鄭 海 梁官軍 呂 博 楊 方
(中國(guó)石油蘭州石化公司a.設(shè)備維修公司儀表一車間;b.動(dòng)力廠)
對(duì)于高緯度地區(qū)的石油化工企業(yè)來(lái)說(shuō),防凍凝是冬季生產(chǎn)過(guò)程中的一項(xiàng)重點(diǎn)工作。 進(jìn)入冬季后,由于氣溫大幅度降低,位于現(xiàn)場(chǎng)的儀表設(shè)備在測(cè)量過(guò)程中常常會(huì)出現(xiàn)介質(zhì)凍凝的情況,嚴(yán)重影響了儀表的正常運(yùn)行,造成操作人員和儀表維護(hù)人員工作量增加,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐裳b置聯(lián)鎖停工和安全事故。 現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備防凍凝的狀況直接影響到裝置的安全生產(chǎn)和平穩(wěn)運(yùn)行。
傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)儀表防凍凝工作主要分為兩大類: 第1類是針對(duì)含水較多或凝點(diǎn)較低的介質(zhì),在測(cè)量管線中灌注防凍液, 保證測(cè)量管線在較低的環(huán)境溫度下不會(huì)發(fā)生凍凝;第2類是通過(guò)物理手段增加熱源對(duì)儀表本體及其引壓線進(jìn)行伴熱, 通過(guò)熱量傳遞保證引壓線內(nèi)的介質(zhì)溫度恒定, 減少介質(zhì)冷凝或凍凝造成的儀表測(cè)量失真情況出現(xiàn)。常用的伴熱熱源為蒸汽、熱水和電熱帶。
筆者對(duì)目前冬季防凍凝工作的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,提出了一種創(chuàng)新模式,該模式可實(shí)現(xiàn)預(yù)知控制,保證儀表長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行。
在西北地區(qū),每年十月起,儀表維護(hù)單位便著手開(kāi)展本年度冬季儀表防凍凝工作,對(duì)部分儀表重新灌注防凍液,對(duì)所有儀表保溫材料進(jìn)行排查,對(duì)缺失的保溫材料進(jìn)行重新包裹,對(duì)伴熱回路中的故障設(shè)備進(jìn)行更換,及時(shí)消除伴熱回路出現(xiàn)的跑冒滴漏情況等。
雖然儀表維護(hù)單位每年對(duì)儀表保溫伴熱工作都非常重視, 并且能夠?qū)⒏黜?xiàng)措施落實(shí)到位,但是在氣溫發(fā)生大幅度變化時(shí),依然會(huì)出現(xiàn)儀表凍凝、積液或者介質(zhì)帶水造成防凍液被大量置換等情況,使儀表指示出現(xiàn)偏差。 尤其是夜間,由于晝夜溫差大,情況更為突出。 因?yàn)閮x表凍凝造成的故障占了很大比重,是冬季儀表維護(hù)工作量升高的主要原因之一。
圖1是蘭州石化設(shè)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?yàn)閮x表凍凝造成儀表指示偏差而產(chǎn)生的工作量占整個(gè)儀表專業(yè)工作量的比重。 由圖可見(jiàn),2016年10月~2017年4月該比重超過(guò)了四分之一,2017年10月~2018年4月該比重超過(guò)了三分之一??梢?jiàn),傳統(tǒng)的儀表防凍凝工作只是被動(dòng)對(duì)計(jì)劃進(jìn)行落實(shí),對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行整改,這種模式存在很多缺點(diǎn),而儀表保溫效果的好壞和防凍凝的能力卻沒(méi)有根本上的改善,冬季儀表防凍凝工作量依舊持續(xù)在高位。
圖1 儀表一車間防凍凝工作量餅圖
在傳統(tǒng)儀表防凍凝模式的基礎(chǔ)上,利用科學(xué)的手段優(yōu)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(yè)整體故障率,是儀表專業(yè)當(dāng)前急需解決的問(wèn)題之一。
針對(duì)灌注防凍液的儀表,引壓線內(nèi)的防凍液在儀表正常工作過(guò)程中逐漸被介質(zhì)所置換,或者因?yàn)椴僮髟蚝驮O(shè)備本身缺陷, 防凍液逐漸流失,造成測(cè)量管線內(nèi)介質(zhì)密度變化,帶來(lái)附加的壓差,使測(cè)量出現(xiàn)誤差,當(dāng)誤差積累到一定程度時(shí)無(wú)法真實(shí)反映實(shí)際測(cè)量值,只能通過(guò)重新灌注防凍液和平衡儀表來(lái)消除。 此類缺陷無(wú)法從根本上避免,只能通過(guò)延長(zhǎng)防凍液被置換的周期并減小防凍液流失程度來(lái)進(jìn)行優(yōu)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(huì)有所影響。
對(duì)于物理手段伴熱的儀表,伴熱作用的強(qiáng)弱根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)節(jié),達(dá)到熱量補(bǔ)充和散熱平衡。 由于熱量傳遞和調(diào)節(jié)的滯后,當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí),伴熱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡發(fā)生改變,很容易造成伴熱力度不夠或過(guò)伴熱情況出現(xiàn),造成介質(zhì)狀態(tài)發(fā)生變化而引起測(cè)量誤差,這只能通過(guò)對(duì)引壓線內(nèi)凝液或汽化介質(zhì)進(jìn)行排放并平衡儀表后消除。 針對(duì)此類缺陷,可以通過(guò)熱平衡法計(jì)算出每套裝置和每臺(tái)儀表最佳伴熱狀態(tài)時(shí)需要的熱量, 并通過(guò)數(shù)據(jù)的及時(shí)采集與分析得到預(yù)測(cè)值,以此預(yù)測(cè)值為依據(jù)及時(shí)調(diào)整伴熱溫度,達(dá)到優(yōu)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(jìn)行分析。 儀表防凍凝工作量、環(huán)境溫度的走勢(shì)如圖2所示。 從宏觀可以看出,儀表防凍凝工作量隨著環(huán)境氣溫的降低而增加,說(shuō)明傳統(tǒng)儀表伴熱回路抵抗環(huán)境變化的能力是有限的,傳統(tǒng)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(wú)法從根本上改善冬季儀表防凍凝工作的現(xiàn)狀。
圖2 儀表一車間防凍凝工作量、環(huán)境溫度的走勢(shì)
根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和大量歷史數(shù)據(jù)的分析,可以明確一點(diǎn),即環(huán)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(xué)第一定律即能量守恒定律進(jìn)行判斷,其熱平衡方程為ΔU=W+Q,其中ΔU為系統(tǒng)內(nèi)能增量、W為外界對(duì)物體(或物體對(duì)外界)所做的功、Q為外界吸收(或放出)的熱量。
在沒(méi)有外界對(duì)儀表伴熱系統(tǒng)進(jìn)行做功的情況下,單純通過(guò)熱傳遞來(lái)改變儀表伴熱系統(tǒng)的內(nèi)能,內(nèi)能的變化可以用傳遞熱量的多少來(lái)度量。 單位時(shí)間內(nèi),儀表伴熱系統(tǒng)內(nèi)能的增加(或減少)量ΔU就等于從外界吸收(或?qū)ν饨绶懦觯┑臒崃縌,即ΔU=Q。 而在實(shí)際環(huán)境中,儀表伴熱系統(tǒng)內(nèi)的介質(zhì)收到伴熱系統(tǒng)能量傳遞的同時(shí),也向環(huán)境中散發(fā)出一定的熱量。 在理想狀態(tài)下, 當(dāng)伴熱系統(tǒng)輸出的能量恒定不變,同時(shí)在環(huán)境中損失的能量也恒定不變時(shí),ΔU為一個(gè)恒定值,ΔU=Q1-Q2,其中Q1為伴熱系統(tǒng)通過(guò)熱傳遞向測(cè)量系統(tǒng)增加的動(dòng)態(tài)能量,Q2為測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)熱傳遞在環(huán)境中損失的動(dòng)態(tài)熱量。
當(dāng)伴熱系統(tǒng)輸出的能量變化,或者測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)熱傳遞在環(huán)境中損失的熱量變化時(shí),這個(gè)平衡就發(fā)生變化。 使平衡發(fā)生變化的干擾因素一個(gè)是伴熱系統(tǒng)負(fù)荷的變化,另一個(gè)就是環(huán)境溫度的變化。 當(dāng)伴熱系統(tǒng)負(fù)荷保持不變時(shí),由于環(huán)境溫度上升或下降,造成測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)熱傳遞在環(huán)境中損失的熱量減少或增加,必定會(huì)使儀表伴熱系統(tǒng)的能量增加或減少,原來(lái)穩(wěn)定的能量平衡被打破, 儀表測(cè)量管路內(nèi)部介質(zhì)能量同時(shí)增加或減少,對(duì)應(yīng)溫度上升或下降,當(dāng)溫度達(dá)到所測(cè)介質(zhì)沸點(diǎn)或凝點(diǎn)時(shí),介質(zhì)狀態(tài)發(fā)生變化,出現(xiàn)汽化或冷凝的情況,進(jìn)而使儀表測(cè)量出現(xiàn)偏差。 當(dāng)環(huán)境溫度恒定時(shí), 由于伴熱系統(tǒng)負(fù)荷的增加或減少,也會(huì)造成相似的情況發(fā)生。
而在實(shí)際情況中, 伴熱系統(tǒng)負(fù)荷和環(huán)境溫度不可能同時(shí)保持恒定不變, 兩者都在不停地發(fā)生變化,某個(gè)變量發(fā)生大范圍的波動(dòng),都會(huì)造成儀表伴熱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)能量發(fā)生大的變化,進(jìn)而造成介質(zhì)狀態(tài)改變,影響正常測(cè)量。 儀表伴熱系統(tǒng)只是一個(gè)開(kāi)環(huán)的、單方向的能量傳遞系統(tǒng),并且溫度傳遞和測(cè)量都存在滯后, 傳統(tǒng)手段不具備伴熱負(fù)荷的動(dòng)態(tài)控制條件。 通過(guò)調(diào)節(jié)整套裝置的伴熱負(fù)荷或者人為手動(dòng)及時(shí)調(diào)節(jié)每一個(gè)儀表回路的伴熱, 保證每一臺(tái)儀表伴熱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)能量都穩(wěn)定, 不隨伴熱負(fù)荷和環(huán)境溫度的變化而改變,是一個(gè)不可能完成的任務(wù)。 只有對(duì)系統(tǒng)能量進(jìn)行量化計(jì)算, 建立動(dòng)態(tài)分析和預(yù)測(cè)模型,并進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),才能最大程度地實(shí)現(xiàn)儀表伴熱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)能量穩(wěn)定, 使其真正達(dá)到可控狀態(tài)。
以儀表最常用的蒸汽伴熱為例進(jìn)行分析。 如圖3所示,以1 h作為信號(hào)采集計(jì)算周期,對(duì)儀表伴熱系統(tǒng)實(shí)時(shí)能量進(jìn)行計(jì)算,并按照預(yù)計(jì)能量變化提前對(duì)儀表伴熱系統(tǒng)能量進(jìn)行調(diào)節(jié)。
圖3 儀表伴熱系統(tǒng)能量變化計(jì)算流程
3.1.1 計(jì)算方法和依據(jù)
當(dāng)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(duì)于冷凝水不返回的用戶,其儀表伴熱系統(tǒng)蒸汽總線測(cè)量示意圖如圖4所示[1]。熱流量計(jì)算式為:
圖4 儀表伴熱系統(tǒng)蒸汽總線測(cè)量示意圖
式中 h——蒸汽的比焓,kJ/kg;
p——蒸汽壓力,MPa;
qm——質(zhì)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(jì)算機(jī)等)按照測(cè)量得到的蒸汽壓力、溫度,查詢存儲(chǔ)在儀表內(nèi)的表格,得到蒸汽密度和比焓,進(jìn)而計(jì)算qm和φ。
3.1.2 實(shí)現(xiàn)
工藝所用伴熱蒸汽和生產(chǎn)所用蒸汽基本屬于同一個(gè)系統(tǒng),由不同壓力級(jí)別的進(jìn)裝置蒸汽總線引入,因此生產(chǎn)所用蒸汽負(fù)荷的變化會(huì)造成儀表伴熱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)能量大幅度波動(dòng)。 為避免這一干擾, 同時(shí)將儀表伴熱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)能量進(jìn)行量化,應(yīng)當(dāng)將儀表用伴熱蒸汽與生產(chǎn)所用蒸汽分離開(kāi),同時(shí)在儀表伴熱總線上加裝溫度、流量和壓力檢測(cè)儀表,實(shí)時(shí)測(cè)量并計(jì)算出每小時(shí)進(jìn)入裝置儀表伴熱系統(tǒng)的蒸汽能量。
3.2.1 計(jì)算方法和依據(jù)
當(dāng)儀表保溫箱、 管線與環(huán)境溫度存在溫差時(shí),熱量會(huì)由熱流體向冷流體的方向傳遞,即向環(huán)境中散熱。 取變送器表體溫度作為熱流體的實(shí)際溫度,以本地實(shí)時(shí)氣溫作為冷流體溫度。 傳熱速率ΔQ的計(jì)算式為:
式中 K——導(dǎo)熱系數(shù);
S——散熱面積;
ΔT——熱冷流體的溫度差。
3.2.2 實(shí)現(xiàn)
利用現(xiàn)場(chǎng)智能變送器和AMS控制系統(tǒng)的強(qiáng)大功能, 可實(shí)時(shí)采集出每一塊變送器的溫度,以此溫度作為現(xiàn)場(chǎng)熱流體的溫度進(jìn)行計(jì)算;以當(dāng)前本地天氣預(yù)報(bào)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(nèi)保溫材料的種類和厚度查詢出對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù),計(jì)算出當(dāng)前這個(gè)小時(shí)內(nèi)單臺(tái)儀表的散熱量,進(jìn)而可以計(jì)算出整套裝置儀表伴熱系統(tǒng)實(shí)時(shí)散熱量之和。
3.3.1 計(jì)算方法和依據(jù)
裝置儀表伴熱系統(tǒng)實(shí)時(shí)能量為進(jìn)入裝置儀表伴熱系統(tǒng)的總能量與裝置儀表伴熱系統(tǒng)實(shí)時(shí)散熱量之差。
采集后一小時(shí)本地天氣預(yù)報(bào)的氣溫值,將其作為冷流體的溫度送入AMS控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算,這樣就可以預(yù)先計(jì)算出單臺(tái)變送器的傳熱速率,并計(jì)算出后后一小時(shí)單臺(tái)變送器在空氣中損失的熱量。 再根據(jù)每一塊單臺(tái)儀表后一個(gè)小時(shí)的預(yù)計(jì)散熱量,計(jì)算出整套裝置后一個(gè)小時(shí)預(yù)計(jì)散熱量。 進(jìn)而可得:裝置儀表伴熱系統(tǒng)后一小時(shí)預(yù)計(jì)能量為進(jìn)入裝置儀表伴熱系統(tǒng)的總能量與裝置儀表伴熱系統(tǒng)后一小時(shí)預(yù)計(jì)散熱能量之差。
3.3.2 實(shí)現(xiàn)
在儀表伴熱系統(tǒng)負(fù)荷和所有儀表伴熱回路的動(dòng)態(tài)能量損失之和不變的情況下,儀表伴熱系統(tǒng)實(shí)時(shí)能量是一個(gè)固定值,在保證裝置所有儀表均在最佳測(cè)量狀況時(shí),這個(gè)固定值就是整套裝置儀表伴熱所需要的能量值,這個(gè)值可以是一個(gè)最佳值,也可以是一個(gè)范圍。 能量偏差為裝置儀表伴熱系統(tǒng)實(shí)時(shí)能量與裝置儀表伴熱系統(tǒng)后一小時(shí)預(yù)計(jì)能量之差。
能量偏差為正,說(shuō)明裝置儀表伴熱系統(tǒng)后一小時(shí)預(yù)計(jì)能量將會(huì)降低, 是由于散熱量增加所致,而環(huán)境溫度不可調(diào),因此需要增加儀表伴熱系統(tǒng)的輸入能量,減少能量偏差。
在預(yù)先計(jì)算出后一小時(shí)裝置儀表伴熱系統(tǒng)能量偏差后,根據(jù)偏差大小由AMS控制系統(tǒng)給出調(diào)節(jié)量,由DCS執(zhí)行。調(diào)節(jié)對(duì)象是進(jìn)裝置儀表伴熱系統(tǒng)蒸汽負(fù)荷,由儀表伴熱系統(tǒng)總管線上的控制閥調(diào)節(jié),提前增加或減少裝置儀表伴熱系統(tǒng)總能量輸入,實(shí)現(xiàn)粗調(diào)。 粗調(diào)的動(dòng)作速度快,但由于整個(gè)閉環(huán)時(shí)間常數(shù)非常大,調(diào)節(jié)作用會(huì)滯后,對(duì)于后一小時(shí)的預(yù)先調(diào)節(jié)只能起到一個(gè)大方向上的調(diào)整。 當(dāng)經(jīng)過(guò)幾個(gè)調(diào)節(jié)周期后,儀表伴熱系統(tǒng)能量偏差如果沒(méi)有回到正常范圍,則可通過(guò)AMS控制系統(tǒng)對(duì)單個(gè)儀表伴熱系統(tǒng)能量偏差進(jìn)行計(jì)算后給出單個(gè)儀表伴熱系統(tǒng)能量控制方案,由人工手動(dòng)對(duì)單個(gè)儀表伴熱系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)微調(diào),微調(diào)的特點(diǎn)是速度慢,但調(diào)節(jié)精度高。
由于當(dāng)前硬件條件不具備對(duì)整套裝置伴熱系統(tǒng)輸入能量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和計(jì)算,這里以單臺(tái)變送器伴熱損耗為例進(jìn)行計(jì)算。
2018年4月5日夜間,蘭州市氣溫出現(xiàn)大幅波動(dòng),最低氣溫由前些天的9 ℃降至-4 ℃。為避免伴熱過(guò)度造成介質(zhì)汽化,儀表一車間維護(hù)的大部分裝置在4月初已對(duì)儀表伴熱進(jìn)行關(guān)閉,4月5日夜間至6日凌晨出現(xiàn)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(fā)生在煉油廠年產(chǎn)3萬(wàn)噸硫磺裝置V3513罐壓力變送器PI6021現(xiàn)場(chǎng)凍凝情況為例, 計(jì)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(jìn)行計(jì)算。 經(jīng)查詢,導(dǎo)熱系數(shù)K為0.045 W/(m·℃);經(jīng)計(jì)算,儀表箱表面積為2.1 m2;ΔT為當(dāng)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(jì)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(shè)低溫9 ℃保持1 h不變,即儀表箱內(nèi)能量每小時(shí)要向空氣中傳遞5 443.2 J (1.512×3600=5443.2)能量,說(shuō)明對(duì)此變送器伴熱需要在正常能量的基礎(chǔ)上多出5 443.2 J才能保證儀表箱內(nèi)能量不會(huì)因?yàn)橄蛲饨鐐鳠岫陆怠?同理,可計(jì)算出2018年4月3~6日當(dāng)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(gè)小時(shí)預(yù)測(cè)到氣溫變化,則可以計(jì)算出一臺(tái)變送器在下一個(gè)小時(shí)需要消耗的能量是增加還是減少,對(duì)裝置所有帶伴熱的變送器下一個(gè)小時(shí)需要消耗的能量進(jìn)行累積計(jì)算,根據(jù)這個(gè)變化值首先調(diào)節(jié)進(jìn)裝置蒸汽伴熱總量,實(shí)現(xiàn)裝置伴熱總負(fù)荷的預(yù)先粗調(diào)。 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(jù)每塊儀表的傳熱速率標(biāo)準(zhǔn)值,實(shí)時(shí)對(duì)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的儀表伴熱負(fù)荷進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)伴熱回路細(xì)調(diào)。
筆者提出的防凍凝新模式可以實(shí)現(xiàn)預(yù)知控制,在儀表因介質(zhì)狀態(tài)變化原因造成工作波動(dòng)之前,即干擾存在,使儀表達(dá)到報(bào)警值之前就提前給出預(yù)警。 可以預(yù)測(cè)設(shè)備的損壞情況,在裝置儀表伴熱系統(tǒng)負(fù)荷穩(wěn)定,并且熱損失變化也穩(wěn)定的前提下, 當(dāng)裝置儀表伴熱系統(tǒng)硬件出現(xiàn)故障,會(huì)造成能量不守恒。 當(dāng)裝置儀表伴熱系統(tǒng)總能量增加,而單臺(tái)變送器熱損失并未發(fā)生變化,可推測(cè)是熱量除了散熱損失外, 產(chǎn)生了另外的損失原因。 該模式降低了儀表專業(yè)冬季維護(hù)的工作量,在保證儀表長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)也降低了過(guò)伴熱情況帶來(lái)的能量損失。