發電廠室外熱工儀表冬季防凍探討

張潔

（華能濟南黃臺發電有限公司，濟南250100）

發電廠室外熱工儀表冬季防凍探討

張潔

（華能濟南黃臺發電有限公司，濟南250100）

熱工儀表冬季防凍是機組安全運行的重要部分，北方地區由于冬季室外儀表管路凍結造成機組跳閘的現象屢見不鮮。通過對華能黃臺發電有限公司熱工設備冬季防凍遇到的一些問題及解決方法進行闡述，有針對性地提出北方地區冬季室外儀表防凍的一些治理措施，以提高機組室外儀表冬季安全運行可靠性，降低機組跳閘的風險。

室外儀表防凍；伴熱；保溫

0 引言

北方地區室外儀表防凍是熱工專業面臨的主要問題之一，由于長江以南地區基本不會持續零下低溫天氣，而東北、西北部地區由于冬季氣溫過低多數都采取鍋爐房封閉設計，因此處于華北地區這個緯度上的發電機組，由于冬季氣溫持續零下且鍋爐房沒有封閉，冬季室外儀表管路由于防凍措施不到位，遭遇嚴寒天氣后儀表管路凍結現象非常普遍。儀表管路由于內徑很小，一般為6～8 mm，水容量很小，介質凍結后迅速膨脹往往短時間內就會造成儀表測量數值的大幅度變化，從而引起機組保護系統或重要調節系統的誤動作，甚至機組跳閘。2016年初我國發生40年不遇的極寒天氣，華北多數地區低溫甚至持續達到零下20℃，很多發電廠出現大面積“凍管”，部分廠因熱工表計凍結造成機組跳閘事故。華能黃臺電廠在這次極寒低溫天氣中，個別儀表管路由于保溫不足出現凍結現象，但總體熱工儀表運行良好，沒有對機組運行造成重大影響，這主要得益于儀表伴熱系統改造和維護，使得設備在極端天氣下能夠運行穩定。熱工儀表防凍由于專業特點，相比工藝管道防凍存在更大的難度，工藝管道較粗且介質持續流動，在氣溫降至零下時即使沒有伴熱措施也很少出現介質凍結，但熱工測量管路內水量過小且不流動，另外熱工汽水系統測量儀表，不論測量介質的溫度和形態是什么，在工況穩定后表管內都是常溫水，因此熱工儀表管路極易凍結，必須保持表管內介質始終在0℃以上，才能確保不會“凍管”。

1 儀表伴熱系統普遍設計方案

熱工室外儀表防凍主要由伴熱系統加上管道保溫組成，目前各大電廠廣泛采取的儀表管路伴熱系統基本都是蒸汽伴熱和電伴熱兩種，選用的原則主要根據現場儀表的位置、數量、可靠性、維護成本等多方面考慮［1］。

1.1 蒸汽伴熱系統

蒸汽伴熱一般是用輔汽或抽汽的低壓蒸汽，將伴熱管與儀表管平行敷設外覆保溫材料，以實現伴熱管對儀表管伴熱，防止儀表管內介質凍結。從系統原理上看，蒸汽伴熱系統伴熱均勻、熱量高，對布置集中的整排表管比較適用，由于整根伴熱管自始至終熱量連續，維護中對伴熱系統的運行狀態判斷很方便；蒸汽伴熱的缺點是受汽源、儀表安裝位置限制，施工復雜，另外伴熱管在長期使用中，管路、疏水系統存在腐蝕泄漏等隱患，維護工作量較大。

1.2 電伴熱系統

電伴熱一般是通過將電伴熱電纜包覆在儀表管外部，通過伴熱電纜的熱量對儀表管伴熱，電伴熱由于安裝施工方便，而且隨著伴熱電纜工作可靠性、穩定性的提高，越來越多的電廠開始采用。常用的伴熱電纜有恒功率和自限溫兩種，恒功率伴熱電纜只能恒定發熱，需加裝溫控器滿足對表管表面伴熱溫度的控制，由于溫控器大多只能測量某一點的溫度，因此容易造成伴熱控溫不準確，從而造成凍管或表管內介質汽化。自限溫伴熱電纜由導電塑料和兩根平行母線加絕緣層、金屬屏蔽網、防腐外套構成，可以隨著表管表面溫度變化自動發熱和斷電。電伴熱系統雖然使用方便，但由于伴熱電纜多數都是由單位長度的發熱單元組成，因此整根伴熱電纜的發熱狀態并不一致，難以實現運行中對整條伴熱管路溫度的監測，且目前的國產電伴熱電纜質量不穩定，進口產品價格也比較高。

2 儀表伴熱狀況及改進措施

2.1 伴熱系統設計

華能黃臺電廠地處山東中部，冬季氣溫常可達零下10℃以下，室外熱工儀表管路防凍一直是冬季的一項難點工作，20世紀80年代投產的兩臺300 MW機組主機區域熱工儀表采用了蒸汽伴熱系統，外圍儀表因為位置偏遠多使用電伴熱；2011年前后新建兩臺350 MW機組延續了老機組的伴熱設計方式，只是蒸汽伴熱系統的管材全部選用了不銹鋼管［2］，另外，在表管伴熱系統的保溫施工上，吸取了過去的一些經驗，伴熱系統運行更加穩定可靠。

2.2 伴熱系統出現的問題

主機蒸汽伴熱系統。主機區域熱工儀表柜布置相對集中，熱工儀表管大多形成10多根的管排，改造前由于伴熱系統設計不合理，各個區域儀表伴熱支路循環阻力不均，冬季隨著氣溫變化經常出現伴熱循環不良。另外伴熱管內金屬腐蝕、伴熱疏水設備故障也造成多次伴熱運行異常，整排管子凍結。一旦伴熱管路停止循環，短時間就會造成整排儀表管凍結，嚴重影響機組運行，恢復難度很大。

電伴熱系統。儀表電伴熱主要應用在外圍區域，包括供熱管線計量表計等，隨著機組供熱壓力不斷加大，表計凍結影響也越來越大。電伴熱儀表管凍管主要原因是伴熱帶質量，過去采用的國產伴熱電纜質量不可靠，使用1～2年就會整根或部分不能正常工作，由于伴熱電纜都是由單位長度的發熱單元組成，某些部分伴熱電纜損壞時，無法及時發現，容易造成局部凍管。另外由于伴熱電纜本身不能承受高溫，在所測介質溫度較高的儀表管路需要排污時，常常會燙壞伴熱帶，造成伴熱故障。

保溫問題。保溫雖然簡單，但相比工藝管道，熱工儀表伴熱管排保溫要求高很多，除保溫的嚴密性和厚度外，在伴熱源（蒸汽伴熱管、電伴熱帶）與儀表管之間，還要有適合的間隙，保證這兩者間通透，不能有保溫材料。實際施工中往往不注意這些問題，運行中保溫材料塌陷也容易造成伴熱管和儀表管間充進保溫材料，使得二者無法實現良好的熱量傳導，造成表管凍結。

儀表測量介質汽化問題。實際設計中，由于伴熱源（蒸汽伴熱管、電伴熱帶）與儀表管間隙過小或直接接觸，高溫天氣時，經常發生儀表管內介質汽化，造成儀表失準，即便沒有到汽水臨界狀態，介質在高溫下密度變化，對汽包水位這類敏感測點，也會影響很大，甚至造成機組控制異常。

2.3 伴熱治理措施

蒸汽伴熱系統改造。針對蒸汽伴熱系統出現的問題，重新設計蒸汽伴熱系統，黃臺電廠350 MW機組鍋爐A側儀表伴熱設計如圖1所示。鍋爐區域按照儀表所處位置，將儀表伴熱分成幾個支路，使用一根母管將壓力為0.6～0.8 MPa伴熱蒸汽送到爐頂，并聯一根回水母管將疏水接進擴容器，各伴熱支路按照并聯方式接入汽源、疏水母管。考慮各支路阻力平衡，避免某支路循環阻力小對其他支路短路，保持各個伴熱支路汽水良好循環。對于單個伴熱支路，按照標高自上而下的原則將該支路中的測點、管路、變送器柜串聯起來，在支路汽源端加裝調節手動閥調節伴熱蒸汽量［3］，支路末端加裝壓力表監視伴熱循環情況。

圖1 350MW機組鍋爐A側儀表伴熱設計

電伴熱系統改造。對于外圍電伴熱回路，主要更換較為可靠的進口鎧裝伴熱電纜，該伴熱電纜為金屬結構，不容易被高溫燙傷，且質量穩定。伴熱電纜敷設時，嚴格按照工藝要求，敷設前，先在儀表管外包覆一層較薄的保溫材料，再敷設電伴熱，防止管內介質汽化。溫控感溫元件與伴熱電纜貼附在表管兩側，使感溫元件準確測量儀表管的表面溫度，保證伴熱電纜控溫準確。伴熱電纜和感溫元件外部再包覆隔熱絲布和保溫材料，防止熱量外泄，保證伴熱的良好傳導。單路儀表伴熱保溫如圖2所示。

圖2 單路儀表伴熱保溫

保溫措施。儀表伴熱管路保溫要求較為復雜，管路較多的管排，管排切面如圖3所示，保溫成矩形，儀表管和伴熱管在矩形支架兩側，中間有10～20 cm的空腔。管路外包覆一層金屬絲網，防止外層的保溫材料進入空腔，影響熱量傳導。保溫材料外包絲網后水泥抹面，最外層按自上而下順序包覆金屬外層板。水泥抹面防止冷空氣透過縫隙吹入內層，金屬外層板防止雨雪水浸濕抹面和保溫，造成內部保溫塌陷。這種保溫施工形成的管排空腔，可以保證伴熱系統良好的熱量傳導，且溫度恒定，可以通過在空腔內插入溫度元件監視內部溫度，實現不同氣溫下伴熱量調節。

圖3 儀表伴熱管排切面

表管介質汽化問題。通過將伴熱管或者伴熱帶與儀表管分開布置，防止二者之間出現直接的接觸熱傳導，對單根儀表管路使用蒸汽或電伴熱電纜進行伴熱時，在儀表管和伴熱管（或伴熱電纜）之間使用薄型隔熱材料薄隔離，防止二者直接接觸。

2.4 治理效果

經過伴熱系統改造，熱工室外儀表冬季防凍明顯好轉，早期改造的機組已連續多年沒有出現儀表管路“凍管”現象，也沒有發生因伴熱過熱導致的取樣管內介質“汽化”引起測量失準。2016年初極寒天氣下出現了個別儀表凍結，從檢查情況看，多數是由于部分伴熱管路保溫鐵皮損壞或出現縫隙，雨雪滲入保溫層導致內部個別部位保溫塌陷，冷風從塌陷處吹入伴熱管排引起，總體伴熱保溫系統改造設計合理，效果良好。

3 結語

隨著各類電伴熱電纜的逐步推廣和質量不斷提高，目前各發電企業熱工儀表使用電伴熱的越來越多。蒸汽伴熱因為施工、維護量大被很多熱工人員排斥，但從改造使用情況看，蒸汽伴熱運行穩定、可靠性高、監測方便，在儀表管路相對集中的主機區域相比電伴熱更適合。無論蒸汽伴熱還是電伴熱，只是熱源方式不同，在伴熱系統改造中，統籌考慮伴熱回路的各個方面，從伴熱源的敷設、保溫層的設計、伴熱回路的檢查維護手段，才能確保儀表伴熱系統穩定運行。

［1］DL／T 5182—2004火力發電廠熱工自動化就地設備安裝、管路及電纜設計技術規定［S］.

［2］HG／T 20514—2000儀表及管線伴熱和絕熱保溫設計規定［S］.

［3］DL 5190.4—2012電力建設施工技術規范第4部分熱工儀表及控制裝置［S］.

圖8 2號機組IMC脫硝控制曲線1

圖9 2號機組IMC脫硝控制曲線3

可以看出，兩臺機組的NOx內模控制投運后，連續數小時機組負荷、風量、入爐煤量一直在大幅波動，而噴氨調節門指令一直在實時跟蹤，工況穩定時NOx質量濃度偏差在1 mg／m3以內，系統存在大幅擾動時，NOx質量濃度最大偏差不超過10 mg／m3，保證了穩定的脫硝效率，有效降低了噴氨成本，確保了設備的安全及環保指標的達標。說明NOx排放量內模控制系統自適應性強，魯棒特良好，控制精度高，具有優良的調節品質和抗干擾能力。

6 結語

內模控制控制精度高，抗擾動性能強，無需精確數學模型，參數便于整定，在大遲延、大慣性、非線性、強擾動系統控制領域具有傳統自動控制手段無法比擬的優勢，在電廠熱工自動化領域具有良好的應用前景。

參考文獻

［1］鄭志勇，黃達.基于先進控制技術的660 MW超超臨界機組SCR脫硝控制方案［J］.江西電力，2014（5）：75-77.

［2］戴文戰，丁良，楊愛萍.內模控制研究進展［J］.控制工程，2011，18（4）：487-494.

［3］任士兵.基于內模原理的控制方法拓展及仿真研究［D］.北京：北京化工大學，2009.

［4］馬平，王瑞，杜海蓮，等.神經網絡內模控制及其在大遲延系統中的應用［J］.華北電力大學學報，2005，32（5）：35-38.

收稿日期：2016-09-26

作者簡介：

陳亮（1984），男，工程師，從事火電站熱控技術研究及現場應用工作。

Discuss on Power Plant Outdoor Thermal Instrument Anti-Freezing in Winter

ZHANG Jie
（Huaneng Jinan Huangtai Electric Power Co.，Ltd.，Jinan 250100，China）

Outdoor instrument anti-freezing is an important part that affects the safety of power plant.The outdoor instrument pipe freezing can often cause the generator unit trip in winter in northern area.Some problems and the method about the thermal outdoor instrument anti-freezing of Huaneng Huangtai electric power company limited.are elaborated，and some advices for solving the mentioned questions are given，which can improve the reliability of outdoor instrument in winter.

outdoor instrument anti-freezing；heat tracing；thermal insulation

TM621.6

B

1007－9904（2016）12－0063－04

2016－09－26

張潔（1969），男，工程師，從事熱工技術管理工作。