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EJA智能变送器在汽包水位测量中的应用

2021-08-18

外高桥发电厂4×300MW机组的锅炉汽包水位测量,原采用国外生产的智能型电容式差压变送器,由于差压变送器长期工作在高静压、低压差环境下,自机组投产以来,存在着汽包水位测量稳定性差、调前合格率低等问题,主要表现为零点漂移、温度漂移及环境温度干扰,导致汽包水位测量的精度和稳定性无法提高,严重影响汽包水位调节品质的提高和锅炉的安全运行。2001年,经过调研及多方面的比较,ZUI终选定EJA智能差压变送器(以下简称EJA)用于锅炉汽包水位的测量,替代原使用的智能型电容式差压变送器。经过近3年的使用,效果非常好,解决了长期以来汽包水位测量中存在的许多疑难问题。


1.EJA的组成及工作原理

EJA是日本横河企业1994年研制开发的智能型变送器,采用单晶硅谐振式传感器,直接输出频率信号,实现了传感器自身就可以消除机械电气干扰、环境温度及湿度变化、静压与过压等影响。EJA具有优良的温度及静压响应、单向过压

特性,以及精确高、量程比宽、可靠性和重复性好等优点。其原理框图如图1所示。

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1.1膜盒组件

(1)单晶硅谐振传感器:在一单晶硅芯片上采用微电子机械加工技术(MEMS),分别在其表面的中心和边缘制成两个形状、大小完全一致的H型谐振梁,且处于微型真空腔中,使其既不与充灌液接触,又确保振动时不受空气阻尼的影响图2为谐振梁传感器振荡电路图。硅谐振梁处于由永久磁铁提供的磁场中,与变压器、放大器等组成一正反馈回路,让谐振梁在回路中产生振荡。当单晶硅片的上下表面受到压力并形成压力差时,硅片将产生变形,中心处受到压缩力,边缘

处受到张力,因而使两个H型谐振梁分别感受到不同应变作用,其结果是中心谐振梁因受压缩力而使频率减少,边缘谐振梁因受到张力而使频率增加,两个频率之差对应不同的压力信号,如图3所示。

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(2)特性修正存储器:内置的特性修正存储器,存储传感器的环境温度、静压及I/O特性的修正数据,经CPU运算,可使变送器获得良好的温度特性、静压特性以及I/O特性。

1.2智能电器转换部件

由单晶管谐振式传感器上的两个H型振动梁,分别将压力或差压信号转换为频率信号送到计数器,再将两频率之差直接传递到CPU进行数据处理,经D/A转换为与输入信号相对应的4~20mA直流输出信号,并在模拟信号上叠加一个

BRAIN/HART数字信号进行通信。通过I/O口与外部设备(如手持智能终端以及DCS中的带通信功能的1/O卡)以数字通信方式传递数据、即高频2.4kHz( BRAIN协议)或1.2kHz(HART协议)数字信号叠加在4~20mA直流的信号线上。

在进行通信时,频率信号对4~20mA直流的信号不产生任何扰动影响。


2.应用情况

由于汽包水位测量环境温度变化较大,电容式差压变送器需要热控人员定期进行调整,增加了日常的维护保养工作量,而且数据误差较大。而EJA采用对称式单晶硅传感器,两个谐振梁的频率差对应不同的差压或压力信号。如果环境温度

变化,谐振梁的振荡频率也发生相应变化,在相同状态下,两个谐振梁频率变化的方向及幅度是相同的。因此,计算两个谐振梁频率差时,该变化量相互抵消,从而消除了温度变化的影响变送器的压力取样管路、如果水质不好、容易造成堵塞,且管路密封点多,增加渗漏的可能性,造成变送器单向过压,零点飘移,严重的还可能造成变送器的损坏。对于EJA,当有单向压力作用时,接液膜片内侧的硅油向中心膜片移动,硅油传递压力到硅谐振传感器,当压力增大到某一数值时,接液膜片与本体完全接触、贴合在一起,此时外部压力不管怎样增加,硅油的压力不会增加。因此,硅谐振传感器具有很好的自我保护能力;即使受到一定力的作用,由于单晶硅材料的恢复性能特别好,也能完全恢复而无误差。EJA的膜盒受高静压后,零点几乎无变化,具有很好的静压特性。而原变送器受静压后会引起全量程位移,给调校工作增加难度,同时也降低了数据的准确度。当EJA有高静压作用时,由于两个谐振梁的形状、尺寸完全一致,且处于同一表面,故频率的变化量(减少)是一样的。它们之间相互抵消,输出频率差是不变的。所以,如果给导压管内充满液体,在不加过程压力的状态下,可以进行零点调整。另外,EJA使用的单晶硅谐振式传感器,性能优良,很多影响精度的因素在其内部相互抵消,内存储器中的各种补偿及修正数据,通过CPU对各种影响因素进一步修正,使其测量精度为士0.075%,这是其它变送器所无法比拟的。智能电器转换部件采用超大规模集成电路,并将放大器AISC化、减少了零部件,提高了放大器自身的可靠性,使其工作稳定性很高,连续工作4年不需调校零点。自2001年起至今,4台机组汽包水位测量全部采用EJA高静压、低差压变送器,从多次检修数据表明,温度漂移、零位漂移极小,调校前合格率达100%,解决了以往汽包水位测量稳定性差、误差大等问题,提高了锅炉运行的安全性和经济性


3.选用低差压变送器应注意事项

3.1低差压变送器的选型

近年来,虽然差压变送器的精度高达0.1%或更高,但对于绝大多数差压变送器,上述的精度是通用量程的精度,而低差压变送器的精度要比通用量程低一个档次。表1为部分厂家生产的低差压变送器保证精度的测量范围及几个量程的实际使用精度。这里所说的实际使用精度,是根据厂家提供的调量程的参考精度公式计算的结果。为便于用户有一个直观的了解,表1中也列出了低差压变送器的实际使用精度。

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3.1.1使用精度比较

由表1可见,大于0.5kPa的量程,各厂家产品的精度相差不大,绝大多数产品的实际使用精度等于指标精度。小于0.5kPa的量程,各厂家产品的实际使用精度相差就比较大了,以0.2kPa量程为例,ZUI大误差可达0.465%。从实际使用精度来看,高量程比变送器只是在一定量程比范围内保证其精确度,对于中、高差压量程,保证精度的量程比范围较大,而对于低差压,通常保证精度的量程比范围较小,低差压变送器的实际使用精度可能不如希望值高,而且不同产品的指标差别也非常大。这一点必须引起用户的高度重视。

3.1.2安装及调校注意事项

(1)简化安装部件,对新安装的变送器作次归零操作。由于EJA承受单向过压能力很强,在取样管路敷设时,可以取消一些多余的部件。这样,一方面可以节约安装材料、降低成本;另一方面,减少了取样管路的密封点以及堵塞和泄漏的可能性,提高了测量系统的可靠性。对新安装的变送器,由于安装位置的缘故(高低压侧膜盒不在同水平面上);传感器受到充灌液压力的影响,可能会出现零点的微量变化,此时,应该用智能终端或外部调零螺钉调整到零点后,再投入使用。

(2)购买EJA时,应配备手持智能终端。这样,可以通过手持智能终端与各个变送器之间进行双向通信,并对其测量范围、位号、工程单位、运算功能、阻尼系数及密码等进行修改操作,还可对变送器进行零点调整、高低压侧换向、自诊断监控及设定仪表为恒流输出模式,从而减少仪表的维护工作量;同时,利用变送器的自诊断功能,可以确认传感器或放大器的工作温度、静压、I/O等参数状态是否正常。

3.2低差压变送器的量程迁移及故障分析

3.2.1测量范围、量程范围与迁移量的关系

应用差压变送器测量各类水位时,由于测点位置、工艺过程等要求,为了能够正确指示水位的高度,必须对差压变送器做迁移处理,而在实际应用中,迁移又可分为无迁移、负迁移和正迁移。差压变送器的测量范固等于量程和迁移量之和,如图4所示,曲线a量程为60kPa,无迁移量,测量范围等于量程为60kPa;曲线b量程为60kPa,迁移量为-60kPa,测量范围为-60~0kPa;曲线c量程为60kPa,迁移量为60kPa,测量范围为60~120kPa。可见,正、负迁移的I/O特性曲线,为不带迁移量的特性曲线沿表示输人量的横坐标平移。正迁移向正方向移动,负迁移向负方向移动,而且移动的距离即为迁移量。因此,正、负迁移的实质是通过调校差压变送器,改变量程的上、下限值,而量程的大小不变。

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3.2.2带迁移的差压变送器故障分析

(1)正迁移故障:判断正迁移的差压变送器

在现场使用过程中,测量是否准确,首先应关闭差压变送器三阀组的正、负压测量室,打开平衡阀及仪表放空堵头,此时仪表输出应低于4mA。如果输出不低于4mA,可能是正压室引线或三阀组有些堵。

其次,关闭正室取压点,打开放空开关,这时的输出应为4mA。如果输出低于4mA,可能是迁移量变小或零位偏低;若灌有隔离液,可能是隔离液没有灌满或从旁处漏掉;如果输出高于4mA,说明迁移量变大或零位偏高

(2)负迁移故障:判断负迁移的差压变送器

在现场使用过程中测量是否准确,首先应关闭差压变送器三阀组的正、负压测量室,打开平衡阀及仪表放空堵头,仪表输出应为20mA。

其次,关闭正、负压室取压点,打开放空开关,此时,仪表的输出应为4mA,如果不为20mA或4mA,应检查正、负压室引线是否堵,迁移量是否改变,零位是否正确,隔离液是否流失。


4.结语

在火力发电厂,汽包水位是锅炉重要的安全运行参数,汽包水位的准确、可靠测量是确保锅炉安全、经济、稳定运行的重要保证,因此,必须认真贯彻落实国家电网企业《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中关于(防止锅炉汽包满水和缺水事故)的规定要求,对不符合规定要求的,要坚决、限时完成整改,任何拖延、不负责任的行为都是十分危险的。


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