发电厂室外热工仪表冬季防冻探讨

张洁

（华能济南黄台发电有限公司，济南250100）

发电厂室外热工仪表冬季防冻探讨

张洁

（华能济南黄台发电有限公司，济南250100）

热工仪表冬季防冻是机组安全运行的重要部分，北方地区由于冬季室外仪表管路冻结造成机组跳闸的现象屡见不鲜。通过对华能黄台发电有限公司热工设备冬季防冻遇到的一些问题及解决方法进行阐述，有针对性地提出北方地区冬季室外仪表防冻的一些治理措施，以提高机组室外仪表冬季安全运行可靠性，降低机组跳闸的风险。

室外仪表防冻；伴热；保温

0 引言

北方地区室外仪表防冻是热工专业面临的主要问题之一，由于长江以南地区基本不会持续零下低温天气，而东北、西北部地区由于冬季气温过低多数都采取锅炉房封闭设计，因此处于华北地区这个纬度上的发电机组，由于冬季气温持续零下且锅炉房没有封闭，冬季室外仪表管路由于防冻措施不到位，遭遇严寒天气后仪表管路冻结现象非常普遍。仪表管路由于内径很小，一般为6～8 mm，水容量很小，介质冻结后迅速膨胀往往短时间内就会造成仪表测量数值的大幅度变化，从而引起机组保护系统或重要调节系统的误动作，甚至机组跳闸。2016年初我国发生40年不遇的极寒天气，华北多数地区低温甚至持续达到零下20℃，很多发电厂出现大面积“冻管”，部分厂因热工表计冻结造成机组跳闸事故。华能黄台电厂在这次极寒低温天气中，个别仪表管路由于保温不足出现冻结现象，但总体热工仪表运行良好，没有对机组运行造成重大影响，这主要得益于仪表伴热系统改造和维护，使得设备在极端天气下能够运行稳定。热工仪表防冻由于专业特点，相比工艺管道防冻存在更大的难度，工艺管道较粗且介质持续流动，在气温降至零下时即使没有伴热措施也很少出现介质冻结，但热工测量管路内水量过小且不流动，另外热工汽水系统测量仪表，不论测量介质的温度和形态是什么，在工况稳定后表管内都是常温水，因此热工仪表管路极易冻结，必须保持表管内介质始终在0℃以上，才能确保不会“冻管”。

1 仪表伴热系统普遍设计方案

热工室外仪表防冻主要由伴热系统加上管道保温组成，目前各大电厂广泛采取的仪表管路伴热系统基本都是蒸汽伴热和电伴热两种，选用的原则主要根据现场仪表的位置、数量、可靠性、维护成本等多方面考虑［1］。

1.1 蒸汽伴热系统

蒸汽伴热一般是用辅汽或抽汽的低压蒸汽，将伴热管与仪表管平行敷设外覆保温材料，以实现伴热管对仪表管伴热，防止仪表管内介质冻结。从系统原理上看，蒸汽伴热系统伴热均匀、热量高，对布置集中的整排表管比较适用，由于整根伴热管自始至终热量连续，维护中对伴热系统的运行状态判断很方便；蒸汽伴热的缺点是受汽源、仪表安装位置限制，施工复杂，另外伴热管在长期使用中，管路、疏水系统存在腐蚀泄漏等隐患，维护工作量较大。

1.2 电伴热系统

电伴热一般是通过将电伴热电缆包覆在仪表管外部，通过伴热电缆的热量对仪表管伴热，电伴热由于安装施工方便，而且随着伴热电缆工作可靠性、稳定性的提高，越来越多的电厂开始采用。常用的伴热电缆有恒功率和自限温两种，恒功率伴热电缆只能恒定发热，需加装温控器满足对表管表面伴热温度的控制，由于温控器大多只能测量某一点的温度，因此容易造成伴热控温不准确，从而造成冻管或表管内介质汽化。自限温伴热电缆由导电塑料和两根平行母线加绝缘层、金属屏蔽网、防腐外套构成，可以随着表管表面温度变化自动发热和断电。电伴热系统虽然使用方便，但由于伴热电缆多数都是由单位长度的发热单元组成，因此整根伴热电缆的发热状态并不一致，难以实现运行中对整条伴热管路温度的监测，且目前的国产电伴热电缆质量不稳定，进口产品价格也比较高。

2 仪表伴热状况及改进措施

2.1 伴热系统设计

华能黄台电厂地处山东中部，冬季气温常可达零下10℃以下，室外热工仪表管路防冻一直是冬季的一项难点工作，20世纪80年代投产的两台300 MW机组主机区域热工仪表采用了蒸汽伴热系统，外围仪表因为位置偏远多使用电伴热；2011年前后新建两台350 MW机组延续了老机组的伴热设计方式，只是蒸汽伴热系统的管材全部选用了不锈钢管［2］，另外，在表管伴热系统的保温施工上，吸取了过去的一些经验，伴热系统运行更加稳定可靠。

2.2 伴热系统出现的问题

主机蒸汽伴热系统。主机区域热工仪表柜布置相对集中，热工仪表管大多形成10多根的管排，改造前由于伴热系统设计不合理，各个区域仪表伴热支路循环阻力不均，冬季随着气温变化经常出现伴热循环不良。另外伴热管内金属腐蚀、伴热疏水设备故障也造成多次伴热运行异常，整排管子冻结。一旦伴热管路停止循环，短时间就会造成整排仪表管冻结，严重影响机组运行，恢复难度很大。

电伴热系统。仪表电伴热主要应用在外围区域，包括供热管线计量表计等，随着机组供热压力不断加大，表计冻结影响也越来越大。电伴热仪表管冻管主要原因是伴热带质量，过去采用的国产伴热电缆质量不可靠，使用1～2年就会整根或部分不能正常工作，由于伴热电缆都是由单位长度的发热单元组成，某些部分伴热电缆损坏时，无法及时发现，容易造成局部冻管。另外由于伴热电缆本身不能承受高温，在所测介质温度较高的仪表管路需要排污时，常常会烫坏伴热带，造成伴热故障。

保温问题。保温虽然简单，但相比工艺管道，热工仪表伴热管排保温要求高很多，除保温的严密性和厚度外，在伴热源（蒸汽伴热管、电伴热带）与仪表管之间，还要有适合的间隙，保证这两者间通透，不能有保温材料。实际施工中往往不注意这些问题，运行中保温材料塌陷也容易造成伴热管和仪表管间充进保温材料，使得二者无法实现良好的热量传导，造成表管冻结。

仪表测量介质汽化问题。实际设计中，由于伴热源（蒸汽伴热管、电伴热带）与仪表管间隙过小或直接接触，高温天气时，经常发生仪表管内介质汽化，造成仪表失准，即便没有到汽水临界状态，介质在高温下密度变化，对汽包水位这类敏感测点，也会影响很大，甚至造成机组控制异常。

2.3 伴热治理措施

蒸汽伴热系统改造。针对蒸汽伴热系统出现的问题，重新设计蒸汽伴热系统，黄台电厂350 MW机组锅炉A侧仪表伴热设计如图1所示。锅炉区域按照仪表所处位置，将仪表伴热分成几个支路，使用一根母管将压力为0.6～0.8 MPa伴热蒸汽送到炉顶，并联一根回水母管将疏水接进扩容器，各伴热支路按照并联方式接入汽源、疏水母管。考虑各支路阻力平衡，避免某支路循环阻力小对其他支路短路，保持各个伴热支路汽水良好循环。对于单个伴热支路，按照标高自上而下的原则将该支路中的测点、管路、变送器柜串联起来，在支路汽源端加装调节手动阀调节伴热蒸汽量［3］，支路末端加装压力表监视伴热循环情况。

图1 350MW机组锅炉A侧仪表伴热设计

电伴热系统改造。对于外围电伴热回路，主要更换较为可靠的进口铠装伴热电缆，该伴热电缆为金属结构，不容易被高温烫伤，且质量稳定。伴热电缆敷设时，严格按照工艺要求，敷设前，先在仪表管外包覆一层较薄的保温材料，再敷设电伴热，防止管内介质汽化。温控感温元件与伴热电缆贴附在表管两侧，使感温元件准确测量仪表管的表面温度，保证伴热电缆控温准确。伴热电缆和感温元件外部再包覆隔热丝布和保温材料，防止热量外泄，保证伴热的良好传导。单路仪表伴热保温如图2所示。

图2 单路仪表伴热保温

保温措施。仪表伴热管路保温要求较为复杂，管路较多的管排，管排切面如图3所示，保温成矩形，仪表管和伴热管在矩形支架两侧，中间有10～20 cm的空腔。管路外包覆一层金属丝网，防止外层的保温材料进入空腔，影响热量传导。保温材料外包丝网后水泥抹面，最外层按自上而下顺序包覆金属外层板。水泥抹面防止冷空气透过缝隙吹入内层，金属外层板防止雨雪水浸湿抹面和保温，造成内部保温塌陷。这种保温施工形成的管排空腔，可以保证伴热系统良好的热量传导，且温度恒定，可以通过在空腔内插入温度元件监视内部温度，实现不同气温下伴热量调节。

图3 仪表伴热管排切面

表管介质汽化问题。通过将伴热管或者伴热带与仪表管分开布置，防止二者之间出现直接的接触热传导，对单根仪表管路使用蒸汽或电伴热电缆进行伴热时，在仪表管和伴热管（或伴热电缆）之间使用薄型隔热材料薄隔离，防止二者直接接触。

2.4 治理效果

经过伴热系统改造，热工室外仪表冬季防冻明显好转，早期改造的机组已连续多年没有出现仪表管路“冻管”现象，也没有发生因伴热过热导致的取样管内介质“汽化”引起测量失准。2016年初极寒天气下出现了个别仪表冻结，从检查情况看，多数是由于部分伴热管路保温铁皮损坏或出现缝隙，雨雪渗入保温层导致内部个别部位保温塌陷，冷风从塌陷处吹入伴热管排引起，总体伴热保温系统改造设计合理，效果良好。

3 结语

随着各类电伴热电缆的逐步推广和质量不断提高，目前各发电企业热工仪表使用电伴热的越来越多。蒸汽伴热因为施工、维护量大被很多热工人员排斥，但从改造使用情况看，蒸汽伴热运行稳定、可靠性高、监测方便，在仪表管路相对集中的主机区域相比电伴热更适合。无论蒸汽伴热还是电伴热，只是热源方式不同，在伴热系统改造中，统筹考虑伴热回路的各个方面，从伴热源的敷设、保温层的设计、伴热回路的检查维护手段，才能确保仪表伴热系统稳定运行。

［1］DL／T 5182—2004火力发电厂热工自动化就地设备安装、管路及电缆设计技术规定［S］.

［2］HG／T 20514—2000仪表及管线伴热和绝热保温设计规定［S］.

［3］DL 5190.4—2012电力建设施工技术规范第4部分热工仪表及控制装置［S］.

图8 2号机组IMC脱硝控制曲线1

图9 2号机组IMC脱硝控制曲线3

可以看出，两台机组的NOx内模控制投运后，连续数小时机组负荷、风量、入炉煤量一直在大幅波动，而喷氨调节门指令一直在实时跟踪，工况稳定时NOx质量浓度偏差在1 mg／m3以内，系统存在大幅扰动时，NOx质量浓度最大偏差不超过10 mg／m3，保证了稳定的脱硝效率，有效降低了喷氨成本，确保了设备的安全及环保指标的达标。说明NOx排放量内模控制系统自适应性强，鲁棒特良好，控制精度高，具有优良的调节品质和抗干扰能力。

6 结语

内模控制控制精度高，抗扰动性能强，无需精确数学模型，参数便于整定，在大迟延、大惯性、非线性、强扰动系统控制领域具有传统自动控制手段无法比拟的优势，在电厂热工自动化领域具有良好的应用前景。

参考文献

［1］郑志勇，黄达.基于先进控制技术的660 MW超超临界机组SCR脱硝控制方案［J］.江西电力，2014（5）：75-77.

［2］戴文战，丁良，杨爱萍.内模控制研究进展［J］.控制工程，2011，18（4）：487-494.

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

［4］马平，王瑞，杜海莲，等.神经网络内模控制及其在大迟延系统中的应用［J］.华北电力大学学报，2005，32（5）：35-38.

收稿日期：2016-09-26

作者简介：

陈亮（1984），男，工程师，从事火电站热控技术研究及现场应用工作。

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

张洁（1969），男，工程师，从事热工技术管理工作。