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極寒地區儀表防凍措施研究
發布日期：2022-03-09 來源： 作者： 瀏覽次數：
【導(dao)讀】：針對呼倫貝爾金新化工有限公司所處地理位置的特殊氣候環境，以及化工工藝的危險性和儀表點多、面廣的特點，在極寒天氣下采取獨特的防凍措施，對儀表伴熱實施智能化監控。......
摘要：針(zhen)對(dui)呼倫貝爾(er)金新化(hua)(hua)工(gong)有限公司所(suo)處地理位置(zhi)的特(te)殊氣候環(huan)境，以及化(hua)(hua)工(gong)工(gong)藝的危險性(xing)和(he)儀表(biao)點多、面廣的特(te)點，在(zai)極(ji)寒(han)天(tian)氣下(xia)采(cai)取獨特(te)的防凍措施，對(dui)儀表(biao)伴熱實施智能化(hua)(hua)監控，使儀表(biao)長期在(zai)許(xu)可(ke)溫度范圍內(nei)工(gong)作，保證(zheng)儀表(biao)測量的數據準(zhun)確(que)、可(ke)靠。
化工生產裝置中的儀表點眾多，基于化工工藝的特殊性與危險性，大部分設備未設計在封閉廠房中，因此，多數儀表也都安裝在室外。在國內很多地方，無論儀表安裝在室內還是室外，都沒有太大的區別；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成本及維護工作量。因為該地區年平均氣溫較低，尤其是金新化工地處呼倫貝爾，年平均溫度－０．４℃，極端非常低溫度接近－５０℃，非常早從每年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定運行。
金新化工生產裝置除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，也要思考維護工作量與維護成本的問題。儀表伴熱點增多，不論是蒸汽伴熱還是電伴熱，都將增加能耗。蒸汽伴熱管線出現漏點、凍堵，電伴熱帶不熱等問題，將導致儀表指示不準，輕則出現工況波動，重則造成裝置聯鎖停車。
儀表設備長期在高溫環境中容易老化發生故障，低溫環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－４０℃。大型控制系統都有獨立的機柜室和空調系統，但是包括單元控制器（如ＰＬＣ）基本都在室外就近安裝，裝置區與儀表的接口部位多存在易凍介質，如何保證測量管線不凍堵、儀表工作正常、指示準確是本文主要研究的課題。
1現場設備的主要狀況及特點
全廠需要伴熱保溫的儀表３０００臺左右，蒸汽伴熱和電伴熱點數較多，主要包含調節閥、開關閥、壓力變送器、差壓變送器、流量計、料位計、分析儀表等。然而，易凍儀表又重點集中在壓力變送器、差壓變送器上，其余儀表因測量方式的不同，通過介質本身傳熱或防凍，對測量參數造成聯鎖停車的概率較低。
電伴熱技術是利用電器產品消耗電能產生的熱量為設備加熱，電伴熱控制溫度準確、傳熱效率高、無噪音、安裝簡單、維護方便。電伴熱帶通常由導電塑料和母線擠壓而成，導電塑料是由塑料加導電碳粒構成，當給平行母線供電時，碳粒就在兩條平行母線間形成回路，母線間的電路數隨溫度影響而變化。當伴熱線周圍的溫度降低時，導電塑料產生微分子的收縮而使碳粒連接形成電路，電流流經這些電路，使伴熱線發熱；當溫度升高，導電塑料產生微分子膨脹，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。
作為一種常見的伴熱形式，電伴熱運用于現場，電伴熱帶短路、電纜破損接地、負載過大、融化的冰雪滲入等可能導致儀表電伴熱電源開關跳閘，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，有些檢測點工藝條件變化時導致介質溫度升高，電伴熱帶容易被燙壞。
相比電伴熱施工，蒸汽伴熱要復雜很多，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０．５ＭＰａ，溫度１５７℃，其余裝置儀表伴熱蒸汽壓力為０．６ＭＰａ，溫度為２６０℃。儀表測量管線較長，導壓管與伴熱管未有效貼合，導壓管進入保溫箱的部位與伴熱管線未緊貼，存在伴熱死區，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是空氣、氧氣、氮氣等，大部分介質本身不屬于易凍介質，只需對儀表本體做保溫；將靠近廠房的室外儀表移至室內安裝，無需采用任何伴熱，節省了能源，也降低了現場的維護工作量。室外易凍介質的測量儀表，在不改變、影響工藝測量數據準確性的前提下，更改室外儀表檢測點的位置至室內，取消伴熱。
更改儀表的安裝方式。如測量蒸汽介質的壓力儀表，可在高點的設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，充分利用工藝介質的熱源進行自伴熱（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。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，可減少導壓管伴熱長度。靠介質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。
改變儀表的測量類型。將導壓管取壓的變送器改為毛細管變送器，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流量計、電磁流量計、質量等流量儀表，差壓液位計改為超聲波流量計、雷達液位計、磁致伸縮液位計等。
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，如傳感器內部作為補償功能的溫度、壓力等變量，通過ＨＡＲＴ通信協議，將傳感器中作為第二變量的溫度參數讀取出來，并顯示在ＤＣＳ控制系統的人機界面上，就可以知曉傳感器的溫度，從而判斷出工藝介質或環境溫度。圖４是尿素、熱電、空分裝置易凍儀表第二變量的部分數據顯示，將用于調節、聯鎖的易凍儀表第二溫度變量設置高溫和低溫報警，提前預知儀表伴熱情況，及時檢查處理。
２．３增加電伴熱電源箱的監控
生產裝置需要伴熱的儀表很多，電伴熱控制箱分布范圍廣。當電伴熱回路因故障導致控制箱的電源開關跳閘時，無法快速發現。為了及時知曉跳閘的電伴熱控制點，在各裝置電伴熱電源箱上增加輔助觸點，監控電伴熱電源開關的狀態，并將信號送至ＤＣＳ控制系統，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監控（見圖５）。ＰＬＣ控制器價格較低，每臺大約１０００元，安裝于各裝置電伴熱控制箱相對集中的中心區域，以減少控制信號電纜的長度。
運用西門子Ｓ７－２００ＰＬＣ進行組態，通過Ｍｏｄｂｕｓ通訊協議ＲＳ４８５接口與ＤＣＳ控制系統通信，將電伴熱電源開關的跳閘信號送至主控室。一旦電伴熱控制箱內的開關有跳閘信號，主控操作界面上將非常好時間彈出報警信息，提醒維護人員檢查、處理故障。圖６是合成、兩洗電伴熱電源箱監控畫面，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。
3、應用效果
２０１７年１１月，對殼牌裝置電伴熱電源開關開展智能監控的施工、ＰＬＣ的組態調試，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監控點的通信工作。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的監控組態及關鍵、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，高溫提醒維護人員及時調整伴熱能源，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。
全廠數千個保溫伴熱的儀表點中，含水易凍介質的測量儀表點近千臺。通過測量點或儀表安裝位置的更改，取消儀表伴熱點大約２００個；改為短安裝儀表，大約１５０個，易凍儀表導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鎖停車概率。以電伴熱為例，每臺儀表設備大約平均需要１ｍ電伴熱帶；改短安裝及測量類型的儀表管線，平均每臺減少８ｍ電伴熱帶，每米電伴熱帶的功率大約為２５Ｗ，即每天可節約電量：
２５×１０－３×２４×［２００＋（１５０＋１００）×８］＝１３２０ｋＷ·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控，有針對性地檢查偏離儀表正常溫度的設備，及時處理相關故障；電伴熱開關若出現跳閘，會非常好時間在系統中報警，從而提醒操作人員及時處理。經過對儀表、設備的智能監控，從２０１７年冬季至今，故障率逐年降低。改善伴熱效果和維護質量后，因為預防措施得當，處理及時，每年儀表點實際凍堵的故障率已經降至２％以內，保證了儀表設備在冬季的正常運行。
4結語
采取智能化防凍措施，及時知曉現場電伴熱控制開關的開合狀態，進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據讀取，能隨時掌控各測量儀表傳感器部位的溫度，提前預判，及時處理，大大降低裝置因儀表凍堵造成的停車風險。
在節能降耗、提質增效的今天，改善儀表安裝位置及測量類型，優化儀表伴熱點，降低材料費用及能源費用，減少巡檢人員，降低用工成本，對企業降本增效起到了很好的促進作用，將這些舉措做好，為極寒地區儀表的防凍措施提供了很好的借鑒。
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