在校准工作中应用计量基本原理的长期价值

本文讨论在不彻底修改整个校准系统的情况下,合理的应用计量基本原理,解决校准系统中的多个关键问题。过程控制仪表经过精确校准后,能按照设计指标进行高质量的过程控制,同时补偿DCS输入信号的测量误差,防止了过程压力过大。要实现这些好处,并不能完全归功于落实了某种改进建议;但是积极落实这些改进建议,也不应该给企业造成重大的资源负担。

引言

计量科学表面看起来似乎平淡无奇,但其背后蕴藏着深厚的技术概念。计量是一门融合并应用了数学、统计、物理、质量、化学、计算机等多学科常识的测量科学。计量工作中经常会涉及其它专业知识,大部分人能掌握一些基本计量知识,但是很少有人熟知其背后的科学原理。通常,电厂关键的维护人员出身于不同的专业背景,很多人都是在工作中学习到计量知识的。

多数时候,人们还是按照最基本的校准定义进行校准,即比对并记录被测仪表的指标与已知测量标准的指标。以个别企业维护人员为例,通常专门负责校准的人员较少,导致校准工作经常敷衍了事。校准工作敷衍草率,计量人员责任分工不明确,都会导致电厂无法建立完善的校准系统。超出预期标准地应用计量基本原理,致使无法开展规范的校准活动。

仪表电气经理应对工厂正常运转直接相关的各种电气设备、仪器仪表负责。仪表电气经理的工作职责包括部门员工管理、安全生产与环境问题管理、预防性维护、预测性维护、关键维修活动,以及特定项目的内外部沟通协调等。仪表校准非常关键,完成校准本身并不需要花太多精力,但我们要考虑许多其它因素。仪表校准务必严格遵守环保局环境法律法规的要求,比如汞及有毒有害物质排放标准(MATS)、《清洁空气法案》中关于温室气体排放规定、关于为员工提供安全工作环境的企业责任规定、以及相关可靠性标准等。核电站务必严格遵守更多其他法律规定,燃气发电站和燃煤发电站除了要遵守以上这些法律规定以外,还要自行严格监督电厂仪表设备的准确性。

规范的校准系统至少能保证电厂按计划完成仪表校准工作,并妥善保存校准数据,以便后续审计和溯源。规范的校准系统不仅是工厂环境安全和正常生产活动的重要保障,还与工厂效益密切相关。仪表测量越准确,电厂安全级别越高,发电量越多,设备压力越小。遗憾的是,我们很难将这些好处量化或具体化,与计算节约了多少人力成本不一样,无法用具体的数字说明使用规范的校准系统能给电厂节省多少成本。

很多人认为,只要使用可溯源的校准标准进行校准,并记录校准数据就够了,没必要在其它方面进行改进。其实,是否有必要改进校准系统,完全取决于电厂如何制定维护计划。如果不提前几个月制定停机维护计划,就会在真正需要维护或校准时,遇到资源紧张、时间紧迫的情况,可能为了尽快开机而降低校准质量。

为了不影响电厂的停机计划,应尽量去掉校准过程中所有不必要的环节。而加入新环节看似有悖常理,却是改进校准流程的必要之举。电气仪表管理层应具备这方面的战略眼光,进行相应的战略性改进,为电厂带来真正的好处。

电厂应用计量基本原理,并不需要进行大规模改造。只要对现有校准系统进行调整改进,就会在校准质量上带来显著变化。落实具体的改进措施并不难,但同时我们要从思想上做出真正改变,即在校准过程中更加重视计量相关知识。计量科学需要综合考虑的因素有很多,但首先,只要从以下几方面着手,就能在校准系统的建立与维护方面取得重大进步,对过程控制仪表的测量准确性更有自信。

●  测量允许误差限和认定测量通过与否的评价标准
●  迟滞性检测方法
●  测量不确定度比(TUR)维护
●  信息资产管理

测量允许误差限和认定测量通过与否的评价标准

每台仪表设备都有校准的允许误差限,指用于认定可接受的测量误差的规定限值。规定允许误差限时,应充分考虑过程的实际需求,而不是考虑仪表的性能表现。较为理想的做法是,在过程设计时,充分考虑各种变量,规定好允许的测量误差限。但遗憾的是,规定允许误差限并没有现成的公式可以套用,而要综合考虑过程要求、设备出厂精度说明、仪表安装位置或安全级别等各方面因素。而且,允许误差限也不能太小,以免在不必要的精度环境下,给测量造成太大压力。

允许误差限可以用测量单位、百分比范围或百分比读数表示。在校准过程中,对误差值进行数学计算,以此为依据认定校准是否通过,这一步非常关键。这种计算是校准过程中的一个额外步骤,尤其当给出的允许误差限是个百分比范围或百分比读数时,更要进行数学计算。而这种数学计算却增加了出错的可能性,因为在校准过程中,这一步很大程度上依赖校准技术员的谨慎程度。有时靠技术员的经验、或完全凭直觉、或咨询别的技术员来认定校准是否通过。尽管出具的校准报告显示结果均在允许误差限内,但是这种做法测得的校准结果并不真实。因为校准结果并非计算得出,可以主观地认定仪表在允许限值内。更重要的是,电厂操作人员可能会根据这些错误数据做决策。电厂不可采用这种方法来认定测量是否通过。从操作程序上来说,操作员应记录好所有误差限和计算得出的误差;从程序设计上来说,应将测得数据录入计算机系统,由系统自动计算并显示测量是否通过。

迟滞性检测方法

出现迟滞误差是因为仪表对逐渐升高或降低的输入信号反应不同,且多数情况是由于某种机械元件产生机械摩擦而导致。(参见表1)这种误差很难校正,一般要更换仪表,或校正造成运动摩擦的机械元件。可见,这种误差非常严重,它意味着被测仪表可能出现了故障。常见的校准测试方法是,在量程的下限值零(0%)、上限值(100%)、以及中间位置(50%)设置三个测试点。这种三点测试方法能在电厂停机期间,同时兼顾有效性和实用性。测得迟滞误差的唯一办法是,采用最接近量程上下限的测试方法。这种测试方法的关键在于,技术员应注意不要超过测试点而导致信号源反向倒推,获得错误方向的测试点。遇到这种情况,要引导技术员回到之前的测试点,获得正确方向的目标测试点。

测量不确定度比(TUR)维护

测量不确定度是指对与测量相关的误差进行估计。总体来说,不确定度越小,测量精度越高。在整个校准过程中测量不确定度来源很多,不过测量标准器(即校验仪)是引入校准不确定度的主要来源,尤其是置信水平为95%(k=2)时。被测仪表的允许误差限(精度)与校准标准器的不确定度之比,称为测量不确定度比(TUR)。

如果已知使用的测量标准器的不确定度,那么仪表测量就不会超过允许误差限。如果规定了允许误差限,那么根据一般经验,测量标准器的允许误差限不会超过25%。这个25%相当于不确定度比率4:1;即测量标准的精度是被测仪表的精度的4倍。随着当今科技发展,越来越难达到不确定度比4:1的要求,所以我们可以考虑接受较低的不确定度比3:1,甚至2:1。

另一个问题在于,许多工厂仍在使用旧的测量标准器。这些旧的测量标准器的允许测量不确定度,是按照之前的过程控制仪表进行规定的,已经无法满足今天的要求。近年来,尽管工厂更新升级了许多自动化系统,但仍在使用旧的测量标准器进行校准检定。自动化设备供应商则在不断发展新技术,新设备的测量精度越来越高,导致仍在使用旧的测量标准器的工厂进行仪表检定时,不确定度比TUR只能达到1:1,有些甚至连1:1也达不到。所以,每次进行校准时,工厂应先确定所使用的测量标准器是否能满足检定要求。也就是说,要明确测量标准器的不确定度和允许误差限,并用这两个数值之比计算出不确定度比TUR。这么做,是为了确保用于校准的测量标准器能充分满足测量要求。

信息资产管理

信息是企业最重要的资产之一。如果企业不妥善记录数据、有效管理数据、或在需要时轻松提供数据,那么就会失去这些信息数据应有的价值与意义。企业若不能达到这些要求,则要浪费大量时间和资源去收集数据,且由于数据不准确、不完整或不及时可能出现许多错误信息,造成经济损失。而对于规定了计量指标的校准数据,企业若不能达到以上要求,将直接影响整个过程控制的质量,给企业造成更大损失。合理规范的校准系统,务必使用参考标准器作为应用计量基本原理的规范或基准。

企业务必重视合理利用这类计量数据。计量数据能促进企业提高校准工作质量和执行效率,给企业带来更大的竞争优势。然而,企业在信息数据管理中的不足日渐突出,缺乏专门负责校准发展与管理的专业人员是主要原因之一。企业人员流失、人员内部转岗、人口老龄化严重(劳动力加快退休),有经验、有技术的人员离职,关键性知识逐渐从电气仪表部门缺失等等。世界正在从工业经济向知识经济转变;企业越来越重视有效的知识应用能力,知识已成为企业竞争的主要优势。随着高级技术人员的流失,企业不得不换上经验不足的工人,要使他们尽快投入到生产工作中去,就要让他们掌握必要的知识技能。

总结

校准和计量的新奇之处在于其固有的复杂性。计量是一个专业性很高、技术性很强的学科,电厂维修部门的员工少数是计量专业人士。电厂要想达到最大发电量,就必须保证电厂供应力、可靠性和运转效率达到最高水平,而行业的基本做法是,缩减员工,降低成本,几乎没有专门的计量岗位。测量与控制设备的使用状况和准确程度与工厂的可靠性和正常运行时间有直接关联。显然,采取措施提高校准系统质量水平至关重要。校准系统转型并不需要企业动用大笔资源,或做非常复杂的工作。在没有专业管理方式和相关资源的校准系统下,也可以对具体的薄弱环节进行战略性改进,逐步实现高效率校准系统。不过,电气仪表管理层应委派代表专门负责此项目,全面了解系统改进计划与操作步骤,记录好计量系统的薄弱环节和具体改进方案,总结最终改进效果。本文基于贝美克斯与多个电厂的合作经验,对常被忽视的几个重点问题进行了分析说明。电厂采取措施改正这些问题,能明显提高测量精度,帮助电厂达到过程控制的设计目标;如果不采取措施解决这些问题,电厂日后还会承受更大压力,产生不必要的额外成本,且由于热耗率不达标,降低电厂收益。

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