EJA智能变送器在锅炉汽包水位测量中的应用.doc

EJA智能变送器在锅炉汽包水位测量中的应用高天云图1图2高天云先生，华东电力试验研究院高级工程师。关键词：差压变送器汽包水位测量谐振梁低差压上海某电厂4台300MW机组的锅炉汽包水位测量原采用某外国公司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，一直存在着汽包水位测量稳定性差、准确度低、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，尤其是当变送器的信号漂移是一个渐变过程时，在超出限值前信号漂移既很难发觉，又不太容易引起运行人员的注意，而一旦信号漂移累计到一定程度，不仅导致锅炉汽包水位测量的精确度降低，严重时会引起锅炉的不安全事故发生。2001年，电厂热控专业经过调研及多方面的比较，最终选定EJA智能型差压变送器(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，效果非常理想，解决了长期来锅炉汽包水位测量中存在的许多疑难问题。一EJA组成及工作原理EJA是日本横河公司1994年研制开发的，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、环境温湿度变化、静压与过压等影响。因此，具有优良的温度影响特性、静压影响特性、单向过压特性以及精确度高、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。1.膜盒组件它由单晶硅谐振式传感器和特性修正存储器组成。(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。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频率减少，边缘谐振梁因受到张力而频率增加，两个频率之差对应不同的压力信号。(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、静压及输入/输出特性的修正数据，经CPU运算，可使变送器获得良好的温度特性、静压特性及输入/输出特性。2.智能电器转换部件由单晶硅谐振式传感器上的两个H形的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(微处理器)进行数据处理，经D/A转换为与输入信号相对应的420mA DC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I/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420mA DC的信号上。在进行通信时，频率信号对420mA DC的信号不产生任何扰动影响。二应用情况由于锅炉汽包水位测量环境温度变化较大，因此电容式差压变送器需要热控人员定期进行调整来消除温度变化对变送器特性的影响，增加了日常维护保养工作量，且数据误差较大。而EJA采用了对称式单晶硅传感器，两个谐振梁的频率差对应不同差压或压力信号。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，由于水质不好，经常会造成堵塞，而且管路密封点多，渗漏的可能性增大，从而造成变送器单向过压，会使变送器造成零点飘移，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，此时外部压力无论如何增加，硅油的压力不会增加。因此，硅谐振传感器受到一定压力后，就不会受到更大压力，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精确度。EJA加有高静压(工作压力)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。由于EJA使用的是单晶硅谐振式传感器，其本身性能优良，很多影响精确度的因素在其内部相互抵消，同时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，从而使其测量精确度为0.075%，这是其他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已全部采用EJA高静压低差压变送器，从几次检修数据表明，温度漂移、零位漂移极小，调前合格率达100%，彻底解决了以往锅炉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。三低差压变送器选用中注意事项在水位测量中，差压变送器通常测量的是十几至几十kPa的低差压，而其静态工作压力却又很高，因此选型是否合理对其准确测量水位是非常重要的。1.低差压变送器的选型近年来，虽然差压变送器精确度高达0.1%甚至更高，但对于绝大多数差压变送器，上述精确度是通用量程的精确度，而低差压变送器的精确度比通用量程要低。从变送器实际使用精确度来看，由于高量程比变送器只是在一定量程比范围内保证其精确度，对于中差压、高差压量程，保证精确度的量程比范围较大；而对于低差压，通常保证精确度的量程比范围较小，低差压变送器的实际使用精确度往往不像人们想象的那样高，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。其次，应根据测量需要，尽可能就近安装，这样不仅可以减少安装引压管长度及附件，而且可以减少引压管道伴热能量。为此笔者建议：(1)简化安装部件，对新安装的变送器应作一次归零操作。由于EJA承受单向过压能力强，在取样管路敷设时可以取消一些多余部件。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(高低压侧膜合不在同一水平面上)，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、输入/输出等参数状态是否正常。(3)由差压变送器测量原理可知，用差压变送器测水位时引压管长短与所得水位值无关，引压管只起到传递水位的作用。引压管可长可短，在安装环境许可的条件下，可尽量将引压管缩短，取消部分安装附件，节约部分安装材料。引压管缩短后，弯头减少，有利于水位信号的快速传递，提高汽包水位自动调节反应速度。而且泄漏点减少，维护工作量下降。还可节约伴热安装材料和伴热能源，降低电厂运行成本。2.低差压变送器的量程迁移及故障分析a. 测量范围、量程范围和迁移量的关系应用差压变送器测量各类水位时，如果差压变送器的正、负压室与容器的取压点处在同一水平面上，就不需要迁移无迁移(图2中特性曲线a)。而在实际应用中出于对设备安装位置和便于维护等方面的考虑，测量仪表不一定都能与取压点在同一水平面上，这时就要考虑量程迁移。差压变送器测量液位安装方式主要有3种，为了能够正确指示液位的高度，必须对差压变送器做一些技术性处理即迁移，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围等于量程和迁移量之和，即测量范围=量程范围+迁移量。如图2所示，a量程为90kPa，无迁移量，测量范围等于量程为90kPa；b量程为90kPa，迁移量为-90kPa，测量范围为-90kPa0kPa；c量程为90kPa，迁移量为90kPa，测量范围为90kPa180kPa。由此可见，正、负迁移的输入、输出特性曲线为不带迁移量的特性曲线沿表示输入量的横坐标平移。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。b. 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，可能是正压室引压管或三阀组有些堵。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、负压室引压管是否堵，迁移量是否改变，零位是否正确，隔离液是否流失。四结束语在火力