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    火電廠熱工儀表取樣管電伴熱系統的設計與應用

    引言

    在北方地區冬季火力發電廠運行過程中,部分設備環境溫度可能會低于0℃,如露天鍋爐(或設備);鍋爐停爐期間,鍋爐房內靠近門、窗、過道的低溫區域;直接空冷系統區域等。當環境溫度低于0℃時,會出現如下情況:儀表測量取樣管路內液態介質凍結,導致介質參數無法準確測量;氣動執行機構壓縮空氣管路產生冷凝水,凍結后導致閥門無法正常操作;直接空冷系統的工藝閥門底部存在積水,凍結后導致閥門無法正常操作;直接空冷凝結水系統和抽真空系統溫度過低或凍結,造成翅片管束內出現結冰現象。

    北方地區火力發電廠儀表取樣管路常采用電伴熱和蒸汽伴熱2種保溫方式,伴熱介質釋放一定的熱量,通過直接或間接能量交換來補充被伴熱儀表管的熱損失,以達到儀表管路內介質的正常工作要求。蒸汽伴熱方式通過蒸汽伴熱管道釋放的熱量用以彌補被保溫管道的熱量損失,由于蒸汽的散熱量不易控制,整個管路伴熱分布不均勻,局部可能造成被測介質的汽化,保溫效率較低。電廠中汽、水系統熱工測點布置分散,需要伴熱的儀表取樣管路布置復雜,導致布置蒸汽伴熱管道較為困難。另外,蒸汽伴熱管道冬季運行時經常會出現“泡、冒、滴、漏”現象,存在一定的安全隱患。與蒸汽伴熱相比,電伴熱系統具有熱效率高、節能、使用壽命長和自動控制等優點,故火電廠熱工儀表取樣管路宜將電伴熱作為首選的保溫防凍方式。

     

    電伴熱原理

    電伴熱是在絕熱層和被伴熱管道之間安裝起加熱作用的半導體高分子材料,利用電熱的能量來彌補儀表取樣管路在取樣過程中所散失的熱量,從而使儀表取樣管路內介質溫度維持在最合理范圍。典型電伴熱電纜樣式如圖1所示。

     

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    電伴熱電纜由半導體高分子材料和2根平行合金母線加內部高分子絕緣材料、合金屏蔽網、外部高分子聚合物護套構成(如圖2),其中半導體高分子材料經特殊工藝加工而成,是主要發熱部件。

    電伴熱電纜采用的鍍錫銅合金最高耐溫可達593℃.其單位長度的發熱量恒定,目不因外界環境、保植材料的變化而變化,具有恒定功率的特點;含氟聚合物護套可為伴熱電纜和編織層提供附加保護,適用于高溫、化學和腐蝕環境。

     

    電伴熱電纜的發熱過程受環境淚度影響較大。根據熱脹冷縮原理,當伴熱電纜周圍環境處于低溫狀態時,導電化學高分子材料將產生做分子收縮,使高分子內部碳粒連接,形成回路,繼而產生電流,伴熱電纜開始發熱;當伴熱電纜周圍環境處于高溫狀態時,導電化學高分子材料產生微分子膨脹,使高分子內部碳糙分開,無法形成問路,從而使電路發生中斷,電阻值上升,阻斷電流,輸出功率降低,伴熱電纜發出的熱量也相應降低。由于導電化學高分子材料受周圍環境溫度影響而自動調節,儀表取樣管路內介質溫度將在最合理的區間內波動。

     

    2電伴熱系統的設計

    2.1與熱力計算有關的幾個因素

    2.1.1保溫層厚度

    不同的保溫材料隨著工況的變化保植層厚度也有區別。我同儀表取樣管保溫層厚度一般為10~30mm,儀表取樣管線標注為“30/25”,表示內保溫層厚度為30mm、外保溫層厚度為25mm;儀表取樣管線標注為“25“(無需保溫層)。一般情況下,計算取樣管線散熱量時,保溫層厚度選取25mm。

    2.1.2管線內介質溫度

    根據火力發電廠工藝流程特點,儀表取樣管內介質可按高溫、中溫、低溫3種工況考慮。高溫介質(溫度>200°C)主要包括過熱蒸汽、再熱蒸汽、省煤器進口給水及過熱器減溫水等;中溫介質(65~200°C)主要包括凝結水、除氧水等;低強介質(最高溫度為65℃)為常溫水。根據不同儀表取樣管內的介質溫度也用可采用不同的作熱電纜,既能滿足保溫要求,也可降低工程造價。高溫介質的測量取樣管路宜采用帶恒定功率的電伴熱電纜;中溫、低瘟介質的測量取樣管路宜采用自控溫電伴熱IQ,纜。

    2.1.3保溫材料的導熱系數

    當儀表取樣管路保謐層厚度一定時,為了提高保溫效果,應選用導熱系數小的保溫材料。設計過程中通常選用硅酸鋁保溫材料,其保溫系數為0.044W/(m·℃)。

    2.2計算選型示例

    以北方某火力發電廠為例,除氧水壓力測量取樣管路長度L1為15m,外徑d為14mm,測量取樣管內介質溫度t1為90℃,最低環境溫度t2為-25℃,采用硅酸鋁保溫材料,保溫系數A為0.044W/(m·℃),保溫厚度δ為25mm,壓力測量取樣管路散熱量Q計算公式如下:

    Q=2πλ(t1-t2)/ln[(d+2δ)/d]=21W/m。

    電伴熱電纜可采用平行法和纏繞法進行敷設。如計算出的單位長度熱損失小于電伴熱電纜單位長度的額定發熱值,一般采用平行法,即使用鋁膠帶將伴熱電纜直接粘貼在管道上,并使用耐熱膠帶每隔0.5m沿徑向包扎電伴熱電纜即可;如計算出的單位長度熱損失大于電伴熱電纜單位長度的額定發熱值,一般采用纏繞法。纏繞法需先確定電伴熱電纜的纏繞螺距S,然后根據S計算電伴熱電纜的長度L。纏繞螺距S計算公式如下:

    S=πd/(K2-1)1/2且,

    式中d一管道外徑,mm;

    K-電伴熱電纜的長度系數,K等于取樣管路散熱量Q除以電伴熱電纜的米功率。

    電伴熱電纜的長度L計算公式如下:

    L=(L1/S)[S2+(πd)21/2

    表1列出了4種CWH2型電伴熱電纜的參數。

    以CWH2-20W電伴熱電纜、除氧水壓力測量取樣管路散熱量Q為21W/m為例,利用上述公式計算得:S=137.38mm,L=l7.3m。查詢該電廠施工階段電伴熱電纜敷設清冊,除氧水壓力測量取樣管路伴熱電纜實際敷設量為17.5m,設計誤差率僅為1.14%,設計準確率較高。

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    利用纏繞法敷設電伴熱電纜時,以往采用預估方式計算電伴熱電纜用量,即通常取被保溫取樣管路長度的1.5-2倍。若選取1.5倍系數,15m除氧水壓力測量取樣管路則需22.5m電伴熱電纜,與現場實際敷設量偏差較大??梢?,利用上述公式計算電伴熱電纜長度,可以較為準確地計算出全廠電伴熱電纜使用量,降低工程材料造價。

    2.3電源設計

    由于電伴熱電纜需要220V交流電源,在電源設計中,通常需專為主廠房電伴熱電纜配電設置一面電源柜,以滿足主廠房各區域電伴熱電纜電源要求。一般情況下,電伴熱電源柜布置在鍋爐運轉層,電伴熱電源柜電源來自兩路380V交流電源,分別是鍋爐運轉層MCCA段、MCCB段,再通過電游、自動切換裝置、盤內小母線、熔斷器分配給主廠房儀表保溫箱供電回路。在上述選型示例中,按長度15m保溫取樣管、管路內介質溫度t1為90℃、米功率為20W/m的電伴熱電纜,保溫箱內配置lOOOW電加熱器、60W白熾燈,電伴熱電纜的供電電流為1.37A,可選支路微型斷路器容量為2A、保溫箱主回路微型斷路器容量宜選用lOAa

     

    3 電伴熱系統安裝注意事項

    (1)掌握供貨廠家《電伴熱系統安裝與操作手冊》的要求,接受廠家技術人員的專業安裝培訓,對電伴熱電纜進行絕緣性能測試。

    (2)對儀表導管、閥門進行防銹、防腐、去除毛刺和銳角等處理。

    (3)合理安裝高溫介質管路內保溫層(硅酸鋁隔熱棉),且厚度不低于設計值,以防直接接觸燒壞電伴熱電纜。

    (4)安裝電伴熱電纜、外保溫層以及鍍缽白鐵皮后,應進行絕緣性測試,防止熱量過快損失和人員接觸燙傷。

     

    4 應用效果

    北方地區某火力發電廠2*330MW機組電伴熱系統的設計應用了上述方法,單臺機組伴熱電纜總設計用量960m,實際使用電伴熱電纜994m,設計誤差率低。實踐證明,按照本文所述的設計方法進行熱工儀表取樣管電伴熱系統設計,不僅使用效果良好,節約了投資,降低了工程造價,而且能夠充分發揮電伴熱系統的優勢。

     

     


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