摘要：針對壓力開關(guān)在火力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)問題，干擾技術(shù)人員的判斷，給設(shè)備安全運(yùn)行帶來隱患。文章分析了壓力開關(guān)測量的原理及存在的問題，提出了優(yōu)化的必要性和可行性，并利用機(jī)組停機(jī)期間進(jìn)行改造。優(yōu)化后，效果非常明顯，排除了信號誤報(bào)、監(jiān)視困難等問題，提高了機(jī)組運(yùn)行的可靠性。
0引言
發(fā)電廠是一個(gè)龐大、復(fù)雜的熱力系統(tǒng)，測點(diǎn)數(shù)量巨大，測量方式多樣。其中，壓力作為#基本的測量信號，其布置非常廣泛，大到汽水系統(tǒng)，小到輔機(jī)油站等，都離不開對壓力的測量。從測量類型分類，壓力測量可分為開關(guān)量、模擬量。開關(guān)量測量主要元件是壓力開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)壓力、濾網(wǎng)差壓、物位高低等的測量。模擬量測量主要元件是變送器，完成同樣的功能。然而，不管采用何種測量方式，都要求信號可靠、及時(shí)、誤差在允許范圍內(nèi)，滿足熱力系統(tǒng)、設(shè)備的監(jiān)視及保護(hù)功能。本文根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中，壓力開關(guān)經(jīng)常出現(xiàn)誤動(dòng)以及無法監(jiān)視壓力等情況，對壓力開關(guān)測量方式進(jìn)行了詳細(xì)地分析、探討及改造，從而使壓力測量更合理、更可靠，便于技術(shù)人員分析，及時(shí)消除系統(tǒng)存在的隱患。
1事件簡介
案例1：某廠主機(jī)和小機(jī)的調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)用油均采用高壓抗燃油。抗燃油系統(tǒng)設(shè)置兩臺柱塞式油泵，每個(gè)油泵出口裝有濾網(wǎng)，并在濾網(wǎng)筒體上安裝差壓開關(guān)，進(jìn)行油泵出口濾網(wǎng)差壓監(jiān)視。此差壓開關(guān)為彈簧管型開關(guān)。在機(jī)組運(yùn)行過程中，開關(guān)經(jīng)常動(dòng)作，發(fā)出報(bào)警信號。隨后，維護(hù)人員進(jìn)行濾網(wǎng)、壓力開關(guān)更換，但都沒有徹底解決問題，以致此差壓信號失去監(jiān)視的意義，極大地影響機(jī)組安全運(yùn)行。
案例2：某廠引風(fēng)機(jī)小機(jī)油系統(tǒng)采用兩臺雙聯(lián)葉片泵，一臺運(yùn)行，一臺備用，提供小汽輪機(jī)及減速機(jī)的潤滑用油和小汽輪機(jī)的控制用油。其中控制油管道安裝兩個(gè)壓力開關(guān)，定值分別為2.8MPa、3.2MPa。在一次小機(jī)閥門電磁閥泄露事件中，控制油兩個(gè)壓力開關(guān)全部動(dòng)作，并聯(lián)啟備用泵。事后分析發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行人員當(dāng)時(shí)無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)油壓變化并采取安全措施，當(dāng)一個(gè)壓力開關(guān)動(dòng)作時(shí)，認(rèn)為誤報(bào)警，#后油壓降至2.8MPa；另一個(gè)開關(guān)動(dòng)作聯(lián)啟油泵后，才采取有效措施。事后也只能借助就地壓力表，判斷油壓是否穩(wěn)定、系統(tǒng)能否繼續(xù)運(yùn)行，并進(jìn)行事故處理。
2問題分析
2.1測量原理
壓力開關(guān)使用彈性元件，如膜片、膜盒、彈簧管、波紋管等作為感受件。其接受外界的壓力信號，轉(zhuǎn)換為彈性元件的彈性位移輸出。當(dāng)結(jié)構(gòu)、材料一定時(shí)，在彈性限度內(nèi)彈性元件發(fā)生彈性形變所產(chǎn)生的位移與被測量的壓力值有確定的對應(yīng)關(guān)系。壓力開關(guān)利用這一彈性位移量，使內(nèi)部金屬接點(diǎn)閉合或斷開，實(shí)現(xiàn)對壓力的監(jiān)測功能。
2.2壓力開關(guān)存在的問題
1）蠕變和疲勞形變
彈性元件經(jīng)過長時(shí)間的負(fù)荷作用，當(dāng)負(fù)荷取消后，不能恢復(fù)原來的形態(tài)，這種特性稱為彈性元件的蠕變。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)壓力開關(guān)使用時(shí)間長，其定值會(huì)偏差比較大。尤其安裝在泵出口的壓力差壓開關(guān)，隨著泵的啟停次數(shù)增多，其容易產(chǎn)生形變，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)。以上案例1屬于此種。
2）溫度影響
由于溫度的變化，彈性元件材料的彈性模量相應(yīng)變化，所以彈性元件的剛度發(fā)生變化，這將影響彈性元件的輸出特性。有些壓力開關(guān)直接安裝在被測設(shè)備上，與被測流體實(shí)時(shí)接觸，其受流體溫度變化影響比較大。
3）振動(dòng)影響
在振動(dòng)較大的地方，壓力開關(guān)容易誤動(dòng)或設(shè)定點(diǎn)發(fā)生偏移。
3優(yōu)化必要性
3.1壓力開關(guān)定值容易“跑”
在日常儀表抽查及檢修過程中可以發(fā)現(xiàn)，很多壓力開關(guān)定值“跑”了，即壓力開關(guān)實(shí)際動(dòng)作值與原設(shè)定值偏差比較大，超出了允許誤差。但相比較而言，壓力變送器出現(xiàn)偏差的現(xiàn)象是非常少的，除少數(shù)微差壓。某次檢修，進(jìn)行爐膛壓力測點(diǎn)校驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)如表1、表2所示。
從表1可以看出，3個(gè)壓力開關(guān)誤差都比較大，已不滿足測量要求。而表2中，爐膛變送器誤差雖有一定偏差，但基本滿足工作要求。
3.2測量功能單一
開關(guān)量測量屬于點(diǎn)的監(jiān)控，功能過于單一，不利于運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)、設(shè)備出現(xiàn)的異常，不利于技術(shù)人員對問題的分析和判斷。
在實(shí)際運(yùn)用中，為了便于對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行有效地檢測，往往設(shè)計(jì)多個(gè)不同定值的壓力開關(guān)。在重要的系統(tǒng)中，為了聯(lián)鎖、保護(hù)可靠性，每個(gè)壓力等級下，又設(shè)置兩個(gè)、3個(gè)冗余開關(guān)，并且要求每個(gè)開關(guān)單好取樣，從而使得測量系統(tǒng)變得非常復(fù)雜。
3.3工作可靠性低
壓力開關(guān)接點(diǎn)有兩種形式，即常開接點(diǎn)和常閉接點(diǎn)，可以根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用選擇接點(diǎn)類型。然而，無論常開接點(diǎn)還是常閉接點(diǎn)，可靠性都不高[3]。其主要原因：1）壓力開關(guān)無法有效提供其本身測量回路故障的報(bào)警。例如工作電壓失去、回路斷線、開關(guān)故障等；2）感受元件容易受振動(dòng)、溫度的影響而誤發(fā)信號或失靈。
3.4日常維護(hù)量大
壓力開關(guān)維護(hù)量大主要體現(xiàn)在以下方面：1）開關(guān)定值容易“跑”。因此，需要縮短校驗(yàn)周期，以確保其準(zhǔn)確性；2）在開關(guān)突發(fā)報(bào)警而又缺乏其它有效數(shù)據(jù)判斷的情況下，譬如模擬量歷史趨勢等，通常需要把壓力開關(guān)退出系統(tǒng)，拆除并運(yùn)回試驗(yàn)室，重新校驗(yàn)；3）壓力開關(guān)更改定值麻煩。在一些場合需要零點(diǎn)遷移或更改定值時(shí)，需要重新校驗(yàn)開關(guān)，而變送器只需要通過HART475手操器在允許范圍內(nèi)直接遷移即可。
3.5誤差精度低
壓力開關(guān)精度等級比變送器低。在常規(guī)儀表校驗(yàn)過程中，壓力開關(guān)一般按1.0級校驗(yàn)，壓力變送器按0.5級校驗(yàn)。實(shí)際上，現(xiàn)在智能壓力變送器的精度等級非常高[1]。例如常用的羅斯蒙特壓力變送器精度出廠設(shè)計(jì)為0.075級或0.1級。
4可行性
隨著變送器的精度等級越來越高，以及智能變送器的普遍應(yīng)用，壓力變送器在精度、參數(shù)可靠性、日常維護(hù)以及監(jiān)控功能上都優(yōu)于壓力開關(guān)。但是，根據(jù)測量原理，壓力開關(guān)進(jìn)入控制系統(tǒng)的采集時(shí)間比變送器快[2]，以及壓力開關(guān)在價(jià)格方面也有一定優(yōu)勢。
4.1數(shù)據(jù)采集時(shí)間
對DCS系統(tǒng)而言，壓力開關(guān)輸出為數(shù)字量輸入（DI）信號，變送器輸出為模擬量輸入(AI)信號。模擬量信號需要經(jīng)過采樣、保持、量化、編碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號才能進(jìn)入DCS控制器運(yùn)算處理。因此，在采集時(shí)間上壓力開關(guān)比變送器快。以下為兩個(gè)DCS系統(tǒng)數(shù)字量與模擬量采集時(shí)間。
從圖2中可以看出，ABB分散控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時(shí)間AI為8ms，DI#快為2ms[5]；OVATION分散控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時(shí)間AI為40ms~50ms，DI為3ms~7ms[4]。由于每個(gè)DCS系統(tǒng)特性不同，其數(shù)據(jù)采集時(shí)間有一定偏差，但是不管是開關(guān)量輸入還是變送器輸入，其采集時(shí)間都能滿足發(fā)電廠熱力系統(tǒng)的控制要求（除汽輪機(jī)超速保護(hù)控制系統(tǒng)）。
4.2不同元件反應(yīng)時(shí)間測試
選取火檢冷卻風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行測試，該系統(tǒng)包括5個(gè)壓力開關(guān)、1個(gè)變送器，共6個(gè)測點(diǎn)。本試驗(yàn)選擇了其中的定值6.0KPa壓力開關(guān)1，定值5.5KPa壓力開關(guān)2，壓力變送器（量程0KPa~16KPa），通過啟停風(fēng)機(jī)，來建立或卸放冷卻風(fēng)壓力。各測量元件把檢測到的壓力變化信號送至DCS系統(tǒng)。在DCS內(nèi)部，變送器進(jìn)行壓力低判斷，壓力開關(guān)則直接把感受到的壓力低信號輸出至SOE系統(tǒng)。
試驗(yàn)一，更改壓力變送器邏輯判斷定值為6.0KPa，使之與壓力開關(guān)1同定值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。
試驗(yàn)二，更改壓力變送器邏輯判斷定值為5.5KPa，使之與壓力開關(guān)2同定值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。
試驗(yàn)三，SOE系統(tǒng)時(shí)間測試，同一時(shí)刻觸發(fā)信號，記錄結(jié)果如表5所示。
以上可以看出，SOE系統(tǒng)正常記錄（見試驗(yàn)三），在相同定值情況下，變送器整個(gè)運(yùn)算輸出比壓力開關(guān)快0s~3s，這與4.1所述不符。這種情況出現(xiàn)與壓力開關(guān)整定值與實(shí)際動(dòng)作值有偏差以及壓力開關(guān)本身性能有一定關(guān)系。
4.3價(jià)格比較
普通壓力開關(guān)價(jià)格約1000元~5000元，如SOR、UE、PALL等；普通壓力變送器價(jià)格4000元~6000元，如羅斯蒙特、西門子、橫河等。壓力開關(guān)價(jià)格相差比較大，總體而言比變送器便宜，但現(xiàn)場常用的壓力開關(guān)價(jià)格與變送器相差不大。
5優(yōu)化案例及效果
案例1：原抗燃油系統(tǒng)差壓開關(guān)安裝在每臺油泵出口的濾網(wǎng)筒體上，與濾網(wǎng)筒為一體設(shè)計(jì)，無法直接更換為變送器。另外，由于抗燃油泵管道本身的原因，亦無法直接開孔取樣，但是系統(tǒng)原設(shè)計(jì)有壓力表，可以利用壓力表預(yù)制的取樣管來解決變送器取樣問題。在油泵出口壓力表取壓管安裝三通閥，接出一路取樣管到差壓變送器正壓側(cè)；在抗燃油母管壓力表取樣管安裝三通閥，接出另一路取樣管到差壓變送器負(fù)壓側(cè)。對于差壓變送器，根據(jù)壓力大小，選擇高靜壓變送器。改造后，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)差壓信號再無出現(xiàn)問題，使運(yùn)行人員可以監(jiān)視濾網(wǎng)差壓變化，從而判斷濾網(wǎng)工作情況，并采用有效措施，保證系統(tǒng)的安全。
案例2：引風(fēng)機(jī)控制油系統(tǒng)原安裝兩個(gè)壓力開關(guān)，其接頭為標(biāo)準(zhǔn)接口。在不增加額外成本的基礎(chǔ)上，直接拆除其中一個(gè)壓力開關(guān)，更換為變送器，相應(yīng)地把信號接線從開關(guān)量卡件移至相鄰的模擬量卡件，并在DCS里進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，從而完成了壓力開關(guān)的優(yōu)化改造。改造完成后，運(yùn)行人員可以時(shí)刻監(jiān)視控制油壓的大小，準(zhǔn)確地做出判斷。
6結(jié)論
1）本文分析得出壓力開關(guān)存在如下缺點(diǎn)：定值容易變化、功能單一、可靠性低、日常維護(hù)大、精度低；
2）在數(shù)據(jù)采集上，壓力開關(guān)輸出為數(shù)字量信號，變送器輸出為模擬量信號。因此，壓力開關(guān)理論工作速度比變送器快，但不影響壓力變送器所在的模擬量在熱力系統(tǒng)的控制要求。在實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)，壓力變送器整個(gè)運(yùn)算周期反而比壓力開關(guān)短；
3）壓力開關(guān)價(jià)格優(yōu)于變送器，但常用的壓力開關(guān)與變送器價(jià)格相差不大；
4）通過兩個(gè)案例的發(fā)生，說明了壓力開關(guān)在實(shí)際應(yīng)用中誤動(dòng)作不利于監(jiān)視。#后利用各種方法改造成變送器后，測點(diǎn)可靠性極大提高，方便了運(yùn)行人員對系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)控。
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