淺談電伴熱設(shè)計與應(yīng)用

霍帆

摘要：電伴熱作為一種管道保溫和防凍方案廣泛應(yīng)用于各類工廠。 本文闡明了電伴熱的技術(shù)優(yōu)勢，對不同種類電伴熱的工作原理進行了介紹，并結(jié)合設(shè)計實際，指出了電伴熱的設(shè)計方法和電伴熱的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電伴熱；電熱帶；電伴熱設(shè)計

引言

伴熱作為一種有效的管道保溫及防凍方案在工廠中一直被廣泛應(yīng)用。其工作原理是利用緊靠在管道外壁的伴熱管線散發(fā)一定的熱量， 通過直接或間接的熱交換補充管道的熱損失，以達到升溫、保溫或防凍的工作要求。國內(nèi)伴熱大多采用傳統(tǒng)的蒸汽或熱水伴熱，但蒸汽、熱水的散熱量不易控制，其保溫效率始終處于一個較低的水平。由于管道需要常年伴熱，能源消耗大，利用率低，伴熱管會產(chǎn)生“跑”、“冒”、“滴”、“漏”現(xiàn)象。 目前，包括能源業(yè)在內(nèi)的很多部門已廣泛推廣了電伴熱技術(shù)， 電伴熱是沿管線長度方向或在罐體容積大面積上的均勻放熱， 溫度梯度小， 熱穩(wěn)定時間較長， 適合長期使用， 其所需的熱量（ 電功率） 大大低于蒸汽和熱水加熱， 具有熱效率高、節(jié)約能源、設(shè)計簡單、施工安裝方便、無污染、使用壽命長、能實現(xiàn)遙控和自動控制等優(yōu)點， 可替代蒸汽、熱水等伴熱技術(shù)， 是國家重點推廣的節(jié)能項目。

1.電伴熱產(chǎn)品分類

電伴熱系統(tǒng)由供電電源系統(tǒng)、電纜加熱系統(tǒng)和電伴熱智能控制報警系統(tǒng)三部分組成。每個電伴熱回路中包括溫控器、溫度傳感器、斷路器、接觸器、工作狀態(tài)顯示器、故障蜂鳴報警器等電路。常用的電伴熱產(chǎn)品有如下幾種形式：

1.1 恒功率型電伴熱

恒功率型電伴熱顧名思義，就是伴熱帶在通電后功率輸出一直恒定， 不會隨外界環(huán)境、保溫材料、伴熱材質(zhì)變化而變化，包括并聯(lián)式恒功率電伴熱帶和串聯(lián)式電伴熱帶。并聯(lián)式電伴熱其電阻絲采用并聯(lián)連接方式， 工作時靠電阻絲發(fā)熱對管道進行加熱。在氟化物絕熱層中包覆著兩根相互平行的鍍鎳銅絞線作為電源母線， 并且在內(nèi)絕熱層外纏繞鎳鉻合金電熱絲， 每隔一段固定距離將電熱絲進行焊接， 形成一個連續(xù)的并聯(lián)電阻。當(dāng)電源銅母線通電以后，各并聯(lián)電阻隨之發(fā)熱，形成一個連續(xù)發(fā)熱的電熱帶，可任意剪切。串聯(lián)式恒功率電伴熱帶其電阻絲是串聯(lián)連接方式，絕緣銅絞線為電源母線，即為發(fā)熱芯線。電流通過具有一定內(nèi)阻的芯線就會產(chǎn)生焦耳熱，因此串聯(lián)式電伴熱只要通過電流就能源源不斷地發(fā)出熱量，形成一條均勻連續(xù)發(fā)熱的電伴熱帶。由于采用串聯(lián)，所以整根電伴熱帶首尾發(fā)熱均勻，其輸出功率恒定不受環(huán)境溫度和管道溫度等外界環(huán)境的影響。恒功率電熱帶由溫控器控制來控制通斷，能較準(zhǔn)確地控制介質(zhì)的溫度，但由于溫控器檢測的只是一點的溫度，因而不能反映整條被伴熱管線的溫度情況，具有一定的局限性。此外，恒功率電熱帶在使用時不宜交叉，以防止產(chǎn)生局部高溫。

1.2 自控溫電伴熱電纜

自控溫電熱帶的主要原理是： 在兩條平行線路中間充填導(dǎo)電塑料作為芯線，當(dāng)電源接通后，電流通過一條導(dǎo)線傳輸?shù)搅硪粭l導(dǎo)線形成回路，芯線通電后發(fā)出熱量以補償管道的散熱損失。其中由塑料加導(dǎo)電碳粒經(jīng)特殊加工而成的核心材料PTC是發(fā)熱的關(guān)鍵。當(dāng)伴熱管道周圍溫度較低時，導(dǎo)電塑料產(chǎn)生微分子收縮，碳粒連接形成電路使電流通過，伴熱線便開始發(fā)熱；而溫度較高時，導(dǎo)電塑料產(chǎn)生微分子膨脹，碳粒逐漸分開，電阻值增大，電路中斷，伴熱線自動減少功率輸出，發(fā)熱量降低；當(dāng)周圍溫度變冷時，塑料又恢復(fù)到微分子收縮狀態(tài)，碳粒相應(yīng)連接起來形成回路，伴熱線發(fā)熱功率又自動上升。自控溫電伴熱帶的電阻隨著溫度升高而增大，在降溫時若電阻能沿著原升溫路線返回原來的起點，便具有PTC記憶性能，具有記憶性能的電纜才能長期反復(fù)使用。自控溫電伴熱帶的芯帶是由大量的纖細導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成的PTC并聯(lián)單元組成。當(dāng)伴熱管道任何區(qū)段出現(xiàn)料溫及能耗波動時，所在部位的各個PTC元都能直接感溫并獨立做出響應(yīng)，即時朝著消除波動的方向自動調(diào)整各自的輸出功率，以維持整個系統(tǒng)各區(qū)段的運行溫度均勻穩(wěn)定。這是一種微區(qū)跟蹤、全線同步、全自動的伴熱保溫過程。

1.3 礦物絕緣加熱電纜

礦物絕緣加熱電纜（MI）是以金屬作為外護套，由芯線、高溫礦物絕緣材料填充層等組成，其電阻體材料是高溫時穩(wěn)定的耐熱合金。MI電纜具有耐高溫（維持溫度達430℃，最高伴熱溫度可達到590℃）、防水、防爆、機械強度高、壽命長、安全可靠等特點。MI礦物電纜的輸出功率是由串聯(lián)電阻、電源電壓和線路長度確定的。與其它恒功率電熱電纜一樣，不受管道溫度和氣候條件的限制。其缺點是由于MI電纜以金屬作為外護套，剪切及封口較麻煩，給現(xiàn)場施工安裝帶來不便；另外，護套內(nèi)充填礦物粉末，對彎曲半徑有較高要求，多次彎曲變形后將影響MI 電纜的安全可靠性。

2.電伴熱的設(shè)計方法

電伴熱在設(shè)計前需要準(zhǔn)備的材料有：伴熱管線表、工藝自控流程圖、設(shè)備平面布置圖、配管平面布置圖、單管圖、電氣危險區(qū)域劃分平面圖。并在此基礎(chǔ)上進行電伴熱的設(shè)計。

2.1 電伴熱設(shè)計內(nèi)容

（1）電伴熱系統(tǒng)的設(shè)計說明

（2）伴熱系統(tǒng)材料表，主要包括：電伴熱帶、電源接線盒、兩通、三通、尾端及其附件；配電柜；溫度傳感器和控制系統(tǒng)或機械式溫控器

（3）伴熱系統(tǒng)的計算書（Design Sheet）

（4）伴熱電氣系統(tǒng)設(shè)計文件，包括電氣原理圖、配電柜外形尺寸圖、盤面布置圖等。

（5）電伴熱帶的敷設(shè)圖一般是在管線單管圖的基礎(chǔ)上完成。原則上是一個回路一張圖，如回路數(shù)量較大，也可拆分成多張圖。圖面上應(yīng)包括以下內(nèi)容：

①管線走向及長度，并注明閥門、法蘭、過濾器、泵及管線支架的位置及數(shù)量。

②伴熱帶的敷設(shè)，包括伴熱帶、電源接線盒、三通、尾端，兩通不必表示在圖中。

③溫度傳感器或機械式溫控器的位置，如采用機械式溫控器，當(dāng)回路電流低于30 A 時，可以將溫控器接線盒用作電源接線盒。

④圖例，表示伴熱系統(tǒng)的各部件。

⑤材料表。

⑥回路參數(shù)表，包括伴熱回路編號、所敷設(shè)的管線號、管線長度、保溫厚度、閥門/法蘭/管托的數(shù)量、維持溫度、最低環(huán)境溫度、伴熱帶型號、伴熱帶長度、工作電壓、管線熱損失、伴熱帶的發(fā)熱功率、伴熱比等。

⑦伴熱帶敷設(shè)時設(shè)備裕量表。

2.2 電伴熱設(shè)計的步驟

主要步驟包括：

（1）整理伴熱管線表，主要目的是確認管線數(shù)量的完整、溫度參數(shù)（如操作溫度、設(shè)計溫度和維持溫度等） 、保溫厚度的正確。

（2）根據(jù)工藝自控流程圖和管線三維圖對原設(shè)計中的回路合并進行確認，對原設(shè)計中由于設(shè)計深度不夠，回路的合并有不合理的地方，如空間位置上不在同一個區(qū)域。

（3）根據(jù)回路中管線號，將管線三維圖按回路進行分類整理。

（4）在設(shè)計的前期應(yīng)盡早廠家的技術(shù)人員將遇到的問題進行澄清。

（5）在進行電伴熱敷設(shè)圖前應(yīng)先編寫設(shè)計統(tǒng)一規(guī)定，對圖幅、圖框、角圖章、字號、圖面布置、圖面表示深度、材料表等做出統(tǒng)一規(guī)定。

（6）在電伴熱帶敷設(shè)圖設(shè)計中，應(yīng)對原計算書（Design Sheet）根據(jù)管線三維圖進行調(diào)整。

（7）材料表，根據(jù)每張電伴熱敷設(shè)圖的材料表進行匯總。

（8）根據(jù)電伴熱帶敷設(shè)圖中電源接線盒坐標(biāo)將其位置標(biāo)在裝置平面圖中，作為電伴熱電氣設(shè)備平面布置圖，此外在該圖中還應(yīng)包括現(xiàn)場防爆配電柜等與電伴熱相關(guān)的設(shè)備布置。

（9）有些項目要求電纜表（電纜清冊），應(yīng)根據(jù)電伴熱計算書（Design Sheet）、橋架布置圖和電伴熱電氣設(shè)備平面布置圖。

（10）配電柜的相關(guān)圖紙。

（11）設(shè)計說明，將在設(shè)計、安裝中典型的問題加以說明，設(shè)計統(tǒng)一規(guī)定中的一些內(nèi)容也可反映到設(shè)計說明中。

3.電伴熱的應(yīng)用

電伴熱可廣泛用于化工、石油、電力、建筑、醫(yī)藥、機械、食品、船舶等行業(yè)的管道、泵體、閥門、槽池和罐體容器的伴熱保溫、防凍和防凝，是輸液管道、貯液介質(zhì)罐體維持工藝溫度的重要方法。電伴熱不但適用于蒸汽伴熱的各種場所，而且能解決蒸汽伴熱難以解決的很多問題：

3.1較偏遠的地區(qū)，沒有蒸汽或其他熱源的地方，如石油工業(yè)中的鉆井平臺等。

3.2距離較長管道的伴熱或無規(guī)則外形的設(shè)備（如泵）伴熱。

3.3塑料與非金屬管道的伴熱或管道安裝時空間面積狹小的地點。

3.4如果對工藝介質(zhì)的溫度要求較為嚴格，沿管道的溫降按要求應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，當(dāng)保溫層不能完全滿足這一要求時，采用電伴熱方法就能較好地解決這一問題。

3.5對原油等高凝點的介質(zhì)，如果其熱源突然失常（功率下降或關(guān)斷）、停輸或由于環(huán)境溫度的大幅度降，隨著熱量的散失，有可能因其溫度低于凝點而發(fā)生凝結(jié)事故時， 采用電伴熱能防止這種事故的發(fā)生。

4.結(jié)束語

隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展及高分子材料科學(xué)的進步，越來越多的用戶已開始不再考慮傳統(tǒng)的伴熱方式。電伴熱在某些項目雖然一次性投資略高， 但伴熱效果好， 節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟，已經(jīng)在應(yīng)用中取得了很好的效果， 必將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。