淺析燃機電廠汽水儀表管路電伴熱裝置發生故障的原因和施工方法的改進

張東良　王建榮

摘 要：近幾年，我國燃氣輪機快速發展，分布式小燃機在我國燃機建設中占有較大的比例，燃機日常啟停多。冬季，受天然氣上游價格和北方供暖的疊加影響，燃機啟停更加頻繁，啟停過程中，汽水管路內介質工況劇烈變化，冬季低溫環境會加劇其變化，長期0℃以下的低溫易引起熱控壓力（流量、液位）變送器等測量裝置取樣管路內介質凍結，壓力傳遞失效，表計測量失靈，嚴重時，造成機組停運，設備損壞。本文主要討論燃機現場儀表管路電伴熱裝置發生故障的原因和現場施工的注意事項，通過汽水系統重要熱控表計電伴熱裝置的冗余設計，保證冬季極寒天氣電廠熱控設備的安全度冬，旨在為燃機電廠冬季熱控設備的電伴熱裝置的管理和使用提供有價值的建議和維護方法。

關鍵詞：燃機電廠;汽水系統;極寒天氣;熱控表計管路凍結;電伴熱裝置;施工方法

1 前言

無論是大型燃機還是分布式小型燃機，余熱鍋爐是必備的配套換熱裝置，一般地，江蘇地區余熱鍋爐采用露天布置，它吸收燃機高溫排氣的熱量，將水轉換為高溫高壓的蒸汽驅動汽輪機或對外供熱，汽水系統的壓力（流量、液位）變送器等測量裝置必不可少（以下簡稱壓力測量系統）。燃機啟停多，難以使用傳統的蒸汽伴熱系統，普遍采用電伴熱系統，近幾年，江蘇地區曾發生多起冬季熱控重要表計凍結引起機組跳閘或難以啟動的不安全事件。

燃機的電伴熱裝置應作為主設備同等對待，實現伴熱裝置的工作狀態、投運后發熱絲的負載電流和儀表管路的溫度在DCS系統實時監視，發生異常時報警，提醒維護人員及時處置。

2 燃機電廠汽水儀表管路（表計）凍結的原因分析及危害

2.1環境溫度低于0℃，儀表管路（表計）長期處于低于0℃的環境，管路內存有水或汽水混合物，液態水有結冰的可能。水在凍結的過程中，體積會增大約9%[1]。重者在管路中間先凍結，擠壓，相對密閉空間的壓力上超過管材或表計能承受的最大壓力，將引起管路撕裂或表計損壞（壓力測量值異常升高），嚴重時造成停爐停機;輕者，管路部分介質凍結，阻斷主管道介質的壓力傳遞，測量系統失去對被測對象的真實壓力的監控，引起整個壓力測量和控制系統失能。

2.2自發熱與自散熱失衡，不能保證管線中介質的溫度高于管內流體的凝固點。壓力測量系統的取樣儀表管內的介質與主管路內介質不同，它是相對靜止的、穩定的，其介質的溫度遠低于主管路內介質溫度，當環境溫度低于0℃，取樣管路內的液態介質更容易凍結。為防止熱量過快散發，電廠一般在取樣儀表管外包裹約25mm[2]厚的保溫材料，防止熱量散失，汽水儀表管路如僅依靠外層保溫，難以抵抗冬季的風寒，必須在取樣管和保溫材料之間增設功率足夠的發熱元件，使用電伴熱裝置是一種較好的選擇。

2.3主管路內介質凍結，向取樣管路擴散后的二次傷害。汽水主管路除非特殊情況，很少安裝伴熱帶，機組停運后，如主管路內如有積水存在，環境溫度低于0℃，管路內存水容易凍結，管路內局部產生密閉超高壓容器效應，引起后續的取樣管路或測量表計損壞。冬季寒冷天氣，機組長期停運，應當及時排空主管路和余熱鍋爐汽包內等處的存水。

圖1：燃機長期停運，冬季余熱鍋爐部分儀表管凍結。左圖，低壓汽包2異常升高，右圖，凝結水流量有（63～100）t/h的不同顯示。

3 電伴熱裝置加熱帶（絲）分類、工作特性和發熱功率選擇

3.1自控溫電伴熱帶。加熱帶由內至外，由熱敏加熱體、平行電源線（兩根）、絕緣包裹層、金屬屏蔽網和加固絕緣外套[3]。自控溫電伴熱帶一般分為高溫型和低溫型，接通電源后，電流從一根母線橫向流過PTC材料層到達另一根母線形成并聯回路。PTC層是電阻發熱體，當伴熱帶的中心溫度升到相應的高阻區時，大電阻幾乎阻斷電流，溫度下降后，電阻減少，發熱體再次導通，周而復始，維持相對穩定的高溫。我公司現場實際使用65℃溫度等級和110℃溫度等級兩種伴熱帶，低溫型電伴熱帶用于鍋爐汽包水位和重要流量測量變送器儀表管的電伴熱后備，高溫型用于非重要參數測量單元儀表管的伴熱。自控溫電伴熱帶的優點是維護簡單，伴熱帶具有防水、防腐蝕，不需要附加溫控器。

3.2鎧裝電伴熱電纜。加熱電纜一般由線芯、絕緣材料、金屬護套【不銹鋼（321、316L）等】三部分組成，根據不同的額定電壓等級、線芯數量、發熱導體與金屬護套[4]，適用于不同的場合，此類電伴熱電纜需要溫控器配合方可使用，溫度測點的設置有較高要求。優點是機械強度高、使用壽命長、工作溫度等級高、加熱電纜最高承受溫度可達650℃[5]，可以與取樣管貼合安裝，實現快速加熱。缺點是，單位米長度的造價高達150元以上，是自控溫電伴熱的（4～5）倍，安裝過程中彎曲的半徑不能過小，其次，取樣管保溫層的防水非常重要，保溫材料外防護皮沒做好的情況下，伴熱帶遇滲水極速冷卻，易導致加熱電纜材金屬護套開裂，潮濕的保溫材料與電伴熱外套緩慢發生電化學反應，腐蝕不銹鋼護套，取樣管線內介質的溫度宜保持在（20～70）℃[6]之間。

3.3電伴熱帶發熱功率的選擇。單位長度取樣管線的熱損失計算公式如下[7]，

式中，Q標——單位長度管線熱損失，W/m;t——保溫層內部儀表管幾何中心線管線溫度，℃;t0——管線附近環境溫度;D——管線與保溫層組合的近似圓直徑，mm，一般地，儀表管保溫層厚（25～30）mm，此處取25mm;d——儀表管直徑，現場常用不銹鋼儀表管為14mm。λ——保溫材料導熱系數，取巖棉或礦棉，導熱系數為0.044W/（m？℃）。查閱江蘇省連云港地區近幾年冬季最低溫度-12.3℃[8]，為簡化計算，環境溫度取-10℃，不考慮管線內介質的吸放熱，保溫材料厚度25mm，為保證管線中心線溫度保持30℃，電伴熱帶發熱的米功率為7.3W/m。計算的發熱功率是維持需要溫度最低的發熱量，實際使用，一般取計算發熱功率值的（1.5～2）倍。例如江蘇地區，在管線外保溫良好的情況下，電伴熱的發熱米功率在（10～20）W/m，基本滿足防寒需要。

3.4儀表箱內電伴熱發熱板功率的選取。參照HGT 20514-2014 《儀表及管線伴熱和絕熱保溫設計規范》，儀表箱向外部散熱損失與箱內外的溫差、儀表箱的保溫相關，燃機電廠戶外儀表箱一般使用內附2cm左右巖棉或礦渣棉保溫層，加熱裝置位于箱內底部，要求保溫箱內溫度盡量維持在（5～20）℃[9]。

儀表箱釋放外部環境的熱功率Q=儀表箱的導熱系數K*儀表箱內外溫度差△T。

按儀表箱有窗有保溫，高=2000mm、寬=1000mm、深=600mm的規格計算，一只儀表箱相當于HG/T 20514-2014規范中4個170型保溫箱的體積。查規范中的表二[10]，K=3.1、△T=30。Q=4*3.1*30=372W。選用的箱內加熱器不小于372W，一般選用加熱器500W，配用溫控器，溫度設定值為低于8℃啟動加熱器，高于30℃停止。與鎧裝電伴熱電纜類似，儀表箱內溫度低于5℃或高于55℃，箱內溫度值和報警信號送至DCS系統監控畫面。

4 電伴熱裝置發生故障的原因分析

我公司兩臺三菱M701F4型475MW燃機自2017年4月至2019年3月，按損壞設備的類型分，鎧裝電伴熱電纜10根、自控溫電伴熱帶5組、電伴熱溫控器2只、保溫柜內發熱盤9塊、更換部分保溫材料和外包不銹鋼鐵皮。按造成的后果分，電伴熱投用后，#1爐低壓汽包水位偏差大、TCA流量參數偏差大、一只FGH流量變送器無指示等嚴重影響機組的安全運行，主要故障的主要原因有以下幾方面。

4.1鎧裝電伴熱電纜安裝不規范，與儀表管捆扎過緊，施工中未注意保護，鎧裝防護層受傷，彎曲半徑過小，上電后跳閘或不發熱。自控溫電伴熱帶尾端密封不良，絕緣下降，PTC發熱元件質量差，工作一段時間后，出現了暴露在空氣中的發熱正常，埋藏在保溫內的熱效能衰減，單位發熱功率急劇下降。

4.2汽包水位、TCA流量參數偏差大，主要是安裝不規范，沒有做到同一只差壓變送器儀表管電伴熱同時同功率加熱，間隔捆扎不規范，正、負壓儀表管的發熱均勻性不能保證。

4.3保溫柜內發熱盤損壞的主要原因是原保溫柜配套的發熱盤只有200W，功率太小，長時間連續工作導致。發熱盤安裝在保溫柜的中部，不能保證柜內底部儀表管溫度在0℃以上，需在柜底部增加一組發熱盤。

4.4保溫外層不銹鋼皮接縫不嚴，部分保護層有朝上的開口。雨雪天氣，積水沿外層保護層的縫隙和孔洞進入保溫材料，長期與鎧裝伴熱電纜接觸、腐蝕伴熱電纜金屬層，破壞電氣絕緣。

統計近兩年電伴熱裝置的故障，安裝不規范引起的故障約占42.9%，維護不當的故障約占23.7%，設備品質因素約占33.3%

5 汽水儀表管路電伴熱裝置安裝的改進方法和關鍵環節

我們統計分析近兩年來我廠和江蘇公司發生的冬季因防寒防凍措施不到位發生的多起不安全事件，總結出“規范安裝是基礎，分層分段有后備，多點溫控作監視，定期巡查和維護”的施工和維護方法，提高電伴熱裝置的工作效能，保證了機組安全運行。

5.1改進安裝的方法，保證電伴熱絲（帶）發熱的均勻性。汽包鍋爐給水控制穩態品質指標不超過±25mm[11]。電伴熱帶不合規的安裝會引起的正、負壓儀表管加熱不均，溫度控制設置不當也會引起汽包水位的大幅波動和超差。電伴熱電纜安裝時，做到每間隔（400～600）mm與儀表管捆扎，安裝過程中要保證伴熱帶彎曲的最小直徑，多余的伴熱帶留置在儀表箱內盤繞，特別長的伴熱帶可以在管線之間“S”形鋪放，單位長度相對高功率的伴熱帶可設置在管線的外側。差壓變送器同組的儀表管外用金屬自粘帶或金屬皮包裹，管線排最外層金屬皮包裹，形成“鐵板”一塊，利于伴熱電纜的熱量快速傳遞，防止熱量在管排中心聚集。差壓變送器的儀表管宜采用同一根電伴熱或同等功率的電伴熱，工作時同時加熱，同時停止，防止伴熱投用后引起差壓信號異常波動。溫度傳感器宜放置在管線走廊的最低溫度和最高溫度區域，我公司使用多點溫度監視溫控器，最低溫作為主控信號，最高溫度作為報警信號，調整溫控器的設定值，保證儀表管線維持在（20～70）℃，將溫度監視信號通過信號電纜或無線發送接受裝置，傳送至DCS系統畫面，進行連續監控。用于壓力測量的儀表管電伴熱電纜的安裝可參照此執行。經驗表明，柜內發熱盤溫控器低于8℃啟動加熱，高于30℃自動停止;儀表管電伴熱溫控器10℃啟動，高于35℃停止，較為合適。儀表管排內溫度低于8℃或高于80℃發出報警信息。

圖2：現場施工圖，左側保溫柜的背面，儀表管進柜孔也是伴熱絲的出線口，防止開孔邊緣割傷伴熱絲;右側捆扎后的效果，約500mm等距捆扎，相對高功率伴熱絲放置在管排的迎風面或最外側。

5.2增設多段加熱，防止分支路管線凍結。儀表箱出口的儀表管排，伴熱帶相對集中，相對于主管路取樣口的單支儀表管，管線內部溫度較高，而總管線排與主管路之間的分支路，因為散熱面積大，我們可根據實際增設分支路電伴熱和溫控裝置，緊急情況下投用。

圖3：儀表管分支路增加輔助電伴熱裝置，實現分段加熱。左上圖，冷凝罐和取樣管暴露在空氣中;右上圖，汽包水位測量冷凝罐和取樣管電伴熱電纜外增保溫;右下圖，就地安裝分支路儀表管電伴熱溫控箱，遇到連續多日最低溫度低于0℃投入“自動溫控”。左下圖，江蘇省揚州市2018年12月27日之后連續5天最低溫度低于0℃，27日觸發投用分支路電伴熱裝置，溫控器的溫度設定點參照前一小節。

測量儀表的排污閥是儀表管的尾端也是介質的最冷端，熱量易散失，冬季來臨前應將裸露的手輪外加保溫鐵皮，操作時再打開，排污閥下方的排液短管也一起包上，防止冷氣從此透入。此外，要保證管線外的保溫材料在各處充盈填實，外層金屬皮保護層內的保溫材料密度不低于150kg/m3[12]。

5.3改變溫控器溫度傳感器的安裝位置和溫控器的規格，增加多點測溫和無線遠傳，保證儀表管保溫層內溫度監視的準確性和及時性。壓力式機械溫控器感溫包引線約長1m，不能靈活溫度測量位置，溫度設定旋鈕不直觀。如安裝中擠壓機械式溫控器感溫包或感溫包引線斷裂，易引起測溫不準，推薦使用Pt100溫度測點加智能數顯溫控器組合，利于監視溫控器的工作狀態和溫度信號的遠傳。安裝時，感溫包（溫度測點）不能與伴熱電纜直接接觸，溫度測點盡量在最高和最低溫度區域各設置一個或多個，低溫區的做控溫，高溫區的監視報警。做到一根伴熱電纜一個溫控器一個漏電斷路器，如果有條件，增加各伴熱電纜負載電流的檢測。

圖4：左上圖，機械壓力溫控器額定通斷電流只有16A，保溫柜只用1個機械溫控器;右圖，某電廠電伴熱施工，一個保溫柜內2個機械溫控器驅動6根電伴熱電纜，溫控器（電伴熱電纜）損壞難以及時發現。左下圖，數字智能溫控器，能實時顯示儀表管排內溫度和負載電流，伴熱電纜工作時，控制箱面板的紅燈亮起。此外，溫控器驅動接觸器，接觸器帶動電伴熱電纜，彌補了機械溫控器接點容量小的不足，能及時發現故障伴熱電纜。

5.4增加備用電伴熱裝置，實現分層伴熱，保證主重要熱控表計的可靠性。重要參數的水位（流量）變送器等儀表管可增加自控溫電伴熱帶作冗余，鎧裝伴熱電纜與儀表管緊貼安裝，外裹一層保溫，自控溫電伴熱帶安裝管線第一層保溫的下方或纏繞在保溫夾層內，按計算發熱功率的（1.5～2）倍估算，可鋪放多根。初入冬，先投入鎧裝電伴熱電纜和保溫箱電伴熱，根據環境溫度的變化分批投入和退出后備電伴熱。電伴熱系統投用后，每天巡查記錄儀表管內部和保溫箱內溫度值和各電伴熱電纜（帶）的負載電流值，發現異常及時處理。迎風面增設擋風墻和保溫小屋，保溫箱（柜）儀表管的進口孔洞和底板封堵良好。總的原則，保證整個儀表管路不出現管線內介質局部沸騰，控制柜內溫度在（5～30）℃之間。

圖5：儀表管緊貼鎧裝電伴熱電纜，保溫夾層有自控電伴熱帶，最外側有擋風墻的呵護，后備伴熱投用可以看氣溫的變化，也可根據鎧裝電伴熱裝置的故障情況，正常情況不用。

6 結束語

燃機電廠汽水儀表管路電伴熱裝置不是永久工程，新機組投運的第一年冬天一定要提前試用，及早發現問題。一般地，不銹鋼鎧裝電伴電纜的使用壽命約5～8年;自控溫PTC電伴熱帶的使用壽命約2年，市場上存有雜牌或假名牌，燒一段時間就壞了，一定要謹慎選擇。環境溫度連續多日最低氣溫0℃以上，分支路電伴熱和后備電伴熱部分退出，可適當延長其使用壽命。

（1）建立電伴熱裝置檢修運行設備臺賬。電伴熱投用前檢查記錄各電伴熱電纜（帶）的內阻、絕緣電阻和負載電流，與前次的記錄數據比較。投用后，每天巡查記錄儀表管線內部溫度、保溫箱內部溫度，各電伴熱電纜（帶、塊）工作電流，與日常數值比較。

（2）增加臨時溫度檢測元件。全程實現儀表管路的溫度監視難以做到，排找儀表管最低、最高溫度區域可以增加就地溫度計監視，最低、最高溫度區域會隨機組的啟停和氣候變化動態改變，要以實際的最高、最低溫度修正溫控器的設定值，保證管線溫度在合理的范圍。

（3）檢修作業時做好防損保護。機務的檢修和保溫調整，要做好電伴熱電纜（帶）的保護，防止外力損壞，嚴禁將自控溫電伴熱帶與熱源（鎧裝電伴熱電纜）過于接近，恢復保溫外層金屬皮要密封防水，嚴防雨水從接縫處滲入保溫層，遇到儀表管線滲漏，及時更換受潮的保溫材料，恢復保溫。

電伴熱裝置是燃氣輪機組重要的隱蔽工程，也是機組控制系統的保障工程，要把好電伴熱裝置安裝質量，規范施工標準，減少漏放多放，重視電伴熱裝置日常巡查和維護，好的電伴熱裝置能夠保證機組安全度冬，讓維護人員省心省力。

參考文獻：

[1] 2017人教版物理八年級上冊第六章《質量與密度》。

[2][6][7]中華人民共和國化工行業標準HGT 20514-2000 《儀表及管線和絕熱保溫設計規定》，P6，P4，P7。

[3]《Glight自控溫電伴熱帶說明》，P1-P2。

[4][5]合肥華爾特電熱材料有限公司《鎧裝電伴熱絲耐高溫加熱電纜產品手冊》：P2-P4。

[8] 中華人民共和國電力行業標準DLT 5072-2007《火力發電廠保溫油漆設計規程》：P61。

[9][10] 中華人民共和國化工行業標準HGT 20514-2014《儀表及管線和絕熱保溫設計規定》：P11，P47-P48。

[11] 中華人民共和國電力行業標準DL/T657-2015 《火力發電廠模擬量控制系統驗收測試規程》：P9。

[12] 中華人民共和國電力行業標準DL/T776-2001 《火力發電廠保溫材料技術條件》：P4。

作者簡介：

張東良（1970.11-），漢，男，江蘇丹陽人，本科，工程師，江蘇華電揚州發電有限公司，研究方向是：火電熱控;王建榮（1971.8-），漢，男，江蘇揚州人，大專，技師，江蘇華電揚州發電有限公司，研究方向是：火電熱控。