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浮球磁翻板液位计在水箱液位测量造成的问题分析与改进方案

发布时间:2020-09-05   点击次数:

摘要:为解决WQ39回潮筒热水装置在生产过程中故障率高、加热元件工作时现场震动及噪声大、水罐内部维修保养不便以及水温波动大等问题,对其进行设计改进:设计水箱代替水罐;将环形加热管改成蒸汽喷射器;将浮球磁翻板液位计改成浮球液位计;将气动角阀改成带定位器的气动控制阀。热水装置改进完成后,热水装置的故障发生率降为0,现场震动及噪声极大地减小,水温波动由平均4.2℃降低到1.2℃。
在烟叶制丝过程中,叶丝超级回潮工序主要用于提高叶丝含水率和温度,同时改善和提高叶丝的感官质量。江苏常州智思公司生产的WQ39型叶丝超级回潮筒在国内烟草企业中应用广泛,具有良好的回潮效果,但普遍存在生产过程中加水系统的热水装置故障率高、水温加热时水罐震动及噪声大、水罐内部不便于维修保养以及水温波动大等问题。近年来,随着烟草加工工艺向精细化方向发展,设备对工艺指标保障能力的要求不断提高。为此,对热水装置进行设计改进,以期解决其存在的问题,确保叶丝超级回潮筒加水系统的稳定性。
1存在的问题
WQ39型叶丝超级回潮筒的热水装置于2004年4月投入生产使用,主要由水源、蒸汽源、角阀、手动截止阀、环形加热管、温度传感器和浮球磁翻板液位计等组成。改进前热水装置管路示意图如图1所示。

其工作过程为:
(1)当生产系统启动后,水罐进水角阀2开启,当达到水罐设定液位8时,关闭角阀2停止水罐补水;
(2)同时开启蒸汽角阀4给水加热,当温度5达到设定值时,关闭蒸汽角阀;
(3)生产过程中,当水位低于设定液位持续20s后,水罐补水重新开始;
(4)水位到达后,如果水温未达到设定值,开启蒸汽阀门给水加热。
通过多年的使用,总结出热水装置在生产使用过程中存在以下问题。
1.1热水装置的故障频次高
经过对设备故障记录的查询,统计出上一年度因热水罐装置造成的设备故障情况如表1所示。

1.2加热元件工作时,震动和噪声大
热水装置的加热元件工作时,热水罐的震动很大;同时,蒸汽与水混合时发出的噪声很大。
1.3水罐内水温波动大
根据生产标准设定水温为85℃,进行了10次测试,平均水温为89.2℃(见表2),超出了设定温度4.2℃。

2造成问题的原因
2.1水罐设计不合理
水罐的开口为200mm,造成了罐体内部元件维修及水垢清理的不便。
2.2加热元件选用不当
热水装置的加热元件为环形加热管,该元件将蒸汽直接注入水中给水加热,属于简易的加热方式。工作时,注入的蒸汽造成罐体的震动以及对水罐内壁的冲刷,造成水罐的安装接口处经常出现破损泄漏;蒸汽与水混合时发出极大的噪声;直接给水加热造成水温分层。
2.3浮球磁翻板液位计选用不当
热水停留在水罐中容易产生水垢,而浮球磁翻板液位计的磁性浮子位于与水罐连通管道内,当水垢产生后清理不及时,容易造成浮子卡死。这样液位检测失效,造成水罐持续补水。
2.4水温控制简单
热水装置水温控制为简单的开关量控制,未充分考虑温度控制的滞后性,造成水温控制实际值超过设定值,水温波动大。
3硬件改进方案
针对造成热水装置问题的原因,提出了以下改进原则:为了改进后水罐便于维修和保养,确定把水罐改成水箱;为解决水温分层以及设备震动,确定把环形加热管更换为蒸汽喷射器;为解决液位检测失效,确定把浮球磁翻板液位计更换为浮球液位计;为解决水温控制波动大,把蒸汽进汽角阀改为带定位器的气动控制阀,以便调节蒸汽进汽量。
结合硬件改进原则,设计出热水装置的管路图,其管路示意图如图2所示。

改进后的热水装置主要由水源、蒸汽源、带定位器的气动控制阀、手动截止阀、蒸汽喷射器、温度传感器、浮球液位计、水箱以及溢流管路等组成。其工作过程为:
(1)当生产系统启动后,水箱进水角阀2开启,当达到水箱设定液位8时,关闭角阀2停止给水箱补水。
(2)同时开启水箱水温PID控制。
(3)生产过程中,当水位低于设定液位持续10s后,水箱补水重新开始;水位到达后,如果水温未达到设定值,开启水箱水温PID控制。
(4)水箱多余的水从溢流管道流出。
4改进方案实施
根据改进方案,热水装置进行了以下的方案实施。
4.1水罐改进
为解决原热水罐存在维修和保养不方便的问题,设计一个带检查窗的水箱替换水罐。通过现场测量热水罐的外形尺寸为600mm×900mm,液位元件的检测高度为700mm,计算出热水罐的容积大约为0.2m3。为降低水箱蒸汽进汽阀及冷水进水阀开启的频次,结合安装现场的空间条件,决定把水箱的容积增加到0.4m3,因而水箱的外形尺寸设计为1 000mm×600mm×800mm,液位元件的检测高度为670mm。
4.2加热元件改进
环形加热管将蒸汽直接注入水中给水加热,易造成罐体震动,进而损坏罐体连接部位,加热工作时现场噪声大。因而选用斯派莎克蒸汽喷射器代替环形加热管,蒸汽喷射器可以使水与蒸汽在其内部充分混合,确保加热过程安静、高效和经济;同时避免水箱内水温分层。根据水箱容积,以及利用10min设备预热时间内把水温20℃的冷水升到85℃的生产要求。经计算以及查斯派莎克蒸汽喷射器选型图表可知:在喷射器进口蒸汽压力为500kPa情况下,斯派莎克蒸汽喷射器IN25M的饱和蒸汽流量为410kg/h可以满足要求。因而选用此型号蒸汽喷射器。
4.3液位检测元件改进
浮球磁翻板液位计的磁性浮子位于连通管道中,而连通管道易结垢,常造成磁性浮子卡死,水位检测不准确。因而将浮球磁翻板液位计更换为浮球液位计,此浮球液位计结构简单,性能稳定,同时便于检查维修。
4.4水温控制执行元件改进
原装置中水温控制的蒸汽流量由气动角阀控制,其不能调节蒸汽进汽量的大小,对水温控制精度低;因而将其更换为斯派莎克带定位器的气动控制阀,其可以调节蒸汽进汽量的大小,提高水箱水温控制精度。因斯派莎克蒸汽喷射器IN25M的Kv值为9.2,所以选择斯派莎克EP5定位器、KE73型控制阀(DN25、Kv值为10)和PN5123型执行器来满足水温过程控制需要。
4.5水温控制程序改进
利用西门子S7中SFB41这个功能块,实现水温的连续控制,达到降低水温波动的功能。在SFB41这个功能块中,合理地设置PID参数,使其达到良好的控制效果。
5应用效果
热水装置改进完成后,极大地降低了由其引发的设备故障,到目前为止未发生一次设备故障;降低了加热元件工作时水箱的震动和噪声;提高了水温的控制精度。在设定水温为85℃情况下,进行了10次测试,平均水温为86.2℃(表3),水温的波动情况由改进前4.2℃降低到1.2℃。

6结论
对于提供蒸汽动力源的生产设备需要使用热水时,都可以选用此水温加热装置。首先根据生产工序的要求和理论计算结果,确定水箱尺寸、蒸汽喷射器型号以及带定位器的气动控制阀的型号;其次,对于系统中存在的计量检测仪表,为保证其计量检测精度,需要严格按照设备安装标准进行安装;再次,根据现场空间情况,选择合理的安装布局;最后,设计出水温控制的控制程序,优化PID参数,实现水温控制精度。

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