压力变送器及其仪表在热源厂中的应用与故障分析

    摘 要：介绍了由北京和利时公司开发设计的 DCS 集散控制系统在工业生产中的优势，以太原市热力集团有限责任公司城西供热分公司热源厂为例，对 压力变送器及其仪表传感器在运行中出现的故障进行了简要分析。

    随着环境保护要求的提高，各地区的燃煤取暖小锅炉已被大型热源厂集中供热取代。自动化控制系统在热源厂的应用，对提高工业生产效率，降低企业污染排放，有效保障人身及财产安全起到了关键作用。太原市热力集团有限责任公司城西供热分公司热源厂 （以下简称我厂） 所采用的自动控制系统为北京和利时公司开发设计的 DCS 集散控制系统，由该系统对锅炉进行远程操作和实时监控。本文将以我厂为例，结合实际情况，简要分析 压力变送器及其仪表传感器在使用中出现的故障及解决方案。

    1 运行概况
    我厂共有 4 台 116 MW 循环流化床锅炉，设有一期、二期控制室，控制室内有工程师站电脑、操作员站电脑、仪表立盘、控制站、服务器、UPS 不间断电源等设备。

    2 控制系统运行方式
    DCS 集散控制系统，是以微处理器为基础对整个生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统。系统对锅炉传感器数据进行采集处理后，通过操作员站电脑向操作员显示各项实时数据，操作员可根据实时数据来发出控制命令调整设备。系统可实现数据采集、集中操作、分散控制等功能，具有配置灵活、控制功能齐全、可靠性高、易于维护等特点。

    安全生产是企业的重中之重。锅炉运行过程中，大型设备启动的顺序应为：引风机→罗茨风机→二次风机→一次风机→炉前给煤机，停止顺序为反向顺序停止。引风机的作用是抽取锅炉燃烧后炉膛内的烟气，并使炉膛保持一定的负压。如果运行中出现引风机突发故障紧急停车而烟气无法排出，将导致炉膛压力变为正压，严重时将发生锅炉爆炸等事故。为减少人员误操作，保证人员设备安全，缩短设备启停时间，我厂的设备采用顺序控制并联锁，控制范围包括大型风机控制机组以及机组包括的所有辅机、阀门和挡板及设备。在锅炉启动和工作过程中，当联锁电机中的任何 1 台电机出现故障时，应停止相应联锁的电机。以我厂给煤机给煤系统为例，炉前给煤机作为重要的燃料输送设备，需配合风机将燃料悬浮在炉膛中进行充分燃烧。通过压力变送器将给煤机和风机进行联锁，并采取顺序启动，只有风机启动后给煤机才可以启动，给煤机停止后风机才可以停车，当风机因故障紧急停车时给煤机也联锁控制停止。运行中，操作人员通过 DCS 操作员站改变频率调节风机转速或对风门开度进行调节，以及给煤速度的调节来达到安全、高效的运行状态，最大限度地减少燃煤燃烧不充分产生的各种不利后果。
 

    3 系统设备及仪表
    系统设备分为两部分，第一部分为控制系统设备，第二部分为现场测量设备。

    3.1 控制系统设备
    控制设备有工程师站、操作员站、服务器、I/O 模块柜等。所有设备均有主备双电源。

    工程师站用于对 DCS 进行离线配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护。在实际运行中，工程师站主要用于对运行设备的控制和实时监控、离线数据查询和操作员站的程序下装。

    操作员站用于对锅炉运行的控制和监控。我厂共有 5 台操作员站，一期控制室设有 1 台工程师站和 3
台操作员站，分别控制 1 号、2 号锅炉和公用系统；二期控制室设有 2 台操作员站，分别控制 3 号、4 号锅炉。由 于 DCS 各控制器间通过网络连接并可进行数据交换使整个系统信息共享，当某台操作员站发生故障时可通过剩余操作员站进行控制和监控。

    服务器主要对运行数据进行采集和储存，通过工程师站可离线查询服务器中的历史运行数据。我公司设有 2 台服务器，1 主 1 备。

    I/O 是控制系统需要建立信号的输入和输出通道，DCS 中的 I/O 一般是模块化的，1 个 I/O 模块上有 1 个或多个 I/O 通道，用来连接传感器和执行器。

    为防止紧急情况出现，每台锅炉在控制室分别设置了独立工作的仪表立盘，与 压力变送器互不干扰。仪表立盘上设有显示锅炉运行主要参数的显示仪表，设备启停、急停操作按钮，联锁、解锁转换开关及指示灯，操作人员不仅可以通过对应的登录密码在不同的工作电脑上实时掌握各个锅炉的运行状态，还可以通过仪表立盘上的仪表显示直观地读取锅炉主要的运行参数，为锅炉安全运行提供了双保险。

    DCS 的系统网络是整个系统的基础和核心部分。网络对 DCS 的实时性、可靠性起决定性作用，在不讨论网络可靠性的情况下谈 DCS 的特性，一切都是空谈。对 于 DCS 的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，并且网络连接必须可靠，任何情况下都不能中断。我厂DCS 网络采用双总线的网络拓扑结构、先进的冗余通信系统，预防断网及设备故障所造成的影响。

    3.2 现场测量设备
    锅炉本体安装有所需的热电阻、热电偶、变送器、电动执行器、氧化锆氧分析仪等，在给煤机现场还安装有称重传感器和测速传感器，并在就地仪表柜上显示相关数据。所测数据通过 DCS 控制柜经过收集处理后反馈在操作员站电脑中，操作员根据数据发出命令控制调整电机转速、风门开度、给煤速度和给煤量等。

    4 系统设备应用与故障分析
    压力变送器在我厂稳定运行已超过 10 年，其间未发生过重大故障，但出现过二期控制室操作员站数据突然定格，没有实时变化，操作员无法获取实时数据的情况。在紧急排查中，首先怀疑的是网络数据传输中断。通过 压力变送器的网络拓扑结构图中看到，服务器和二期操作员站之间主备网络连接全部中断，检查后发现近操作员站端光纤收发器信号灯故障。由于时间紧迫，我们选择直接更换备用光纤收发器和所连接的网线。更换后备用网络恢复连接，数据正常传输，但主网络仍处于断线状态。后再经检查发现，一是主要线路的网络交换机长期处在发热状态，加速了设备老化，数据传送时断时续，已无法正常工作；二是替换下的光纤收发器网线接口松动。为防止类似情况再次发生，保证设备稳定运行，我们决定更换全部网络交换机、光纤收发器以及所用网线，并制订计划按元器件使用寿命进行设备更新。

    我厂 压力变送器在建厂设计时已经在系统内设定各类传感器原件的默认参数。随着时代发展，传感器元器件的更新，以及厂内实际运行情况的需要，很多设备的默认参数已不适用现在的运行情况。例如，锅炉已运行多年，经过多次更新改造，某些地方压力值已不适用建厂所设定的压力范围，这种情况下直接更换与 压力变送器量程不一致的压力变送器，所传送的 4 mA～20 mA 标准信号与系统压力量程不一致，必将导致所测数据不准确。此类情况必须通过 压力变送器的工程师站，更改所选压力点的被测范围，与压力变送器的量程一致后，方可准确读取数据。

    在锅炉燃烧室密相区所采用的测温原件选用铠装耐磨温度传感器，在所测电机轴承测温处和管网水温多采用装配式温度传感器。由于循环流化床锅炉燃烧具有流动性，对套管及保护铠的摩擦很大，一旦出现磨穿的现象便会很快烧毁传感器。在电机上和管道上的温度测点易受到震动的影响，导致传感器导线震断，所以在安装时要加装防震垫保护，防止出现松动，并定期检查。

    我厂给煤系统装有速度传感器和称重传感器，用来测量输煤皮带运行速度和给煤量的大小。就地给煤仪表收集传感器数据后，经过处理转变为 4 mA～20mA 标准信号传送到控制柜中。在实际运行中，出现过就地仪表柜显示煤量正常但 DCS 操作员站显示数据偏低的情况。经测量，在就地给煤仪表端输出的电流信号与仪表显示数据相对应，但在近控制柜端再次测量电流信号衰减，控制柜对应 I/O 模块电压正常，怀疑传送线路受到干扰。在近控制柜端加装信号隔离器后再次测量，两端的电流信号一致，操作员站显示数据正常。

    5 结语
    DCS 作为成熟的自动化控制系统，为我厂安全生产、节能降耗起到了至关重要的作用，随着科技的发展，压力变送器将得到广泛应用，这将为保护环境，减少污染，创建碧水蓝天的环境做出巨大的贡献。