JP6101928B2

JP6101928B2 - 水位検出装置

Info

Publication number: JP6101928B2
Application number: JP2013013748A
Authority: JP
Inventors: 西山　将人; 将人西山; 浩二谷口; 重俊高畠
Original assignee: 株式会社サムソン
Priority date: 2013-01-28
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2033-01-28
Also published as: JP2014145513A

Description

本発明は、電極間に電圧を掛けた際に水の有無によって異なる電極間の抵抗値に基づき、水位の検出を行うようにしている水位検出装置に関するものである。

水位を一定の範囲内で維持するために水位検出を行う場合、電極間に電圧を掛けた際に水の有無によって異なる電極間の抵抗値に基づき水位の検出を行う水位検出装置が広く使用されている。例えばボイラでは、特許４０７１６７１号公報に記載があるように、給水開始水位と給水停止水位を設定しておき、水位が給水開始水位未満になると給水ポンプの作動を行って給水を行い、水位が給水停止水位以上になると給水ポンプの作動を停止することで水位を所定範囲内に保つようにしている。水位の検出は、ボイラ内部と接続している水位検出筒、水位検出筒内に設けている下端位置を異ならせた複数本の水位電極棒、水位電極棒からの信号に基づいて水位の判断を行う判定回路等からなる水位検出装置で行っている。水位検出装置では、水位検出筒自体と水位検出筒内に設置する電極棒を電極とし、電極間に電圧を掛けることで電極間に流れる電流の抵抗値を検出する。電極棒がボイラ水に触れている場合、ボイラ水を介して電流が流れることで電極間の抵抗値は小さくなるため、抵抗値が小さい場合には電極棒の位置に水があるということを検出できる。逆に、電極棒が水に触れていない場合、ボイラ水を介して電流が流れるということができないために電極間の抵抗値は大きくなり、抵抗値が大きい場合には電極棒の位置には水がないということを検出できる。

水位検出装置では、水位電極棒の下端がボイラ水に接触していると水ありの信号を出力し、ボイラ水から離れていると水なしの信号を出力する。水位検出装置の水位電極棒として、給水を開始する水位を検出する低位側水位電極棒と、給水を停止する水位を検出する高位側水位電極棒を設けておく。低位側水位電極棒が水なし信号を出力していれば給水を行い、高位側水位電極棒が水あり信号を出力していれば給水を停止する制御を行うことで、所定範囲内に水位を保つ制御を行うことができる。

この場合、水位電極棒は水位検出筒上面を貫通させて設置しておき、電極棒の長さを異ならせることで下端の高さ位置を異ならせている。水位は、電極棒と水位検出筒の間での抵抗値が水の有無によって異なることで検出しているため、電極棒と水位検出筒の接続部分が短絡していると水位の検出は行えない。そのため、電極棒と水位検出筒が接触している部分では絶縁されていることが必要であり、電極棒の水位検出筒との接続部には絶縁用の碍子を設けている。通常は碍子によって絶縁されるが、碍子部分に汚れなどが付着し、その部分を通して電流が流れることがある。この場合、碍子部分を流れる電流値は汚れの蓄積によって徐々に増加していくことになり、碍子部分を流れる電流量が多くなってくると電極間の抵抗値は低下するため、水位検出装置では電極棒が水に接していなくても水ありとの誤検出を行うことが考えられる。

水位検出装置では、低い位置にある電極棒では水なしの検出を行っているのに、そこより高い位置にある電極棒では水ありの検出を行うといった論理矛盾が発生すると、水位電極棒論理矛盾点検の報知を行い、電極棒の点検を行わせるようにしている。特許４０７１６７１号公報に記載の発明では、論理矛盾を検出することで水位電極棒の異常を検出している。また、特許４０７１６７１号公報に記載の発明では、給水を開始するための水位を検出する低位側水位検出棒と、給水を停止するために水位を検出する高位側水位電極棒をそれぞれ複数本設けるようにしている。この発明では、水位電極棒の出力に論理矛盾が発生した場合には、低位側水位電極棒のいずれかが水あり信号から水なし信号へ変化した時に給水を開始し、高位側水位電極棒のいずれか水なし信号から水あり信号へ変化の信号を出力した時に給水を停止する制御を行う。このようにすることで、ボイラが運転を停止することを極力避けることができる。

しかし碍子部分に汚れが付着することによる絶縁低下が発生するという場合、各電極棒の碍子は近い位置に並べて設置しているため、汚れなどが付着する割合・速度は全電極とも同等になる可能性が高い。その場合、各電極棒は同じ時期に誤検出が発生することになる。論理矛盾による異常検出は、一部の電極棒にのみ異常が発生した場合には検出することができるが、同時期に電極棒の全体で異常が発生した場合には論理矛盾による異常の検出は行えない。そしてこの場合、水位が低下していても水位検出装置では水ありの信号を出力し続けることになり、水位はさらに低下していく。ボイラであれば、水位が大きく低下した状態で運転を続けていると部分的な過熱状態を生じ、缶体温度異常や蒸気温度高異常によって運転を異常停止することになっていた。

特許４０７１６７１号公報

本発明が解決しようとする課題は、水位電極棒の絶縁低下を早期に検出することのできる水位検出装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、水位検出筒内に下端位置の異なる電極棒を複数本設置しておき、各電極棒と水位検出筒の間で電流を流した場合、抵抗値がしきい値よりも大きい場合には水なしの信号を出力し、抵抗値がしきい値よりも小さい場合には水ありの信号を出力することによって水位を検出するようにしている水位検出装置であって、高位置側の電極棒は複数本設置し、複数の電極棒に対して並列に電流を流すことができるようにしておき、電流を並列に流して高位置側の電極棒では抵抗値が低く現れるようにすることで、高位置側の電極棒では低位置側の電極棒よりも水ありの信号が出力されやすくなるようにしておき、高位置側の電極棒では水ありの検出を行い、低位置側の電極棒では水なしの検出を行うことになった場合には、矛盾の発生を検出するものであることを特徴とする。

水位電極棒の碍子部分に汚れが付着して絶縁が低下し、水位が電極棒位置より低い状態でも水ありとの誤検出が行われるようになる場合、高位置側の電極棒では低位置側の電極棒よりも水ありの出力が行われやすくなっているため、高位置側の電極棒が先に水ありの誤検出を行うことになる。すると高位置側の水位電極棒では水あり、低位置側の水位電極棒では水なしの論理矛盾が発生するため、早い段階で電極棒の異常を検出することができる。

本発明の一実施例でのボイラ概要図本発明の一実施例での水位検出制御回路図比較のための従来装置での水位検出制御回路図

本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施例でのボイラ概要図、図２は本発明の一実施例での水位検出制御回路図、図３は比較のための従来装置での水位検出制御回路図である。ボイラ１は水管によって構成された缶体内にボイラ水を供給しておき、ボイラ上部に設けている燃焼装置で燃焼を行うことによって発生した熱でボイラ水を加熱し、蒸気を発生する。ボイラ１への給水は、ボイラ下部に接続した給水配管９を通じて行うようにしており、給水配管９の途中に給水ポンプ８を設けている。ボイラ１の缶体部分で発生している蒸気は水分を多く含んだ蒸気であるため、ボイラ側部に設けている気水分離器４でボイラ水を分離し、蒸気のみを取り出すようにしており、分離したボイラ水はボイラ缶体部分へ戻す。

ボイラ内の水位は、気水分離器４と接続している水位検出筒２内の水位によって検出する。水位検出筒２には、下端位置を異ならせた複数本の電極棒３を設けておき、どの電極棒まで水に浸かっているかを調べることで水位を検出する。電極棒は高位置側から順に水位電極棒Ｅ１Ｈ、Ｅ１Ｌ、Ｅ２、Ｅ３としておく。そして水位検出筒自体をもう一方の電極とし、電極棒３と水位検出筒２の間でボイラ水を介する回路を形成しており、水位検出筒の電極はＥＺとしておく。

水位の検出は、各水位電極棒３と水位検出筒２の間に所定の電圧を掛けることで、各水位電極棒における抵抗値を検出し、抵抗値に基づいて水の有無を判断することで行う。
水に浸かっていない電極棒では、電極棒と水位検出筒の間では電流は流れにくいため、電極棒での抵抗値は大きくなる。電極棒が水に浸かっていると、電極棒と水位検出筒の間にある水が電流を通すことで、電極棒での抵抗値は小さくなる。

制御装置７は、水位電極棒がボイラ水に接触することで抵抗値が小さくなっている場合には水あり信号（オン信号）を出力し、水位電極棒がボイラ水から離れていて抵抗値が大きくなっている場合には水なし信号（オフ信号）を出力する。電極間抵抗値のを設定しておき、検出した抵抗値が基準値以下であれば水ありとの判断を行い、抵抗値が基準値以上であれば水なしとの判断を行うようにしておく。この時の基準値は幅を持たせておいた方がよく、例えば水ありとの判断を行う基準値はＸｋΩとしてＸｋΩ以下なら水あり、水なしとの判断を行う基準値はＸ＋１０ｋΩとしてＸ＋１０ｋΩ以上なら水なしというように設定しておく。制御装置７は前記水位電極棒からの信号に基づいてボイラ内の水位を判断する。

制御装置７は給水制御装置でもあり、ボイラ内の水位が所定の水位を保つように給水ポンプ８の作動を制御する。制御装置７による水位制御は、水位電極棒Ｅ２が水なし信号を出力すると給水を開始し、水位電極棒Ｅ１Ｈ又はＥ１Ｌが水あり信号を出力すると給水を停止するようにする。水位電極棒Ｅ３は水位異常を検出するためのものであり、電極棒Ｅ３が水なし信号を出力した場合にはボイラの燃焼を停止する。

水位電極棒Ｅ１ＨとＥ１Ｌは、下端位置を異ならせておき、比較的高位置のＥ１Ｈまで水位を上昇させる場合と、比較的低位置のＥ１Ｌまで水位が上昇すると給水を停止する場合を切り替えることで、水位を２段階に設定することができる。ボイラでは、高燃焼・低燃焼・停止や、高燃焼・中燃焼・低燃焼・停止のようにして燃焼量を調節することが広く行われている。そしてボイラでは、燃焼量によって水管内でのボイラ水の沸き上がり量が変化しており、燃焼量が大きければ沸き上がり量は大きくなり、燃焼量が小さければ沸き上がり量は小さくなる。燃焼量が大きい場合にボイラ内の水位が高いと、ボイラ水の沸き上がりが大きくなることで蒸気に含まれる水分量が増加し、蒸気質が低下することがあった。そして、ボイラ水の沸き上がりが大きい場合には、ボイラ内の水位をあまり高くしないようにすることで、蒸気質の低下を防止することができる。そのため、高燃焼時には比較的低い位置であるＥ１Ｌの位置まで水位が上昇した時に、給水ポンプの作動を停止させるようにすることで、蒸気質を高く保つことができる。

給水を停止する水位を電極棒Ｅ１Ｈの位置とＥ１Ｌの位置で切り替えるのは、図２に記載しているように回路をＥ１Ｈ側とＥ１Ｌ側に分岐し、Ｅ１Ｌ側には並列化用リレー６を設けて回路を開閉できるようにしておくことによって行える。Ｅ１Ｌ側の回路をつないだ場合、水位が電極棒Ｅ１Ｌの下端まで上昇した時点で電極の抵抗値は低下する。そのためこの場合には、水位が電極棒Ｅ１Ｌの位置まで上昇した時点でボイラへの給水を停止することになる。また、Ｅ１Ｌ側の回路を開くと、水位が電極棒Ｅ１Ｈの下端まで上昇しなければ電極の抵抗値は低下しない。そのためこの場合には、水位はより高い位置まで上昇することになる。このようにすることで、給水停止水位を異ならせることができる。

各電極棒３は水位検出筒２の上面を貫通させて設けるものであるが、水位検出は電極棒３と水位検出筒２の間での抵抗値が水の有無によって異なることを利用して行うものであるため、電極棒３と水位検出筒２の間で直接電流が流れたのでは水位の検出は行えない。そのため電極棒３の水位検出筒２との接触部には碍子５を設けておき、電極棒と水位検出筒の間を絶縁している。しかしこの絶縁部に汚れが付着するなどによって絶縁が低下し、この部分にも電流が流れるようになると、水位検出用の電圧を掛けた際の電極棒での抵抗値は低下していく。水位が電極棒より低ければ、電極棒と水位検出筒の間でボイラ水が電流を流すことがないため、電極間の抵抗は大きくなる。水ありと判断する電極間抵抗値の基準値をＸｋΩ、水なしと判断する電極間抵抗値の基準値をＸ＋１０ｋΩ定めている場合には、抵抗値がＸｋΩ以下であれば水あり、Ｘ＋１０ｋΩ以上であれば水なしとの判断を行う。

しかし、碍子部分での絶縁低下によってその部分に電流が流れ、そのことで抵抗値が低下して検出される抵抗値がＸｋΩ以下になれば、電極棒は水に接していなくても水ありとの誤検知を行うことになる。電極棒の碍子は、水位検出筒上面の狭い範囲に設けることになり、それぞれの間隔は狭くなっているため、汚れが付着する割合・速度は、すべての電極でほぼ同等となる可能性が高い。同時期にすべての電極棒に短絡異常が発生し、水がなくても水ありとの誤検出を行うことになると、水位が低下しても給水開始の出力が行われないため、ボイラでは給水を行わずに燃焼を続けることになる。そして電極棒の論理矛盾も発生しないとなると、異常の検出も行われない。するとボイラでは水位が低下していくため、熱を受けている水管の上部では空だき状態となり、缶体温度高異常や蒸気温度高異常等の異常を検出して運転を停止することになる。

本実施例の場合、電極棒Ｅ１Ｌの回路に設けているリレー６を閉じると、電極棒Ｅ１ＨとＥ１Ｌは途中で分岐した並列な回路となるようにしている。この状態で電極棒Ｅ１Ｈ及びＥ１Ｌと水位検出筒の間に電圧を掛けると、電流は２本の電極棒に分かれて流れる。碍子部分での汚れの付着があり、碍子部分で電流が流れている場合、電極棒Ｅ１ＨとＥ１Ｌが並列になっていると、電流はそれぞれの碍子部分から流れるため、流れる電流は２倍になり、Ｅ１での抵抗値は、Ｅ１Ｈだけの場合に比べると半分になる。例えば、Ｅ１ＨからＥ２までの各電極棒は水面よりも上にあるために水を通じて電流が流れることはないが、碍子部分では汚れによってわずかに電流の流れがあったという場合、このときの各碍子部分での抵抗値はそれぞれ基準値２ＸｋΩであって、水ありとの判断を行う抵抗値のＸｋΩの２倍であったとする。この場合、電極棒Ｅ２での抵抗値はＸｋΩより大きいために水ありとの出力は行われないが、Ｅ１での抵抗値は２ＸｋΩの抵抗を２つ並列接続したのと同じになるために抵抗値はＸｋΩとなり、Ｅ１では水ありの出力を行うことになる。

水位電極棒の碍子部分に汚れが付着することによって電極棒で検出される抵抗値が変化する場合、同時期にすべての電極棒で水がなくても水ありとの誤検出を行うことになると、論理矛盾によって電極棒の異常を検出することは行えなくなっていた。しかし、本発明を実施するなら、高位置の水位電極棒では水ありの出力が行われ、低位置の水位電極棒では水なしの出力が行われることになり、論理矛盾が発生していることになるため水位検出装置では水位電極棒論理矛盾点検の報知を行う。ボイラの操作者は、水位電極棒論理矛盾点検の報知を受けると水位検出装置の点検を行い、碍子部分の汚れを取り除くことで水位検出装置では正常な状態に戻すことができる。

従来の水位検出装置でも、水位を変更するために高位置の電極棒を複数本設置しておくことは行われていた。しかしその場合には、図３に記載しているように比較的高位置であるＥ１Ｈの電極棒と、比較的低位置であるＥ１Ｌの電極棒を切り替えるようにしていた。そのため、上記実施例と同じケースでは、Ｅ１電極棒での抵抗値はＥ２電極棒での抵抗値と同じ値、上記例では２ＸｋΩとなってどちらも水なしとの判断を行うために論理矛盾による電極棒の異常検出は行えなかった。

本発明では、高い位置に設置する電極棒では低い位置に設置する電極棒よりも、水ありの出力が行われやすくなるようにしている。このようにしておくと、各電極棒において等しく水位検出能力が低下した場合であっても、論理矛盾が発生することによって異常を検出することができる。そのため、ボイラが空焚きを起こすことを未然に防ぐことができ、水位検出の異常によってボイラが突然運転を停止してしまうことを防止できる。

なお、本発明は以上説明した実施例に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。

１ボイラ
２水位検出筒
３電極棒
４気水分離器
５碍子
６並列化用リレー
７制御装置
８給水ポンプ
９給水配管

Claims

水位検出筒内に下端位置の異なる電極棒を複数本設置しておき、各電極棒と水位検出筒の間で電流を流した場合、抵抗値がしきい値よりも大きい場合には水なしの信号を出力し、抵抗値がしきい値よりも小さい場合には水ありの信号を出力することによって水位を検出するようにしている水位検出装置であって、高位置側の電極棒は複数本設置し、複数の電極棒に対して並列に電流を流すことができるようにしておき、電流を並列に流して高位置側の電極棒では抵抗値が低く現れるようにすることで、高位置側の電極棒では低位置側の電極棒よりも水ありの信号が出力されやすくなるようにしておき、高位置側の電極棒では水ありの検出を行い、低位置側の電極棒では水なしの検出を行うことになった場合には、矛盾の発生を検出するものであることを特徴とする水位検出装置。