極寒地區(qū)儀表防凍措施研究

毛大軍，高志森，白國偉

(呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021506)

化工生產(chǎn)裝置中的儀表點(diǎn)眾多，基于化工工藝的特殊性與危險性，大部分設(shè)備未設(shè)計在封閉廠房中，因此，多數(shù)儀表也都安裝在室外。在國內(nèi)很多地方，無論儀表安裝在室內(nèi)還是室外，都沒有太大的區(qū)別；但在呼倫貝爾金新化工有限公司(以下簡稱金新化工)，儀表的測量類型以及安裝位置會直接影響生產(chǎn)成本及維護(hù)工作量。因?yàn)樵摰貐^(qū)年平均氣溫較低，尤其是金新化工地處呼倫貝爾，年平均溫度-0.4℃，極端最低溫度接近-50℃，最早從每年9月底開始下雪，至來年5月末還有可能下雪。因此，不僅氣溫低，而且冬季漫長，伴熱措施的好壞將直接影響裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

金新化工生產(chǎn)裝置除BGL框架、熱電裝置、各壓縮廠房外，其余儀表大部分安裝在室外，這給保溫防凍工作帶來了很大的困難。儀表的伴熱形式有蒸汽伴熱和電伴熱兩種，在充分利用資源的同時，也要思考維護(hù)工作量與維護(hù)成本的問題。儀表伴熱點(diǎn)增多，不論是蒸汽伴熱還是電伴熱，都將增加能耗。蒸汽伴熱管線出現(xiàn)漏點(diǎn)、凍堵，電伴熱帶不熱等問題，將導(dǎo)致儀表指示不準(zhǔn)，輕則出現(xiàn)工況波動，重則造成裝置聯(lián)鎖停車。

儀表設(shè)備長期在高溫環(huán)境中容易老化發(fā)生故障，低溫環(huán)境下會降低儀表測量的靈敏度和使用壽命。電子元器件的工作溫度大約在-20℃～70℃之間，密封圈、控制閥膜片等橡膠制品的使用溫度下限通常為-20℃，低溫型橡膠制品的使用溫度下限可達(dá)-40℃。大型控制系統(tǒng)都有獨(dú)立的機(jī)柜室和空調(diào)系統(tǒng)，但是包括單元控制器(如PLC)基本都在室外就近安裝，裝置區(qū)與儀表的接口部位多存在易凍介質(zhì)，如何保證測量管線不凍堵、儀表工作正常、指示準(zhǔn)確是本文主要研究的課題。

1 現(xiàn)場設(shè)備的主要狀況及特點(diǎn)

全廠需要伴熱保溫的儀表3 000臺左右，蒸汽伴熱和電伴熱點(diǎn)數(shù)較多，主要包含調(diào)節(jié)閥、開關(guān)閥、壓力/差壓變送器、流量計、料位計、分析儀表等。然而，易凍儀表又重點(diǎn)集中在壓力/差壓變送器上，其余儀表因測量方式的不同，通過介質(zhì)本身傳熱或防凍，對測量參數(shù)造成聯(lián)鎖停車的概率較低。

電伴熱技術(shù)是利用電器產(chǎn)品消耗電能產(chǎn)生的熱量為設(shè)備加熱，電伴熱控制溫度準(zhǔn)確、傳熱效率高、無噪音、安裝簡單、維護(hù)方便。電伴熱帶通常由導(dǎo)電塑料和母線擠壓而成，導(dǎo)電塑料是由塑料加導(dǎo)電碳粒構(gòu)成，當(dāng)給平行母線供電時，碳粒就在兩條平行母線間形成回路，母線間的電路數(shù)隨溫度影響而變化。當(dāng)伴熱線周圍的溫度降低時，導(dǎo)電塑料產(chǎn)生微分子的收縮而使碳粒連接形成電路，電流流經(jīng)這些電路，使伴熱線發(fā)熱；當(dāng)溫度升高，導(dǎo)電塑料產(chǎn)生微分子膨脹，碳粒漸漸分開，引起電路中斷，電阻上升，伴熱線自動減少功率輸出，以完成溫度控制。圖1是電伴熱帶在保溫箱中對儀表伴熱。

圖1 電伴熱帶在保溫箱中對儀表伴熱

作為一種常見的伴熱形式，電伴熱運(yùn)用于現(xiàn)場，電伴熱帶短路、電纜破損接地、負(fù)載過大、融化的冰雪滲入等可能導(dǎo)致儀表電伴熱電源開關(guān)跳閘，圖2是兩洗裝置電伴熱電源箱。電伴熱帶使用5年后故障率較高，有些檢測點(diǎn)工藝條件變化時導(dǎo)致介質(zhì)溫度升高，電伴熱帶容易被燙壞。

圖2 兩洗裝置電伴熱電源箱

相比電伴熱施工，蒸汽伴熱要復(fù)雜很多，但對于尺寸較大的管線、根部閥，選用蒸汽伴熱的效果更好。尿素裝置儀表伴熱蒸汽壓力0.5 MPa，溫度157℃，其余裝置儀表伴熱蒸汽壓力為0.6 MPa，溫度為260℃。儀表測量管線較長，導(dǎo)壓管與伴熱管未有效貼合，導(dǎo)壓管進(jìn)入保溫箱的部位與伴熱管線未緊貼，存在伴熱死區(qū)，增大了凍堵的可能。部分蒸汽伴熱管線由于疏水器堵死或管線較長而導(dǎo)致伴熱效果不佳，伴熱管線容易凍堵。

2 防凍措施

2.1 改善儀表的安裝位置或測量類型

取消部分測量儀表的伴熱。如空分裝置主要介質(zhì)是空氣、氧氣、氮?dú)獾龋蟛糠纸橘|(zhì)本身不屬于易凍介質(zhì)，只需對儀表本體做保溫；將靠近廠房的室外儀表移至室內(nèi)安裝，無需采用任何伴熱，節(jié)省了能源，也降低了現(xiàn)場的維護(hù)工作量。室外易凍介質(zhì)的測量儀表，在不改變、影響工藝測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的前提下，更改室外儀表檢測點(diǎn)的位置至室內(nèi)，取消伴熱。

更改儀表的安裝方式。如測量蒸汽介質(zhì)的壓力儀表，可在高點(diǎn)的設(shè)備或管道上方開孔取壓，儀表安裝在正上方，采取短安裝措施，充分利用工藝介質(zhì)的熱源進(jìn)行自伴熱(見圖3)。對于測量蒸汽流量的差壓儀表，取壓口位于管道水平中心線以上0～45°夾角內(nèi)。為了更好地防凍，取壓口位置在管道水平中心線以上的角度要盡可能大，配管時要有足夠的角度，保證導(dǎo)壓管中不會存積冷凝液，并通過蒸汽的溫度自伴熱。采取短安裝措施，可減少導(dǎo)壓管伴熱長度。靠介質(zhì)溫度自伴熱的短安裝儀表，保溫的位置及保溫層厚度要考慮充分。保溫的部位過多，溫度較高容易燙壞儀表；相反，保溫的部位過少或保溫效果不佳，在冬季會影響儀表的測量。

圖3 蒸汽管線上壓力變送器的防凍安裝

改變儀表的測量類型。將導(dǎo)壓管取壓的變送器改為毛細(xì)管變送器，將差壓儀表改為其他一體式測量儀表，將孔板流量計改為渦街、電磁、質(zhì)量等流量儀表，差壓液位計改為超聲波、雷達(dá)、磁致伸縮等液位計。

2.2 讀取第二變量

智能儀表除了主變量外，一般還有其余變量，如傳感器內(nèi)部作為補(bǔ)償功能的溫度、壓力等變量，通過HART通信協(xié)議，將傳感器中作為第二變量的溫度參數(shù)讀取出來，并顯示在DCS控制系統(tǒng)的人機(jī)界面上，就可以知曉傳感器的溫度，從而判斷出工藝介質(zhì)或環(huán)境溫度。圖4是尿素、熱電、空分裝置易凍儀表第二變量的部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示，將用于調(diào)節(jié)、聯(lián)鎖的易凍儀表第二溫度變量設(shè)置高溫和低溫報警，提前預(yù)知儀表伴熱情況，及時檢查處理。

圖4 易凍儀表第二變量溫度顯示

2.3 增加電伴熱電源箱的監(jiān)控

生產(chǎn)裝置需要伴熱的儀表很多，電伴熱控制箱分布范圍廣。當(dāng)電伴熱回路因故障導(dǎo)致控制箱的電源開關(guān)跳閘時，無法快速發(fā)現(xiàn)。為了及時知曉跳閘的電伴熱控制點(diǎn)，在各裝置電伴熱電源箱上增加輔助觸點(diǎn)，監(jiān)控電伴熱電源開關(guān)的狀態(tài)，并將信號送至DCS控制系統(tǒng)，在DCS上添加報警功能。

為減小投資、降低成本，從每個電伴熱控制箱中取出一個總的跳閘信號，電伴熱電源跳閘指示采用西門子S7-200PLC監(jiān)控(見圖5)。PLC控制器價格較低，每臺大約1 000元，安裝于各裝置電伴熱控制箱相對集中的中心區(qū)域，以減少控制信號電纜的長度。

圖5 兩洗裝置電伴熱智能監(jiān)控控制箱

運(yùn)用西門子S7-200PLC進(jìn)行組態(tài)，通過Modbus通訊協(xié)議RS485接口與DCS控制系統(tǒng)通信，將電伴熱電源開關(guān)的跳閘信號送至主控室。一旦電伴熱控制箱內(nèi)的開關(guān)有跳閘信號，主控操作界面上將第一時間彈出報警信息，提醒維護(hù)人員檢查、處理故障。圖6是合成、兩洗電伴熱電源箱監(jiān)控畫面，紅色指示燈表示該處電伴熱電源箱有跳閘，綠色指示燈表示正常。

圖6 電伴熱電源控制箱跳閘監(jiān)控

3 應(yīng)用效果

2017年11月，對殼牌裝置電伴熱電源開關(guān)開展智能監(jiān)控的施工、PLC的組態(tài)調(diào)試，以及與DCS的通信工作，2018年1月正式投用殼牌裝置儀表電伴熱電源開關(guān)的報警信號。2019年10月完成合成、兩洗等裝置儀表電伴熱電源開關(guān)監(jiān)控點(diǎn)的通信工作。儀表保溫伴熱的防凍措施歷時2年零1個月，完成了所有裝置電伴熱電源開關(guān)的監(jiān)控組態(tài)及關(guān)鍵、易凍儀表第二變量的讀取工作。添加智能儀表第二變量的高溫/低溫報警后，高溫提醒維護(hù)人員及時調(diào)整伴熱能源，使儀表處于正常工作溫度范圍；低溫報警提醒檢查伴熱是否正常，在儀表未完全凍堵之前采取措施、及時處理。

全廠數(shù)千個保溫伴熱的儀表點(diǎn)中，含水易凍介質(zhì)的測量儀表點(diǎn)近千臺。通過測量點(diǎn)或儀表安裝位置的更改，取消儀表伴熱點(diǎn)大約200個；改為短安裝儀表，大約150個，易凍儀表導(dǎo)壓管取壓改為其余測量類型的儀表，大約100臺，大大降低了伴熱資源的成本，同時降低了因凍堵造成的聯(lián)鎖停車概率。以電伴熱為例，每臺儀表設(shè)備大約平均需要1 m電伴熱帶；改短安裝及測量類型的儀表管線，平均每臺減少8 m電伴熱帶，每米電伴熱帶的功率大約為25W，即每天可節(jié)約電量：

25×10-3×24×[200+(150+100)×8]=1 320 kW·h

裝置試車初期，冬季伴熱引起的儀表問題占35%左右，因采取了對重要測量儀表的溫度監(jiān)控，有針對性地檢查偏離儀表正常溫度的設(shè)備，及時處理相關(guān)故障；電伴熱開關(guān)若出現(xiàn)跳閘，會第一時間在系統(tǒng)中報警，從而提醒操作人員及時處理。經(jīng)過對儀表、設(shè)備的智能監(jiān)控，從2017年冬季至今，故障率逐年降低。改善伴熱效果和維護(hù)質(zhì)量后，因?yàn)轭A(yù)防措施得當(dāng)，處理及時，每年儀表點(diǎn)實(shí)際凍堵的故障率已經(jīng)降至2%以內(nèi)，保證了儀表設(shè)備在冬季的正常運(yùn)行。

4 結(jié)語

采取智能化防凍措施，及時知曉現(xiàn)場電伴熱控制開關(guān)的開合狀態(tài)，進(jìn)一步提高電伴熱的可靠性和利用率。通過對智能儀表中第二變量的數(shù)據(jù)讀取，能隨時掌控各測量儀表傳感器部位的溫度，提前預(yù)判，及時處理，大大降低裝置因儀表凍堵造成的停車風(fēng)險。

在節(jié)能降耗、提質(zhì)增效的今天，改善儀表安裝位置及測量類型，優(yōu)化儀表伴熱點(diǎn)，降低材料費(fèi)用及能源費(fèi)用，減少巡檢人員，降低用工成本，對企業(yè)降本增效起到了很好的促進(jìn)作用，將這些舉措做好，為極寒地區(qū)儀表的防凍措施提供了很好的借鑒。