張潔

（華能濟(jì)南黃臺(tái)發(fā)電有限公司，濟(jì)南250100）

發(fā)電廠室外熱工儀表冬季防凍探討

張潔

（華能濟(jì)南黃臺(tái)發(fā)電有限公司，濟(jì)南250100）

熱工儀表冬季防凍是機(jī)組安全運(yùn)行的重要部分，北方地區(qū)由于冬季室外儀表管路凍結(jié)造成機(jī)組跳閘的現(xiàn)象屢見不鮮。通過對(duì)華能黃臺(tái)發(fā)電有限公司熱工設(shè)備冬季防凍遇到的一些問題及解決方法進(jìn)行闡述，有針對(duì)性地提出北方地區(qū)冬季室外儀表防凍的一些治理措施，以提高機(jī)組室外儀表冬季安全運(yùn)行可靠性，降低機(jī)組跳閘的風(fēng)險(xiǎn)。

室外儀表防凍；伴熱；保溫

0 引言

北方地區(qū)室外儀表防凍是熱工專業(yè)面臨的主要問題之一，由于長(zhǎng)江以南地區(qū)基本不會(huì)持續(xù)零下低溫天氣，而東北、西北部地區(qū)由于冬季氣溫過低多數(shù)都采取鍋爐房封閉設(shè)計(jì)，因此處于華北地區(qū)這個(gè)緯度上的發(fā)電機(jī)組，由于冬季氣溫持續(xù)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(yán)寒天氣后儀表管路凍結(jié)現(xiàn)象非常普遍。儀表管路由于內(nèi)徑很小，一般為6～8 mm，水容量很小，介質(zhì)凍結(jié)后迅速膨脹往往短時(shí)間內(nèi)就會(huì)造成儀表測(cè)量數(shù)值的大幅度變化，從而引起機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)或重要調(diào)節(jié)系統(tǒng)的誤動(dòng)作，甚至機(jī)組跳閘。2016年初我國(guó)發(fā)生40年不遇的極寒天氣，華北多數(shù)地區(qū)低溫甚至持續(xù)達(dá)到零下20℃，很多發(fā)電廠出現(xiàn)大面積“凍管”，部分廠因熱工表計(jì)凍結(jié)造成機(jī)組跳閘事故。華能黃臺(tái)電廠在這次極寒低溫天氣中，個(gè)別儀表管路由于保溫不足出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，但總體熱工儀表運(yùn)行良好，沒有對(duì)機(jī)組運(yùn)行造成重大影響，這主要得益于儀表伴熱系統(tǒng)改造和維護(hù)，使得設(shè)備在極端天氣下能夠運(yùn)行穩(wěn)定。熱工儀表防凍由于專業(yè)特點(diǎn)，相比工藝管道防凍存在更大的難度，工藝管道較粗且介質(zhì)持續(xù)流動(dòng)，在氣溫降至零下時(shí)即使沒有伴熱措施也很少出現(xiàn)介質(zhì)凍結(jié)，但熱工測(cè)量管路內(nèi)水量過小且不流動(dòng)，另外熱工汽水系統(tǒng)測(cè)量?jī)x表，不論測(cè)量介質(zhì)的溫度和形態(tài)是什么，在工況穩(wěn)定后表管內(nèi)都是常溫水，因此熱工儀表管路極易凍結(jié)，必須保持表管內(nèi)介質(zhì)始終在0℃以上，才能確保不會(huì)“凍管”。

1 儀表伴熱系統(tǒng)普遍設(shè)計(jì)方案

熱工室外儀表防凍主要由伴熱系統(tǒng)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(tǒng)基本都是蒸汽伴熱和電伴熱兩種，選用的原則主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)儀表的位置、數(shù)量、可靠性、維護(hù)成本等多方面考慮［1］。

1.1 蒸汽伴熱系統(tǒng)

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(shè)外覆保溫材料，以實(shí)現(xiàn)伴熱管對(duì)儀表管伴熱，防止儀表管內(nèi)介質(zhì)凍結(jié)。從系統(tǒng)原理上看，蒸汽伴熱系統(tǒng)伴熱均勻、熱量高，對(duì)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(xù)，維護(hù)中對(duì)伴熱系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)判斷很方便；蒸汽伴熱的缺點(diǎn)是受汽源、儀表安裝位置限制，施工復(fù)雜，另外伴熱管在長(zhǎng)期使用中，管路、疏水系統(tǒng)存在腐蝕泄漏等隱患，維護(hù)工作量較大。

1.2 電伴熱系統(tǒng)

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(duì)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(wěn)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(fā)熱，需加裝溫控器滿足對(duì)表管表面伴熱溫度的控制，由于溫控器大多只能測(cè)量某一點(diǎn)的溫度，因此容易造成伴熱控溫不準(zhǔn)確，從而造成凍管或表管內(nèi)介質(zhì)汽化。自限溫伴熱電纜由導(dǎo)電塑料和兩根平行母線加絕緣層、金屬屏蔽網(wǎng)、防腐外套構(gòu)成，可以隨著表管表面溫度變化自動(dòng)發(fā)熱和斷電。電伴熱系統(tǒng)雖然使用方便，但由于伴熱電纜多數(shù)都是由單位長(zhǎng)度的發(fā)熱單元組成，因此整根伴熱電纜的發(fā)熱狀態(tài)并不一致，難以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行中對(duì)整條伴熱管路溫度的監(jiān)測(cè)，且目前的國(guó)產(chǎn)電伴熱電纜質(zhì)量不穩(wěn)定，進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格也比較高。

2 儀表伴熱狀況及改進(jìn)措施

2.1 伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

華能黃臺(tái)電廠地處山東中部，冬季氣溫?？蛇_(dá)零下10℃以下，室外熱工儀表管路防凍一直是冬季的一項(xiàng)難點(diǎn)工作，20世紀(jì)80年代投產(chǎn)的兩臺(tái)300 MW機(jī)組主機(jī)區(qū)域熱工儀表采用了蒸汽伴熱系統(tǒng)，外圍儀表因?yàn)槲恢闷h(yuǎn)多使用電伴熱；2011年前后新建兩臺(tái)350 MW機(jī)組延續(xù)了老機(jī)組的伴熱設(shè)計(jì)方式，只是蒸汽伴熱系統(tǒng)的管材全部選用了不銹鋼管［2］，另外，在表管伴熱系統(tǒng)的保溫施工上，吸取了過去的一些經(jīng)驗(yàn)，伴熱系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。

2.2 伴熱系統(tǒng)出現(xiàn)的問題

主機(jī)蒸汽伴熱系統(tǒng)。主機(jī)區(qū)域熱工儀表柜布置相對(duì)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(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，各個(gè)區(qū)域儀表伴熱支路循環(huán)阻力不均，冬季隨著氣溫變化經(jīng)常出現(xiàn)伴熱循環(huán)不良。另外伴熱管內(nèi)金屬腐蝕、伴熱疏水設(shè)備故障也造成多次伴熱運(yùn)行異常，整排管子凍結(jié)。一旦伴熱管路停止循環(huán)，短時(shí)間就會(huì)造成整排儀表管凍結(jié)，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行，恢復(fù)難度很大。

電伴熱系統(tǒng)。儀表電伴熱主要應(yīng)用在外圍區(qū)域，包括供熱管線計(jì)量表計(jì)等，隨著機(jī)組供熱壓力不斷加大，表計(jì)凍結(jié)影響也越來越大。電伴熱儀表管凍管主要原因是伴熱帶質(zhì)量，過去采用的國(guó)產(chǎn)伴熱電纜質(zhì)量不可靠，使用1～2年就會(huì)整根或部分不能正常工作，由于伴熱電纜都是由單位長(zhǎng)度的發(fā)熱單元組成，某些部分伴熱電纜損壞時(shí)，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，容易造成局部?jī)龉堋Ａ硗庥捎诎闊犭娎|本身不能承受高溫，在所測(cè)介質(zhì)溫度較高的儀表管路需要排污時(shí)，常常會(huì)燙壞伴熱帶，造成伴熱故障。

保溫問題。保溫雖然簡(jiǎn)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(yán)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(shí)際施工中往往不注意這些問題，運(yùn)行中保溫材料塌陷也容易造成伴熱管和儀表管間充進(jìn)保溫材料，使得二者無法實(shí)現(xiàn)良好的熱量傳導(dǎo)，造成表管凍結(jié)。

儀表測(cè)量介質(zhì)汽化問題。實(shí)際設(shè)計(jì)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(shí)，經(jīng)常發(fā)生儀表管內(nèi)介質(zhì)汽化，造成儀表失準(zhǔn)，即便沒有到汽水臨界狀態(tài)，介質(zhì)在高溫下密度變化，對(duì)汽包水位這類敏感測(cè)點(diǎn)，也會(huì)影響很大，甚至造成機(jī)組控制異常。

2.3 伴熱治理措施

蒸汽伴熱系統(tǒng)改造。針對(duì)蒸汽伴熱系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，重新設(shè)計(jì)蒸汽伴熱系統(tǒng)，黃臺(tái)電廠350 MW機(jī)組鍋爐A側(cè)儀表伴熱設(shè)計(jì)如圖1所示。鍋爐區(qū)域按照儀表所處位置，將儀表伴熱分成幾個(gè)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(lián)一根回水母管將疏水接進(jìn)擴(kuò)容器，各伴熱支路按照并聯(lián)方式接入汽源、疏水母管?？紤]各支路阻力平衡，避免某支路循環(huán)阻力小對(duì)其他支路短路，保持各個(gè)伴熱支路汽水良好循環(huán)。對(duì)于單個(gè)伴熱支路，按照標(biāo)高自上而下的原則將該支路中的測(cè)點(diǎn)、管路、變送器柜串聯(lián)起來，在支路汽源端加裝調(diào)節(jié)手動(dòng)閥調(diào)節(jié)伴熱蒸汽量［3］，支路末端加裝壓力表監(jiān)視伴熱循環(huán)情況。

圖1 350MW機(jī)組鍋爐A側(cè)儀表伴熱設(shè)計(jì)

電伴熱系統(tǒng)改造。對(duì)于外圍電伴熱回路，主要更換較為可靠的進(jìn)口鎧裝伴熱電纜，該伴熱電纜為金屬結(jié)構(gòu)，不容易被高溫燙傷，且質(zhì)量穩(wěn)定。伴熱電纜敷設(shè)時(shí)，嚴(yán)格按照工藝要求，敷設(shè)前，先在儀表管外包覆一層較薄的保溫材料，再敷設(shè)電伴熱，防止管內(nèi)介質(zhì)汽化。溫控感溫元件與伴熱電纜貼附在表管兩側(cè)，使感溫元件準(zhǔn)確測(cè)量?jī)x表管的表面溫度，保證伴熱電纜控溫準(zhǔn)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(dǎo)。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(fù)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(cè)，中間有10～20 cm的空腔。管路外包覆一層金屬絲網(wǎng)，防止外層的保溫材料進(jìn)入空腔，影響熱量傳導(dǎo)。保溫材料外包絲網(wǎng)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(nèi)層，金屬外層板防止雨雪水浸濕抹面和保溫，造成內(nèi)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(tǒng)良好的熱量傳導(dǎo)，且溫度恒定，可以通過在空腔內(nèi)插入溫度元件監(jiān)視內(nèi)部溫度，實(shí)現(xiàn)不同氣溫下伴熱量調(diào)節(jié)。

圖3 儀表伴熱管排切面

表管介質(zhì)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(xiàn)直接的接觸熱傳導(dǎo)，對(duì)單根儀表管路使用蒸汽或電伴熱電纜進(jìn)行伴熱時(shí)，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(jīng)過伴熱系統(tǒng)改造，熱工室外儀表冬季防凍明顯好轉(zhuǎn)，早期改造的機(jī)組已連續(xù)多年沒有出現(xiàn)儀表管路“凍管”現(xiàn)象，也沒有發(fā)生因伴熱過熱導(dǎo)致的取樣管內(nèi)介質(zhì)“汽化”引起測(cè)量失準(zhǔn)。2016年初極寒天氣下出現(xiàn)了個(gè)別儀表凍結(jié)，從檢查情況看，多數(shù)是由于部分伴熱管路保溫鐵皮損壞或出現(xiàn)縫隙，雨雪滲入保溫層導(dǎo)致內(nèi)部個(gè)別部位保溫塌陷，冷風(fēng)從塌陷處吹入伴熱管排引起，總體伴熱保溫系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)合理，效果良好。

3 結(jié)語

隨著各類電伴熱電纜的逐步推廣和質(zhì)量不斷提高，目前各發(fā)電企業(yè)熱工儀表使用電伴熱的越來越多。蒸汽伴熱因?yàn)槭┕ぁ⒕S護(hù)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(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、監(jiān)測(cè)方便，在儀表管路相對(duì)集中的主機(jī)區(qū)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(tǒng)改造中，統(tǒng)籌考慮伴熱回路的各個(gè)方面，從伴熱源的敷設(shè)、保溫層的設(shè)計(jì)、伴熱回路的檢查維護(hù)手段，才能確保儀表伴熱系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］DL／T 5182—2004火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化就地設(shè)備安裝、管路及電纜設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］.

［2］HG／T 20514—2000儀表及管線伴熱和絕熱保溫設(shè)計(jì)規(guī)定［S］.

［3］DL 5190.4—2012電力建設(shè)施工技術(shù)規(guī)范第4部分熱工儀表及控制裝置［S］.

圖8 2號(hào)機(jī)組IMC脫硝控制曲線1

圖9 2號(hào)機(jī)組IMC脫硝控制曲線3

可以看出，兩臺(tái)機(jī)組的NOx內(nèi)?？刂仆哆\(yùn)后，連續(xù)數(shù)小時(shí)機(jī)組負(fù)荷、風(fēng)量、入爐煤量一直在大幅波動(dòng)，而噴氨調(diào)節(jié)門指令一直在實(shí)時(shí)跟蹤，工況穩(wěn)定時(shí)NOx質(zhì)量濃度偏差在1 mg／m3以內(nèi)，系統(tǒng)存在大幅擾動(dòng)時(shí)，NOx質(zhì)量濃度最大偏差不超過10 mg／m3，保證了穩(wěn)定的脫硝效率，有效降低了噴氨成本，確保了設(shè)備的安全及環(huán)保指標(biāo)的達(dá)標(biāo)。說明NOx排放量?jī)?nèi)模控制系統(tǒng)自適應(yīng)性強(qiáng)，魯棒特良好，控制精度高，具有優(yōu)良的調(diào)節(jié)品質(zhì)和抗干擾能力。

6 結(jié)語

內(nèi)?？刂瓶刂凭雀撸箶_動(dòng)性能強(qiáng)，無需精確數(shù)學(xué)模型，參數(shù)便于整定，在大遲延、大慣性、非線性、強(qiáng)擾動(dòng)系統(tǒng)控制領(lǐng)域具有傳統(tǒng)自動(dòng)控制手段無法比擬的優(yōu)勢(shì)，在電廠熱工自動(dòng)化領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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

［2］戴文戰(zhàn)，丁良，楊愛萍.內(nèi)?？刂蒲芯窟M(jìn)展［J］.控制工程，2011，18（4）：487-494.

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

［4］馬平，王瑞，杜海蓮，等.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂萍捌湓诖筮t延系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，32（5）：35-38.

收稿日期：2016-09-26

作者簡(jiǎn)介：

陳亮（1984），男，工程師，從事火電站熱控技術(shù)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(shù)管理工作。