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RoseMount温度变送器在热媒炉温度保护中的应用
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RoseMount温度变送器在热媒炉温度保护中的应用

时间:2023-10-26 09:30:51

 摘 要: 针对某天然气终端处理厂 11000kW 热媒炉机组因 3 个关键温度检测经常跳变导致的机组停机问题,本文提出了将原虹润温度变送模块改为 RoseMount 温度变送器的处理办法。shou先确认两种温度变送器的信号接线原理,然后考虑信号接线转换的可行性,#后将 RoseMount 温度变送器替换为原有的虹润温度变送模块。由于两种变送器信号接线原理不同,在现场作业中采用 S7-300PLC 的 AI 卡件实操接线转换,并接收 4~20 mA 信号。温度检测数据表明,RoseMount 温度变送器有效提高了热媒炉机组温度的稳定性。LeU压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

 
引言
热媒炉是一种典型的有机热载体锅炉,主要应用于化工、化纤、焦油和印染等工业生产领域,具有“低压高温”的特点,即炉膛处于微正压状态,排烟温度较高 [ 1 ] 。 某天然气终端处理厂将热媒炉应用于导热油加热,配以完整的仪表检测系统和安全连锁功能。 热媒炉将导热油加热至 240~260 ℃ , 通过高温热媒泵将导热油增压至 0.42~0.45 MPa ,并输送至生产装置的各用户处(如塔底重沸器、再生器加热器) [ 2 ] ,为整个天然气生产装置的加热器提供了热量,实现了有效换热。
 
热媒炉机组在运行过程中对温度的控制要求较高,需要较稳定的温度传感器和变送器。某天然气终端的 3 个关键温度变送器在运行过程中若信号不稳会发生跳变,触发机组安全连锁保护,导致热媒炉机组的经常性停机。 作为生产工艺中的重要关键设备,热媒炉必须有效提高其稳定性,降低故障率,才能保证整个天然气处理终端的安全生产。
 
本文通过分析故障原因、采取替换型号、改变温度变送器接线方式、改变 AI 模块功能块选择信号等操作,提高温度检测的抗干扰能力和温度监测性能以及热媒炉温度
控制系统的准确性和稳定性。
 
1、热媒炉温度控制系统
热媒炉通常以干燥天然气作为基础燃料,燃料在炉中经燃烧器燃烧后会释放热量,这些热量会经由不同的形式传送至炉管,目前所应用的主要形式包括辐射与对流。 热量传送至炉管后,炉内盘管会将接收的热量传送至炉内载体,使热介质的温度稳定上升 [ 3 ] 。 其温度控制系统有 3 个关键温度检测点,分别是热媒炉的热介质入炉温度、热介质出炉温度、热媒炉排烟温度,温度传感器均采用 PT100
热电阻,变送器则采用虹润温度模块。
 
热媒炉机组控制系统采用西门子 S7-300 为控制器,同时配备 AI 、 AO 、 DI 、 DO 输入 / 输出卡件。 在温度控制系统中,温度传感器将温度信号转换成电阻信号,温度变送器将电阻信号转换为标准 4~20 mA 信号传入西门子 S7-300的 AI 卡件中 [ 4-5 ] ,控制器读取 AI 卡件数据并进行运算处理,再进行显示、控制和联锁保护 [ 6 ] 。
 
温度控制系统是将热媒炉的热介质出炉温度作为控制变量,用于控制调节热媒炉风门开度的大小。 热介质入炉温度用于正常监视系统运行情况, 并设有停机逻辑保护,温度设点为 320 ℃ 。 热媒炉排烟温度是反映整个燃烧过程热效率的重要指标,其温度检测的准确性和稳定性将直接影响热媒炉机组运行的稳定情况,也设有温度高高停机联锁保护,温度设点为 330℃ 。
 
2、西门子 SM331 模拟量输入模块
2.1 模拟量输入模块 SM331 介绍
SM331 模块为西门子 S7-300 系列的模拟量输入模块, 目前常见的规格和型号为: 8AI×12 模块、 2AI×12 模块和 8AI×16 模块。SM331 主要由 A/D(模/ 数)转换、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离、逻辑电路等部件组成。 模 / 数转换部件是该模块的核心,其转换原理采用积分方法,被测量模拟量的精度是设定的积分时间的正函数, 即积分时间越长,被测值的精度越高。 SM331 可以选 4 档积分时间:2.5 ms 、 16.7 ms 、 20 ms 和 100 ms , 相应精度为 8 、 12 、 12 和14 [ 7-9 ] 。
 
2.2 模拟量输入模块与变送器连接
SM331 系列模拟量输入卡件有多种不同的型号规格,该模块根据不同的型号,可实现对电压、电流、电阻和温度的测量。
 
根据测量类型的不同, 又可将电压传感器、 2 线制电流传感器、 4 线制电流传感器、电阻传感器、热电偶传感器连接到模拟量输入模块进行测量。 本文以 6ES7 331-7KF02-0AB0 模块为例研究变送器的接线形式,不同变送器的接线形式如图 1、图2 所示。
4 线制电流信号接线
 
在模拟量输入模块的接线方式中, 2 线制电流信号和四线制电流信号都只有 2 根信号线,但两者存在明显的区别:2 线制电流信号的接法是 2 根信号线既要给传感器或变送器供电,又要提供电流检测信号,而 4 线制电流信号的接法是 2 根信号线只提供电流检测信号,另外 2 根线单好连接电源。 因此,提供 2 线制电流信号的传感器或变送器称为无源设备,而提供 4 线制电流信号的传感器或变送器称为有源设备。 4 线制电流信号接法一般用于功率较大的仪表设备,需要单好连接电源 [ 10 ] 。
 
2.3 模拟量输入模块量程卡设置
拆下 SM331 模块可知在其左侧装有量程卡, 且可以抠下方块调整方向,如图 3 所示。 一个模块具有 4 张量程卡,且每 2 条通道共用 1 张量程卡,每张量程卡可按实际需求设于 4 个不同的位置( A , B , C , D ): A 位置可设置为热电偶 / 电阻传感器测量量程; B 位置可设置为电压型传感器测量量程; C 位置可设置为 4 线制电流型传感器测量量程;D 位置可设置为 2 线制电流型传感器测量量程, 如图4 所示。
量程卡示意图
若模拟量输入模块未设置量程卡,则该模块应具有适应电压和电流测量的不同接线端子,通过正确连接相关端子可设置相应测量类型。
 
3 温度变送器
3.1 温度测量原理
温度变送器是一种将温度物理量转换为标准化输出信号的仪表 [ 11 ] ,主要用于工业过程温度参数的测量与控制。 带温度传感器的变送器一般由两个部分组成:一部分是传感器,主要由热电偶或热电阻组成;另一部分是信号转换器,主要由测量单元、信号处理和转换单元组成。变送器输出信号与温度物理量之间有一定的连续函数关系(通常为线性函数),目前仪表标准信号主要包括 0~20 mA 和4~20mA 或 1~5V 的直流电信号 [ 12 ] 。
 
3.2 温度测量不稳定因素
( 1 )抗干扰能力弱,如易受电磁干扰、雷电、静电等因素的干扰,导致检测不稳定;( 2 )环境因素影响,如检测环境有较强热辐射、潮湿环境、风浪较大的海上环境等;( 3 )变送器模块不稳定。
 
基于此,本文采用 RoseMount 温度变送器替换虹润温度变送模块的方法展开试验。
 
4、RoseMount 温度变送器替换虹润温度模块
4.1 RoseMount 温度变送器介绍
本文采用的 RoseMount 温度变送器是 248 型,是固化封装的一体化温度变送器,其主要由两线制固体电子单元组成,变送器输入一般为温度传感器的热电阻、热电偶,输出为统一的 4~20mA 信号,可与 PLC 系统、 DCS 系统或其他常规仪表匹配使用, 也可将数字信号叠加至 4~20 mA信号,用于 HART 通信协议。 与传感器不同,该变送器除了能将非电量转换成可测量的电量外,还具有放大、抗干扰能力 [ 13 ] 。
 
RoseMount 热电阻温度变送器由基本单元、 R/V 转换单元、线性电路、反接保护、限流保护、 V/I 转换单元等组成,热电阻信号经转换放大后,再由线性电路对温度与电阻的非线性关系进行补偿,经 V/I 转换电路后会输出一个与被测温度成线性关系的 4~20mA 标准电流信号 [ 14 ] 。稳定性方面, 对于电阻式温度检测或热电偶的输入,12 个月内 RoseMount 温度变送器的稳定性将达到 ±0.1%或 0.1℃ 。 具体相关稳定特性如表 1 所示。
温度变送器稳定特性 RoseMount 接线图和实物图
RoseMount 温度变送器接线如图 5 所示,实物图如图6 所示, 1~4 端子为传感器热电阻接线,“ + ”“ - ” 端子为电源(信号)接线,采用 2 线制连接。
 
4.2 热媒炉原温度模块现状
热媒炉原温度变送器设计接线图如图 7 、 图 8 所示,再 根 据 接 线 图 梳 理 原 虹 润 温 度 变 送 模 块 与 西 门 子SM331AI 模块卡件接线情况,确认其为 4 线制方式连接。
 
4.3 RoseMount 温度变送器安装
由于 RoseMount 温度变送器采用 2 线制连接,没有单好的电源供电, 而原虹润温度变送器模块采用 4 线制连接,需要重点解决 4 线制转 2 线制的连接问题。
 
西门子 SM331 的 AI 卡件连接方式支持 4 种方式的连接,将原卡件拆下,更换黑色小方块的方向将 C 方向调整至 D 方向, 即实现了将原 4 线制连接方式改为 2 线制连接方式,如图 9 所示。
 
更换 RoseMount 温度变送器,再连接热电阻传感器信号线和变送器输出电源信号线,如图 10 所示。
 
5 结语
检查各变送器和传感器接线、 变送器和 SM331AI 卡件接线,送电测试变送器的运行情况查看触摸屏,热媒炉入炉温度、出炉温度、排烟温度均显示正常,满足投入运行条件。历经 3 年时间考验,热媒炉未出现温度跳变现象,温度检测和连锁保护处于稳定状态。 由此可见,在温度检测过程中出现的温度信号不稳定情况与变送模块本身的稳定性以及 2 线制、 4 线制的接线方式都存在一定关系。 本文介绍的 RoseMount 温度变送器采用 2 线制接法,抗干扰能力强,排除了采用 4 线制接法时外接电源的干扰因素。
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