石油化工裝置電伴熱系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

， ，

(甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

石油化工裝置電伴熱系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

王麗娟，楊武，李曙彤

(甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

隨著高分子材料科學(xué)的進(jìn)步及電力事業(yè)的發(fā)展，電伴熱方式已逐步在化工、油田、機(jī)械、電力、制藥、食品和建筑等領(lǐng)域應(yīng)用。電伴熱技術(shù)對環(huán)保有積極意義，有著廣闊的發(fā)展前景。分析比較了自調(diào)控技術(shù)與恒功率技術(shù)的不同原理及特點，介紹了石油化工裝置中自調(diào)控電伴熱系統(tǒng)的設(shè)計選型。電伴熱系統(tǒng)在滿足設(shè)備工藝要求的同時具有高效、節(jié)能的特點，在石油化工設(shè)備中應(yīng)用廣泛，為設(shè)備的穩(wěn)定生產(chǎn)及運(yùn)行提供保障。

電伴熱系統(tǒng)； 石油化工裝置； 自調(diào)控； 恒功率； 設(shè)計； 應(yīng)用

石油化工裝置中的各類分離器、電脫水器、雙介質(zhì)過濾器、熱交換器及段塞流捕集器等需要在一定的溫度條件下才能正常工作，滿足工藝要求，在停工或檢修期間，容器、配管中殘留的介質(zhì)不可凍結(jié)。為了達(dá)到防凍、維持工藝溫度、降低介質(zhì)黏度、防液化等目的，常需要對石油化工裝置中的設(shè)備或管線采取伴熱措施。伴熱方式分為熱水伴熱、蒸汽伴熱及電伴熱，其中電伴熱的熱源方便靈活，熱效率可達(dá)80%～90%，是熱效率最高的一種熱保護(hù)方式，具有運(yùn)行可靠、不需經(jīng)常維修等優(yōu)點[1]。對環(huán)境潔凈程度要求較高的場所，或要求對伴熱系統(tǒng)實現(xiàn)溫度精確控制或遙控和自動控制的場合，可采用電伴熱[2]。文中對石油化工裝置中電伴熱系統(tǒng)的組成、應(yīng)用及設(shè)計進(jìn)行簡要介紹。

1 電伴熱系統(tǒng)組成及應(yīng)用場合

電伴熱系統(tǒng)由供電電源系統(tǒng)、電伴熱加熱系統(tǒng)以及電伴熱智能控制報警系統(tǒng)3部分組成。每個電伴熱回路由電伴熱帶、電源接線盒、溫控器或溫度傳感器、三通接線盒、尾端以及安裝附件組成(圖1)，其中溫控器包括環(huán)境感應(yīng)溫控器和管線感應(yīng)溫控器兩類[3]。

圖1 電伴熱系統(tǒng)組成示圖

電伴熱系統(tǒng)主要用于以下場合：①防凍。對于水等介質(zhì)，電伴熱系統(tǒng)對其進(jìn)行熱補(bǔ)償，使其在靜止或流量降低等情況下也具有高于冰點以上的安全溫度，從而起到防凍作用。②防凝。對原油等高凝點介質(zhì)，如果其熱源突然失常(功率下降或關(guān)斷)、停輸或環(huán)境溫度大幅降低，電伴熱可防止其溫度低于凝點而發(fā)生凝結(jié)事故。③工藝保溫。如果對工藝介質(zhì)的溫度要求較為嚴(yán)格，沿管道的溫降被要求控制在一定的范圍內(nèi)，當(dāng)保溫層不能滿足該要求時，采用電伴熱方法能較好地解決此問題[4]。

2 電伴熱技術(shù)原理

電伴熱就是利用電伴熱設(shè)備將電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過直接或間接的熱交換，補(bǔ)充被伴熱設(shè)備通過保溫材料所損失的熱量，并采用溫度控制，跟蹤和控制伴熱設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的溫度，使之維持在一個合理和經(jīng)濟(jì)的水平上。電伴熱技術(shù)有自調(diào)控技術(shù)、恒功率技術(shù)、聚合物絕緣(PI)技術(shù)及礦物絕緣(MI)技術(shù)等，常用的有自調(diào)控技術(shù)與恒功率技術(shù)。

2.1自調(diào)控技術(shù)

電伴熱帶由導(dǎo)電聚合物包裹2根平行母線外加絕緣層構(gòu)成，導(dǎo)電聚合物由聚合物和可導(dǎo)電的碳?；旌隙桑朔N材料可傳導(dǎo)電流、熱量，對各種微波具有阻擋效應(yīng)，機(jī)械強(qiáng)度高，易加工且質(zhì)輕[5]。當(dāng)平行母線通電時，碳粒就在2根平行母線間形成電路，母線間的導(dǎo)電碳粒數(shù)隨外界溫度的影響而變化。外界溫度高，導(dǎo)電塑料產(chǎn)生的微分子膨脹，碳粒漸漸分開，引起電路中斷，電阻增大，功率降低，發(fā)熱量減小。反之，發(fā)熱量增加，微分子收縮，電路接通，電阻減小。即自限式電伴熱帶可根據(jù)環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)功率，以達(dá)到維持溫度的要求。由于這種溫度記憶材料內(nèi)部的導(dǎo)電活性網(wǎng)絡(luò)均勻且密度可變，從而其具有正溫度系數(shù)(PTC)效應(yīng)[6]。

2.2恒功率技術(shù)

電伴熱帶通電后輸出功率恒定，功率的輸出或停止通常由溫度傳感器來控制，恒功率技術(shù)包括并聯(lián)式恒功率技術(shù)和串聯(lián)式恒功率技術(shù)。

并聯(lián)式電伴熱帶由2根互相平行的鍍鎳銅絞線包覆在氟化物絕熱層中作為電源母線，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焊接，形成一個連續(xù)的并聯(lián)電阻。當(dāng)電源母線通電后，就形成一個連續(xù)發(fā)熱的電熱帶。

串聯(lián)式恒功率電伴熱帶的電阻絲是串聯(lián)連接方式，整根電伴熱帶首尾發(fā)熱均勻，不受環(huán)境溫度和管線溫度影響。

2.3自調(diào)控電伴熱與恒功率電伴熱比較

自調(diào)控電伴熱帶每一局部皆可因被伴熱處的溫度變化而自動調(diào)節(jié)，可按照制造時給定的溫度記憶調(diào)整到限額，既不會發(fā)生溫度不足，也不會局部過熱損壞電纜的某一部分[7]，允許交叉重疊纏繞敷設(shè)而不存在過熱及燒毀等問題。平行(并聯(lián))線路的構(gòu)造使其在現(xiàn)場可任意剪切，施工便利，若需要溫度精確，則可以加設(shè)溫控系統(tǒng)，一般使用鉑熱電阻檢測管線實際溫度，溫控器根據(jù)反饋溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，控制伴熱帶工作[8]。自調(diào)控電伴熱系統(tǒng)優(yōu)點：①伴熱管線溫度均勻，不會過熱，安全可靠。②伴熱管線接近所需達(dá)到的溫度時，功率自動降低，節(jié)約電能，運(yùn)行成本低。③間歇操作情況下，當(dāng)系統(tǒng)處于較低溫度啟動時，其加熱功率處于最大值，升溫快速[9]。④安裝維護(hù)簡便，便于自動化管理。

恒功率電伴熱帶不允許交叉重疊敷設(shè)，需要溫控系統(tǒng)配套使用。并聯(lián)型恒功率電伴熱帶最小使用長度不能低于一個發(fā)熱節(jié)長度，常用于溫度要求高和防爆區(qū)域的大型罐體和管道。串聯(lián)型恒功率電伴熱帶一般按照實際需用長度設(shè)計，并在出廠時預(yù)制成成品，過長或過短均會影響功率、溫度，故不得任意切割或接長，建議用于長輸管道如石油長輸管線。恒功率電伴熱系統(tǒng)優(yōu)點：①啟動電流小，低能耗。②年衰減率低，使用壽命長。③最大使用長度長，最大單向使用長度較長，回路數(shù)量較少，總成本較低。

石油化工裝置中基本采用自調(diào)控式電伴熱帶系統(tǒng)。自調(diào)控與恒功率的溫度控制曲線對比見圖2。

圖2 自調(diào)控與恒功率溫度控制曲線圖

3 自調(diào)控電伴熱系統(tǒng)設(shè)計選型

電伴熱是利用電伴熱帶產(chǎn)生的熱量來補(bǔ)償由管道或設(shè)備散失到環(huán)境中的熱量，以便維持管道溫度[10]，因此可利用工藝參數(shù)、環(huán)境參數(shù)計算熱損失后選擇熱補(bǔ)償伴熱帶型號，并設(shè)計其補(bǔ)償長度、回路數(shù)、安裝附件數(shù)量等，根據(jù)安裝環(huán)境確定電源接線盒、三通、尾端等附件型號。

3.1管道及罐體散熱計算

首先需確定各工藝參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，主要包括工藝介質(zhì)必須維持的溫度TM(一般是凍結(jié)點或凝固點之上，流體粘稠度最適中的溫度)、當(dāng)?shù)刈畹铜h(huán)境溫度TA、管道和罐體尺寸、保溫層的材料和厚度、設(shè)備所在區(qū)域類型。

根據(jù)式(1)計算管道散熱量QT1：

QT1=QBf

(1)

式中，QB為管道每米散熱量，W/m，一般由管道散熱量手冊查出，如果沒有對應(yīng)的數(shù)值，可用內(nèi)差法計算；f為保溫系數(shù)，見表1。

表1 不同保溫材料保溫系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)

根據(jù)式(2)計算罐體熱損QT2：

QT2=QV+QS+QA

(2)

其中

QV=AVkf

(3)

式中，QS為水泥板或支腿、鞍座等支撐件散失到環(huán)

境中的熱量，QA為人孔、梯子等附件損失的熱量，W/m；AV為罐體的保溫面積，m2；k為罐體熱損失率，W/m2。不同保溫層厚度下的罐體熱損失率見表2。

表2 不同保溫層厚度下罐體熱損失率

一般設(shè)計時要考慮10%的安全系數(shù)，若罐體在室內(nèi)，則乘以0.9的系數(shù)。

3.2電伴熱帶產(chǎn)品選型

3.2.1伴熱帶型號及功率選擇

根據(jù)管道最高持續(xù)性操作溫度Tc、管道最高偶然性操作溫度Ti(如蒸氣、熱水或熱油掃線時)、TM溫度下管道散熱量QT1、供電電壓、一般區(qū)或危險區(qū)、化學(xué)環(huán)境等參數(shù)選擇伴熱帶型號系列。目前，可采用專業(yè)軟件完成熱損計算及電伴熱帶選型。

根據(jù)自調(diào)控電伴熱帶在保溫層內(nèi)金屬管上的功率曲線選擇伴熱帶的功率類別，需確認(rèn)發(fā)熱功率等于或大于管道散熱量。

3.2.2伴熱帶長度計算

計算管道部分所需伴熱帶長度時，如果伴熱帶每米發(fā)熱量足夠補(bǔ)償散熱量，則伴熱帶的長度與管道長度相同；如果伴熱帶的發(fā)熱量小于散熱量，則需纏繞或增加伴熱帶數(shù)目至2根或更多。此外，根據(jù)罐體熱損失量及伴熱帶單位長度輸出功率即可得出罐體所需伴熱帶長度，每個法蘭需要的伴熱帶長度等于法蘭直徑的2倍，每個閥門需要的伴熱帶長度等于閥門散熱系數(shù)(表3)乘以每米管道需要的伴熱帶長度，每個管架需要的伴熱帶長度等于管道與管架接觸處長度的3倍，電源盒、三通等附件需預(yù)留1 m的伴熱帶余量。

表3 閥門散熱系數(shù)

3.3相關(guān)電氣設(shè)備設(shè)計

電伴熱的供電為單相，電源由配電間引來，或經(jīng)過電伴熱就地動力配電箱分配給若干供電回路[11]。所有的自調(diào)控電伴熱電源部分均需連接過流保護(hù)開關(guān)，作為必要的電氣保護(hù)。與伴熱回路相關(guān)的電氣設(shè)備也必須完全符合電氣規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)。因?qū)嶋H應(yīng)用中存在漏電的風(fēng)險[12]，故文獻(xiàn)[13，14]均提出，電伴熱負(fù)荷采用專用變壓器供電，變壓器二次側(cè)應(yīng)采用接地系統(tǒng)，每個電伴熱電路應(yīng)具有高阻接地(即漏電)和短路故障保護(hù)能力，在其漏電電流超過30 mA時，應(yīng)能自動斷開該電伴熱線路電源。美國石油協(xié)會(API)標(biāo)準(zhǔn)[15]對電伴熱的要求也引用文獻(xiàn)[13]作為依據(jù)。

3.4高溫吹掃與防爆環(huán)境設(shè)計

當(dāng)管線蒸汽吹掃溫度大于電伴熱帶耐熱溫度時，由于蒸汽吹掃時間相應(yīng)較短，可采用圖3所示的雙層保溫層結(jié)構(gòu)來保證使用。這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)層保溫厚度一般為5～10 mm，在內(nèi)保溫層外包鐵皮、鋁皮或鋁膠帶，鋁膠帶上敷設(shè)電熱帶。內(nèi)層保溫可有效降低蒸汽吹掃溫度，雙層保溫溫度示意見圖4。

圖3 電伴熱雙層保溫層結(jié)構(gòu)

NEC標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)對電伴熱帶所處防爆環(huán)境的區(qū)分有明顯差異，我國是參考IEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類的，對電伴熱帶在防爆環(huán)境中的設(shè)計和應(yīng)用有以下規(guī)定：①電伴熱帶不允許在0區(qū)使用。②在1區(qū)/2區(qū)，所有的電伴熱帶、附件以及配電盤必須符合相

圖4 雙層保溫溫度示意圖

應(yīng)區(qū)域的溫度等級和防爆要求，控制和接線盒盡可能放在1區(qū)之外。③每個電伴熱帶回路都需設(shè)置獨(dú)立的斷路器進(jìn)行控制，根據(jù)文獻(xiàn)[13]建議，每一電伴熱線路應(yīng)采用30 mA對地漏電開關(guān)進(jìn)行電工保護(hù)，特別是在防爆區(qū)、危險區(qū)、腐蝕區(qū)或管道需經(jīng)常維修和電伴熱線易受到機(jī)械損壞的區(qū)域。

4 結(jié)語

按文中方法進(jìn)行了多套石油化工設(shè)備電伴熱系統(tǒng)的設(shè)計選型，實際應(yīng)用表明，電伴熱系統(tǒng)設(shè)計合理，選型正確，符合各項目控制要求，在伴熱帶總長度核算準(zhǔn)確的前提下，充分發(fā)揮了其節(jié)能高效的優(yōu)點，滿足工藝要求，提高了設(shè)備生產(chǎn)效率。

[1] 徐衛(wèi)毅，張亞利.電伴熱技術(shù)在北方架空燃?xì)夤艿乐械膽?yīng)用[J].科技傳播，2012(10)：113-115.

(XU Wei-yi，ZHANG Ya-li. Application of Electric Heat Tracing Technology in Northern Overhead Gas Pipeline[J].Applied Technology，2012(10)：113-115.)

[2] HG/T 20514—2014，儀表及管線伴熱和絕熱保溫設(shè)計規(guī)范[S].

(HG/T 20514—2014，Design Code for Tracing and Insulation of Instrument and Impulse Line[S].)

[3] 彭海濱.電伴熱在石化行業(yè)中的應(yīng)用[J].石油化工自動化，2010，46(6)：20-23.

(PENG Hai-bin. The Application of Electrical Tracing in Petrochemical Plants[J]. Petrochemical Industry Automation，2010，46(6)：20-23.)

[4] 劉春陽.電伴熱原理及其一般用法[J].中國海上油氣(工程)，1998(6)：14-17.

(LIU Chun-yang. Heat Tracing Principle and General Usage[J]. China Offshore Oil and Gas(Engineering)，1998(6)：14-17.)

[5] 于金珠.導(dǎo)電聚合物在自動調(diào)節(jié)電加熱帶中的應(yīng)用[J].塑料，1992(5)：20-23.

(YU Jin-zhu. The Application of Conducting Polymers in Automatic Adjustment Electric Heating Tracing[J].Plastic，1992(5)：20-23.)

[6] 趙放.PTC自控溫伴熱電纜的工作機(jī)理和特性[J].電線電纜，1993(2)：22-26.

(ZHAO Fang. Working Mechanism and Characteristics of PTC Automatic Control Temperature Heating Cable[J]. Wire and Cable，1993(2)：22-26.)

[7] 劉介人.自控調(diào)溫伴熱電纜的應(yīng)用技術(shù)[J].石油鉆采工藝，1984(5)：51-59.

(LIU Jie-ren. Automatic Temperature Adjustment Application Technology of the Heating Cable[J]. Oil Drilling Process，1984(5)：51-59.)

[8] 丁艷慧.電伴熱帶在液體物料管線上的應(yīng)用[J].安全、健康和環(huán)境，2011，11(7)：26-28.

(DING Yan-hui. Application of Electric Tracer Material Used in Liquid Line and Its Safety Operation[J].Safety Health & Environment，2011，11(7)：26-28.)

[9] 常伯濤.自調(diào)控電伴熱系統(tǒng)的原理和應(yīng)用[J].安裝，2000(1)：33-34.

(CHANG Bo-tao. Principle and Application of Automatic Temperature Adjustment Heating Tracing System[J].Installation，2000(1)：33-34.)

[10] 時衛(wèi)玲.電伴熱技術(shù)在輸油管道上的應(yīng)用[J].石油化工自動化，2000(4)：82-84.

(SHI Wei-ling. The Application of Electric Tracing Technology on Oil Transportation Pipeline[J]. Automation in Petro-chemical Industry，2000(4)：82-84.)

[11] 徐英.儀表電伴熱系統(tǒng)的設(shè)計選型與施工[J].中氮肥，2006(1)：33-34.

(XU Ying. Pattern Selection and Construction of Instrument Electric Tracing System[J]. Itrogenous Fertilizer Progress，2006(1)：33-34.)

[12] 李建球.海洋石油平臺電伴熱漏電保護(hù)電路設(shè)計探討[J].石油工程建設(shè)，2011，37(2)：11-19.

(LI Jian-qiu. Discussion on Ground Fault Protection Circuit Design of Electrical Heat Tracing for Offshore Platform[J].Petroleum Engineering Construction，2011，37(2)：11-19.)

[13] IEEE 515—1997，IEEE Standard for the Testing，Design，Installation，and Maintenance of Electrical Resistance Heat Tracing for Industrial Applications[S].

[14] 中國船級社.淺海固定平臺建造與檢驗規(guī)范(2004)[S].

(China Classification Society. Offshore Fixed Platform Construction and Inspection Specifications(2004)[S].)

[15] API RP 14F—1999，Recommended Practice for Design and Installation of Electrical Systems for Fixed and Floating Offshore Petroleum Facilities for Unclassified and Class I，Division 1 and Division 2，Locations[S].

(張編)

DesignandApplicationofElectricHeatTracingSysteminPetrochemicalInstallations

WANGLi-juan，YANGWu，LIShu-tong

(Lanpec Technologies Limited， Lanzhou 730070， China)

With the progress of polymer material science and the development of electric power industry，electric heat tracing has been gradually recognized and applied to fields such as the chemical，oil field，machinery，power，pharmaceutical，food，architecture and etc. Electric heat tracing technology has positive significance to the environment protection that is highly promoted currently，and broad development prospects therefore. The design and selection of electric heat tracing system in petrochemical equipments were introduced. Principles and characteristics of two typical electric heat tracing system-automatic adjustment and control technology and constant power technology were analyzed and compared. It satisfied the process requirement with characteristics of higher efficient and energy saving，and has been widely applied in petroleum chemical industry equipment and is a guarantee for the stable production and operation of the equipment.

electric heat tracing system； petrochemical equipment； automatic adjustment and control； constant power； design； application

TQ050

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.05.011

1000-7466(2017)05-0057-05

2017-03-28

王麗娟(1990-)，女，山東滕州人，助理工程師，學(xué)士，從事海洋陸地油氣田電氣設(shè)計工作。