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极寒地区仪表防冻措施研究

发布日期:2022-03-09  来源:  作者:  浏览次数:
【导读】:针对呼伦贝尔金新化工有限公司所处地理位置的特殊气候环境,以及化工工艺的危险性和仪表点多、面广的特点,在极寒天气下采取独特的防冻措施,对仪表伴热实施智能化监控。......

 摘要:针对呼伦贝尔金新化工有限公司所处地理位置的特殊气候环境,以及化工工艺的危险性和仪表点多、面广的特点,在极寒天气下采取独特的防冻措施,对仪表伴热实施智能化监控,使仪表长期在许可温度范围内工作,保证仪表测量的数据准确、可靠。

 
化工生产装置中的仪表点众多,基于化工工艺的特殊性与危险性,大部分设备未设计在封闭厂房中,因此,多数仪表也都安装在室外。在国内很多地方,无论仪表安装在室内还是室外,都没有太大的区别;但在呼伦贝尔金新化工有限公司(以下简称金新化工),仪表的测量类型以及安装位置会直接影响生产成本及维护工作量。因为该地区年平均气温较低,尤其是金新化工地处呼伦贝尔,年平均温度-0.4℃,极端非常低温度接近-50℃,非常早从每年9月底开始下雪,至来年5月末还有可能下雪。因此,不仅气温低,而且冬季漫长,伴热措施的好坏将直接影响装置的稳定运行。
 
金新化工生产装置除BGL框架、热电装置、各压缩厂房外,其余仪表大部分安装在室外,这给保温防冻工作带来了很大的困难。仪表的伴热形式有蒸汽伴热和电伴热两种,在充分利用资源的同时,也要思考维护工作量与维护成本的问题。仪表伴热点增多,不论是蒸汽伴热还是电伴热,都将增加能耗。蒸汽伴热管线出现漏点、冻堵,电伴热带不热等问题,将导致仪表指示不准,轻则出现工况波动,重则造成装置联锁停车。
 
仪表设备长期在高温环境中容易老化发生故障,低温环境下会降低仪表测量的灵敏度和使用寿命。电子元器件的工作温度大约在-20℃~70℃之间,密封圈、控制阀膜片等橡胶制品的使用温度下限通常为-20℃,低温型橡胶制品的使用温度下限可达-40℃。大型控制系统都有独立的机柜室和空调系统,但是包括单元控制器(如PLC)基本都在室外就近安装,装置区与仪表的接口部位多存在易冻介质,如何保证测量管线不冻堵、仪表工作正常、指示准确是本文主要研究的课题。
 
1现场设备的主要状况及特点
全厂需要伴热保温的仪表3000台左右,蒸汽伴热和电伴热点数较多,主要包含调节阀、开关阀、压力变送器、差压变送器、流量计、料位计、分析仪表等。然而,易冻仪表又重点集中在压力变送器、差压变送器上,其余仪表因测量方式的不同,通过介质本身传热或防冻,对测量参数造成联锁停车的概率较低。
 
电伴热技术是利用电器产品消耗电能产生的热量为设备加热,电伴热控制温度准确、传热效率高、无噪音、安装简单、维护方便。电伴热带通常由导电塑料和母线挤压而成,导电塑料是由塑料加导电碳粒构成,当给平行母线供电时,碳粒就在两条平行母线间形成回路,母线间的电路数随温度影响而变化。当伴热线周围的温度降低时,导电塑料产生微分子的收缩而使碳粒连接形成电路,电流流经这些电路,使伴热线发热;当温度升高,导电塑料产生微分子膨胀,碳粒渐渐分开,引起电路中断,电阻上升,伴热线自动减少功率输出,以完成温度控制。图1是电伴热带在保温箱中对仪表伴热。
电伴热带在保温箱中对仪表伴热
作为一种常见的伴热形式,电伴热运用于现场,电伴热带短路、电缆破损接地、负载过大、融化的冰雪渗入等可能导致仪表电伴热电源开关跳闸,图2是两洗装置电伴热电源箱。电伴热带使用5年后故障率较高,有些检测点工艺条件变化时导致介质温度升高,电伴热带容易被烫坏。
两洗装置电伴热电源箱
相比电伴热施工,蒸汽伴热要复杂很多,但对于尺寸较大的管线、根部阀,选用蒸汽伴热的效果更好。尿素装置仪表伴热蒸汽压力0.5MPa,温度157℃,其余装置仪表伴热蒸汽压力为0.6MPa,温度为260℃。仪表测量管线较长,导压管与伴热管未有效贴合,导压管进入保温箱的部位与伴热管线未紧贴,存在伴热死区,增大了冻堵的可能。部分蒸汽伴热管线由于疏水器堵死或管线较长而导致伴热效果不佳,伴热管线容易冻堵。
 
2防冻措施
2.1改善仪表的安装位置或测量类型
取消部分测量仪表的伴热。如空分装置主要介质是空气、氧气、氮气等,大部分介质本身不属于易冻介质,只需对仪表本体做保温;将靠近厂房的室外仪表移至室内安装,无需采用任何伴热,节省了能源,也降低了现场的维护工作量。室外易冻介质的测量仪表,在不改变、影响工艺测量数据准确性的前提下,更改室外仪表检测点的位置至室内,取消伴热。
 
更改仪表的安装方式。如测量蒸汽介质的压力仪表,可在高点的设备或管道上方开孔取压,仪表安装在正上方,采取短安装措施,充分利用工艺介质的热源进行自伴热(见图3)。对于测量蒸汽流量的差压仪表,取压口位于管道水平中心线以上0~45°夹角内。为了更好地防冻,取压口位置在管道水平中心线以上的角度要尽可能大,配管时要有足够的角度,保证导压管中不会存积冷凝液,并通过蒸汽的温度自伴热。采取短安装措施,可减少导压管伴热长度。靠介质温度自伴热的短安装仪表,保温的位置及保温层厚度要考虑充分。保温的部位过多,温度较高容易烫坏仪表;相反,保温的部位过少或保温效果不佳,在冬季会影响仪表的测量。
蒸汽管线上压力变送器的防冻安装
改变仪表的测量类型。将导压管取压的变送器改为毛细管变送器,将差压仪表改为其他一体式测量仪表,将孔板流量计改为涡街流量计电磁流量计、质量等流量仪表,差压液位计改为超声波流量计、雷达液位计磁致伸缩液位计等。
 
2.2读取第二变量
智能仪表除了主变量外,一般还有其余变量,如传感器内部作为补偿功能的温度、压力等变量,通过HART通信协议,将传感器中作为第二变量的温度参数读取出来,并显示在DCS控制系统的人机界面上,就可以知晓传感器的温度,从而判断出工艺介质或环境温度。图4是尿素、热电、空分装置易冻仪表第二变量的部分数据显示,将用于调节、联锁的易冻仪表第二温度变量设置高温和低温报警,提前预知仪表伴热情况,及时检查处理。
易冻仪表第二变量温度显示
2.3增加电伴热电源箱的监控
生产装置需要伴热的仪表很多,电伴热控制箱分布范围广。当电伴热回路因故障导致控制箱的电源开关跳闸时,无法快速发现。为了及时知晓跳闸的电伴热控制点,在各装置电伴热电源箱上增加辅助触点,监控电伴热电源开关的状态,并将信号送至DCS控制系统,在DCS上添加报警功能。为减小投资、降低成本,从每个电伴热控制箱中取出一个总的跳闸信号,电伴热电源跳闸指示采用西门子S7-200PLC监控(见图5)。PLC控制器价格较低,每台大约1000元,安装于各装置电伴热控制箱相对集中的中心区域,以减少控制信号电缆的长度。
两洗装置电伴热智能监控控制箱
运用西门子S7-200PLC进行组态,通过Modbus通讯协议RS485接口与DCS控制系统通信,将电伴热电源开关的跳闸信号送至主控室。一旦电伴热控制箱内的开关有跳闸信号,主控操作界面上将非常好时间弹出报警信息,提醒维护人员检查、处理故障。图6是合成、两洗电伴热电源箱监控画面,红色指示灯表示该处电伴热电源箱有跳闸,绿色指示灯表示正常。
电伴热电源控制箱跳闸监控
3、应用效果
2017年11月,对壳牌装置电伴热电源开关开展智能监控的施工、PLC的组态调试,以及与DCS的通信工作,2018年1月正式投用壳牌装置仪表电伴热电源开关的报警信号。2019年10月完成合成、两洗等装置仪表电伴热电源开关监控点的通信工作。仪表保温伴热的防冻措施历时2年零1个月,完成了所有装置电伴热电源开关的监控组态及关键、易冻仪表第二变量的读取工作。添加智能仪表第二变量的高温/低温报警后,高温提醒维护人员及时调整伴热能源,使仪表处于正常工作温度范围;低温报警提醒检查伴热是否正常,在仪表未完全冻堵之前采取措施、及时处理。
 
全厂数千个保温伴热的仪表点中,含水易冻介质的测量仪表点近千台。通过测量点或仪表安装位置的更改,取消仪表伴热点大约200个;改为短安装仪表,大约150个,易冻仪表导压管取压改为其余测量类型的仪表,大约100台,大大降低了伴热资源的成本,同时降低了因冻堵造成的联锁停车概率。以电伴热为例,每台仪表设备大约平均需要1m电伴热带;改短安装及测量类型的仪表管线,平均每台减少8m电伴热带,每米电伴热带的功率大约为25W,即每天可节约电量:
25×10-3×24×[200+(150+100)×8]=1320kW·h
 
装置试车初期,冬季伴热引起的仪表问题占35%左右,因采取了对重要测量仪表的温度监控,有针对性地检查偏离仪表正常温度的设备,及时处理相关故障;电伴热开关若出现跳闸,会非常好时间在系统中报警,从而提醒操作人员及时处理。经过对仪表、设备的智能监控,从2017年冬季至今,故障率逐年降低。改善伴热效果和维护质量后,因为预防措施得当,处理及时,每年仪表点实际冻堵的故障率已经降至2%以内,保证了仪表设备在冬季的正常运行。
 
4结语
采取智能化防冻措施,及时知晓现场电伴热控制开关的开合状态,进一步提高电伴热的可靠性和利用率。通过对智能仪表中第二变量的数据读取,能随时掌控各测量仪表传感器部位的温度,提前预判,及时处理,大大降低装置因仪表冻堵造成的停车风险。
 
在节能降耗、提质增效的今天,改善仪表安装位置及测量类型,优化仪表伴热点,降低材料费用及能源费用,减少巡检人员,降低用工成本,对企业降本增效起到了很好的促进作用,将这些举措做好,为极寒地区仪表的防冻措施提供了很好的借鉴。

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