热工保护测量部件的要点

一个完整的保护系统是由一系列测量部件监测主设备运行状态，作出判断，发出指令后，按照生产过程新规定的操作信息，由执行部件完成一系列保护动作的。即保护系统的现场设备由测量部件——开关量变送器和执行部件——驱动装置等组成。

开关量变送器的基本工作原理是将被测参数的限定值转换成电接点信号（输出高电平或低电平）。一般来说，把开关量变送器的接点闭合或输出高电平（1）称为有信号状态。接点断开或输出低电平称为无信号状态，由于开关量变送器只瞬间转换接点闭合或断开的信号，是一种具有继电特性的部件，因此也称为一种继电器。根据它的开关特性及适用于不同介质，可分为温度开关、压力开关、流量开关、液位开关、限位开关以及火焰检测器等。

开关量变送器在被测参数达到某一规定值时，输出接点的状态发生改变，这一数值称为动作值。

输出接点的状态改变后，可以在被测参数返回到原动作值时恢复原来的状态。也可以在被测参数返回到原动作值后的一个数值时才能恢复原来的状态，这一数值称为复原值。

输出接点动作值和复原值之间的被测参数的差值称为差动值，也称为死区，是开关量变送器的一项重要指标。

在相同条件下，输入变量按照同一方向变化时，连续多次测得的切换值的最大变化值称为重复性误差，这也是开关量变送器的一项重要考核指标。

开关量变送器的主要技术要求有三点：

（1）动作的稳定性。在选择开关量变送器时，应该选择重复偏差值小的产品，即动作值和返回值的稳定性。要求这两个值长期工作中均能保持在原有的整定值上，它的动作必须能保证可靠准确。而测量精度是人为可以调整的，它虽是一个质量指标，但相对来讲，重要性可以排在后面。

（2）动作的可靠性。火电厂开关量控制系统中，开关量变送器的工作间歇时间长，且随着被控对象的不同，有很大差别，有的几个小时动作一次，有的几个月甚至更长时间才动作一次。衡量开关量变送器可靠性的要求是：长期处于待机状态，一旦动作就要绝对可靠，动作成功率在百分之百。尤其对于自动保护系统和顺控系统中的开关量变送器的要求高。

（3）切换差（死区）。在大部分控制系统中，不但不要求切换差为零，相反还要求它有足够大的数值，并且还有调节范围。因为热工被测参数一般是在一定范围内不断地波动的，如果切换差为零，当热工参数接近于切换值时，会多次反复地超过或低于切换值，造成报警频繁动作，光字牌不断闪光，音响连续出现。执行机构频繁动作，这对于运行人员的监控工作极为不利，也不利于设备的可靠运行。所以，必须采用有切换差的开关量变送器，而且要足够大，并且能预以适当调整。

一、压力开关

压力开关也称压力继电器，是用来将被测压力转换为开关量信息的，是工业过程控制系统中控制压力的专用仪表。其作用原理是当输入压力达到设定值时，感压元件产生的机械位移带动压片使微动开关动作发出开关量信号，进行报警或控制。

压力开关组成主要由设定值调节端钮、锁紧器、微动开关、切换差调节端钮、弹簧、动作杆（或弹簧管）组成。

压力开关的种类按照感压元件分为膜盒式、波纹管式、弹簧管式，按照切换差可分为可调和不可调两种。

压力开关是控制过程中使用最为广泛的开关量仪表，大部分过程都用到一个或多个压力开关，是对于过程中的报警、连锁、跳闸的非常有效的测量手段，因此，对于压力开关的正确使用是非常重要的。如：用于炉膛压力高、低报警和保护就用到压力开关，实现对炉膛的保护；对于系统中备用设备的联启，也用到压力开关，如汽轮机润滑油系统交流油泵和直流油泵的启动，也是用压力开关来实现的。

二、温度开关

温度开关也称温度继电器，对于不同的温度测量范围，选用结构不同的温度开关。在0～100℃的温度范围内，通常采用固体膨胀式温度开关；在100～200℃的温度范围内，大都采用气体膨胀式温度开关；当超过250℃时，则需要用热电偶经过变送器转换为模拟信号，再通过电量转换开关转换为开关量信息。

固体膨胀式温度开关的工作原理是利用不同固体（热膨胀系统不同的金属介质）受热后长度变化的差别产生位移，从而使触点动作。常见的形式有两种，一是金属片构成的，二是金属棒构成的。

气体膨胀式温度开关是按气体压力式温度计原理工作的，它有一个测温包，内充氮气，通过密封毛细管接到压力开关的测量元件中。当被测温度改变时，温包内的气体压力相应改变，使压力开关动作。

常见的固体膨胀式温度开关如下。

1.双金属片型温度开关

开关的动触点基片和静触点固定在绝缘基座上。开关的核心是由两种线膨胀系统不同的材料叠在一起构成的双金属片，且线膨胀系数大者在上。温度较低时，开关的动触点（双金属片铆接而成的自由端）与静触点相接触，受热后，双金属片就会变形，当温度升高至规定值时，自由端将产生足够的位移而与静触点断开，送出开关量信号。这种温度开关的特点主要有：

（1）体积较小，可直接装在被测温度的地点，例如可埋在轴承的金属中测轴承温度。

（2）动作值不可调整，且存在动作死区，主要由于测温过程中伴随着传热平衡过程。

2.金属棒型温度开关

开关的核心是一根一端焊接在一起的铟钢棒（线膨胀系数小）和套在棒外的套管。当温度升高时，因金属棒的伸长较套管小，棒和套管自由端的间距变小，棒的自由端通过调整螺帽带动杠杆，杠杆再通过缓冲簧片释放与压迫微动开关的按钮，并在温度升至规定值时微动开关动作，由微动开关的常开（或常闭）接点送出开关量信息。温度降低时的工作过程与此相反。这种温度开关具有如下特点：

（1）动作值可调整。利用棒端的调整螺帽改变棒端（杠杆）与微动开关之间的初始距离整定。

（2）动作存在死区，且不可调整。主要由于微动开关本身的动作死区及存在传热平衡过程两方面的原因造成。

三、液位开关

常见的液位开关有两类，一类是浮子式，另一类是电极式。(www.xing528.com)

1.浮子式液位开关

浮子式液位开关利用液体对浮子的浮力来测量液位。当液位变动达到一定数值时，浮子带动的磁铁将使外部的舌簧动作，触点闭合送出开关量信息。这种液位开关的工作压力和温度都受到限制，一般情况下工作压力为70MPa，工作温度为150℃。

使用浮子式液位开关应注意：

（1）应将开关壳体按水平方向安装在被测液体容器的侧壁上，且其安装高度基本上决定了开关的动作值。若要改变液位开关的动作值，必须在容器侧壁上重新开孔安装，另外不同液体重度不同，对开关量动作值有一定的影响。

（2）因为存在磁滞现象，磁钢必须离开舌簧管一定距离时才能使舌簧管的触点断开，从而造成液位开关的动作存在死区且该死区大小无法整定。

2.电极式液位开关

电极式液位开关的工作原理如图3-9所示，电极装在被测液体的容器壁上，并与容器壁绝缘。当被测液位升高至电极1时，由于液体的电导，使继电器1K通电励磁，利用1K继电器常开接点的闭合送出高限液位开关量信息。此时即使液位降低至脱离电极1，继电器1K通过电极4自保持，直至液位继续下降到低于电极4时，继电器1K才释放，从而切断高限液位开关量信息。同样分析得知，利用继电器2K常闭接点的闭合，可送出被测液位降至低于电极5时低限液位的开关量信息。显然电极式液位开关存在动作死区，且死区大小及开关的动作值决定于电极端部的位置。如图3-9所示开关，高限液位的动作值、恢复值分别为电极1和电极4端部的高度，低限液位的动作值、恢复值分别为电极5和电极2端部的高度。

图3-9 电极式液位开关结构

使用电极式液位开关时应注意：

（1）要想改变液位开关的动作值，对于垂直安装的电极只要改变插入被测液位容器的电极长度即可，对于水平安装的电极必须在容器的侧壁上重新开孔安装。

（2）电极式液位开关只适用于导电度较高的液体介质，如火电厂中的酸碱溶液、补充水、凝结水等，对于不同的被测液体（导电度不同）及工作条件（压力和温度），应选用不同材料、结构的电极，并选配合适的中间继电器进行测量。

四、流量开关

在大电厂中，大部分蒸汽和水的流量都是采用传统的节流方法测量的，测量流量时，利用孔板和喷嘴等已经标准化了的节流装置将流量值转换位压差值，再用流量变送器将压差值转换为与流量成比例的模拟量电信息，供显示仪表进行显示。输出开关量信息的流量开关，则利用压差开关测量节流装置转换出的压差值，根据节流装置的流量-压差特性整定压差开关的动作值，即可得到流量的开关量信息。用节流装置和压差开关组成的流量开关主要用于要求较准确的场合。

此外，带有许多流体流动的工况并不需要用准确的流量值反映，例如管道中所设滤网的堵塞信息、磨煤机的断煤信息、润滑油泵启动后回油的信息等。这些流量的开关量信息就要能要用更简单和更直接的方法取得。

管道中滤网的堵塞反映在滤网前后的压差的增大，因此可以直接使用压差开关测量滤网前后的压差。当压差增大时，由压差开关送出滤网堵塞的信息，磨煤机的断煤信息通常是由装置在给煤机上的断煤开关提供的。断煤开关上装一个可以沿轴摆动的挡板，此轴的端部连有一块压板由压板、轴、挡板及按压的行程开关组成断煤开关。当存在煤流时，挡板被推动，轴和压板也随之转动，于是行程开关被释放；当煤断流时，挡板将按压行程开关，断煤发出。

在主要用于区别水或油的流量有无的场合，可以采用挡板式或浮子式结构的流量开关，也称为液流信号器。流体通过流量开关时，推动挡板或浮子，它们的位移可以通过杠杆带动外部的开关动作，也可以通过磁钢使外部舌簧管的触点动作，从而发出开关量接点信号，用以判断管道中液流的存在。

五、行程开关

行程开关采用直接接触的方法测量物体的机械位移量，以获得行程的信息。行程开关的核心是微动开关，常用作限位开关、位置开关、终端开关等。

行程开关作为保护和联锁系统中用得最多也是最关键的部件，阀门挡板的开关信号，都要用到行程开关来进行检测。行程开关的质量好坏，直接影响一个保护系统的质量，所以在设计保护系统时，应选用质量好的行程开关，以保证系统有一个明亮的“眼睛”。目前，国产行程开关多引进国外技术，质量较好，但普遍存在的问题是耐高温较差，只能用在环境较好的场合，不能用在高温的环境下，而锅炉上的环境是比较差的。如果有条件的话，可能选用质量较高的开关。

六、火焰转换开关

火焰转换开关通常称为火焰检测器，它用来监视锅炉燃烧器的火焰，可以输出开关量信息到DCS或FSSS系统，实现锅炉灭火保护功能。

火焰检测器通常按照所采用的光电元件进行分类，常用的火焰检测器有三种类型：红外线、可见光型和紫外线型。光谱分析表明，矿物燃料（煤、石油和天然气）及植物燃料等的火焰包含三种成分：红外线、可见光和紫外线。波长在0.33μm以下为紫外线，波长在0.33～0.7μm为可见光，0.7μm以上为红外线。以煤、油作为锅炉燃料，这些燃料在燃烧过程中会发出红外线、可见光和紫外线。不同种类的燃料发出火焰光线的强度分布是不相同的，因此采用火焰检测元件也不同。如煤粉火焰中除了有不发光的二氧化碳和水蒸气外，还有部分灼热发光的焦炭粒子和碳粒，它们有较强的可见光、红外线和一些紫外线，而紫外线容易被燃烧产物如灰粒等吸收面很快被减弱，因而宜采用可见光或红外线火焰检测器。如暖炉油火焰中除了有一部分二氧化碳和水蒸气外，还存在大量发光的碳黑粒子，它也能发出较强的可见光、红外线和紫外线，因而采用可见光、红外线和紫外线火焰检测器。

紫外线火焰检测器利用火焰本身特有的紫外线强度来判别火焰的有无。紫外线波长范围较小，在2×10-7～3×10-7m之间，探头采用紫外光敏管。它是一种固态脉冲器件，发出的信号是脉冲频率与UV管辐射成正比例的随机脉冲。紫外线火焰检测器对天然气和透明无遮盖的轻油火焰效果较好，能有效地监视单只燃烧器的着火情况，在油气炉上被广泛采用。由于紫外线辐射易被油雾、水蒸气、煤尘及燃烧产物所吸收，所以在风量失调工况下的重油燃烧或煤粉燃烧中，用紫外线管检测不可靠的。尤其在低负荷下，用紫外线检火焰灵敏度很低，故紫外线检测只适用于气体燃料，而不适用于煤粉。

红外线火焰检测器利用火焰中大量存在着1×10-7m以上的红外线，这些波长的光线不易被煤尘和其他燃烧产物吸收，故适用于检测煤粉火焰，也可用于重油火焰，是一种较好的火焰检测器。

可见光火焰检测器利用火焰中存在的可见光的脉动频率和强度来判断火焰的有无。可见光的强度和火焰的闪烁频率经逻辑处理后，即可鉴别在燃烧的火焰中有和无。可见光敏感元件为硅光电二极管，经红外滤波后，感受区在3×10-7～8×10-7m之间。

火焰检测器系统一般由火焰检测器探头、放大处理器两部分组成。探头部分监视油或煤的火焰，由光电转换器转换成MV信号，送至放大处理器。一般放大处理器安放于电子设备间等环境较好的区域，以免太差的环境对放大器构成危害。放大器可以显示火焰的强度等参数，可以通过调整放大器的背景电平来调整火焰检测器工作在灵敏的区域内。每只火焰检测放大器送出火焰强度合适信号给DCS系统或FSSS系统，由DCS或FSSS系统判断整个锅炉的火焰是否还可以维护燃烧。当DCS或FSSS系统认为锅炉火焰已经失去时，发出灭火信号，停止锅炉燃烧，发出MFT信号。

另外，火焰检测器可以送出模拟量信号，送给DCS系统作为火焰信号显示。每台锅炉对火焰失去的设计不尽相同，一般四角切圆燃烧的锅炉每层煤粉分为四个角，每个角装设一只火焰检测器。当四个角有三个角的火焰检测器发出有火信号时，则认为这一层煤粉是着火的，只要有一层煤粉着火，则锅炉就不会发出灭火信号。也就是说，当所有燃烧着的煤粉层都少于三个角没有火时，则认为全炉膛灭火，发出MFT信号，停止锅炉。

对于前后墙对冲的锅炉或W型火焰锅炉，则是所有的煤和油火焰都失去时，才发出全炉膛灭火信号，停止锅炉。