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RoseMount溫度變送器在熱媒爐溫度保護(hù)中的應(yīng)用
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RoseMount溫度變送器在熱媒爐溫度保護(hù)中的應(yīng)用

時間:2023-10-26 09:30:51

 摘 要: 針對某天然氣終端處理廠 11000kW 熱媒爐機(jī)組因 3 個關(guān)鍵溫度檢測經(jīng)常跳變導(dǎo)致的機(jī)組停機(jī)問題,本文提出了將原虹潤溫度變送模塊改為 RoseMount 溫度變送器的處理辦法。shou先確認(rèn)兩種溫度變送器的信號接線原理,然后考慮信號接線轉(zhuǎn)換的可行性,#后將 RoseMount 溫度變送器替換為原有的虹潤溫度變送模塊。由于兩種變送器信號接線原理不同,在現(xiàn)場作業(yè)中采用 S7-300PLC 的 AI 卡件實操接線轉(zhuǎn)換,并接收 4~20 mA 信號。溫度檢測數(shù)據(jù)表明,RoseMount 溫度變送器有效提高了熱媒爐機(jī)組溫度的穩(wěn)定性。UH0壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
引言
熱媒爐是一種典型的有機(jī)熱載體鍋爐,主要應(yīng)用于化工、化纖、焦油和印染等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,具有“低壓高溫”的特點,即爐膛處于微正壓狀態(tài),排煙溫度較高 [ 1 ] 。 某天然氣終端處理廠將熱媒爐應(yīng)用于導(dǎo)熱油加熱,配以完整的儀表檢測系統(tǒng)和安全連鎖功能。 熱媒爐將導(dǎo)熱油加熱至 240~260 ℃ , 通過高溫?zé)崦奖脤?dǎo)熱油增壓至 0.42~0.45 MPa ,并輸送至生產(chǎn)裝置的各用戶處(如塔底重沸器、再生器加熱器) [ 2 ] ,為整個天然氣生產(chǎn)裝置的加熱器提供了熱量,實現(xiàn)了有效換熱。
 
熱媒爐機(jī)組在運行過程中對溫度的控制要求較高,需要較穩(wěn)定的溫度傳感器和變送器。某天然氣終端的 3 個關(guān)鍵溫度變送器在運行過程中若信號不穩(wěn)會發(fā)生跳變,觸發(fā)機(jī)組安全連鎖保護(hù),導(dǎo)致熱媒爐機(jī)組的經(jīng)常性停機(jī)。 作為生產(chǎn)工藝中的重要關(guān)鍵設(shè)備,熱媒爐必須有效提高其穩(wěn)定性,降低故障率,才能保證整個天然氣處理終端的安全生產(chǎn)。
 
本文通過分析故障原因、采取替換型號、改變溫度變送器接線方式、改變 AI 模塊功能塊選擇信號等操作,提高溫度檢測的抗干擾能力和溫度監(jiān)測性能以及熱媒爐溫度
控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
 
1、熱媒爐溫度控制系統(tǒng)
熱媒爐通常以干燥天然氣作為基礎(chǔ)燃料,燃料在爐中經(jīng)燃燒器燃燒后會釋放熱量,這些熱量會經(jīng)由不同的形式傳送至爐管,目前所應(yīng)用的主要形式包括輻射與對流。 熱量傳送至爐管后,爐內(nèi)盤管會將接收的熱量傳送至爐內(nèi)載體,使熱介質(zhì)的溫度穩(wěn)定上升 [ 3 ] 。 其溫度控制系統(tǒng)有 3 個關(guān)鍵溫度檢測點,分別是熱媒爐的熱介質(zhì)入爐溫度、熱介質(zhì)出爐溫度、熱媒爐排煙溫度,溫度傳感器均采用 PT100
熱電阻,變送器則采用虹潤溫度模塊。
 
熱媒爐機(jī)組控制系統(tǒng)采用西門子 S7-300 為控制器,同時配備 AI 、 AO 、 DI 、 DO 輸入 / 輸出卡件。 在溫度控制系統(tǒng)中,溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換成電阻信號,溫度變送器將電阻信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn) 4~20 mA 信號傳入西門子 S7-300的 AI 卡件中 [ 4-5 ] ,控制器讀取 AI 卡件數(shù)據(jù)并進(jìn)行運算處理,再進(jìn)行顯示、控制和聯(lián)鎖保護(hù) [ 6 ] 。
 
溫度控制系統(tǒng)是將熱媒爐的熱介質(zhì)出爐溫度作為控制變量,用于控制調(diào)節(jié)熱媒爐風(fēng)門開度的大小。 熱介質(zhì)入爐溫度用于正常監(jiān)視系統(tǒng)運行情況, 并設(shè)有停機(jī)邏輯保護(hù),溫度設(shè)點為 320 ℃ 。 熱媒爐排煙溫度是反映整個燃燒過程熱效率的重要指標(biāo),其溫度檢測的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性將直接影響熱媒爐機(jī)組運行的穩(wěn)定情況,也設(shè)有溫度高高停機(jī)聯(lián)鎖保護(hù),溫度設(shè)點為 330℃ 。
 
2、西門子 SM331 模擬量輸入模塊
2.1 模擬量輸入模塊 SM331 介紹
SM331 模塊為西門子 S7-300 系列的模擬量輸入模塊, 目前常見的規(guī)格和型號為: 8AI×12 模塊、 2AI×12 模塊和 8AI×16 模塊。SM331 主要由 A/D(模/ 數(shù))轉(zhuǎn)換、模擬切換開關(guān)、補(bǔ)償電路、恒流源、光電隔離、邏輯電路等部件組成。 模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換部件是該模塊的核心,其轉(zhuǎn)換原理采用積分方法,被測量模擬量的精度是設(shè)定的積分時間的正函數(shù), 即積分時間越長,被測值的精度越高。 SM331 可以選 4 檔積分時間:2.5 ms 、 16.7 ms 、 20 ms 和 100 ms , 相應(yīng)精度為 8 、 12 、 12 和14 [ 7-9 ] 。
 
2.2 模擬量輸入模塊與變送器連接
SM331 系列模擬量輸入卡件有多種不同的型號規(guī)格,該模塊根據(jù)不同的型號,可實現(xiàn)對電壓、電流、電阻和溫度的測量。
 
根據(jù)測量類型的不同, 又可將電壓傳感器、 2 線制電流傳感器、 4 線制電流傳感器、電阻傳感器、熱電偶傳感器連接到模擬量輸入模塊進(jìn)行測量。 本文以 6ES7 331-7KF02-0AB0 模塊為例研究變送器的接線形式,不同變送器的接線形式如圖 1、圖2 所示。
4 線制電流信號接線
 
在模擬量輸入模塊的接線方式中, 2 線制電流信號和四線制電流信號都只有 2 根信號線,但兩者存在明顯的區(qū)別:2 線制電流信號的接法是 2 根信號線既要給傳感器或變送器供電,又要提供電流檢測信號,而 4 線制電流信號的接法是 2 根信號線只提供電流檢測信號,另外 2 根線單好連接電源。 因此,提供 2 線制電流信號的傳感器或變送器稱為無源設(shè)備,而提供 4 線制電流信號的傳感器或變送器稱為有源設(shè)備。 4 線制電流信號接法一般用于功率較大的儀表設(shè)備,需要單好連接電源 [ 10 ] 。
 
2.3 模擬量輸入模塊量程卡設(shè)置
拆下 SM331 模塊可知在其左側(cè)裝有量程卡, 且可以摳下方塊調(diào)整方向,如圖 3 所示。 一個模塊具有 4 張量程卡,且每 2 條通道共用 1 張量程卡,每張量程卡可按實際需求設(shè)于 4 個不同的位置( A , B , C , D ): A 位置可設(shè)置為熱電偶 / 電阻傳感器測量量程; B 位置可設(shè)置為電壓型傳感器測量量程; C 位置可設(shè)置為 4 線制電流型傳感器測量量程;D 位置可設(shè)置為 2 線制電流型傳感器測量量程, 如圖4 所示。
量程卡示意圖
若模擬量輸入模塊未設(shè)置量程卡,則該模塊應(yīng)具有適應(yīng)電壓和電流測量的不同接線端子,通過正確連接相關(guān)端子可設(shè)置相應(yīng)測量類型。
 
3 溫度變送器
3.1 溫度測量原理
溫度變送器是一種將溫度物理量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號的儀表 [ 11 ] ,主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量與控制。 帶溫度傳感器的變送器一般由兩個部分組成:一部分是傳感器,主要由熱電偶或熱電阻組成;另一部分是信號轉(zhuǎn)換器,主要由測量單元、信號處理和轉(zhuǎn)換單元組成。變送器輸出信號與溫度物理量之間有一定的連續(xù)函數(shù)關(guān)系(通常為線性函數(shù)),目前儀表標(biāo)準(zhǔn)信號主要包括 0~20 mA 和4~20mA 或 1~5V 的直流電信號 [ 12 ] 。
 
3.2 溫度測量不穩(wěn)定因素
( 1 )抗干擾能力弱,如易受電磁干擾、雷電、靜電等因素的干擾,導(dǎo)致檢測不穩(wěn)定;( 2 )環(huán)境因素影響,如檢測環(huán)境有較強(qiáng)熱輻射、潮濕環(huán)境、風(fēng)浪較大的海上環(huán)境等;( 3 )變送器模塊不穩(wěn)定。
 
基于此,本文采用 RoseMount 溫度變送器替換虹潤溫度變送模塊的方法展開試驗。
 
4、RoseMount 溫度變送器替換虹潤溫度模塊
4.1 RoseMount 溫度變送器介紹
本文采用的 RoseMount 溫度變送器是 248 型,是固化封裝的一體化溫度變送器,其主要由兩線制固體電子單元組成,變送器輸入一般為溫度傳感器的熱電阻、熱電偶,輸出為統(tǒng)一的 4~20mA 信號,可與 PLC 系統(tǒng)、 DCS 系統(tǒng)或其他常規(guī)儀表匹配使用, 也可將數(shù)字信號疊加至 4~20 mA信號,用于 HART 通信協(xié)議。 與傳感器不同,該變送器除了能將非電量轉(zhuǎn)換成可測量的電量外,還具有放大、抗干擾能力 [ 13 ] 。
 
RoseMount 熱電阻溫度變送器由基本單元、 R/V 轉(zhuǎn)換單元、線性電路、反接保護(hù)、限流保護(hù)、 V/I 轉(zhuǎn)換單元等組成,熱電阻信號經(jīng)轉(zhuǎn)換放大后,再由線性電路對溫度與電阻的非線性關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償,經(jīng) V/I 轉(zhuǎn)換電路后會輸出一個與被測溫度成線性關(guān)系的 4~20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號 [ 14 ] 。穩(wěn)定性方面, 對于電阻式溫度檢測或熱電偶的輸入,12 個月內(nèi) RoseMount 溫度變送器的穩(wěn)定性將達(dá)到 ±0.1%或 0.1℃ 。 具體相關(guān)穩(wěn)定特性如表 1 所示。
溫度變送器穩(wěn)定特性 RoseMount 接線圖和實物圖
RoseMount 溫度變送器接線如圖 5 所示,實物圖如圖6 所示, 1~4 端子為傳感器熱電阻接線,“ + ”“ - ” 端子為電源(信號)接線,采用 2 線制連接。
 
4.2 熱媒爐原溫度模塊現(xiàn)狀
熱媒爐原溫度變送器設(shè)計接線圖如圖 7 、 圖 8 所示,再 根 據(jù) 接 線 圖 梳 理 原 虹 潤 溫 度 變 送 模 塊 與 西 門 子SM331AI 模塊卡件接線情況,確認(rèn)其為 4 線制方式連接。
 
4.3 RoseMount 溫度變送器安裝
由于 RoseMount 溫度變送器采用 2 線制連接,沒有單好的電源供電, 而原虹潤溫度變送器模塊采用 4 線制連接,需要重點解決 4 線制轉(zhuǎn) 2 線制的連接問題。
 
西門子 SM331 的 AI 卡件連接方式支持 4 種方式的連接,將原卡件拆下,更換黑色小方塊的方向?qū)?C 方向調(diào)整至 D 方向, 即實現(xiàn)了將原 4 線制連接方式改為 2 線制連接方式,如圖 9 所示。
 
更換 RoseMount 溫度變送器,再連接熱電阻傳感器信號線和變送器輸出電源信號線,如圖 10 所示。
 
5 結(jié)語
檢查各變送器和傳感器接線、 變送器和 SM331AI 卡件接線,送電測試變送器的運行情況查看觸摸屏,熱媒爐入爐溫度、出爐溫度、排煙溫度均顯示正常,滿足投入運行條件。歷經(jīng) 3 年時間考驗,熱媒爐未出現(xiàn)溫度跳變現(xiàn)象,溫度檢測和連鎖保護(hù)處于穩(wěn)定狀態(tài)。 由此可見,在溫度檢測過程中出現(xiàn)的溫度信號不穩(wěn)定情況與變送模塊本身的穩(wěn)定性以及 2 線制、 4 線制的接線方式都存在一定關(guān)系。 本文介紹的 RoseMount 溫度變送器采用 2 線制接法,抗干擾能力強(qiáng),排除了采用 4 線制接法時外接電源的干擾因素。
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