈化，提前過(guò)濾掉水中大部分的鈣離子、鎂離子以減少水垢的產(chǎn)生；另一種是該變水位監(jiān)控的方式，即使在水垢較多的情況下也能有效對(duì)水位情況進(jìn)行監(jiān)控。

由于蒸汽自動(dòng)清洗機(jī)是一種可以靈活自由移動(dòng)的設(shè)備，如果用大型的水過(guò)濾裝置則必然會(huì)對(duì)限制清洗機(jī)的工作范圍，而小型的過(guò)濾器由于需要頻繁的更換，造成使用成本的增加，因此選擇改變水位監(jiān)控的方式，并對(duì)多種監(jiān)控方式進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，最終設(shè)計(jì)了一種磁控式的洗車(chē)機(jī)鍋爐水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.1 磁控式液位開(kāi)關(guān)技術(shù)方案設(shè)計(jì)

不同于傳統(tǒng)的電極式液位監(jiān)控系統(tǒng)需要將傳感器的檢測(cè)棒伸到在鍋爐浸沒(méi)在水中，磁控式的液位監(jiān)控系統(tǒng)可以將所有的電路元件都置于鍋爐外部（如圖3所示），其工作情況不會(huì)受到鍋爐內(nèi)環(huán)境的影響。

圖3 磁控式液位開(kāi)關(guān)系統(tǒng)

3.1.1 磁控開(kāi)關(guān)工作原理

磁控式液位開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖4所示，主體鋼管安裝在鍋爐外面，橫向的兩條連接管是連通鍋爐內(nèi)部的，主體鋼管內(nèi)部水位實(shí)時(shí)與鍋爐水位保持一致，磁控開(kāi)關(guān)通過(guò)固定支架固定。鋼管內(nèi)裝有一個(gè)浮子，浮子上端鑲嵌永磁體，根據(jù)浮子大小選擇合適的鑲嵌位置，當(dāng)浮球浮起后使磁體位置能和液位大致保持在同一位置，實(shí)時(shí)反饋容器內(nèi)部液位。當(dāng)鍋爐水位降到低水位時(shí)，浮子是處于低水位，低水位感應(yīng)開(kāi)關(guān)干簧管受到浮子上磁鐵的吸力而閉合，電路接通，控制器接收到此電信號(hào)，啟動(dòng)水泵往鍋爐內(nèi)補(bǔ)水，當(dāng)水位補(bǔ)水上升到高水位時(shí)，高水位感應(yīng)開(kāi)關(guān)的干簧管受到浮子上磁鐵的吸力而閉合，電路接通，控制器接收到此電信號(hào)，停止水泵，循環(huán)往復(fù)。

圖4 磁控開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)原理圖

此技術(shù)方案的關(guān)鍵是，其電路感應(yīng)開(kāi)關(guān)是安裝在鍋爐外面的，不受內(nèi)部是否結(jié)垢的影響，不像電極式的電極棒是安裝在內(nèi)部的水中，存在結(jié)水垢隱患。主體銅管和浮子即使結(jié)了水垢，也不影響磁鐵的磁場(chǎng)，不影響對(duì)干簧管的吸力。

3.2 磁控開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

鋼管外面裝有高水位磁控開(kāi)關(guān)和低水位磁控開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)感應(yīng)組件包括干簧管、導(dǎo)線和保護(hù)用瓷殼，用乙基快干膠對(duì)干簧管進(jìn)行固定，瓷殼內(nèi)部用環(huán)氧樹(shù)脂填充，并加入軟化劑，以防止高溫時(shí)因?yàn)榕蛎洺霈F(xiàn)裂紋。

干簧管是監(jiān)控水位變化的關(guān)鍵組件，通常情況下，干簧管內(nèi)的電路處于斷開(kāi)的狀態(tài)，當(dāng)受到一個(gè)足夠大的磁場(chǎng)力作用時(shí)就會(huì)閉合，輸出相應(yīng)的電信號(hào)。但傳統(tǒng)的干簧管元件由一個(gè)明顯的缺點(diǎn)就是在磁性元件離開(kāi)后就會(huì)斷開(kāi)，當(dāng)浮子隨鍋爐內(nèi)液位變化而超過(guò)測(cè)量開(kāi)關(guān)后就無(wú)法持續(xù)的輸出相應(yīng)的電信號(hào)。為解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)在干簧管外再增加一個(gè)小型磁鐵。

小磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)較弱，不能直接將干簧管吸合，當(dāng)浮子內(nèi)磁鐵的磁場(chǎng)與干簧管外的小磁鐵磁場(chǎng)疊加時(shí)，吸合干簧管，使干簧管觸發(fā)；當(dāng)浮子內(nèi)磁鐵的磁場(chǎng)與干簧管外的小磁鐵磁場(chǎng)相互抵消時(shí)，干簧管斷開(kāi)。而在這段時(shí)間內(nèi)，干簧管受到的磁力大小一直維持在臨界點(diǎn)附近，保持一個(gè)吸合的狀態(tài)。隨著浮子的移動(dòng)，磁控開(kāi)關(guān)的磁場(chǎng)變化情況可分為三個(gè)階段：

第一階段：外置磁性元件由下至上靠近干簧管。磁場(chǎng)先抵消后疊加，磁力先減弱后變強(qiáng)，干簧管由斷開(kāi)變?yōu)殚]合（如圖5（a）所示）；

圖5 磁控開(kāi)關(guān)磁場(chǎng)變化圖

第二階段：外置磁性元件由下至上離開(kāi)干簧管。干簧管在小磁體的磁力下繼續(xù)保持閉合，外置磁性元件離開(kāi)干簧管一直保持閉合（如圖5（b）所示）；

第三階段：外置磁性元件由上至下再次接近干簧管。磁場(chǎng)先疊加后抵消，磁力先變強(qiáng)后減弱。干簧管由閉合變?yōu)閿嚅_(kāi)（如圖5（c）所示）。

通過(guò)設(shè)置在干簧管外的小磁鐵，使得浮子離開(kāi)后仍能夠保持干簧管的觸發(fā)動(dòng)作，在不需要精確測(cè)量的場(chǎng)合能夠減少干簧管數(shù)量的使用，減少測(cè)量端口使用。

4 技術(shù)方案可靠性測(cè)試驗(yàn)證

將外置磁控式液位開(kāi)關(guān)與傳統(tǒng)的鎢鋼棒、不銹鋼棒開(kāi)關(guān)分別安裝在方形鍋爐上，使用2個(gè)功率為2 kW的電加熱器，整機(jī)的功率為4.5 kW，在常溫下進(jìn)行長(zhǎng)期可靠性運(yùn)行測(cè)試。當(dāng)運(yùn)行至72 h時(shí)，裝了電極式液位傳感器機(jī)器出現(xiàn)E2故障報(bào)警（即液位傳感異常），導(dǎo)致機(jī)器無(wú)法正常運(yùn)行。而裝磁控式液位開(kāi)關(guān)機(jī)器運(yùn)行正常，拆機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)電極式液位傳感器與磁控開(kāi)關(guān)管道內(nèi)壁已吸附有水垢，如圖6、7、8所示。

圖6 鎢鋼棒

圖7 不銹鋼棒

圖8 管道內(nèi)壁

將安裝外置磁控式液位開(kāi)關(guān)的機(jī)器，繼續(xù)運(yùn)行至1 800 h，用水6 m2，機(jī)器均未出現(xiàn)過(guò)液位感應(yīng)異常報(bào)警，磁控液位開(kāi)關(guān)一直能正常感應(yīng)液位并進(jìn)行缺補(bǔ)水。拆機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)此時(shí)鍋爐內(nèi)部已結(jié)滿水垢，水垢厚度高達(dá)2.5 mm，如圖9所示。

圖9 鍋爐內(nèi)壁水垢

5 結(jié)語(yǔ)

該預(yù)防水垢影響的鍋爐液位傳感技術(shù)是通過(guò)改進(jìn)鍋爐結(jié)構(gòu)，利用電磁式液位傳感器，避免了傳感器與鍋爐水的直接接觸，從而使其不會(huì)受到水垢的影響。對(duì)于蒸汽洗車(chē)機(jī)這樣一種集成式小型水蒸汽發(fā)生設(shè)備，可以有效的提高水位監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，并且不會(huì)對(duì)設(shè)備使用的靈活性造成影響，適宜于在集成式小型水蒸汽發(fā)生設(shè)備上使用。