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引言

熱媒爐是一種典型的有機熱載體鍋爐，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 ℃ ， 通過高溫熱媒泵將導(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)機組安全連鎖保護，導(dǎo)致熱媒爐機組的經(jīng)常性停機。 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)換為標準 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)并進行運算處理，再進行顯示、控制和聯(lián)鎖保護 ［ 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)有停機邏輯保護，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，其溫度檢測的準確性和穩(wěn)定性將直接影響熱媒爐機組運行的穩(wěn)定情況，也設(shè)有溫度高高停機聯(lián)鎖保護，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。

 

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。

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)換為標準化輸出信號的儀表 ［ 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)），目前儀表標準信號主要包括 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、限流保護、 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)系進行補償，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 標準電流信號 ［ 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)定性將達到 ±0.1%或 0.1℃ 。 具體相關(guān)穩(wěn)定特性如表 1 所示。

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，排除了采用 4 線制接法時外接電源的干擾因素。