Архив / 1997 / №1(11) / 

Защита и управление при эксплуатации погружных электронасосов. Датчики уровня (Продолжение. Начало в №№ 5-10)

Первыми были разработаны системы автоматики с электродными датчиками уровня, снабженные устройством электрообогрева мощностью 30...50 Вт. Это было достаточно, чтобы в любой мороз датчики действовали надежно и четко [1].

Благодаря обогреву электродов в слое льда в баке вокруг датчика всегда сохранялось чистое "окно" воды, обеспечивающее нормальную подачу воды в бак от насоса даже в самые сильные морозы (по ТУ до минус 40°С), когда бак буквально обрастал льдом. Датчики были выполнены так, что электроды противоположной полярности отделялись друг от друга не изолирующими прокладками, а сравнительно большими воздушными промежутками. Это предотвращало появление токов утечки через поверхность изоляции. Благодаря такой конструкции датчики не боялись ни пыли, ни грязи, ни сырости, ни инея, ни перепадов температуры, ни росы. В целом это были надежные и безотказные устройства.

Однако такие датчики имели высокое напряжение электрообогрева (220В), что в условиях повышенной влажности, при работе в воде, не всегда было безопасно. Кроме того, конструктивно они были выполнены в виде трех коаксиальных труб, две из которых – общий электрод с электроподогревом и электрод нижнего уровня (НУ), имеют длину 0,5 м.

Электрод верхнего уровня (ВУ) располагался между двумя упомянутыми и имел длину 0,1 м. В целом датчик был материалоемок и пригоден не для всех систем башенного водоснабжения.

Так в системах, где максимальный часовой расход меньше подачи насоса и при использовании электронасоса с номинальной подачей 63 м3/час, частота включений его при перепаде уровней 0,5 м может достигать пяти раз в час, что противоречит требованиям ГОСТ на частоту включений погружных электродвигателей (не более трех включений в час с минимальным перерывом 15 минут).

Позднее конструкция датчика была коренным образом переработана. Материалоемкость сокращена, расстояние между ВУ и НУ, а следовательно и перепад контролируемых уровней увеличен по 1,0 м.

Было устранено высокое напряжение путем исключения самого устройства электроподогрева.

Новый электродный датчик уровня, изготовляемый в соответствии с ТУ16-536.678-81, рассчитан для работы в воде с температурой от плюс 1оС до плюс 40оС.

Напомним, что главной особенностью не обогреваемых цельнометаллических водонапорных башен Рожновского (БР) является отсутствие искусственного обогрева и образование ледяной «шубы» внутри башни в зимнее время, которая служит естественным теплоизолятором. При достаточно сильных морозах нередко льдом покрывается и зеркало воды в башне. Однако более часто наблюдается такое явление, когда зеркало воды покрыто ледяной шугой.

В таких условиях работа электродного датчика уровня, поставляемого в комплекте «Каскад», оказывается невозможной. При полном замерзании зеркала вода не достигает контактов верхнего уровня (ВУ) и электронасос, не нарушая корки льда, работает вхолостую.

Если замерзание окна произошло в зоне нижнего контролируемого уровня в ночной период, когда водоразбора нет, то при возобновлении расхода воды башня оказывается наполовину пустой, то есть недоиспользуется емкость бака, снижается не расходуемый запас и давление воды у потребителей.

В том случае, когда зеркало полностью не замерзает, а покрыто шугой, контакты ВУ обмерзают, между ними набивается ледяная крошка и они теряют электропроводность. При этом происходят переливы башен, что является причиной полного их замерзания и опрокидывания.

Таким образом, не учет в ТУ на датчики возможности образования на электродах и вокруг него льда является первым недостатком, нарушающим его работоспособность. Второй недостаток заключается в применении капроновых изоляторов между разнополярными электродами. В процессе длительной работы изоляторы покрываются отложениями солей, влагой, инеем. В результате, между электродами образуются значительные токи утечек, и датчики теряют работоспособность.

Поэтому комплект автоматики для водонапорных башен типа «Каскад» в зимнее время способен работать лишь в ручном режиме. Нередко обслуживающий персонал, во избежании замерзания башни, оставляет электронасос включенным всю ночь. Происходит перелив башни. Для устранения перечисленных недостатков в технологическом процессе водоснабжения с использованием водонапорных башен БР необходимо создать такой датчик, работа которого не зависела бы от естественного процесса льдообразования в башне.

Существует множество конструкций и разработок такого датчика. Рассмотрим лишь один типичный пример.

Обогреваемый электродный датчик уровня с использованием U- образного трубчатого нагревательного элемента ТЭН (U =220B, Р = 3,5...5 кВт) рассчитан на применение пониженного напряжения 36 В. При этом выделяемая мощность нагрева снижается в 30...50 раз и составляет 70...150 Вт. Обогревательный элемент (его защитная трубка) в датчике используется а качестве электрода нижнего уровня. В качестве общего электрода используется корпус башни. Толщина защитной трубки не превосходит 1,0 мм.

Анализ ряда выпускаемых промышленностью ТЭНов для применения в датчиках дал отрицательные результаты. Существует ряд особенностей эксплуатации датчиков в системах башенной автоматики:

– расстояние между контактами НУ и ВУ должно быть не ниже 0,75м, в противном случае частота включений электронасоса превысит допустимую величину;
– среда, в которой работает датчик, меняется, так как при достижении воды ВУ он находится в воде, а НУ в воздухе;
– сопротивление нагревательной проволоки для обеспечения требуемой мощности обогрева при 36 В не должно превышать 20 Ом.

Указанные особенности не соответствуют требованиям эксплуатации ТЭНов и их техническим показателям.

Так не допускается применение ТЭНовв двух разных средах (ГОСТ 13268-83).
Кроме того, в номенклатуре выпускаемых ТЭНов отсутствуют такие, которые удовлетворяют одновременно требуемым показателям по длине, сопротивлению нагревательной проволоки и ресурсу.

Таким образом, конструкция датчика уровня должна отвечать следующим требованиям:

1. Электродный датчик уровня должен иметь электрический обогрев пониженного напряжения, величину которого необходимо выбрать. Для понижения напряжения в конструкции необходимо предусмотреть блок питания, который в зависимости от расстояния от насосной станции (НС) до башни может располагаться как в помещении НС, так и за ее пределами на открытом воздухе.

В связи с этим, датчик должен состоять из обогреваемого измерительного преобразователя и блока питания соответствующего климатического исполнения.

2. Измерительный преобразователь (в дальнейшем преобразователь) должен иметь два электродных контакта ВУ и НУ; для изоляции разнополярных электродов должны использоваться воздушные промежутки. Сопротивление контактов в воде должно обеспечивать работу исполнительных элементов станций управления и не должно превышать 250 Ом.

3. Нагрев преобразователя должен осуществляться по всей длине равномерно.

Эти требования были учтены при разработке датчика уровня ДУО (датчик уровня обогреваемый) (рис. 1). Параметры датчиков приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные рабочие характеристики

Показатели

Значение показателей

- потребляемая мощность, Вт

72,0...82,0

- напряжение питания, В

19+1,9...24+2,4

- частота тока, Гц

50+0,4

- температура спирали, не более, оС

413,0

- сопротивление спирали, Ом

18

-сопротивление одной пары электродов
в воде, не более, Ом
общего электрода (оС) при температуре
наружного воздуха -40оС


250,0
+5,0

- масса без кабеля питания, кг

5,5

- габариты, мм:
длина
диаметр


1095
185

Электрод НУ и ВУ:
высота электродов,мм
количество штанг, штук


40,0
3

Основы расчета параметров и принципы построения конструкции датчиков следующие.

Необходимая для обеспечения положительной температуры +5оС (tB) на поверхности общего электрода при температуре окружающего воздуха минус 40оС (tН) мощность (Ртреб) может быть получена  из выражения (1):

Ртреб = a · S · (tВ-tН), (1)

где a - коэффициент теплоперехода от внешней поверхности общего электрода к окружающей среде (воздуху). Для условий незначительного движения воздуха, равного 0,5 м/сек, a = 15 Вт/м2град;

S - площадь поверхности общего электрода.

Длина общего электрода равна 1,0 м и его диаметр 21,3 мм. С уменьшением диаметра общего электрода снижается требуемая для обогрева мощность, однако уменьшение диаметра общего электрода ограничивается необходимостью расположения внутри его нагревательного элемента.

Ртреб = 15·1,2·0,0213·3,14·45 = 54 Вт

Величина сопротивления (R) нагревательной проволоки, при которой обеспечивается Ртреб с учетом изменения напряжения питающей сети и выполнения требования Т3 по величине сопротивления подводящих проводов (1 Ом), определяется из выражения

P = (Uмин/R+R1) · R

где Uмин = 24 · 0,925 = 2,2 В

P - треб., мощность 54 Вт;

R1- сопротивление проводов в 1 Ом.

Отсюда R = 7,0 Ом.

Параметры нагревательной проволоки при ее укладке внутри общего электрода в 2, 4 и 6 слоев представлены в таблице 2.

Таблица 2

Число слоёв

6

4

2

Длина, м

7,2

4,8

2,4

Диаметр проволоки, мм

1,2

1

0,7

r - удельное сопротивление нихромовой проволоки, равное 1,15 Ом.мм2/м;

d - диаметр проволоки;

l - длина проволоки.

  Целесообразно выбрать провод диаметром в 1 мм при его укладке в четыре слоя. Максимальная мощность нагревательного элемента при максимальном напряжения сети равна:

Р = U2/R = 25,82/7 = 95 Вт

Тепловые расчеты и экспериментальные проверки показали, что при условии укладки проволоки в четыре слоя в фарфоровых изоляторах-бусах размерами 2 х 4 х 8 мм в стальной газоводопроводной трубе  3/4 дюйма, температура нагрева при максимальном напряжении не превысит 464оС. Данная температура еще не дает накала проволоки.

Величина сопротивления погруженных в воду контактов при их цилиндрической форме, определяется выражением  (2).

где r - удельное сопротивление воды, равное (1...10) 103 Oм.см;

D - внутренний диаметр внешнего электрода, равный З6 мм;

d - наружный диаметр общего (внутреннего) электрода, равный 21,3 мм;

l - длина внешнего электрода, равна 6 см.

Приведенные характеристики относятся к датчику типа ДУО (ТУ 10 РСФСР 450 - 89).

Долговечность датчиков определяется временем работы до полного разрушения (невозможности дальнейшей эксплуатации) не подлежащих ремонту его элементов конструкции.

Такими конструктивными элементами обогреваемого электродного датчика уровней воды являются:

– электроды (трубы стальные водогазопроводные ГОСТ 3262-75 с толщиной стенки 2,8 мм);
– детали крепления электродов (круглая сталь диаметром 8 мм),
– нагревательный элемент (нихромовая нить диаметром 1 мм).

Материал, используемый в конструкциях названных элементов, и их сортамент выбраны, исходя из общего срока службы датчика в целом (согласно техническому заданию срок службы датчика должен быть не менее 10 лет).

Как указано выше, электроды выполняются из стальных водогазопроводных труб ГОСТ 3262-75 с толщиной стенки 2,8 мм.

Известно, что вода питьевого качества в различных районах страны может по разному влиять на коррозию металла. В частности, агрессивность воды по отношению к металлу труб зависит от температуры воды, содержания в ней хлоридов и сульфатов, растворенного кислорода, условий эксплуатации и многих других местных факторов.

Поэтому величина проницаемости коррозии труб на практике определяется в каждом конкретном случае лабораторным анализом.
В связи с изложенным, толщина стенки труб электрода определяется косвенным путем с использованием в расчетах срока службы амортизационных отчислений на полное восстановление, которые характеризуют с определенной достоверностью полный износ изделия.

При норме амортизационных отчислений 5% (принято по аналогии с условиями эксплуатации сетей водопровода из стальных водогазопроводных труб с толщиной стенки 2,3 мм и более) срок службы электрода, выполняемого из стальных водогазопроводных труб с толщиной стенки 2,8 мм, составит 20 лет при величине проницаемости коррозии 0,14 мм/год.

Учитывая, что детали крепления выполняются из стали аналогичной стали труб, то при величине проницаемости коррозии 0,14 мм/год срок службы их составит (при применении круглой стали диаметром 8 мм) 50 лет.

Не предусматривается в устройстве и замена в процессе эксплуатации нагревательного элемента – нихромовой проволоки, старение и выход из строя которой происходит за счет ее окисления под влиянием температуры.

Средний срок службы нагревательного элемента определяется зависимостью:

Тср = Трасч · Кl,

где Кl - коэффициент, учитывающий длину нагревательного, элемента и равный при l = 4,8 м

Кl = 1 - 0,025 = 0,975

Трасч = Х/Е

Х - толщина окисленного слоя к моменту отказа нагревателя равная 0,055 мм;

Е - средняя скорость окисления нагревателя, при температуре менее 750оС равна 0,015·10-4 мм/час.

Отсюда Тср = 36·103 часов · 4 месяца в году.

С учетом работы датчика долговечность превышает 12 лет.

Литература

1. Славин Р.М., Гришин А.П. Автоатизация электронасосных установок// Техника в сельском хозяйстве, №11, 1987 г., с. 33-36.

Александр Гришин
к.т.н., зав. лабораторией ВИЭСХ