對高寒地域儀表測量管線伴熱方案的探討

孟 玥

（中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101）

在高寒地域的低溫環(huán)境下，當(dāng)被測介質(zhì)通過測量管線傳到變送器時，經(jīng)常出現(xiàn)因環(huán)境溫度過低導(dǎo)致的凍結(jié)、凝固、析出晶體等現(xiàn)象，使得物料堵塞儀表測量管線，出現(xiàn)不正常的反饋信號，甚至?xí)苯訐p壞儀表設(shè)備，對裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。因此，儀表和儀表測量管線保溫伴熱的有效性至關(guān)重要。本文以俄羅斯某化工裝置為例，著重探討壓力和差壓變送器測量管線伴熱的經(jīng)濟(jì)合理方案。

1 儀表伴熱系統(tǒng)的選擇

通常儀表管道內(nèi)的物料溫度一般保持在20℃～80℃，儀表使用環(huán)境溫度為-20℃～80℃，中國高寒地域冬季環(huán)境最低溫度一般在-30℃左右，而地處俄羅斯的某化工廠的極端氣溫受到西伯利亞環(huán)境的影響，達(dá)到了-52℃，這對于普通壓力和差壓變送器來說正常工作十分困難，所以選擇適合的保溫伴熱方案很重要。

目前常見的儀表伴熱方式有：蒸汽伴熱、熱水伴熱、熱載體伴熱和電伴熱。在石油化工廠中，最常用的儀表伴熱方式是蒸汽伴熱和電伴熱。

蒸汽伴熱的優(yōu)點是：高熱能輸出、高可靠性，一次性投資較少等；缺點是：節(jié)能性差、溫度控制能力差、安裝維護(hù)費(fèi)用高，“跑、冒、滴、漏”情況比較多等。

電伴熱的優(yōu)點是：發(fā)熱均勻，可通過溫控器或溫控系統(tǒng)進(jìn)行控制，溫控準(zhǔn)確、監(jiān)控能力強(qiáng)、安裝方便、操作方便、可拓展性強(qiáng)、維護(hù)費(fèi)用低，以電作為動力，對環(huán)境不會造成污染。缺點是：一次性投資較高，且電伴熱作為一種防爆電氣設(shè)備，在充滿爆炸性氣體的危險區(qū)域使用時，對安全性要求很高。

根據(jù)有關(guān)資料，兩種伴熱總投資比例，蒸汽伴熱:電伴熱=1:4.4?？紤]時間價值，1.55年即可回收兩方案投資差額部分；操作費(fèi)用比例，蒸汽伴熱:電伴熱=3.63:1[1]。同等伴熱情況下，電伴熱的運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)低于蒸汽伴熱，且裝置便于維護(hù)。盡管各建設(shè)項目的條件有所不同，但總的趨勢是可以參考的。

在化工裝置中，蒸汽的獲得較為方便，這使得儀表的蒸汽伴熱得以廣泛應(yīng)用。結(jié)合本項目高寒溫度環(huán)境的特點，蒸汽伴熱存在不可回避的問題就是冰凍。儀表伴熱管道很細(xì)，保溫層被風(fēng)破壞、年久脫落、檢維修時碰撞等都可能使伴熱管道外漏，從而影響儀表伴熱效果。且回水管道端頭、低點的存在，使得冰凍的風(fēng)險增加，會使得整個系統(tǒng)不能正常工作，影響儀表測量效果。目前，電伴熱技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，技術(shù)成熟可靠，經(jīng)濟(jì)效益高?；谏鲜龇治?，并考慮人員安全、低溫、冰、雪的影響，以及經(jīng)濟(jì)、合理、維護(hù)方便的原則，本項目儀表伴熱選擇電伴熱是技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的。

2 儀表電伴熱系統(tǒng)的設(shè)計

電伴熱系統(tǒng)根據(jù)輸出形式主要分為恒功率型和溫度自限型兩種。

恒功率型電伴熱帶為串聯(lián)形式，電伴熱帶通電后以恒定的功率發(fā)熱，整根電伴熱帶發(fā)熱均勻，其溫度不隨環(huán)境溫度變化而改變，但必須通過溫控器控制電伴熱系統(tǒng)的啟停，其常用于暴露溫度較高、功率較大的加熱場合。恒功率電伴熱帶的優(yōu)勢有：輸出恒定、啟動電流小，能耗低、熱效率高、年衰減率低，可使用壽命長。但同時需注意恒功率輸出式電伴熱帶不允許隨意重疊、交叉，以防止局部出現(xiàn)高溫，且電伴熱帶不可隨意截短或接長使用。

溫度自限型電伴熱帶為并聯(lián)形式，具有溫度自調(diào)控的特性。當(dāng)被伴熱物體溫度下降時，導(dǎo)電塑料收縮，電阻減小，輸出功率增大。反之，當(dāng)被伴熱物體溫度升高時，導(dǎo)電塑料膨脹，電阻增大，輸出功率下降。溫度自限型電伴熱帶由于線路并聯(lián)，可任意裁剪，且可以交叉重疊，沒有高溫?zé)龎牡奈ｋU。但溫度自限型電伴熱帶不可用于高暴露溫度場合。石油化工裝置的儀表電伴熱多數(shù)使用的是溫度自限型電伴熱帶。

3 儀表測量管線電伴熱設(shè)計方案

由于儀表種類繁多，伴熱方式不盡相同，本文主要針對壓力和差壓變送器的儀表測量管線伴熱方案進(jìn)行探討。

3.1 測量管線伴熱

用來測量壓力和差壓的測量管線主要分為兩種：普通無縫鋼管導(dǎo)壓的測量管線和隔膜密封毛細(xì)管導(dǎo)壓的測量管線。普通無縫鋼管導(dǎo)壓的測量管線中充滿的是工藝介質(zhì)，而導(dǎo)壓毛細(xì)管中充滿的是填充液，所以兩種測量管線的伴熱需要考慮的重點也不同。

3.1.1 無縫鋼管導(dǎo)壓

無縫鋼管導(dǎo)壓管的伴熱主要考慮的是環(huán)境溫度對管內(nèi)工藝介質(zhì)帶來的影響。

如果儀表在廠房內(nèi)，環(huán)境溫度可按最低5℃考慮，只要工藝介質(zhì)沒有伴熱要求，測量管線可不進(jìn)行伴熱。

如果儀表在室外，環(huán)境溫度需按項目的極端溫度-52℃考慮。在這種溫度下，主要需要考慮工藝介質(zhì)在測量管線中的工藝伴熱和防凍伴熱。工藝伴熱是指：儀表測量管線中的工藝介質(zhì)在低溫下有一定熱量損失，通過伴熱的方法，避免溫度降低導(dǎo)致的析出、沉積、粘度突增、增大流動阻力的風(fēng)險，伴熱溫度需根據(jù)被伴熱介質(zhì)物性確定[2]。防凍伴熱是指水、蒸汽等物料在低溫下有凍結(jié)或凝固的風(fēng)險，通過增加伴熱，使介質(zhì)溫度需維持在冰點以上。只要測量管線內(nèi)介質(zhì)有工藝伴熱或防凍的需求，測量管線即需要增加伴熱。

3.1.2 毛細(xì)管導(dǎo)壓

與無縫鋼管導(dǎo)壓不同，毛細(xì)管導(dǎo)壓是膜片密封系統(tǒng)通過毛細(xì)管中的填充液，間接傳遞壓力的導(dǎo)壓過程。在導(dǎo)壓過程中，溫度對填充液的影響較為明顯。溫度越低，填充液的黏度越高，摩擦阻力越大，響應(yīng)時間越長，對于需要聯(lián)鎖的儀表來說，低溫是非常不利的因素。填充液的種類不同，可耐受溫度的極限值不同，但不可以一味地選擇耐低溫的填充液。例如，對于高溫介質(zhì)的測量，如果選用耐低溫的填充液，填充液會出現(xiàn)汽化的現(xiàn)象。如果選用耐高溫填充液，環(huán)境溫度在0℃左右時填充液就會發(fā)生凝結(jié)，從而引起壓力波動，影響正常的儀表測量和控制。所以，對于毛細(xì)管導(dǎo)壓的變送器來說，要根據(jù)介質(zhì)特性選擇正確的填充液，若填充液在低溫下容易發(fā)生凝結(jié)，或響應(yīng)時間明顯變長，則毛細(xì)管需要增加保溫伴熱。

3.2 變送器伴熱

除了對測量管線的伴熱，對變送器的伴熱也是非常重要的環(huán)節(jié)。

3.2.1 保溫箱的使用

對于壓力和差壓變送器，最常見的保溫方式是在外部設(shè)置儀表保溫箱。

如果變送器在廠房內(nèi)，變送器環(huán)境溫度可保證在5℃以上，且有房頂及圍墻的防護(hù)，可以不設(shè)置儀表保溫箱。

在室外，對于可以在-52℃環(huán)境溫度下正常工作的變送器，理論上可以不加儀表保溫箱，但考慮到極端溫度下冰雪的影響，室外的變送器也加裝了儀表保溫箱。

一般壓力、差壓變送器的最低環(huán)境工作溫度為-40℃，對于可耐-52℃低溫的變送器需要特殊的元件，價格高昂，除了重要的測量點外，也可考慮使用普通變送器，通過保溫伴熱，使其正常工作。對于不耐低溫的變送器，不僅需要加裝保溫箱，而且需要給保溫箱伴熱。

圖1 壓力、差壓變送器伴熱方案Fig.1 Pressure, differential pressure transmitter heating scheme

3.2.2 保溫箱的伴熱

儀表保溫箱的伴熱可分為兩種形式：

第一，在變送器閥組下添加加熱器。這種形式適用于變送器可耐-52℃低溫，但測量管線內(nèi)的介質(zhì)有伴熱或防凍要求的情況。因為變送器能夠耐受低溫，所以保溫箱內(nèi)主要需保證的是測量管線末端的溫度，末端處的工藝介質(zhì)流動性最差，凍結(jié)的可能性較前端高，對伴熱的需求更高，此種情況下，需要把加熱器放在變送器的閥組下。

第二，在保溫箱內(nèi)壁添加加熱器。這種形式適用于變送器不能耐-52℃低溫的情況，無論測量管線內(nèi)的工藝介質(zhì)或填充液有沒有伴熱要求，都需將加熱器置于內(nèi)壁。這樣在保證變送器處于正常的工作溫度后，再根據(jù)測量管線內(nèi)的介質(zhì)的具體情況，將保溫箱中的溫度調(diào)整至合適的范圍。

3.3 伴熱設(shè)計方案

綜合測量管線伴熱和變送器伴熱的不同方案，可得到圖1。設(shè)計的主要依據(jù)是變送器的工作溫度，工藝介質(zhì)是否有伴熱要求或防凍要求，以及填充液是否會凝結(jié)或有響應(yīng)時間要求。

4 注意事項

本項目的保溫伴熱方案中，有兩點注意事項：

第一，電伴熱系統(tǒng)作為電阻加熱設(shè)備和防爆電氣，在易燃易爆的危險環(huán)境中對安全性要求很高，在設(shè)計過程中要注意裝置內(nèi)防爆區(qū)域的劃分。保溫箱中的加熱器應(yīng)采用與導(dǎo)壓管伴熱形式相同的伴熱源，對于易燃易爆危險環(huán)境，應(yīng)選擇符合相應(yīng)防爆等級的防爆電加熱器，防爆電加熱器內(nèi)部要有保險絲，且熔斷溫度應(yīng)低于防爆區(qū)限制溫度。如電伴熱系統(tǒng)的防爆等級不能達(dá)到防爆要求時，應(yīng)改用蒸汽伴熱等其他伴熱方式。做相應(yīng)設(shè)計時，應(yīng)注意參考相應(yīng)電氣防爆標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，如《爆炸性環(huán)境 第一部分：設(shè)備-通用要求》（GB3836.1-2010），《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》（GB50058-2014），《石油化工儀表及管道伴熱和絕熱設(shè)計規(guī)范》（SH/T3126-2013）等。

第二，伴熱并不是用于來提高介質(zhì)的溫度，主要功能是防凝和防凍，伴熱溫度并不是越高越好。對于防凝，以某油品管線舉例，操作溫度為60℃，傾點溫度為35℃，伴熱溫度如果設(shè)定在60℃以上，顯然會讓電伴熱帶連續(xù)工作，造成能源浪費(fèi)。如果將溫度調(diào)整至60℃附近，由于介質(zhì)溫度不會恒定，這會使得電伴熱系統(tǒng)頻繁啟停，從而影響伴熱系統(tǒng)的使用壽命。如果將溫度調(diào)整至傾點溫度+5℃溫控精度+5℃裕量，即45℃，是較為合適的[3]。對于需要以防凍為目的的水類介質(zhì)，將溫度維持在冰點以上5℃即可。

5 結(jié)語

在高寒區(qū)域中，化工裝置儀表的保溫伴熱需要考慮的注意事項相對較多，合理選擇伴熱方案是使裝置正常安全運(yùn)行的重要保障。對于不同的儀表，需要考慮的因素有所不同，不能一概而論，要具體情況具體分析。本項目壓力和差壓變送器儀表選擇電伴熱技術(shù)方案更為合理、經(jīng)濟(jì)效益顯著，可以在寒冷的極端氣候下，保障儀表安全準(zhǔn)確地工作。