化工企業(yè)儲運系統(tǒng)恒功率電伴熱帶的應用及風險控制

范楓林

(南京理工大學，江蘇南京 210094)

化工生產企業(yè)主廠區(qū)管道伴熱所需的公用工程條件完備，伴熱方式也根據(jù)現(xiàn)場條件靈活多樣，而企業(yè)的儲運系統(tǒng)往往居于廠區(qū)周邊或偏遠地區(qū)，公用工程配套不全、巡檢及維護管理難度大。而電伴熱較蒸汽伴熱，節(jié)能效果好，易于集中精確控制。因此，采用電伴熱實現(xiàn)儲運系統(tǒng)物料管線集中伴熱是目前的主流。

1 電伴熱帶的分類及特點

1.1 電伴熱帶分類

電伴熱帶作為電伴熱系統(tǒng)的核心，根據(jù)其結構和原理的不同，可分為恒功率電伴熱帶和自限溫電伴熱帶，前者又包括串聯(lián)式電伴熱帶、并聯(lián)式電伴熱帶2種類型。

1.2 電伴熱帶特性比較

從表1電伴熱帶特性比較可以看出，并聯(lián)式恒功率電伴熱帶和自限溫式電伴熱帶均不適宜長管段伴熱，均具有并聯(lián)帶的局部電阻絲損壞不易發(fā)現(xiàn)、壽命相對較短的缺點，而且自限溫式電伴熱帶控溫精度低且須定制；串聯(lián)式恒功率電伴熱帶則適合于長管線，控溫精確，故障率低，且故障點易發(fā)現(xiàn)、易查找，與并聯(lián)帶和自限溫帶比較具有相對優(yōu)勢。

2 化工儲運系統(tǒng)的伴熱特點及對電伴熱的適應性要求

2.1 儲運系統(tǒng)伴熱特點

a)儲運生產為間歇性作業(yè)，物料輸送管線工藝動態(tài)變化多，同一個物料儲運系統(tǒng)有時送料，有時收料，有時因輸送的物料溫度超過伴熱控制溫度而不需伴熱。因而溫度控制對伴熱運行要求更高，溫控的節(jié)能優(yōu)化空間更大。

表1 幾種電伴熱帶特性比較

b)儲運系統(tǒng)管線伴熱的目的多以防凍防凝為主，一旦伴熱系統(tǒng)故障停運，在生產間歇、管線靜態(tài)時極易凍凝，影響企業(yè)的原料、產品輸送。

c)化工儲運系統(tǒng)儲存的物料品種多，且每種物料系統(tǒng)獨立，物料性質差別大，電伴熱控制的溫度各不相同，造成供電回路繁雜。

d)化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)部分管段多、管程短、每個管段伴熱溫度差異大，而罐區(qū)以外的管段一般是長度大，甚至幾千米以上。

2.2 儲運生產組織對電伴熱系統(tǒng)的要求

a)針對儲運生產組織特點，要發(fā)揮DCS等電伴熱集中監(jiān)測與控制系統(tǒng)功能強大的優(yōu)勢，解決伴熱回路多、伴熱溫度不統(tǒng)一、管網(wǎng)動態(tài)多帶來的伴熱啟停頻繁的難點。

b)應選用溫度控制精確的伴熱帶。

c)電伴熱帶要適應故障反應直觀、故障點易查找、故障處理快的要求。

3 電伴熱的運行風險

化工儲運生產中電伴熱出現(xiàn)運行故障造成管線凍凝，則干擾主裝置生產負荷，更為重要的是出現(xiàn)因電伴熱造成的火災爆炸事故時，后果影響大，主要的風險表現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 火災爆炸

伴熱管道輸轉物料多為易燃易爆品，火災爆炸的主要風險因素來源于前期設計不規(guī)范，電伴熱系統(tǒng)設計沒有達到防爆標準。同時在管線維修過程中對伴熱帶的損壞，造成伴熱帶發(fā)生接地、短路等產生電火花的故障，從而引燃物料造成火災爆炸事故。

3.2 伴熱負荷不足

經驗表明，由于設計時關鍵參數(shù)取值不合理，對極端低溫天氣估計不足，情況出現(xiàn)時即使電伴熱系統(tǒng)持續(xù)加熱也不能維持運行溫度，甚至持續(xù)下降，造成管線凍凝。

3.3 伴熱溫度檢測控制不準

俗稱“假溫度”，即溫控器顯示的溫度不能反應管道內物料的真實溫度，造成溫控器不能啟動加熱、管線凍凝，或不應有的持續(xù)加熱、出現(xiàn)物料及伴熱帶過熱。

3.4 對被伴熱設備的損壞及觸電危險

采用電伴熱的設備，電伴熱帶受到損傷后，易發(fā)生漏電造成人身觸電危險；芯線碰觸設備外壁形成接地短路故障，破壞被伴熱設備，圖1為電伴熱故障后燒損管線的情況。

4 風險控制及對策

理論上，風險值(R)=風險發(fā)生的概率(L)×風險發(fā)生的后果(S)，影響L值、S值的因素很多，降低風險值R的途徑也多。針對電伴熱應用上存在風險因素的分析，從方案設計、安裝、運行管理、故障排除、應急管理5個方面做好優(yōu)化，提高電伴熱系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性是風險管理的關鍵。

4.1 方案設計優(yōu)化

4.1.1伴熱負荷的計算

電伴熱功率計算首先要計算管道熱損失量Q：

Q=2πλ(TW-TH)[(d+2δ)/d]

(1)

式中：Q——管道熱損失量，W/m；

λ——保溫材料導熱系數(shù)，W/m·℃；

TW——工作維持溫度，℃；

TH——當?shù)刈畹推骄鶞囟龋妫?/p>

d——管道外徑，mm；

δ——保溫層厚度，mm。

由公式(1)看出，關鍵參數(shù)TW、TH的確定至關重要，工程設計上TW應根據(jù)管道輸送物料的凝點，再加上必要的操作空間，一般要增加10 ℃以上；TH的選取為保險起見應為當?shù)刈畹汀叭铡逼骄鶜鉁亍?/p>

圖1 電伴熱帶故障后燒損管線情況

而電伴熱帶發(fā)熱功率P的計算，要盡可能滿足應對極低氣溫風險的要求，一般通過可靠系數(shù)k對電伴熱帶發(fā)熱功率P進行調整，取值區(qū)間1.1～1.2，建議取上限1.2。

P=kQ

(2)

式中：P——電伴熱帶發(fā)熱功率，W/m；

Q——管道熱損失，W/m·℃；

k——可靠系數(shù)。

4.1.2伴熱帶的選取與布線方案優(yōu)化

儲運系統(tǒng)的罐區(qū)部分與進出罐區(qū)后的外管網(wǎng)，特點明顯，前者管線短而繁雜，后者單條管線長度大；從電伴熱帶的特點和使用經驗看，罐區(qū)外的長管道首選串聯(lián)帶，而罐區(qū)部分本應選擇并聯(lián)帶，但因其固有的缺陷，某一段的電阻絲損壞后不易發(fā)現(xiàn)、發(fā)現(xiàn)損壞后也很難找到準確位置。因此，在伴熱帶選型上盡量多使用串聯(lián)帶。具體設計時，對罐區(qū)內同一品種、伴熱溫度相近的不同品種的短管線，盡可能用一條串聯(lián)帶串聯(lián)起來，滿足串聯(lián)帶對管線長度的要求。罐區(qū)內短管線優(yōu)化使用串聯(lián)帶的示例見圖2。

圖2 罐區(qū)內短管線使用串聯(lián)帶及測溫點布置示意

當然，串聯(lián)帶代替并聯(lián)帶的設計思路也對管理上提出了更高的要求，設計階段要對各管段的長度測量準確，首尾連接點的選取要避免重復布線，交工資料準確詳細，技術人員要繪制精確的伴熱帶走向圖，甚至同一條管道上因走向或伴熱功率需要往返布置伴熱帶時，要繪制伴熱帶安裝斷面位置圖，以方便后續(xù)維修時故障點的查找。

4.1.3伴熱溫度的檢測與控制

電伴熱測溫點的布設不合理將會形成“假溫度”顯示。如圖2所示的溫度監(jiān)測點A，由于冬季倒罐和加熱循環(huán)增多，測溫點所在的管段溫度較泵出口的外管道高，將直接導致電伴熱不啟動，外管道存在失溫凍凝的風險。

如圖2所示的溫度監(jiān)測點B，測溫點設在泵出口的外管道上，當外管道啟動電伴熱加溫時，由于冬季倒罐和加熱循環(huán)多，泵入口及循環(huán)管道溫度普遍較高，造成長時間加熱，浪費能源，加快伴熱帶老化，甚至出現(xiàn)燒壞伴熱帶形成火災。測溫探頭安裝不牢脫落，也會出現(xiàn)同樣的結果。

因此，為方便對管網(wǎng)龐大、工藝動態(tài)復雜的電伴熱系統(tǒng)的控制和管理，除了應用“環(huán)境溫度控制”、“比例環(huán)境溫度控制”等針對局部的控制技術外，還要采用DCS技術，實現(xiàn)更豐富的高低溫與電流自動檢測、遠程監(jiān)控功能，提高系統(tǒng)運行的可靠性。

此外，為提高電伴熱系統(tǒng)的安全完整性水平，在溫控器之外，增設獨立的“溫度限制器”，對電伴熱系統(tǒng)起到額外的保護作用；它通過自帶的RTD,當測量值達到設定范圍，繼電器自動脫扣，使系統(tǒng)安全完整性達到SIL2以上的水平。

4.1.4電伴熱系統(tǒng)防爆與漏電保護

安裝在防爆區(qū)域的電伴熱系統(tǒng)，要嚴格按照區(qū)域防爆等級要求進行系統(tǒng)設計和設備選型，電源接線盒及電伴熱帶接線盒的防爆等級要達到防爆區(qū)域的防爆要求，設備具有EC檢測證明或證書；為避免電伴熱系統(tǒng)因漏電造成的觸電等事故，需安裝漏電保護器。

4.2 安裝

電伴熱帶敷設時不要打折、過度彎曲或折疊，不得承受過大的拉力，禁止沖擊錘打，以免損傷絕緣層。安裝時，安裝處上空不再進行焊接、吊裝等操作，以防止電焊熔渣濺落到電伴熱帶上損壞絕緣層。

保溫層施工必須在電伴熱帶安裝調試后進行，管線彎頭、閥門、流量計等處的保溫鐵皮要做握邊處理，防止鋒利的鐵皮割傷電伴熱帶；保溫鉆頭用短鉆頭，防止損傷電伴熱帶；管線及保溫鐵皮上每隔5 m標注距首端距離，以便日后故障查找時準確定位。

電伴熱帶敷設完后及保溫前要測絕緣并記錄，確認電伴熱帶完好。檢測絕緣時用1 000 V兆歐表檢查系統(tǒng)的絕緣電阻，電伴熱帶的線芯相間或對地電阻應不低于20 MΩ。要記錄交接試運行時的電流，以作為后期維護的參考電流。

4.3 電伴熱運行管理

電伴熱運行過程中要密切關注伴熱系統(tǒng)的運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)并消除運行中的隱患和問題，延長伴熱帶的使用壽命。

a)關注運行電流和溫度。電流、溫度是電伴熱運行的2個重要參數(shù)，這兩個參數(shù)發(fā)生較大變化時，就表征電伴熱帶可能出現(xiàn)了故障。

日常要記錄運行電流，在電伴熱第一次試運行或通電時，記錄運行電流；每次冬季試運行時或正常運行時也要記錄運行電流。冬季送電前測絕緣，檢查電伴熱是否具備工作條件，送電運行4～6個小時后，檢查電伴熱帶運行狀況，并記錄運行電流，與以前的運行電流進行比較，判斷電伴熱運行是否正常。

b)根據(jù)物料的凝點合理設定運行溫度，并根據(jù)氣溫變化及時調整。如果溫度設定過高，縮短電伴熱帶使用壽命，浪費電能。

4.4 伴熱帶故障處理

4.4.1故障查找方法

并聯(lián)型電伴熱帶的故障大多由電阻絲損壞造成的，此時電伴熱帶整體仍能運行，只能通過分析運行電流大小變化來判斷是否出現(xiàn)故障，拆除保溫后沿電伴熱帶測試是否發(fā)熱來查找故障位置。而串聯(lián)型電伴熱帶故障主要有斷線故障、接地短路故障、相間短路故障等。一般的查找方法主要有3種。

a)斷線查找法。將電伴熱帶從中間斷開，再從斷開處測量對地或相間電阻，判定故障點在斷點的前后區(qū)域，確認區(qū)域范圍后再將故障段從中間斷開，以此類推直至將故障確認在20 m之內，該方法對電伴熱帶損傷較大。

b)破絕緣層查找法。主要用于查找斷線故障，將電伴熱帶中間絕緣層割開，將一端接地，用萬用表測量伴熱帶對地的通斷情況，判定故障點在前半段還是后半段，確認后再將故障段中間的絕緣層割開，以此類推直至找到故障[1]。

c)電纜故障探測器查找法。該方法能查找電伴熱帶的各種故障。利用電伴熱帶結構和電纜結構相似，用電纜故障儀探測器確定故障點的范圍，再采用聲測法、音頻法等不同的定點方法進行精確定點，提高故障查找效率，減少對電伴熱帶損傷，查找故障時應優(yōu)先采用[2]。

4.4.2常見故障及處理

表2列出幾種常見的故障現(xiàn)象及處理措施。

4.5 應急管理

單就電伴熱系統(tǒng)對化工儲運生產安穩(wěn)運行的影響，應急管理側重于電伴熱系統(tǒng)故障狀態(tài)下，如何盡快恢復伴熱，避免影響物料進出廠。由此，除了做好預知性維修、運行監(jiān)測、完善搶修技術方案外，根據(jù)情況做好以下工作。

表2 常見故障現(xiàn)象及處理措施

a)運行溫度的設置要為巡檢發(fā)現(xiàn)故障、簡單故障排除留下一定的反應時間，一般要比物料凝點高5 ℃以上，在凝線前將伴熱帶問題處理完畢。

b)在滿足工藝條件的情況下，制定工藝預案，故障時進行物料循環(huán)加熱。

c)準備好頂線儲罐或槽車，緊急情況下掃線處理。

5 結語

隨著電伴熱帶加工技術的提高，越來越多的化工物料管線采用電伴熱。儲運專業(yè)如何結合自身的工藝狀況，針對同行業(yè)發(fā)現(xiàn)的使用風險和經驗，在系統(tǒng)設計上完善監(jiān)測控制措施，在運行和維修上控制風險度，保證生產安穩(wěn)運行，還需要進一步探討和實踐。