仪表防冻凝模式的创新及其实现

郑 海 梁官军 吕 博 杨 方

（中国石油兰州石化公司a.设备维修公司仪表一车间；b.动力厂）

对于高纬度地区的石油化工企业来说，防冻凝是冬季生产过程中的一项重点工作。 进入冬季后，由于气温大幅度降低，位于现场的仪表设备在测量过程中常常会出现介质冻凝的情况，严重影响了仪表的正常运行，造成操作人员和仪表维护人员工作量增加，严重时甚至会造成装置联锁停工和安全事故。 现场仪表设备防冻凝的状况直接影响到装置的安全生产和平稳运行。

传统的现场仪表防冻凝工作主要分为两大类： 第1类是针对含水较多或凝点较低的介质，在测量管线中灌注防冻液， 保证测量管线在较低的环境温度下不会发生冻凝；第2类是通过物理手段增加热源对仪表本体及其引压线进行伴热， 通过热量传递保证引压线内的介质温度恒定， 减少介质冷凝或冻凝造成的仪表测量失真情况出现。常用的伴热热源为蒸汽、热水和电热带。

笔者对目前冬季防冻凝工作的现状进行了分析，提出了一种创新模式，该模式可实现预知控制，保证仪表长周期平稳运行。

1 仪表防冻凝工作现状

在西北地区，每年十月起，仪表维护单位便着手开展本年度冬季仪表防冻凝工作，对部分仪表重新灌注防冻液，对所有仪表保温材料进行排查，对缺失的保温材料进行重新包裹，对伴热回路中的故障设备进行更换，及时消除伴热回路出现的跑冒滴漏情况等。

虽然仪表维护单位每年对仪表保温伴热工作都非常重视， 并且能够将各项措施落实到位，但是在气温发生大幅度变化时，依然会出现仪表冻凝、积液或者介质带水造成防冻液被大量置换等情况，使仪表指示出现偏差。 尤其是夜间，由于昼夜温差大，情况更为突出。 因为仪表冻凝造成的故障占了很大比重，是冬季仪表维护工作量升高的主要原因之一。

图1是兰州石化设备维修公司仪表一车间，2016年10月～2017年4月和2017年10月～2018年4月，因为仪表冻凝造成仪表指示偏差而产生的工作量占整个仪表专业工作量的比重。 由图可见，2016年10月～2017年4月该比重超过了四分之一，2017年10月～2018年4月该比重超过了三分之一。可见，传统的仪表防冻凝工作只是被动对计划进行落实，对出现的问题进行整改，这种模式存在很多缺点，而仪表保温效果的好坏和防冻凝的能力却没有根本上的改善，冬季仪表防冻凝工作量依旧持续在高位。

图1 仪表一车间防冻凝工作量饼图

在传统仪表防冻凝模式的基础上，利用科学的手段优化仪表防冻凝工作，提高可控度，降低仪表防冻凝工作量，从而降低冬季仪表专业整体故障率，是仪表专业当前急需解决的问题之一。

2 传统仪表防冻凝方式存在的问题及原因分析

2.1 存在的问题

针对灌注防冻液的仪表，引压线内的防冻液在仪表正常工作过程中逐渐被介质所置换，或者因为操作原因和设备本身缺陷， 防冻液逐渐流失，造成测量管线内介质密度变化，带来附加的压差，使测量出现误差，当误差积累到一定程度时无法真实反映实际测量值，只能通过重新灌注防冻液和平衡仪表来消除。 此类缺陷无法从根本上避免，只能通过延长防冻液被置换的周期并减小防冻液流失程度来进行优化。 防冻液被置换，除去操作因素外，气温的变化和工艺伴热的状况也会有所影响。

对于物理手段伴热的仪表，伴热作用的强弱根据环境温度进行调节，达到热量补充和散热平衡。 由于热量传递和调节的滞后，当环境温度发生变化时，伴热系统动态平衡发生改变，很容易造成伴热力度不够或过伴热情况出现，造成介质状态发生变化而引起测量误差，这只能通过对引压线内凝液或汽化介质进行排放并平衡仪表后消除。 针对此类缺陷，可以通过热平衡法计算出每套装置和每台仪表最佳伴热状态时需要的热量， 并通过数据的及时采集与分析得到预测值，以此预测值为依据及时调整伴热温度，达到优化目的，从而降低冬季仪表防冻凝整体故障率和工作量。

以2016年气温最低的11月和2018年气温最低的1月为例进行分析。 仪表防冻凝工作量、环境温度的走势如图2所示。 从宏观可以看出，仪表防冻凝工作量随着环境气温的降低而增加，说明传统仪表伴热回路抵抗环境变化的能力是有限的，传统的防冻保温工作，只能在一定程度上降低冬季防冻凝工作量，无法从根本上改善冬季仪表防冻凝工作的现状。

图2 仪表一车间防冻凝工作量、环境温度的走势

2.2 原因分析

根据以往经验和大量历史数据的分析，可以明确一点，即环境温度的变化是影响仪表冬季防冻凝工作量变化的决定性因素。 从理论上分析，借助热力学第一定律即能量守恒定律进行判断，其热平衡方程为ΔU=W+Q，其中ΔU为系统内能增量、W为外界对物体（或物体对外界）所做的功、Q为外界吸收（或放出）的热量。

在没有外界对仪表伴热系统进行做功的情况下，单纯通过热传递来改变仪表伴热系统的内能，内能的变化可以用传递热量的多少来度量。 单位时间内，仪表伴热系统内能的增加（或减少）量ΔU就等于从外界吸收（或对外界放出）的热量Q，即ΔU=Q。 而在实际环境中，仪表伴热系统内的介质收到伴热系统能量传递的同时，也向环境中散发出一定的热量。 在理想状态下， 当伴热系统输出的能量恒定不变，同时在环境中损失的能量也恒定不变时，ΔU为一个恒定值，ΔU=Q1-Q2，其中Q1为伴热系统通过热传递向测量系统增加的动态能量，Q2为测量系统通过热传递在环境中损失的动态热量。

当伴热系统输出的能量变化，或者测量系统通过热传递在环境中损失的热量变化时，这个平衡就发生变化。 使平衡发生变化的干扰因素一个是伴热系统负荷的变化，另一个就是环境温度的变化。 当伴热系统负荷保持不变时，由于环境温度上升或下降，造成测量系统通过热传递在环境中损失的热量减少或增加，必定会使仪表伴热系统的能量增加或减少，原来稳定的能量平衡被打破， 仪表测量管路内部介质能量同时增加或减少，对应温度上升或下降，当温度达到所测介质沸点或凝点时，介质状态发生变化，出现汽化或冷凝的情况，进而使仪表测量出现偏差。 当环境温度恒定时， 由于伴热系统负荷的增加或减少，也会造成相似的情况发生。

而在实际情况中， 伴热系统负荷和环境温度不可能同时保持恒定不变， 两者都在不停地发生变化，某个变量发生大范围的波动，都会造成仪表伴热系统的动态能量发生大的变化，进而造成介质状态改变，影响正常测量。 仪表伴热系统只是一个开环的、单方向的能量传递系统，并且温度传递和测量都存在滞后， 传统手段不具备伴热负荷的动态控制条件。 通过调节整套装置的伴热负荷或者人为手动及时调节每一个仪表回路的伴热， 保证每一台仪表伴热系统的动态能量都稳定， 不随伴热负荷和环境温度的变化而改变，是一个不可能完成的任务。 只有对系统能量进行量化计算， 建立动态分析和预测模型，并进行动态调节，才能最大程度地实现仪表伴热系统的动态能量稳定， 使其真正达到可控状态。

3 创新手段及其实现

以仪表最常用的蒸汽伴热为例进行分析。 如图3所示，以1 h作为信号采集计算周期，对仪表伴热系统实时能量进行计算，并按照预计能量变化提前对仪表伴热系统能量进行调节。

图3 仪表伴热系统能量变化计算流程

3.1 对进入装置仪表伴热系统的总能量进行量化计算

3.1.1 计算方法和依据

当前，绝大部分装置的仪表伴热所用蒸汽均由工艺伴热管线引出，并且属于冷凝水不返回而直接外排的伴热模式。

对于冷凝水不返回的用户，其仪表伴热系统蒸汽总线测量示意图如图4所示［1］。热流量计算式为：

图4 仪表伴热系统蒸汽总线测量示意图

式中 h——蒸汽的比焓，kJ/kg；

p——蒸汽压力，MPa；

qm——质量流量，kg/h；

t——蒸汽温度，℃；

φ——热流量，kJ/h。

热量表(或流量演算器、计算机等)按照测量得到的蒸汽压力、温度，查询存储在仪表内的表格，得到蒸汽密度和比焓，进而计算qm和φ。

3.1.2 实现

工艺所用伴热蒸汽和生产所用蒸汽基本属于同一个系统，由不同压力级别的进装置蒸汽总线引入，因此生产所用蒸汽负荷的变化会造成仪表伴热系统的动态能量大幅度波动。 为避免这一干扰， 同时将仪表伴热系统的动态能量进行量化，应当将仪表用伴热蒸汽与生产所用蒸汽分离开，同时在仪表伴热总线上加装温度、流量和压力检测仪表，实时测量并计算出每小时进入装置仪表伴热系统的蒸汽能量。

3.2 计算单台仪表伴热回路的实时散热量和所有仪表实时总散热量

3.2.1 计算方法和依据

当仪表保温箱、 管线与环境温度存在温差时，热量会由热流体向冷流体的方向传递，即向环境中散热。 取变送器表体温度作为热流体的实际温度，以本地实时气温作为冷流体温度。 传热速率ΔQ的计算式为：

式中 K——导热系数；

S——散热面积；

ΔT——热冷流体的温度差。

3.2.2 实现

利用现场智能变送器和AMS控制系统的强大功能， 可实时采集出每一块变送器的温度，以此温度作为现场热流体的温度进行计算；以当前本地天气预报的气温值作为冷流体温度；以仪表保温箱表面积作为散热面积；以保温箱内保温材料的种类和厚度查询出对应的导热系数，计算出当前这个小时内单台仪表的散热量，进而可以计算出整套装置仪表伴热系统实时散热量之和。

3.3 计算装置仪表伴热系统实时能量和后一小时预计散热量

3.3.1 计算方法和依据

装置仪表伴热系统实时能量为进入装置仪表伴热系统的总能量与装置仪表伴热系统实时散热量之差。

采集后一小时本地天气预报的气温值，将其作为冷流体的温度送入AMS控制系统进行计算，这样就可以预先计算出单台变送器的传热速率，并计算出后后一小时单台变送器在空气中损失的热量。 再根据每一块单台仪表后一个小时的预计散热量，计算出整套装置后一个小时预计散热量。 进而可得：装置仪表伴热系统后一小时预计能量为进入装置仪表伴热系统的总能量与装置仪表伴热系统后一小时预计散热能量之差。

3.3.2 实现

在仪表伴热系统负荷和所有仪表伴热回路的动态能量损失之和不变的情况下，仪表伴热系统实时能量是一个固定值，在保证装置所有仪表均在最佳测量状况时，这个固定值就是整套装置仪表伴热所需要的能量值，这个值可以是一个最佳值，也可以是一个范围。 能量偏差为装置仪表伴热系统实时能量与装置仪表伴热系统后一小时预计能量之差。

能量偏差为正，说明装置仪表伴热系统后一小时预计能量将会降低， 是由于散热量增加所致，而环境温度不可调，因此需要增加仪表伴热系统的输入能量，减少能量偏差。

3.4 实现装置仪表伴热系统能量的预知控制

在预先计算出后一小时装置仪表伴热系统能量偏差后，根据偏差大小由AMS控制系统给出调节量，由DCS执行。调节对象是进装置仪表伴热系统蒸汽负荷，由仪表伴热系统总管线上的控制阀调节，提前增加或减少装置仪表伴热系统总能量输入，实现粗调。 粗调的动作速度快，但由于整个闭环时间常数非常大，调节作用会滞后，对于后一小时的预先调节只能起到一个大方向上的调整。 当经过几个调节周期后，仪表伴热系统能量偏差如果没有回到正常范围，则可通过AMS控制系统对单个仪表伴热系统能量偏差进行计算后给出单个仪表伴热系统能量控制方案，由人工手动对单个仪表伴热系统进行调节，从而实现微调，微调的特点是速度慢，但调节精度高。

3.5 举例分析

由于当前硬件条件不具备对整套装置伴热系统输入能量数据进行采集和计算，这里以单台变送器伴热损耗为例进行计算。

2018年4月5日夜间，兰州市气温出现大幅波动，最低气温由前些天的9 ℃降至-4 ℃。为避免伴热过度造成介质汽化，仪表一车间维护的大部分装置在4月初已对仪表伴热进行关闭，4月5日夜间至6日凌晨出现大量因仪表引压线冻凝造成的仪表指示异常情况。 这里以4月6日凌晨发生在炼油厂年产3万吨硫磺装置V3513罐压力变送器PI6021现场冻凝情况为例， 计算分析将变送器表体维持在25 ℃需要的热量。

利用公式ΔQ=KSΔT进行计算。 经查询，导热系数K为0.045 W/（m·℃）；经计算，仪表箱表面积为2.1 m2；ΔT为当日最低气温和变送器表体温度的差值。

以2018年4月兰州市的最低气温（图5）分别计算4月2～6日该变送器所需的伴热量。

图5 2018年4月兰州市气温曲线

2018年4月2日，该变送器的传热速率为ΔQ=0.045×2.1×（25-9）=1.512 W，由于1 W=1 J/s，即变送器保温箱每秒钟要向空气中传递热量1.512 J。假设低温9 ℃保持1 h不变，即仪表箱内能量每小时要向空气中传递5 443.2 J （1.512×3600=5443.2）能量，说明对此变送器伴热需要在正常能量的基础上多出5 443.2 J才能保证仪表箱内能量不会因为向外界传热而下降。 同理，可计算出2018年4月3～6日当天最低气温维持1 h， 变送器温度保持在25 ℃损耗的热量分别为6 463.8、6 804.0、9 185.4、9 865.8 J。

若能提前一个小时预测到气温变化，则可以计算出一台变送器在下一个小时需要消耗的能量是增加还是减少，对装置所有带伴热的变送器下一个小时需要消耗的能量进行累积计算，根据这个变化值首先调节进装置蒸汽伴热总量，实现装置伴热总负荷的预先粗调。 由于每块变送器表体温度不同，因此传热速率不同，可以根据每块仪表的传热速率标准值，实时对需要进行调节的仪表伴热负荷进行手动调节，进而实现了单独伴热回路细调。

4 结束语

笔者提出的防冻凝新模式可以实现预知控制，在仪表因介质状态变化原因造成工作波动之前，即干扰存在，使仪表达到报警值之前就提前给出预警。 可以预测设备的损坏情况，在装置仪表伴热系统负荷稳定，并且热损失变化也稳定的前提下， 当装置仪表伴热系统硬件出现故障，会造成能量不守恒。 当装置仪表伴热系统总能量增加，而单台变送器热损失并未发生变化，可推测是热量除了散热损失外， 产生了另外的损失原因。 该模式降低了仪表专业冬季维护的工作量，在保证仪表长周期平稳运行的同时也降低了过伴热情况带来的能量损失。