极寒地区仪表防冻措施研究

毛大军，高志森，白国伟

(呼伦贝尔金新化工有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021506)

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℃，极端最低温度接近-50℃，最早从每年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3 000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/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/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。

图1 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。

图2 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0.5 MPa，温度157℃，其余装置仪表伴热蒸汽压力为0.6 MPa，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。

图3 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、电磁、质量等流量仪表，差压液位计改为超声波、雷达、磁致伸缩等液位计。

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。

图4 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1 000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。

图5 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，主控操作界面上将第一时间弹出报警信息，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。

图6 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1 m电伴热带；改短安装及测量类型的仪表管线，平均每台减少8 m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]=1 320 kW·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，会第一时间在系统中报警，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。