综述火电厂热工自动化仪表的原理及故障

　　摘要：本文阐述了多种对火电厂热工自动化仪表的原理，解析热工自动化仪表经常出现的故障原因并提出相应的维护方案，有效避免绝大多数仪表故障，更好保证自动化电厂的安全、经济运行。
　　关键词：火电厂热工自动化;变送器;应用原理;故障
　　导言
　　热工自动化仪表是热工自动化系统中关键的子系统之一。一般热工自动化仪表主要由三个部分组成[1]，⑴传感器，利用各种信号检测被测模拟量；⑵变送器，将传感器所测量的模拟信号转变为4～20mA的电流信号；⑶显示器，将测量结果直观地显示出来，提供结果。这三个部分有机地结合在一起，缺少其中的任何一部分则不能称为完整的仪表。热工自动化仪表通过对热工参数（如温度、压力、流量、物位等）的测量，可以及时反映热力设备的运行工况，为运行人员提供操作依据；为电厂控制系统准确及时提供信号；为信息管理系统提供分析数据。因此，运行良好的热工自动化仪表是保证热力设备安全、经济运行及实现电厂自动化的必要条件[2]。
　　1、主要热工自动化仪表介绍
　　由于热工测量过程中所用到的自动化仪表甚多，这里只介绍几种比较典型的仪表。
　　1.1测温仪表
　　1.1.1热电偶温度计
　　热电偶温度计可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。它由感受件热电偶和用来测量热电偶所产生的热电势的二次仪表组成。由于在一定条件下，热电偶工作端的被测温度t与热电偶所产生的热势E之间有确定的函数关系[3]，即E=f(t)(称为热电偶的热电性质)，因此，二次仪表测得的电势数值就代表着被测温度。热电偶温度计一般用于测量锅炉烟气温度、锅炉汽包温度以及汽机主气温度等高温环境。热电偶在使用中应防止过分折伤，避免产生附加
　　应力和寄生电动势，造成测温不准确。常见热电偶主要特性可见表1-1。
　　                                                                             表1-1常见热电偶主要特性
　　                              
　　1.1.2热电阻温度计
　　在用热电偶测量500℃以下温度时，测量精度较低，可采用热电阻温度计进行测量。热电阻测温值可达-200℃之低。热电阻温度计由热电阻、连接导线和测量电阻值的显示仪表组成。热电阻测量温度的原理是利用一些金属在温度变化时其电阻也随着发生变化的特性，主要有铂热电阻和铜热电阻两种。热电阻温度计一般用于测量循环水温度、凝结水温度以及电机轴承温度等较低温的环境，热电阻在使用中应注意以下事项：
　　1）为了减少环境温度对线路电阻的影响，常采用三线制或四线制连接；
　　2）热电阻引入显示仪表的线路电阻必须符合规定值，否则会产生系统误差；
　　3）热电阻工作电流要小于规定值（通常为6mA），否则因过大电流产生附加误差；
　　4）热电阻的分度号必须和显示仪表调校分度号相同。
　　常见热电阻主要特性可见表1-2。
　　                                                                                 表1-2常见热电阻主要特性
　　                                      
　　1.2测压仪表
　　1.2.1膜盒微压计
　　在锅炉上被广泛用于送风系统、制粉系统、炉膛负压和尾部烟道的压力测量。当被测介质通过取压管进入薄膜盘，使膜盒的自由端产生位移，带动传动机构，使指针轴偏转，指针即在度盘上指示出压力值。
　　1.2.2波纹管压力计
　　用波纹管和弹簧组成的波纹管室作为测量元件。被测压力经由接头，毛细管进入波纹管室，波纹管的底部在压力作用下向上移动，经由传动机构使指针或记录笔偏转，指示或记录被测压力。波纹管压力计常用来指示并记录锅炉蒸汽压力。
　　1.2.3扩散硅式压力变送器
　　扩散硅式压力（差压）变送器是电阻应变式变送器的一种，它采用集成电路技术，在半导体材料硅基片上用扩散工艺形成应变电阻，其电阻变化率与被测压力成正比。由于单晶硅材料的弹性性能很高，其弹性滞后和蠕变很小，且其压阻效应又很大，故测压的转换精度很高，可以测量几十千赫的脉动压力，一般用于测量高压蒸汽压力。扩散硅式压力变送器测量线路原理如图1-1所示。
　　                                       
　　                                                 图1-1扩散硅式压力变送器测量线路原理图
　　为了保护测压仪表，一般不允许压力计指针经常处于刻度上限处，但选用测量范围过大的仪表又会影响测量结果的准确性。如果被测压力相当稳定，则被测压力的正常值应在压力计测量范围的三分之二处；如果被测压力经常变动，则其正常值应在压力计测量范围的二分之一处。
　　1.3流量仪表
　　1.3.1容积式流量计
　　容积式流量计是通过仪表壳体中不停转动的具有计量容积的转子的计数来测定体积流量的。若流体流量较大，则其转子转速也越快，从而可测取流量，这类流量仪表有椭圆齿轮流量计、腰轮（罗茨）流量计和旋转活塞式流量计等。容积式流量计可用于锅炉燃油流量的测量。
　　1.3.2差压式流量计
　　差压式流量计是利用流体流动中造成的差压与其流速成一定关系，并测取其差压之大小来测流量的。当流体中放入某节流元件时，该节流元件前后分别造成不同的静压力，测取这静压力之差便可以得知流量，这类流量计主要有弯管流量计和皮托管流量计，在锅炉蒸汽流量测量中普遍采用。
　　1.3.3微机型数字流量计
　　由于模拟显示仪表测流量时设备多、成本高、精度也不能够满足，因此微机型数字流量计代替传统的模拟仪表进行流量测量成为一种趋势。微机型数字流量计具有以下特点：
　　1)能够利用软件实现多个中间变量的运算和补偿；
　　2)以数字量显示各种单位的流量，并通过网络传递流量信息到主控室或其他设备；
　　3)显示具有实时性，并能够进行存储及报警。
　　                                              
　　                                                                                图1-2微机型数字流量计组成框图
　　图1-2为微机型数字流量计的组成框图。下面通过常用的标准节流装置测量过热蒸汽流量来介绍微机型数字流量计的工作过程。微机型数字流量计通过三个变送器DBC、DBY、DBW分别测量节流装置的差压、流体压力和温度，并转换成电流信号，再由电流电压转换器I/U及A/D转换器将电流信号最终转变成数字量，此数字量再通过CPU运算处理，最后由LED进行数字显示或由打印机进行打印。微机型数字流量计可用于供热系统及生产过程中对介质为水蒸气或其他液体、气体等的瞬时流量的测量、监视、报警。
　　1.4物位仪表
　　1.4.1电容式物位传感器
　　电容式物位传感器有两个导体电极（通常把容器壁作为一个电极），由于电极间是气体、流体或固体而导致静电容的变化，因此可以敏感物位。它的敏感元件有三种形式，即棒状、线状和板状，其工作温度、压力主要受绝缘材料的限制。电容式物位传感器可以采用微机控制，实现自动调整灵敏度，并且具有自诊断的功能，同时能够检测敏感元件的破损、绝缘性的降低、电缆和电路的故障等，并可以自动报警，实现高可靠性的信息传递。由于电容式物位传感器无机械可动部分，且敏感元件简单，操作方便，在清水池、水箱等液位测量中广泛应用[4]。
　　1.4.2超声波物位传感器
　　超声波物位传感器是一种非接触式的物位传感器，应用领域十分广泛。其工作原理是，工作时向液面或粉体表面发射一束超声波，被其反射后，传感器再接收此反射波。设声速一定，根据声波往返的时间就可以计算出传吸器到液面（粉体表面）的距离，即测量出液面（粉体表面）位置。超声波的频率愈低，随着距离的衰减愈小，但是反射效率也小。因此，应根据测量范围、物位表面状况和周围环境条件来决定所使用的超声波传感器。高性能的超声波物位传感器由微机控制。以紧凑的硬件进行特性调整和功能检测。它可以准确地区别信号波和噪声，因此，可以在搅拌器工作的任况下测量物位。此外，在高温或吹风时也可检测物位，特别是可以检测高粘度液体和粉状体的物位。
　　2、热工自动化仪表故障分析及维护
　　正因为热工自动化仪表在自动化电厂中的重要作用，所以必须尽量避免仪表的故障或损坏，虽然目前在电厂中使用的自动化仪表都有较高的可靠性，但在实际应用过程中总会出现很多故障，去除产品本身质量问题，主要的故障原因有密封问题、振动问题、维护不当、非人为破坏及人为破坏等五大类，各种故障原因所占的比例如图2-1所示。
　　                                                 
　                                                                　图2-1各种故障原因比例图
　　如图所示，由于密封问题所造成的仪表故障比例高达60.5%，主要原因有：
　　（一）、由于自动化仪表的电缆接线密封不良而使雨水或者其他液体进入仪表内部，从而导致仪表内部电路故障或机械部分润滑不良。针对这种情况，在设备订货时不要疏忽仪表进线电缆的密封接头，而且在选型上要注意接头尺寸与电缆外径相匹配，安装、维护时要按照规范安装并拧紧密封接头；因特殊情况不能可靠密封时可采用硅胶，玻璃胶等封死接口。
　　（二）、仪表盖密封不好也是导致故障率较高的另一主要原因，这一原因可导致水或者其他腐蚀性物质进入表内对仪表内部器件进行腐蚀。针对这种情况，维护人员必须选取外壳防护等级较高的仪表，准确安装好仪表盖，并拧紧固定螺丝，必要时可为仪表安装保护箱。
　　维护不当和人为破坏所造成的故障，可统称为人为因素故障，这是由于维护人员个人技术原因或者责任心不强对仪表进行了不规范的维护，使仪表产生了故障或者由于仪表部件、电缆被盗而造成的仪表不能正常工作，人为因素故障的比例达到了28%，针对前一种情况，维护人员必须认真学习专业技术和操作规程，并严格按照技术要求和操作规程进行操作，并树立敬业爱岗的精神；对于后一种情况，必须加强电厂的设备监控及防盗管理。
　　非人为破坏是指在电厂的自动化流水作业过程中，由于非正常情况（如异常物料或者异常工况等）对热工自动化仪表产生的破坏或者损伤而引起的仪表故障，这种情况出现的概率虽然较低，但由于其突发性和不可预测性，防治比较困难，这种情况要求现场人员集中注意力，对所负责工作一丝不苟，充分检查电厂作业流程，及时发现异常并采取措施以保证作业的正常进行。
　　振动问题虽然在所有原因中所占的比例不高,但也是不容忽视的问题,常见的有仪表的固定螺丝或者卡套松动、仪表接线不良、焊口裂缝等故障现象。可采取相应的对策如牢固拧紧固定螺丝或卡套，每个螺丝都保证配有防松弹簧垫片，增加橡胶垫、支撑架来缓解振动，加强日常巡检，将隐患消灭在萌芽状态。
　　3、结束语
　　通过介绍几种主要的热工自动化仪表的应用原理及应用场所，说明了热工自动化仪表在自动化电厂中起着关键性的作用，接着分析了热工自动化仪表经常出现的故障原因和相应的维护对策，总结了如果能提前做好维护工作，就能避免绝大多数的仪表故障，就能更好地保证自动化电厂各个环节的正常工作，还可以减少维护强度和备件费用等，保证热力设备安全、经济运行，为自动化电厂更好的运行提供强有力的保证。
　　参考文献
　　[1]丘梅，黄世光，黄华祥.自动化在线检测仪表在污水处理中的应用[J].给水排水.2006(5).
　　[2]华东六省一市电机工程（电力）协会.热工自动化[M].北京:中国电力出版社.2006.
　　[3]黄相农.热工测量及调节仪表[J].能源技术.2005.2
　　[4]鲍澍.自动化仪表在水处理系统中的应用[J].中小企业科技(创业版).2006(6).