严寒地区电厂SCR烟气脱硝系统仪表设计与应用

李冬生 柳永刚 孙 伟

福斯特惠勒(河北)工程设计有限公司, 河北 石家庄 050051

0 前言

严寒地区冬季极端温度大都在-25℃以下,有的地区甚至低于-40℃，化工项目中这种低温会冻坏测量仪表和管线，引起测量不准以及现场执行机构或其他联锁回路的误动作,造成重大事故、人身安全和经济损失,因此,严寒地区的自控仪表设计必须考虑冬季低温带来的影响。一般设计都以在建项目地区极端温度为参考,东北地区某电厂SCR(选择性催化还原技术)烟气脱硝项目所在地区历史极端最低气温-39.2℃,这种低温工作环境下,自控仪表专业应在设备选型，电缆选型和敷设,以及仪表管线的保温伴热上有针对性地进行设计。

1 设备选型

1.1 温度仪表

东北地区某电厂SCR烟气脱硝项目在温度测量精度要求较高、测温元件反应速度要求快、周围环境无振动的场合应选用热电阻。该项目所在地昼夜环境温差大,测温热电阻宜选择四线制。

由于测温原件安装在现场,电阻信号要通过信号电缆送到控制室显示,距离较长。采用两线制热电阻时,电缆中的2根导线电阻也会计入到测温热电阻的阻值中,线路电阻因严寒地区昼夜环境温差大而变化较大,对温度测量结果会产生附加误差。若采用三线制热电阻,需增加1根导线(搭配电桥使用)来补偿导线电阻变化引起的测量误差,其等效电路见图1。线路电阻r分别被连接到上下桥臂当中,由于2根导线长度一样,r相同,对于平衡电桥,桥路输出电压U0不变,这样线路电阻就可以相互抵消,在任意桥臂上引入热电阻RTD后,U0的变化仅与RTD变化有关。但实际测量电路中,电桥不一定设计成平衡状态,对于不平衡电桥,只有仪表刻度在零点时,线路电阻才可以全补偿,当严寒地区环境温差大时,上下支路电压变化也会带来测量误差,因此,三线制热电阻也不能完全消除线路电阻的影响[1]。

图1 三线制热电阻测量等效电路图

图2 四线制热电阻测量原理图

如果采用四线制热电阻方式,其中2根导线为热电阻提供恒定电流I,把热电阻RT的电阻信号转换成电压信号U,再通过另2根导线把电压信号引至控制室,得到RT=U/I。测量电压回路没有电流相当于断路,U值只跟RT有关系,不受导线电阻及其导线电阻变化的影响,见图2。四线制热电阻能够消除环境温差大对电缆导线电阻的影响,测量精度高[1]。

该项目中反应器烟气温度(400～500℃)范围大,有振动,基于热电偶的测量原理,热电偶测量精度受环境温度影响小[2],此处采用抗震耐磨K型热电偶。

1.2 压力、差压仪表

压力、差压仪表类型应根据测量介质特性选择。

严寒地区,当测量介质为低温环境会凝固的水等介质时,优先选用无需伴热的仪表,可选用隔膜毛细管引压远传型。其中,毛细管填充液也需要根据环境温度选择,普通硅油低温极限使用条件为接液温度-10℃,环境温度-10℃；低温硅油低温极限使用条件为接液温度-30℃,环境温度-15℃；低温乙二醇低温极限使用条件为接液温度-50℃,环境温度-40℃[3-4]。该项目中毛细管填充液选用低温乙二醇。

对于低温环境下不易凝固介质,压力、差压仪表选型可不考虑低温的影响。例如在该项目中测量介质为烟气、空气时,介质不会因低温而凝固,可选用通过介质直接引压测量的普通压力变送器；测量介质为氨气和液氨时,氨气和液氨熔点低(-77.7℃)也不会因低温凝固,可选用氨用压力表和隔膜压力变送器[5]。

目前,大多数仪表设备的电路板和主要电子元器件要求正常工作的最低环境温度为-25℃,一些进口高品质的仪表可以达到-40℃,但价格较高。因此,如变送器选用液晶表头,在低温时可能会出现“花屏”现象,设计时尽量选用模拟表头,确需选用数字液晶表头时,应外加保温箱。

同时,有些金属材料如铸铁、碳钢等在低温环境下会变脆,影响仪表的使用寿命[6],因此该项目中压力表、压力变送器等仪表的外壳以及法兰等连接件宜采用304不锈钢；另外腈基丁二烯橡胶(使用环境温度-30～70℃)等,在-40℃时会失去弹性,因此,在选用垫片或仪表填料时应选用耐寒橡胶。

1.3 液位仪表

测量液氨液位可选用雷达液位计、浮筒液位计、差压液位变送器和磁翻板液位计,考虑到实用性和经济性,该项目选择就地液位测量显示选用主体304材质磁翻板液位计,无需做保温伴热；远传液位测量选用双法兰隔膜差压液位变送器(毛细管填充液同于压力、差压仪表的毛细管填充液),外壳选用304不锈钢,隔离膜片选用316 L不锈钢,使用环境温度为-40～85℃,介质温度为-70～205℃,具有精度高、稳定性好、不易泄漏等优点,是严寒地区化工装置过程控制中液位测量仪表的首选。

测量冷凝水等低温易冻介质液位,同样采用非介质引出型的双法兰隔膜差压液位变送器,可减少伴热,节约能源。如现场需就地观测液位,可选用带真空绝热保温夹套的不锈钢磁翻板液位计,并做好保温伴热工作。

1.4 流量仪表

在严寒地区,测量易冻介质的流量检测仪表,尽量不选用差压式流量计,因为差压式流量计需要引出介质,引压管路需要做保温伴热,容易因低温发生冻堵现象,而且伴热容易引起压力波动带来附加测量误差。

因此,流量检测仪表宜选用非介质引出型,如均速管流量计、电磁流量计、质量流量计、超声波流量计等。

1.5 阀门

考虑低温环境对金属材料的影响,该项目控制阀门的阀体材质选用SCS 14 A铸不锈钢,阀芯和阀座材质选用304不锈钢。而执行机构选用低温型,如气动薄膜型执行机构膜盖材质采用304不锈钢而非铸铁,膜片材质采用耐寒橡胶而非低温环境下会失去弹性的丁腈橡胶,其配套的电磁阀等附件同样也选择低温型。另外,根据HG/T 20510-2014《仪表供气设计规范》要求,气动执行机构供气系统的气源操作(在线)压力下的露点,应比历史上项目当地年(季)极端最低温度至少低10℃。

2 电缆选型和敷设

2.1 电缆选型

仪表控制电缆是整个自动控制系统稳定可靠运行的基础。目前生产电缆的厂家很多,型号也不尽相同,很多厂家的电缆长期工作环境温度最低可达-40℃。因此,严寒地区电缆选型时要注意选型样本所注明的温度使用范围,尽量少使用低温时易硬化的材料作为电缆外皮。该项目在充分咨询电缆厂家关于电缆的长期工作环境温度范围后，选用满足项目所在地气温状况的专用耐寒电缆[7]。

2.2 电缆敷设

仪表电缆敷设通常采用穿金属保护管和桥架敷设。在该项目中,部分场合为腐蚀性环境,桥架材质可选用耐腐蚀性能优异的不锈钢、铝合金、玻璃钢或成型聚合树脂。不锈钢桥架造价太高；铝合金桥架造价高且不适合现场跨度大的工况；玻璃钢桥架可正常使用的最低极限温度是-30℃左右,长期低温环境会导致桥架严重脆化,使持耐力急剧下降,发生分层撕裂,导致整体桥架系统垮塌,严重影响企业生产。综合考虑,设计最终选择了价格适中,性能优良的成型聚合树脂桥架。

常用的电缆挠性管PVC外护套在低温下极易老化、脆化,失效快。严寒地区电缆挠性管的外皮选用金属材质或直接使用低温电缆密封接头。该项目使用低温电缆密封接头。

现场电缆敷设时要满足电缆厂家要求的敷设环境温度,而且一定要遵循GB 50093-2013《自动化仪表工程施工及质量验收规范》要求,塑料绝缘电缆敷设温度不低于0℃；橡皮绝缘电缆敷设温度不低于-15℃；同时电缆的敷设施工期,尽量避开低温期。另外,需要直埋敷设的电缆埋深应在当地冻土层以下。

3 保温伴热设计

保温伴热主要针对引压管路和仪表电子元件[8-11],在设计时根据实际情况采用蒸汽伴热和电伴热结合的伴热方案。测量仪表集中区域采用蒸汽伴热,因为仪表设备相对集中,蒸汽管线输送线路短,运营成本低,易于回流液的排放收集和整体管理维护[12]。而远端分散部位的仪表设备采用电热带伴热方式,防止蒸汽伴热管线过长导致蒸汽冷凝,伴热管线末端冻堵。防爆电热带能够满足不同防爆场所的应用要求,均匀放热,功耗低,能够自动调节温度,且维护和维修都比较容易[13-15]。

同时,保温工作也要做好,否则伴热就起不了作用,仪表和管线也会被冻坏。该项目所采用的保温措施有：

1)采用保温箱。压力、液位、流量等变送器以及NOx分析仪等现场电子仪表均放置在保温箱内,保温箱根据情况采用蒸汽或电伴热,同时垫铺保温棉。严寒地区保温箱的保温效果要好,材质选用不锈钢，保温层厚度不小于30 mm[16]。

2)采用缠绕保温。对于不能放在保温箱的仪表,如均速管流量计和一些引压管线,则需要采用缠绕保温形式来保温。一般在仪表和管线做好伴热缠绕后加1层保温棉,严寒地区的仪表和引压管线需要多加几层保温棉。

4 结论

根据东北地区某电厂SCR烟气脱硝项目中脱硝装置投用后的运行情况来看,在项目设计和施工安装阶段,仪表、电缆等设备和材料的合理选用及其安装方式的改进，能有效解决严寒地区环境温度对自控系统和仪表设备带来的影响,避免仪表被冻坏或测量不准确,提高仪表可靠性,使生产装置运行安全可靠。实践证明,严寒地区有针对性地自控仪表设计是十分必要的。

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