对高寒地域仪表测量管线伴热方案的探讨

孟 玥

（中国石化工程建设有限公司，北京 100101）

在高寒地域的低温环境下，当被测介质通过测量管线传到变送器时，经常出现因环境温度过低导致的冻结、凝固、析出晶体等现象，使得物料堵塞仪表测量管线，出现不正常的反馈信号，甚至会直接损坏仪表设备，对装置的安全稳定运行产生不利影响。因此，仪表和仪表测量管线保温伴热的有效性至关重要。本文以俄罗斯某化工装置为例，着重探讨压力和差压变送器测量管线伴热的经济合理方案。

1 仪表伴热系统的选择

通常仪表管道内的物料温度一般保持在20℃～80℃，仪表使用环境温度为-20℃～80℃，中国高寒地域冬季环境最低温度一般在-30℃左右，而地处俄罗斯的某化工厂的极端气温受到西伯利亚环境的影响，达到了-52℃，这对于普通压力和差压变送器来说正常工作十分困难，所以选择适合的保温伴热方案很重要。

目前常见的仪表伴热方式有：蒸汽伴热、热水伴热、热载体伴热和电伴热。在石油化工厂中，最常用的仪表伴热方式是蒸汽伴热和电伴热。

蒸汽伴热的优点是：高热能输出、高可靠性，一次性投资较少等；缺点是：节能性差、温度控制能力差、安装维护费用高，“跑、冒、滴、漏”情况比较多等。

电伴热的优点是：发热均匀，可通过温控器或温控系统进行控制，温控准确、监控能力强、安装方便、操作方便、可拓展性强、维护费用低，以电作为动力，对环境不会造成污染。缺点是：一次性投资较高，且电伴热作为一种防爆电气设备，在充满爆炸性气体的危险区域使用时，对安全性要求很高。

根据有关资料，两种伴热总投资比例，蒸汽伴热:电伴热=1:4.4。考虑时间价值，1.55年即可回收两方案投资差额部分；操作费用比例，蒸汽伴热:电伴热=3.63:1[1]。同等伴热情况下，电伴热的运行费用远低于蒸汽伴热，且装置便于维护。尽管各建设项目的条件有所不同，但总的趋势是可以参考的。

在化工装置中，蒸汽的获得较为方便，这使得仪表的蒸汽伴热得以广泛应用。结合本项目高寒温度环境的特点，蒸汽伴热存在不可回避的问题就是冰冻。仪表伴热管道很细，保温层被风破坏、年久脱落、检维修时碰撞等都可能使伴热管道外漏，从而影响仪表伴热效果。且回水管道端头、低点的存在，使得冰冻的风险增加，会使得整个系统不能正常工作，影响仪表测量效果。目前，电伴热技术已经得到了广泛应用，技术成熟可靠，经济效益高。基于上述分析，并考虑人员安全、低温、冰、雪的影响，以及经济、合理、维护方便的原则，本项目仪表伴热选择电伴热是技术可靠、经济合理的。

2 仪表电伴热系统的设计

电伴热系统根据输出形式主要分为恒功率型和温度自限型两种。

恒功率型电伴热带为串联形式，电伴热带通电后以恒定的功率发热，整根电伴热带发热均匀，其温度不随环境温度变化而改变，但必须通过温控器控制电伴热系统的启停，其常用于暴露温度较高、功率较大的加热场合。恒功率电伴热带的优势有：输出恒定、启动电流小，能耗低、热效率高、年衰减率低，可使用寿命长。但同时需注意恒功率输出式电伴热带不允许随意重叠、交叉，以防止局部出现高温，且电伴热带不可随意截短或接长使用。

温度自限型电伴热带为并联形式，具有温度自调控的特性。当被伴热物体温度下降时，导电塑料收缩，电阻减小，输出功率增大。反之，当被伴热物体温度升高时，导电塑料膨胀，电阻增大，输出功率下降。温度自限型电伴热带由于线路并联，可任意裁剪，且可以交叉重叠，没有高温烧坏的危险。但温度自限型电伴热带不可用于高暴露温度场合。石油化工装置的仪表电伴热多数使用的是温度自限型电伴热带。

3 仪表测量管线电伴热设计方案

由于仪表种类繁多，伴热方式不尽相同，本文主要针对压力和差压变送器的仪表测量管线伴热方案进行探讨。

3.1 测量管线伴热

用来测量压力和差压的测量管线主要分为两种：普通无缝钢管导压的测量管线和隔膜密封毛细管导压的测量管线。普通无缝钢管导压的测量管线中充满的是工艺介质，而导压毛细管中充满的是填充液，所以两种测量管线的伴热需要考虑的重点也不同。

3.1.1 无缝钢管导压

无缝钢管导压管的伴热主要考虑的是环境温度对管内工艺介质带来的影响。

如果仪表在厂房内，环境温度可按最低5℃考虑，只要工艺介质没有伴热要求，测量管线可不进行伴热。

如果仪表在室外，环境温度需按项目的极端温度-52℃考虑。在这种温度下，主要需要考虑工艺介质在测量管线中的工艺伴热和防冻伴热。工艺伴热是指：仪表测量管线中的工艺介质在低温下有一定热量损失，通过伴热的方法，避免温度降低导致的析出、沉积、粘度突增、增大流动阻力的风险，伴热温度需根据被伴热介质物性确定[2]。防冻伴热是指水、蒸汽等物料在低温下有冻结或凝固的风险，通过增加伴热，使介质温度需维持在冰点以上。只要测量管线内介质有工艺伴热或防冻的需求，测量管线即需要增加伴热。

3.1.2 毛细管导压

与无缝钢管导压不同，毛细管导压是膜片密封系统通过毛细管中的填充液，间接传递压力的导压过程。在导压过程中，温度对填充液的影响较为明显。温度越低，填充液的黏度越高，摩擦阻力越大，响应时间越长，对于需要联锁的仪表来说，低温是非常不利的因素。填充液的种类不同，可耐受温度的极限值不同，但不可以一味地选择耐低温的填充液。例如，对于高温介质的测量，如果选用耐低温的填充液，填充液会出现汽化的现象。如果选用耐高温填充液，环境温度在0℃左右时填充液就会发生凝结，从而引起压力波动，影响正常的仪表测量和控制。所以，对于毛细管导压的变送器来说，要根据介质特性选择正确的填充液，若填充液在低温下容易发生凝结，或响应时间明显变长，则毛细管需要增加保温伴热。

3.2 变送器伴热

除了对测量管线的伴热，对变送器的伴热也是非常重要的环节。

3.2.1 保温箱的使用

对于压力和差压变送器，最常见的保温方式是在外部设置仪表保温箱。

如果变送器在厂房内，变送器环境温度可保证在5℃以上，且有房顶及围墙的防护，可以不设置仪表保温箱。

在室外，对于可以在-52℃环境温度下正常工作的变送器，理论上可以不加仪表保温箱，但考虑到极端温度下冰雪的影响，室外的变送器也加装了仪表保温箱。

一般压力、差压变送器的最低环境工作温度为-40℃，对于可耐-52℃低温的变送器需要特殊的元件，价格高昂，除了重要的测量点外，也可考虑使用普通变送器，通过保温伴热，使其正常工作。对于不耐低温的变送器，不仅需要加装保温箱，而且需要给保温箱伴热。

图1 压力、差压变送器伴热方案Fig.1 Pressure, differential pressure transmitter heating scheme

3.2.2 保温箱的伴热

仪表保温箱的伴热可分为两种形式：

第一，在变送器阀组下添加加热器。这种形式适用于变送器可耐-52℃低温，但测量管线内的介质有伴热或防冻要求的情况。因为变送器能够耐受低温，所以保温箱内主要需保证的是测量管线末端的温度，末端处的工艺介质流动性最差，冻结的可能性较前端高，对伴热的需求更高，此种情况下，需要把加热器放在变送器的阀组下。

第二，在保温箱内壁添加加热器。这种形式适用于变送器不能耐-52℃低温的情况，无论测量管线内的工艺介质或填充液有没有伴热要求，都需将加热器置于内壁。这样在保证变送器处于正常的工作温度后，再根据测量管线内的介质的具体情况，将保温箱中的温度调整至合适的范围。

3.3 伴热设计方案

综合测量管线伴热和变送器伴热的不同方案，可得到图1。设计的主要依据是变送器的工作温度，工艺介质是否有伴热要求或防冻要求，以及填充液是否会凝结或有响应时间要求。

4 注意事项

本项目的保温伴热方案中，有两点注意事项：

第一，电伴热系统作为电阻加热设备和防爆电气，在易燃易爆的危险环境中对安全性要求很高，在设计过程中要注意装置内防爆区域的划分。保温箱中的加热器应采用与导压管伴热形式相同的伴热源，对于易燃易爆危险环境，应选择符合相应防爆等级的防爆电加热器，防爆电加热器内部要有保险丝，且熔断温度应低于防爆区限制温度。如电伴热系统的防爆等级不能达到防爆要求时，应改用蒸汽伴热等其他伴热方式。做相应设计时，应注意参考相应电气防爆标准规范要求，如《爆炸性环境 第一部分：设备-通用要求》（GB3836.1-2010），《爆炸危险环境电力装置设计规范》（GB50058-2014），《石油化工仪表及管道伴热和绝热设计规范》（SH/T3126-2013）等。

第二，伴热并不是用于来提高介质的温度，主要功能是防凝和防冻，伴热温度并不是越高越好。对于防凝，以某油品管线举例，操作温度为60℃，倾点温度为35℃，伴热温度如果设定在60℃以上，显然会让电伴热带连续工作，造成能源浪费。如果将温度调整至60℃附近，由于介质温度不会恒定，这会使得电伴热系统频繁启停，从而影响伴热系统的使用寿命。如果将温度调整至倾点温度+5℃温控精度+5℃裕量，即45℃，是较为合适的[3]。对于需要以防冻为目的的水类介质，将温度维持在冰点以上5℃即可。

5 结语

在高寒区域中，化工装置仪表的保温伴热需要考虑的注意事项相对较多，合理选择伴热方案是使装置正常安全运行的重要保障。对于不同的仪表，需要考虑的因素有所不同，不能一概而论，要具体情况具体分析。本项目压力和差压变送器仪表选择电伴热技术方案更为合理、经济效益显著，可以在寒冷的极端气候下，保障仪表安全准确地工作。