李冬生 柳永剛 孫 偉

福斯特惠勒(河北)工程設(shè)計有限公司, 河北 石家莊 050051

0 前言

嚴寒地區(qū)冬季極端溫度大都在-25℃以下,有的地區(qū)甚至低于-40℃，化工項目中這種低溫會凍壞測量儀表和管線，引起測量不準以及現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)或其他聯(lián)鎖回路的誤動作,造成重大事故、人身安全和經(jīng)濟損失,因此,嚴寒地區(qū)的自控儀表設(shè)計必須考慮冬季低溫帶來的影響。一般設(shè)計都以在建項目地區(qū)極端溫度為參考,東北地區(qū)某電廠SCR(選擇性催化還原技術(shù))煙氣脫硝項目所在地區(qū)歷史極端最低氣溫-39.2℃,這種低溫工作環(huán)境下,自控儀表專業(yè)應(yīng)在設(shè)備選型，電纜選型和敷設(shè),以及儀表管線的保溫伴熱上有針對性地進行設(shè)計。

1 設(shè)備選型

1.1 溫度儀表

東北地區(qū)某電廠SCR煙氣脫硝項目在溫度測量精度要求較高、測溫元件反應(yīng)速度要求快、周圍環(huán)境無振動的場合應(yīng)選用熱電阻。該項目所在地晝夜環(huán)境溫差大,測溫熱電阻宜選擇四線制。

由于測溫原件安裝在現(xiàn)場,電阻信號要通過信號電纜送到控制室顯示,距離較長。采用兩線制熱電阻時,電纜中的2根導(dǎo)線電阻也會計入到測溫熱電阻的阻值中,線路電阻因嚴寒地區(qū)晝夜環(huán)境溫差大而變化較大,對溫度測量結(jié)果會產(chǎn)生附加誤差。若采用三線制熱電阻,需增加1根導(dǎo)線(搭配電橋使用)來補償導(dǎo)線電阻變化引起的測量誤差,其等效電路見圖1。線路電阻r分別被連接到上下橋臂當中,由于2根導(dǎo)線長度一樣,r相同,對于平衡電橋,橋路輸出電壓U0不變,這樣線路電阻就可以相互抵消,在任意橋臂上引入熱電阻RTD后,U0的變化僅與RTD變化有關(guān)。但實際測量電路中,電橋不一定設(shè)計成平衡狀態(tài),對于不平衡電橋,只有儀表刻度在零點時,線路電阻才可以全補償,當嚴寒地區(qū)環(huán)境溫差大時,上下支路電壓變化也會帶來測量誤差,因此,三線制熱電阻也不能完全消除線路電阻的影響[1]。

圖1 三線制熱電阻測量等效電路圖

圖2 四線制熱電阻測量原理圖

如果采用四線制熱電阻方式,其中2根導(dǎo)線為熱電阻提供恒定電流I,把熱電阻RT的電阻信號轉(zhuǎn)換成電壓信號U,再通過另2根導(dǎo)線把電壓信號引至控制室,得到RT=U/I。測量電壓回路沒有電流相當于斷路,U值只跟RT有關(guān)系,不受導(dǎo)線電阻及其導(dǎo)線電阻變化的影響,見圖2。四線制熱電阻能夠消除環(huán)境溫差大對電纜導(dǎo)線電阻的影響,測量精度高[1]。

該項目中反應(yīng)器煙氣溫度(400～500℃)范圍大,有振動,基于熱電偶的測量原理,熱電偶測量精度受環(huán)境溫度影響小[2],此處采用抗震耐磨K型熱電偶。

1.2 壓力、差壓儀表

壓力、差壓儀表類型應(yīng)根據(jù)測量介質(zhì)特性選擇。

嚴寒地區(qū),當測量介質(zhì)為低溫環(huán)境會凝固的水等介質(zhì)時,優(yōu)先選用無需伴熱的儀表,可選用隔膜毛細管引壓遠傳型。其中,毛細管填充液也需要根據(jù)環(huán)境溫度選擇,普通硅油低溫極限使用條件為接液溫度-10℃,環(huán)境溫度-10℃；低溫硅油低溫極限使用條件為接液溫度-30℃,環(huán)境溫度-15℃；低溫乙二醇低溫極限使用條件為接液溫度-50℃,環(huán)境溫度-40℃[3-4]。該項目中毛細管填充液選用低溫乙二醇。

對于低溫環(huán)境下不易凝固介質(zhì),壓力、差壓儀表選型可不考慮低溫的影響。例如在該項目中測量介質(zhì)為煙氣、空氣時,介質(zhì)不會因低溫而凝固,可選用通過介質(zhì)直接引壓測量的普通壓力變送器；測量介質(zhì)為氨氣和液氨時,氨氣和液氨熔點低(-77.7℃)也不會因低溫凝固,可選用氨用壓力表和隔膜壓力變送器[5]。

目前,大多數(shù)儀表設(shè)備的電路板和主要電子元器件要求正常工作的最低環(huán)境溫度為-25℃,一些進口高品質(zhì)的儀表可以達到-40℃,但價格較高。因此,如變送器選用液晶表頭,在低溫時可能會出現(xiàn)“花屏”現(xiàn)象,設(shè)計時盡量選用模擬表頭,確需選用數(shù)字液晶表頭時,應(yīng)外加保溫箱。

同時,有些金屬材料如鑄鐵、碳鋼等在低溫環(huán)境下會變脆,影響儀表的使用壽命[6],因此該項目中壓力表、壓力變送器等儀表的外殼以及法蘭等連接件宜采用304不銹鋼；另外腈基丁二烯橡膠(使用環(huán)境溫度-30～70℃)等,在-40℃時會失去彈性,因此,在選用墊片或儀表填料時應(yīng)選用耐寒橡膠。

1.3 液位儀表

測量液氨液位可選用雷達液位計、浮筒液位計、差壓液位變送器和磁翻板液位計,考慮到實用性和經(jīng)濟性,該項目選擇就地液位測量顯示選用主體304材質(zhì)磁翻板液位計,無需做保溫伴熱；遠傳液位測量選用雙法蘭隔膜差壓液位變送器(毛細管填充液同于壓力、差壓儀表的毛細管填充液),外殼選用304不銹鋼,隔離膜片選用316 L不銹鋼,使用環(huán)境溫度為-40～85℃,介質(zhì)溫度為-70～205℃,具有精度高、穩(wěn)定性好、不易泄漏等優(yōu)點,是嚴寒地區(qū)化工裝置過程控制中液位測量儀表的首選。

測量冷凝水等低溫易凍介質(zhì)液位,同樣采用非介質(zhì)引出型的雙法蘭隔膜差壓液位變送器,可減少伴熱,節(jié)約能源。如現(xiàn)場需就地觀測液位,可選用帶真空絕熱保溫夾套的不銹鋼磁翻板液位計,并做好保溫伴熱工作。

1.4 流量儀表

在嚴寒地區(qū),測量易凍介質(zhì)的流量檢測儀表,盡量不選用差壓式流量計,因為差壓式流量計需要引出介質(zhì),引壓管路需要做保溫伴熱,容易因低溫發(fā)生凍堵現(xiàn)象,而且伴熱容易引起壓力波動帶來附加測量誤差。

因此,流量檢測儀表宜選用非介質(zhì)引出型,如均速管流量計、電磁流量計、質(zhì)量流量計、超聲波流量計等。

1.5 閥門

考慮低溫環(huán)境對金屬材料的影響,該項目控制閥門的閥體材質(zhì)選用SCS 14 A鑄不銹鋼,閥芯和閥座材質(zhì)選用304不銹鋼。而執(zhí)行機構(gòu)選用低溫型,如氣動薄膜型執(zhí)行機構(gòu)膜蓋材質(zhì)采用304不銹鋼而非鑄鐵,膜片材質(zhì)采用耐寒橡膠而非低溫環(huán)境下會失去彈性的丁腈橡膠,其配套的電磁閥等附件同樣也選擇低溫型。另外,根據(jù)HG/T 20510-2014《儀表供氣設(shè)計規(guī)范》要求,氣動執(zhí)行機構(gòu)供氣系統(tǒng)的氣源操作(在線)壓力下的露點,應(yīng)比歷史上項目當?shù)啬?季)極端最低溫度至少低10℃。

2 電纜選型和敷設(shè)

2.1 電纜選型

儀表控制電纜是整個自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行的基礎(chǔ)。目前生產(chǎn)電纜的廠家很多,型號也不盡相同,很多廠家的電纜長期工作環(huán)境溫度最低可達-40℃。因此,嚴寒地區(qū)電纜選型時要注意選型樣本所注明的溫度使用范圍,盡量少使用低溫時易硬化的材料作為電纜外皮。該項目在充分咨詢電纜廠家關(guān)于電纜的長期工作環(huán)境溫度范圍后，選用滿足項目所在地氣溫狀況的專用耐寒電纜[7]。

2.2 電纜敷設(shè)

儀表電纜敷設(shè)通常采用穿金屬保護管和橋架敷設(shè)。在該項目中,部分場合為腐蝕性環(huán)境,橋架材質(zhì)可選用耐腐蝕性能優(yōu)異的不銹鋼、鋁合金、玻璃鋼或成型聚合樹脂。不銹鋼橋架造價太高；鋁合金橋架造價高且不適合現(xiàn)場跨度大的工況；玻璃鋼橋架可正常使用的最低極限溫度是-30℃左右,長期低溫環(huán)境會導(dǎo)致橋架嚴重脆化,使持耐力急劇下降,發(fā)生分層撕裂,導(dǎo)致整體橋架系統(tǒng)垮塌,嚴重影響企業(yè)生產(chǎn)。綜合考慮,設(shè)計最終選擇了價格適中,性能優(yōu)良的成型聚合樹脂橋架。

常用的電纜撓性管PVC外護套在低溫下極易老化、脆化,失效快。嚴寒地區(qū)電纜撓性管的外皮選用金屬材質(zhì)或直接使用低溫電纜密封接頭。該項目使用低溫電纜密封接頭。

現(xiàn)場電纜敷設(shè)時要滿足電纜廠家要求的敷設(shè)環(huán)境溫度,而且一定要遵循GB 50093-2013《自動化儀表工程施工及質(zhì)量驗收規(guī)范》要求,塑料絕緣電纜敷設(shè)溫度不低于0℃；橡皮絕緣電纜敷設(shè)溫度不低于-15℃；同時電纜的敷設(shè)施工期,盡量避開低溫期。另外,需要直埋敷設(shè)的電纜埋深應(yīng)在當?shù)貎鐾翆右韵隆?/p>

3 保溫伴熱設(shè)計

保溫伴熱主要針對引壓管路和儀表電子元件[8-11],在設(shè)計時根據(jù)實際情況采用蒸汽伴熱和電伴熱結(jié)合的伴熱方案。測量儀表集中區(qū)域采用蒸汽伴熱,因為儀表設(shè)備相對集中,蒸汽管線輸送線路短,運營成本低,易于回流液的排放收集和整體管理維護[12]。而遠端分散部位的儀表設(shè)備采用電熱帶伴熱方式,防止蒸汽伴熱管線過長導(dǎo)致蒸汽冷凝,伴熱管線末端凍堵。防爆電熱帶能夠滿足不同防爆場所的應(yīng)用要求,均勻放熱,功耗低,能夠自動調(diào)節(jié)溫度,且維護和維修都比較容易[13-15]。

同時,保溫工作也要做好,否則伴熱就起不了作用,儀表和管線也會被凍壞。該項目所采用的保溫措施有：

1)采用保溫箱。壓力、液位、流量等變送器以及NOx分析儀等現(xiàn)場電子儀表均放置在保溫箱內(nèi),保溫箱根據(jù)情況采用蒸汽或電伴熱,同時墊鋪保溫棉。嚴寒地區(qū)保溫箱的保溫效果要好,材質(zhì)選用不銹鋼，保溫層厚度不小于30 mm[16]。

2)采用纏繞保溫。對于不能放在保溫箱的儀表,如均速管流量計和一些引壓管線,則需要采用纏繞保溫形式來保溫。一般在儀表和管線做好伴熱纏繞后加1層保溫棉,嚴寒地區(qū)的儀表和引壓管線需要多加幾層保溫棉。

4 結(jié)論

根據(jù)東北地區(qū)某電廠SCR煙氣脫硝項目中脫硝裝置投用后的運行情況來看,在項目設(shè)計和施工安裝階段,儀表、電纜等設(shè)備和材料的合理選用及其安裝方式的改進，能有效解決嚴寒地區(qū)環(huán)境溫度對自控系統(tǒng)和儀表設(shè)備帶來的影響,避免儀表被凍壞或測量不準確,提高儀表可靠性,使生產(chǎn)裝置運行安全可靠。實踐證明,嚴寒地區(qū)有針對性地自控儀表設(shè)計是十分必要的。

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