儀表防凍凝模式的創新及其實現

鄭 海 梁官軍 呂 博 楊 方

（中國石油蘭州石化公司a.設備維修公司儀表一車間；b.動力廠）

對于高緯度地區的石油化工企業來說，防凍凝是冬季生產過程中的一項重點工作。 進入冬季后，由于氣溫大幅度降低，位于現場的儀表設備在測量過程中常常會出現介質凍凝的情況，嚴重影響了儀表的正常運行，造成操作人員和儀表維護人員工作量增加，嚴重時甚至會造成裝置聯鎖停工和安全事故。 現場儀表設備防凍凝的狀況直接影響到裝置的安全生產和平穩運行。

傳統的現場儀表防凍凝工作主要分為兩大類： 第1類是針對含水較多或凝點較低的介質，在測量管線中灌注防凍液， 保證測量管線在較低的環境溫度下不會發生凍凝；第2類是通過物理手段增加熱源對儀表本體及其引壓線進行伴熱， 通過熱量傳遞保證引壓線內的介質溫度恒定， 減少介質冷凝或凍凝造成的儀表測量失真情況出現。常用的伴熱熱源為蒸汽、熱水和電熱帶。

筆者對目前冬季防凍凝工作的現狀進行了分析，提出了一種創新模式，該模式可實現預知控制，保證儀表長周期平穩運行。

1 儀表防凍凝工作現狀

在西北地區，每年十月起，儀表維護單位便著手開展本年度冬季儀表防凍凝工作，對部分儀表重新灌注防凍液，對所有儀表保溫材料進行排查，對缺失的保溫材料進行重新包裹，對伴熱回路中的故障設備進行更換，及時消除伴熱回路出現的跑冒滴漏情況等。

雖然儀表維護單位每年對儀表保溫伴熱工作都非常重視， 并且能夠將各項措施落實到位，但是在氣溫發生大幅度變化時，依然會出現儀表凍凝、積液或者介質帶水造成防凍液被大量置換等情況，使儀表指示出現偏差。 尤其是夜間，由于晝夜溫差大，情況更為突出。 因為儀表凍凝造成的故障占了很大比重，是冬季儀表維護工作量升高的主要原因之一。

圖1是蘭州石化設備維修公司儀表一車間，2016年10月～2017年4月和2017年10月～2018年4月，因為儀表凍凝造成儀表指示偏差而產生的工作量占整個儀表專業工作量的比重。 由圖可見，2016年10月～2017年4月該比重超過了四分之一，2017年10月～2018年4月該比重超過了三分之一?？梢?，傳統的儀表防凍凝工作只是被動對計劃進行落實，對出現的問題進行整改，這種模式存在很多缺點，而儀表保溫效果的好壞和防凍凝的能力卻沒有根本上的改善，冬季儀表防凍凝工作量依舊持續在高位。

圖1 儀表一車間防凍凝工作量餅圖

在傳統儀表防凍凝模式的基礎上，利用科學的手段優化儀表防凍凝工作，提高可控度，降低儀表防凍凝工作量，從而降低冬季儀表專業整體故障率，是儀表專業當前急需解決的問題之一。

2 傳統儀表防凍凝方式存在的問題及原因分析

2.1 存在的問題

針對灌注防凍液的儀表，引壓線內的防凍液在儀表正常工作過程中逐漸被介質所置換，或者因為操作原因和設備本身缺陷， 防凍液逐漸流失，造成測量管線內介質密度變化，帶來附加的壓差，使測量出現誤差，當誤差積累到一定程度時無法真實反映實際測量值，只能通過重新灌注防凍液和平衡儀表來消除。 此類缺陷無法從根本上避免，只能通過延長防凍液被置換的周期并減小防凍液流失程度來進行優化。 防凍液被置換，除去操作因素外，氣溫的變化和工藝伴熱的狀況也會有所影響。

對于物理手段伴熱的儀表，伴熱作用的強弱根據環境溫度進行調節，達到熱量補充和散熱平衡。 由于熱量傳遞和調節的滯后，當環境溫度發生變化時，伴熱系統動態平衡發生改變，很容易造成伴熱力度不夠或過伴熱情況出現，造成介質狀態發生變化而引起測量誤差，這只能通過對引壓線內凝液或汽化介質進行排放并平衡儀表后消除。 針對此類缺陷，可以通過熱平衡法計算出每套裝置和每臺儀表最佳伴熱狀態時需要的熱量， 并通過數據的及時采集與分析得到預測值，以此預測值為依據及時調整伴熱溫度，達到優化目的，從而降低冬季儀表防凍凝整體故障率和工作量。

以2016年氣溫最低的11月和2018年氣溫最低的1月為例進行分析。 儀表防凍凝工作量、環境溫度的走勢如圖2所示。 從宏觀可以看出，儀表防凍凝工作量隨著環境氣溫的降低而增加，說明傳統儀表伴熱回路抵抗環境變化的能力是有限的，傳統的防凍保溫工作，只能在一定程度上降低冬季防凍凝工作量，無法從根本上改善冬季儀表防凍凝工作的現狀。

圖2 儀表一車間防凍凝工作量、環境溫度的走勢

2.2 原因分析

根據以往經驗和大量歷史數據的分析，可以明確一點，即環境溫度的變化是影響儀表冬季防凍凝工作量變化的決定性因素。 從理論上分析，借助熱力學第一定律即能量守恒定律進行判斷，其熱平衡方程為ΔU=W+Q，其中ΔU為系統內能增量、W為外界對物體（或物體對外界）所做的功、Q為外界吸收（或放出）的熱量。

在沒有外界對儀表伴熱系統進行做功的情況下，單純通過熱傳遞來改變儀表伴熱系統的內能，內能的變化可以用傳遞熱量的多少來度量。 單位時間內，儀表伴熱系統內能的增加（或減少）量ΔU就等于從外界吸收（或對外界放出）的熱量Q，即ΔU=Q。 而在實際環境中，儀表伴熱系統內的介質收到伴熱系統能量傳遞的同時，也向環境中散發出一定的熱量。 在理想狀態下， 當伴熱系統輸出的能量恒定不變，同時在環境中損失的能量也恒定不變時，ΔU為一個恒定值，ΔU=Q1-Q2，其中Q1為伴熱系統通過熱傳遞向測量系統增加的動態能量，Q2為測量系統通過熱傳遞在環境中損失的動態熱量。

當伴熱系統輸出的能量變化，或者測量系統通過熱傳遞在環境中損失的熱量變化時，這個平衡就發生變化。 使平衡發生變化的干擾因素一個是伴熱系統負荷的變化，另一個就是環境溫度的變化。 當伴熱系統負荷保持不變時，由于環境溫度上升或下降，造成測量系統通過熱傳遞在環境中損失的熱量減少或增加，必定會使儀表伴熱系統的能量增加或減少，原來穩定的能量平衡被打破， 儀表測量管路內部介質能量同時增加或減少，對應溫度上升或下降，當溫度達到所測介質沸點或凝點時，介質狀態發生變化，出現汽化或冷凝的情況，進而使儀表測量出現偏差。 當環境溫度恒定時， 由于伴熱系統負荷的增加或減少，也會造成相似的情況發生。

而在實際情況中， 伴熱系統負荷和環境溫度不可能同時保持恒定不變， 兩者都在不停地發生變化，某個變量發生大范圍的波動，都會造成儀表伴熱系統的動態能量發生大的變化，進而造成介質狀態改變，影響正常測量。 儀表伴熱系統只是一個開環的、單方向的能量傳遞系統，并且溫度傳遞和測量都存在滯后， 傳統手段不具備伴熱負荷的動態控制條件。 通過調節整套裝置的伴熱負荷或者人為手動及時調節每一個儀表回路的伴熱， 保證每一臺儀表伴熱系統的動態能量都穩定， 不隨伴熱負荷和環境溫度的變化而改變，是一個不可能完成的任務。 只有對系統能量進行量化計算， 建立動態分析和預測模型，并進行動態調節，才能最大程度地實現儀表伴熱系統的動態能量穩定， 使其真正達到可控狀態。

3 創新手段及其實現

以儀表最常用的蒸汽伴熱為例進行分析。 如圖3所示，以1 h作為信號采集計算周期，對儀表伴熱系統實時能量進行計算，并按照預計能量變化提前對儀表伴熱系統能量進行調節。

圖3 儀表伴熱系統能量變化計算流程

3.1 對進入裝置儀表伴熱系統的總能量進行量化計算

3.1.1 計算方法和依據

當前，絕大部分裝置的儀表伴熱所用蒸汽均由工藝伴熱管線引出，并且屬于冷凝水不返回而直接外排的伴熱模式。

對于冷凝水不返回的用戶，其儀表伴熱系統蒸汽總線測量示意圖如圖4所示［1］。熱流量計算式為：

圖4 儀表伴熱系統蒸汽總線測量示意圖

式中 h——蒸汽的比焓，kJ/kg；

p——蒸汽壓力，MPa；

qm——質量流量，kg/h；

t——蒸汽溫度，℃；

φ——熱流量，kJ/h。

熱量表(或流量演算器、計算機等)按照測量得到的蒸汽壓力、溫度，查詢存儲在儀表內的表格，得到蒸汽密度和比焓，進而計算qm和φ。

3.1.2 實現

工藝所用伴熱蒸汽和生產所用蒸汽基本屬于同一個系統，由不同壓力級別的進裝置蒸汽總線引入，因此生產所用蒸汽負荷的變化會造成儀表伴熱系統的動態能量大幅度波動。 為避免這一干擾， 同時將儀表伴熱系統的動態能量進行量化，應當將儀表用伴熱蒸汽與生產所用蒸汽分離開，同時在儀表伴熱總線上加裝溫度、流量和壓力檢測儀表，實時測量并計算出每小時進入裝置儀表伴熱系統的蒸汽能量。

3.2 計算單臺儀表伴熱回路的實時散熱量和所有儀表實時總散熱量

3.2.1 計算方法和依據

當儀表保溫箱、 管線與環境溫度存在溫差時，熱量會由熱流體向冷流體的方向傳遞，即向環境中散熱。 取變送器表體溫度作為熱流體的實際溫度，以本地實時氣溫作為冷流體溫度。 傳熱速率ΔQ的計算式為：

式中 K——導熱系數；

S——散熱面積；

ΔT——熱冷流體的溫度差。

3.2.2 實現

利用現場智能變送器和AMS控制系統的強大功能， 可實時采集出每一塊變送器的溫度，以此溫度作為現場熱流體的溫度進行計算；以當前本地天氣預報的氣溫值作為冷流體溫度；以儀表保溫箱表面積作為散熱面積；以保溫箱內保溫材料的種類和厚度查詢出對應的導熱系數，計算出當前這個小時內單臺儀表的散熱量，進而可以計算出整套裝置儀表伴熱系統實時散熱量之和。

3.3 計算裝置儀表伴熱系統實時能量和后一小時預計散熱量

3.3.1 計算方法和依據

裝置儀表伴熱系統實時能量為進入裝置儀表伴熱系統的總能量與裝置儀表伴熱系統實時散熱量之差。

采集后一小時本地天氣預報的氣溫值，將其作為冷流體的溫度送入AMS控制系統進行計算，這樣就可以預先計算出單臺變送器的傳熱速率，并計算出后后一小時單臺變送器在空氣中損失的熱量。 再根據每一塊單臺儀表后一個小時的預計散熱量，計算出整套裝置后一個小時預計散熱量。 進而可得：裝置儀表伴熱系統后一小時預計能量為進入裝置儀表伴熱系統的總能量與裝置儀表伴熱系統后一小時預計散熱能量之差。

3.3.2 實現

在儀表伴熱系統負荷和所有儀表伴熱回路的動態能量損失之和不變的情況下，儀表伴熱系統實時能量是一個固定值，在保證裝置所有儀表均在最佳測量狀況時，這個固定值就是整套裝置儀表伴熱所需要的能量值，這個值可以是一個最佳值，也可以是一個范圍。 能量偏差為裝置儀表伴熱系統實時能量與裝置儀表伴熱系統后一小時預計能量之差。

能量偏差為正，說明裝置儀表伴熱系統后一小時預計能量將會降低， 是由于散熱量增加所致，而環境溫度不可調，因此需要增加儀表伴熱系統的輸入能量，減少能量偏差。

3.4 實現裝置儀表伴熱系統能量的預知控制

在預先計算出后一小時裝置儀表伴熱系統能量偏差后，根據偏差大小由AMS控制系統給出調節量，由DCS執行。調節對象是進裝置儀表伴熱系統蒸汽負荷，由儀表伴熱系統總管線上的控制閥調節，提前增加或減少裝置儀表伴熱系統總能量輸入，實現粗調。 粗調的動作速度快，但由于整個閉環時間常數非常大，調節作用會滯后，對于后一小時的預先調節只能起到一個大方向上的調整。 當經過幾個調節周期后，儀表伴熱系統能量偏差如果沒有回到正常范圍，則可通過AMS控制系統對單個儀表伴熱系統能量偏差進行計算后給出單個儀表伴熱系統能量控制方案，由人工手動對單個儀表伴熱系統進行調節，從而實現微調，微調的特點是速度慢，但調節精度高。

3.5 舉例分析

由于當前硬件條件不具備對整套裝置伴熱系統輸入能量數據進行采集和計算，這里以單臺變送器伴熱損耗為例進行計算。

2018年4月5日夜間，蘭州市氣溫出現大幅波動，最低氣溫由前些天的9 ℃降至-4 ℃。為避免伴熱過度造成介質汽化，儀表一車間維護的大部分裝置在4月初已對儀表伴熱進行關閉，4月5日夜間至6日凌晨出現大量因儀表引壓線凍凝造成的儀表指示異常情況。 這里以4月6日凌晨發生在煉油廠年產3萬噸硫磺裝置V3513罐壓力變送器PI6021現場凍凝情況為例， 計算分析將變送器表體維持在25 ℃需要的熱量。

利用公式ΔQ=KSΔT進行計算。 經查詢，導熱系數K為0.045 W/（m·℃）；經計算，儀表箱表面積為2.1 m2；ΔT為當日最低氣溫和變送器表體溫度的差值。

以2018年4月蘭州市的最低氣溫（圖5）分別計算4月2～6日該變送器所需的伴熱量。

圖5 2018年4月蘭州市氣溫曲線

2018年4月2日，該變送器的傳熱速率為ΔQ=0.045×2.1×（25-9）=1.512 W，由于1 W=1 J/s，即變送器保溫箱每秒鐘要向空氣中傳遞熱量1.512 J。假設低溫9 ℃保持1 h不變，即儀表箱內能量每小時要向空氣中傳遞5 443.2 J （1.512×3600=5443.2）能量，說明對此變送器伴熱需要在正常能量的基礎上多出5 443.2 J才能保證儀表箱內能量不會因為向外界傳熱而下降。 同理，可計算出2018年4月3～6日當天最低氣溫維持1 h， 變送器溫度保持在25 ℃損耗的熱量分別為6 463.8、6 804.0、9 185.4、9 865.8 J。

若能提前一個小時預測到氣溫變化，則可以計算出一臺變送器在下一個小時需要消耗的能量是增加還是減少，對裝置所有帶伴熱的變送器下一個小時需要消耗的能量進行累積計算，根據這個變化值首先調節進裝置蒸汽伴熱總量，實現裝置伴熱總負荷的預先粗調。 由于每塊變送器表體溫度不同，因此傳熱速率不同，可以根據每塊儀表的傳熱速率標準值，實時對需要進行調節的儀表伴熱負荷進行手動調節，進而實現了單獨伴熱回路細調。

4 結束語

筆者提出的防凍凝新模式可以實現預知控制，在儀表因介質狀態變化原因造成工作波動之前，即干擾存在，使儀表達到報警值之前就提前給出預警。 可以預測設備的損壞情況，在裝置儀表伴熱系統負荷穩定，并且熱損失變化也穩定的前提下， 當裝置儀表伴熱系統硬件出現故障，會造成能量不守恒。 當裝置儀表伴熱系統總能量增加，而單臺變送器熱損失并未發生變化，可推測是熱量除了散熱損失外， 產生了另外的損失原因。 該模式降低了儀表專業冬季維護的工作量，在保證儀表長周期平穩運行的同時也降低了過伴熱情況帶來的能量損失。