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摘 要：近几年，我国燃气轮机快速发展，分布式小燃机在我国燃机建设中占有较大的比例，燃机日常启停多。冬季，受天然气上游价格和北方供暖的叠加影响，燃机启停更加频繁，启停过程中，汽水管路内介质工况剧烈变化，冬季低温环境会加剧其变化，长期0℃以下的低温易引起热控压力（流量、液位）变送器等测量装置取样管路内介质冻结，压力传递失效，表计测量失灵，严重时，造成机组停运，设备损坏。本文主要讨论燃机现场仪表管路电伴热装置发生故障的原因和现场施工的注意事项，通过汽水系统重要热控表计电伴热装置的冗余设计，保证冬季极寒天气电厂热控设备的安全度冬，旨在为燃机电厂冬季热控设备的电伴热装置的管理和使用提供有价值的建议和维护方法。

关键词：燃机电厂;汽水系统;极寒天气;热控表计管路冻结;电伴热装置;施工方法

1 前言

无论是大型燃机还是分布式小型燃机，余热锅炉是必备的配套换热装置，一般地，江苏地区余热锅炉采用露天布置，它吸收燃机高温排气的热量，将水转换为高温高压的蒸汽驱动汽轮机或对外供热，汽水系统的压力（流量、液位）变送器等测量装置必不可少（以下简称压力测量系统）。燃机启停多，难以使用传统的蒸汽伴热系统，普遍采用电伴热系统，近几年，江苏地区曾发生多起冬季热控重要表计冻结引起机组跳闸或难以启动的不安全事件。

燃机的电伴热装置应作为主设备同等对待，实现伴热装置的工作状态、投运后发热丝的负载电流和仪表管路的温度在DCS系统实时监视，发生异常时报警，提醒维护人员及时处置。

2 燃机电厂汽水仪表管路（表计）冻结的原因分析及危害

2.1环境温度低于0℃，仪表管路（表计）长期处于低于0℃的环境，管路内存有水或汽水混合物，液态水有结冰的可能。水在冻结的过程中，体积会增大约9%[1]。重者在管路中间先冻结，挤压，相对密闭空间的压力上超过管材或表计能承受的最大压力，将引起管路撕裂或表计损坏（压力测量值异常升高），严重时造成停炉停机;轻者，管路部分介质冻结，阻断主管道介质的压力传递，测量系统失去对被测对象的真实压力的监控，引起整个压力测量和控制系统失能。

2.2自发热与自散热失衡，不能保证管线中介质的温度高于管内流体的凝固点。压力测量系统的取样仪表管内的介质与主管路内介质不同，它是相对静止的、稳定的，其介质的温度远低于主管路内介质温度，当环境温度低于0℃，取样管路内的液态介质更容易冻结。为防止热量过快散发，电厂一般在取样仪表管外包裹约25mm[2]厚的保温材料，防止热量散失，汽水仪表管路如仅依靠外层保温，难以抵抗冬季的风寒，必须在取样管和保温材料之间增设功率足够的发热元件，使用电伴热装置是一种较好的选择。

2.3主管路内介质冻结，向取样管路扩散后的二次伤害。汽水主管路除非特殊情况，很少安装伴热带，机组停运后，如主管路内如有积水存在，环境温度低于0℃，管路内存水容易冻结，管路内局部产生密闭超高压容器效应，引起后续的取样管路或测量表计损坏。冬季寒冷天气，机组长期停运，应当及时排空主管路和余热锅炉汽包内等处的存水。

图1：燃机长期停运，冬季余热锅炉部分仪表管冻结。左图，低压汽包2异常升高，右图，凝结水流量有（63～100）t/h的不同显示。

3 电伴热装置加热带（丝）分类、工作特性和发热功率选择

3.1自控温电伴热带。加热带由内至外，由热敏加热体、平行电源线（两根）、绝缘包裹层、金属屏蔽网和加固绝缘外套[3]。自控温电伴热带一般分为高温型和低温型，接通电源后，电流从一根母线横向流过PTC材料层到达另一根母线形成并联回路。PTC层是电阻发热体，当伴热带的中心温度升到相应的高阻区时，大电阻几乎阻断电流，温度下降后，电阻减少，发热体再次导通，周而复始，维持相对稳定的高温。我公司现场实际使用65℃温度等级和110℃温度等级两种伴热帶，低温型电伴热带用于锅炉汽包水位和重要流量测量变送器仪表管的电伴热后备，高温型用于非重要参数测量单元仪表管的伴热。自控温电伴热带的优点是维护简单，伴热带具有防水、防腐蚀，不需要附加温控器。

3.2铠装电伴热电缆。加热电缆一般由线芯、绝缘材料、金属护套【不锈钢（321、316L）等】三部分组成，根据不同的额定电压等级、线芯数量、发热导体与金属护套[4]，适用于不同的场合，此类电伴热电缆需要温控器配合方可使用，温度测点的设置有较高要求。优点是机械强度高、使用寿命长、工作温度等级高、加热电缆最高承受温度可达650℃[5]，可以与取样管贴合安装，实现快速加热。缺点是，单位米长度的造价高达150元以上，是自控温电伴热的（4～5）倍，安装过程中弯曲的半径不能过小，其次，取样管保温层的防水非常重要，保温材料外防护皮没做好的情况下，伴热带遇渗水极速冷却，易导致加热电缆材金属护套开裂，潮湿的保温材料与电伴热外套缓慢发生电化学反应，腐蚀不锈钢护套，取样管线内介质的温度宜保持在（20～70）℃[6]之间。

3.3电伴热带发热功率的选择。单位长度取样管线的热损失计算公式如下[7]，

式中，Q标——单位长度管线热损失，W/m;t——保温层内部仪表管几何中心线管线温度，℃;t0——管线附近环境温度;D——管线与保温层组合的近似圆直径，mm，一般地，仪表管保温层厚（25～30）mm，此处取25mm;d——仪表管直径，现场常用不锈钢仪表管为14mm。λ——保温材料导热系数，取岩棉或矿棉，导热系数为0.044W/（m？℃）。查阅江苏省连云港地区近几年冬季最低温度-12.3℃[8]，为简化计算，环境温度取-10℃，不考虑管线内介质的吸放热，保温材料厚度25mm，为保证管线中心线温度保持30℃，电伴热带发热的米功率为7.3W/m。计算的发热功率是维持需要温度最低的发热量，实际使用，一般取计算发热功率值的（1.5～2）倍。例如江苏地区，在管线外保温良好的情况下，电伴热的发热米功率在（10～20）W/m，基本满足防寒需要。

3.4仪表箱内电伴热发热板功率的选取。参照HGT 20514-2014 《儀表及管线伴热和绝热保温设计规范》，仪表箱向外部散热损失与箱内外的温差、仪表箱的保温相关，燃机电厂户外仪表箱一般使用内附2cm左右岩棉或矿渣棉保温层，加热装置位于箱内底部，要求保温箱内温度尽量维持在（5～20）℃[9]。

仪表箱释放外部环境的热功率Q=仪表箱的导热系数K*仪表箱内外温度差△T。

按仪表箱有窗有保温，高=2000mm、宽=1000mm、深=600mm的规格计算，一只仪表箱相当于HG/T 20514-2014规范中4个170型保温箱的体积。查规范中的表二[10]，K=3.1、△T=30。Q=4*3.1*30=372W。选用的箱内加热器不小于372W，一般选用加热器500W，配用温控器，温度设定值为低于8℃启动加热器，高于30℃停止。与铠装电伴热电缆类似，仪表箱内温度低于5℃或高于55℃，箱内温度值和报警信号送至DCS系统监控画面。

4 电伴热装置发生故障的原因分析

我公司两台三菱M701F4型475MW燃机自2017年4月至2019年3月，按损坏设备的类型分，铠装电伴热电缆10根、自控温电伴热带5组、电伴热温控器2只、保温柜内发热盘9块、更换部分保温材料和外包不锈钢铁皮。按造成的后果分，电伴热投用后，#1炉低压汽包水位偏差大、TCA流量参数偏差大、一只FGH流量变送器无指示等严重影响机组的安全运行，主要故障的主要原因有以下几方面。

4.1铠装电伴热电缆安装不规范，与仪表管捆扎过紧，施工中未注意保护，铠装防护层受伤，弯曲半径过小，上电后跳闸或不发热。自控温电伴热带尾端密封不良，绝缘下降，PTC发热元件质量差，工作一段时间后，出现了暴露在空气中的发热正常，埋藏在保温内的热效能衰减，单位发热功率急剧下降。

4.2汽包水位、TCA流量参数偏差大，主要是安装不规范，没有做到同一只差压变送器仪表管电伴热同时同功率加热，间隔捆扎不规范，正、负压仪表管的发热均匀性不能保证。

4.3保温柜内发热盘损坏的主要原因是原保温柜配套的发热盘只有200W，功率太小，长时间连续工作导致。发热盘安装在保温柜的中部，不能保证柜内底部仪表管温度在0℃以上，需在柜底部增加一组发热盘。

4.4保温外层不锈钢皮接缝不严，部分保护层有朝上的开口。雨雪天气，积水沿外层保护层的缝隙和孔洞进入保温材料，长期与铠装伴热电缆接触、腐蚀伴热电缆金属层，破坏电气绝缘。

统计近两年电伴热装置的故障，安装不规范引起的故障约占42.9%，维护不当的故障约占23.7%，设备品质因素约占33.3%

5 汽水仪表管路电伴热装置安装的改进方法和关键环节

我们统计分析近两年来我厂和江苏公司发生的冬季因防寒防冻措施不到位发生的多起不安全事件，总结出“规范安装是基础，分层分段有后备，多点温控作监视，定期巡查和维护”的施工和维护方法，提高电伴热装置的工作效能，保证了机组安全运行。

5.1改进安装的方法，保证电伴热丝（带）发热的均匀性。汽包锅炉给水控制稳态品质指标不超过±25mm[11]。电伴热带不合规的安装会引起的正、负压仪表管加热不均，温度控制设置不当也会引起汽包水位的大幅波动和超差。电伴热电缆安装时，做到每间隔（400～600）mm与仪表管捆扎，安装过程中要保证伴热带弯曲的最小直径，多余的伴热带留置在仪表箱内盘绕，特别长的伴热带可以在管线之间“S”形铺放，单位长度相对高功率的伴热带可设置在管线的外侧。差压变送器同组的仪表管外用金属自粘带或金属皮包裹，管线排最外层金属皮包裹，形成“铁板”一块，利于伴热电缆的热量快速传递，防止热量在管排中心聚集。差压变送器的仪表管宜采用同一根电伴热或同等功率的电伴热，工作时同时加热，同时停止，防止伴热投用后引起差压信号异常波动。温度传感器宜放置在管线走廊的最低温度和最高温度区域，我公司使用多点温度监视温控器，最低温作为主控信号，最高温度作为报警信号，调整温控器的设定值，保证仪表管线维持在（20～70）℃，将温度监视信号通过信号电缆或无线发送接受装置，传送至DCS系统画面，进行连续监控。用于压力测量的仪表管电伴热电缆的安装可参照此执行。经验表明，柜内发热盘温控器低于8℃启动加热，高于30℃自动停止;仪表管电伴热温控器10℃启动，高于35℃停止，较为合适。仪表管排内温度低于8℃或高于80℃发出报警信息。

图2：现场施工图，左侧保温柜的背面，仪表管进柜孔也是伴热丝的出线口，防止开孔边缘割伤伴热丝;右侧捆扎后的效果，约500mm等距捆扎，相对高功率伴热丝放置在管排的迎风面或最外侧。

5.2增设多段加热，防止分支路管线冻结。仪表箱出口的仪表管排，伴热带相对集中，相对于主管路取样口的单支仪表管，管线内部温度较高，而总管线排与主管路之间的分支路，因为散热面积大，我们可根据实际增设分支路电伴热和温控装置，紧急情况下投用。

图3：仪表管分支路增加辅助电伴热装置，实现分段加热。左上图，冷凝罐和取样管暴露在空气中;右上图，汽包水位测量冷凝罐和取样管电伴热电缆外增保温;右下图，就地安装分支路仪表管电伴热温控箱，遇到连续多日最低温度低于0℃投入“自动温控”。左下图，江苏省扬州市2018年12月27日之后连续5天最低温度低于0℃，27日触发投用分支路电伴热装置，温控器的温度设定点参照前一小节。

测量仪表的排污阀是仪表管的尾端也是介质的最冷端，热量易散失，冬季来临前应将裸露的手轮外加保温铁皮，操作时再打开，排污阀下方的排液短管也一起包上，防止冷气从此透入。此外，要保证管线外的保温材料在各处充盈填实，外层金属皮保护层内的保温材料密度不低于150kg/m3[12]。

5.3改变温控器温度传感器的安装位置和温控器的规格，增加多点测温和无线远传，保证仪表管保温层内温度监视的准确性和及时性。压力式机械温控器感温包引线约长1m，不能灵活温度测量位置，温度设定旋钮不直观。如安装中挤压机械式温控器感温包或感温包引线断裂，易引起测温不准，推荐使用Pt100温度测点加智能数显温控器组合，利于监视温控器的工作状态和温度信号的远传。安装时，感温包（温度测点）不能与伴热电缆直接接触，温度测点尽量在最高和最低温度区域各设置一个或多个，低温区的做控温，高温区的监视报警。做到一根伴热电缆一个温控器一个漏电断路器，如果有条件，增加各伴热电缆负载电流的检测。

图4：左上图，机械压力温控器额定通断电流只有16A，保温柜只用1个机械温控器;右图，某电厂电伴热施工，一个保温柜内2个机械温控器驱动6根电伴热电缆，温控器（电伴热电缆）损坏难以及时发现。左下图，数字智能温控器，能实时显示仪表管排内温度和负载电流，伴热电缆工作时，控制箱面板的紅灯亮起。此外，温控器驱动接触器，接触器带动电伴热电缆，弥补了机械温控器接点容量小的不足，能及时发现故障伴热电缆。

5.4增加备用电伴热装置，实现分层伴热，保证主重要热控表计的可靠性。重要参数的水位（流量）变送器等仪表管可增加自控温电伴热带作冗余，铠装伴热电缆与仪表管紧贴安装，外裹一层保温，自控温电伴热带安装管线第一层保温的下方或缠绕在保温夹层内，按计算发热功率的（1.5～2）倍估算，可铺放多根。初入冬，先投入铠装电伴热电缆和保温箱电伴热，根据环境温度的变化分批投入和退出后备电伴热。电伴热系统投用后，每天巡查记录仪表管内部和保温箱内温度值和各电伴热电缆（带）的负载电流值，发现异常及时处理。迎风面增设挡风墙和保温小屋，保温箱（柜）仪表管的进口孔洞和底板封堵良好。总的原则，保证整个仪表管路不出现管线内介质局部沸腾，控制柜内温度在（5～30）℃之间。

图5：仪表管紧贴铠装电伴热电缆，保温夹层有自控电伴热带，最外侧有挡风墙的呵护，后备伴热投用可以看气温的变化，也可根据铠装电伴热装置的故障情况，正常情况不用。

6 结束语

燃机电厂汽水仪表管路电伴热装置不是永久工程，新机组投运的第一年冬天一定要提前试用，及早发现问题。一般地，不锈钢铠装电伴电缆的使用寿命约5～8年;自控温PTC电伴热带的使用寿命约2年，市场上存有杂牌或假名牌，烧一段时间就坏了，一定要谨慎选择。环境温度连续多日最低气温0℃以上，分支路电伴热和后备电伴热部分退出，可适当延长其使用寿命。

（1）建立电伴热装置检修运行设备台账。电伴热投用前检查记录各电伴热电缆（带）的内阻、绝缘电阻和负载电流，与前次的记录数据比较。投用后，每天巡查记录仪表管线内部温度、保温箱内部温度，各电伴热电缆（带、块）工作电流，与日常数值比较。

（2）增加临时温度检测元件。全程实现仪表管路的温度监视难以做到，排找仪表管最低、最高温度区域可以增加就地温度计监视，最低、最高温度区域会随机组的启停和气候变化动态改变，要以实际的最高、最低温度修正温控器的设定值，保证管线温度在合理的范围。

（3）检修作业时做好防损保护。机务的检修和保温调整，要做好电伴热电缆（带）的保护，防止外力损坏，严禁将自控温电伴热带与热源（铠装电伴热电缆）过于接近，恢复保温外层金属皮要密封防水，严防雨水从接缝处渗入保温层，遇到仪表管线渗漏，及时更换受潮的保温材料，恢复保温。

电伴热装置是燃气轮机组重要的隐蔽工程，也是机组控制系统的保障工程，要把好电伴热装置安装质量，规范施工标准，减少漏放多放，重视电伴热装置日常巡查和维护，好的电伴热装置能够保证机组安全度冬，让维护人员省心省力。

参考文献：

[1] 2017人教版物理八年级上册第六章《质量与密度》。

[2][6][7]中华人民共和国化工行业标准HGT 20514-2000 《仪表及管线和绝热保温设计规定》，P6，P4，P7。

[3]《Glight自控温电伴热带说明》，P1-P2。

[4][5]合肥华尔特电热材料有限公司《铠装电伴热丝耐高温加热电缆产品手册》：P2-P4。

[8] 中华人民共和国电力行业标准DLT 5072-2007《火力发电厂保温油漆设计规程》：P61。

[9][10] 中华人民共和国化工行业标准HGT 20514-2014《仪表及管线和绝热保温设计规定》：P11，P47-P48。

[11] 中华人民共和国电力行业标准DL/T657-2015 《火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》：P9。

[12] 中华人民共和国电力行业标准DL/T776-2001 《火力发电厂保温材料技术条件》：P4。

作者简介：

张东良（1970.11-），汉，男，江苏丹阳人，本科，工程师，江苏华电扬州发电有限公司，研究方向是：火电热控;王建荣（1971.8-），汉，男，江苏扬州人，大专，技师，江苏华电扬州发电有限公司，研究方向是：火电热控。