电伴热带替换供料保温箱的可行性分析

罗加强　李梅芳　徐寅鹏　封学智　杨建平　耿境

【摘 要】针对近期供料保温箱内信号电缆因长期受热引起表面渗油、阀门丝杆润滑油蒸干导致卡滞及电动阀电机塑料件老化等问题，依据公司方针及车间要求进行电伴热带替换供料保温箱的可行性分析。本文根据实际情况，不仅从理论上分析了其技术可行性，还通过现场的应用及检验，验证了在技术上电伴热带替换供料保温箱是可行的。本文还在已有的工艺参数基础上，结合热工设计，进行效益分析，通过对电伴热带和供料保温箱的效益分析表明：采用电伴热带替换供料保温箱不仅能带来良好的经济效益，还能达到节能降耗的目的，具有广泛的社会效益。

【关键词】电伴热带；供料保温箱；热工设计；效益分析；可行性

0 引言

近年来，由于供料保温箱内温度较高，箱内信号电缆因长期受热引起表面渗油、阀门丝杆润滑油蒸干导致卡滞及电动阀电机塑料件老化等问题较为突出，而作为工艺管线和罐体容器伴热的电伴热技术发展迅猛，继蒸汽或热水伴热之后，电伴热技术受到人们普遍重视。从上世纪七十年代以来，各国为了使电伴热技术能用于生产，经过多年努力，投入大量人力、物力和财力，电伴热性能得以不断改善[1]。随着电伴热技术的日益成熟和电伴热具有热效率高、节约能源、设计简单、施工安装方便、无污染、使用寿命长、能实现遥控和自动控制等优点，目前，电伴热已成为一种在工业规模上比蒸汽或热水伴热更具竞争力的伴热方法[2]。

电伴热是用电热的能量来补充被伴热体在工艺流程中所散失的热量，从而维持流动介质最合理的工艺温度，它是一种高新技术产品[3]。电伴热是沿管线长度方向或罐体容积大面积上的均匀放热，它不同于在一个点或小面积上热负荷高度集中的电伴热；电伴热温度梯度小，热稳定时间较长，适合长期使用，其所需的热量（电功率）大大低于电加热，是国家重点推广的节能项目[4]。

随着电伴热技术的发展及生产设备、技术水平、工艺条件的提升，我国各大厂家通过不断的研发、设计及反复试验，电热丝寿命短，易于出现断路这一问题得以解决，现已开发出多款适合自己国情的产品，并广泛应用于石油开采输油管道、油气田泵站储罐、油气田地埋管道、海洋石油平台、发电厂、热电厂、钢铁厂、炼油厂、化工厂管道储罐等环境恶劣场合[5]，这为我公司电伴热带替换供料保温箱提供了有力的技术保障。

如何在已有的工艺参数基础上，分析电伴热带替换供料保温箱的可行性，并应用热工设计确定工艺装置的热损失即耗热量，然后根据耗热量确定所需伴热电缆的功率和长度，是我公司技术人员都在努力探讨的问题，也是本文的工作重点。

1 技术可行性探究

供料管道及阀门的保温效果对其内物料的流量稳定性有着至关重要的影响，在给定了供料管道及阀门的保温条件和结构参数以后，如何验证电伴热带能确保物料在供料管道及阀门内不会冷凝是证明其技术可行性的一个关键。

本节通过对电伴热带替换供料保温箱的技术分析，不仅从理论上分析了保温箱内的减压前供料管线及减压调节阀采用电伴热带进行保温的技术可行性，还通过现场的应用及检验，验证了在技术上保温箱内的减压前供料管线及减压调节阀采用电伴热带替换供料保温箱进行保温是可行的。在厂房的实际应用中，电伴热带还应用于保温箱外所有需要保温的管道、阀门及仪表，这为电伴热带替换供料保温箱提供了有力的技术保障。

1.1 电伴热带

电伴热作为一种有效的管道及阀门保温方案一直被广泛应用[6]。其工作原理是通过伴热媒体散发一定的热量，通过直接或间接的热交换补充被伴热管道的损失，以达到升温、保温的正常工作要求。常用电伴热针对不同的管道及阀门可分为以下几种形式[7]：

I自限温电热带

此电热带随温度升高电阻变大功率变小，由于其启动时电流较大，所以使用长度一般不超过100米，电热带可随意剪切，电热带无论多长，通上额定电压都能发热。

II 恒功率串联电热带

恒功率串联电热带单位长度的发热量恒定，使用的电热带越长输出的总功率越大，管道维持温度高。该电热带在现场不完全能按实际长度任意剪切。此电热带使用长度不能太短，一般使用500-2500米左右。

III 高温电伴热带

此电热带由玻璃纤维或其它耐高温材料制成，耐温300℃以内，长度1-50米不等（由于其不可隨意剪切，需找专业厂家设计）。

IV 硅橡胶电热带

此电热带可用于潮湿的、无爆炸性气体场所工业设备或实验室管箱，罐体和槽池，油桶（箱）的加热、伴热和保温，电热带长度1-15米（由于其不可随意剪切，需找专业厂家设计）。

V MI电热带

此电热带是金属线芯（发热体）、线芯周围紧密的环绕着矿物质氧化镁（绝缘层）及经过多次拉制过的金属管（通常是铜、钢或是不锈钢等）构成，连续工作温度可达250-590℃，短期工作温度可至1083℃，长度18-680米（由于其不可随意剪切，需找专业厂家设计）。

厂房供料管线保温采用的电伴热形式为自限温电伴热，此电热带伴热时能够自动限定其工作温度，且能随被伴热体系的温度变化自动调整输出功率而无需外加设备[8]。它可以任意裁短或在一定范围内接长使用，而上述性能不变；允许交叉重叠缠绕敷设而无过热及烧毁之忧；伴热管线温度均匀，不会过热，安全可靠；安装使用维护简便；便于自动化管理[9]；

1.2 供料保温箱

供料保温箱由箱体、加热器、仪表阀门托架等三大部分组成。

电热装置是由电热管、温度控制器组成，箱体侧面装有插座，当接通电源后，箱内加热到所需温度时，再由温度控制器接通电源继续升温。通过反复工作使箱内温度能保持在一定范围内，从而确保物料在其内管道与阀门中不会冷凝。

1.3 技术可行性分析

厂房供料保温箱的作用是为了确保物料在其内管道与阀门中不会冷凝，而保温箱内的关键管道及阀门为供料管道及减压调节阀，因此，分析电伴热带对供料管道及减压调节阀的保温效果是验证其替换供料保温箱技术可行性的关键，本节将着重从这两方面进行分析。

1.3.1 电伴热带在供料管线上的应用

厂房供料管线保温采用的电伴热技术为自限温电伴热，此电热带应用于保温箱外所有需要保温的管道。

在多年的实际应用中，厂房供料系统一直处于安全稳定运行状态，自限温电热带有效地保障了供料管线的畅通，这为保温箱内的减压前供料管线采用电伴热技术保温提供了有力的保障，同时也验证了在技术上减压前供料管线采用电伴热带替换供料保温箱进行保温是可行的。

1.3.2 电伴热带在减压调节阀上的应用

保温箱内减压调节阀的作用是为了确保向级联供入压力、流量稳定的物料，保障减压调节阀的灵敏性对维护整个供料系统安全稳定运行至关重要。

厂房的减压调节阀不仅应用于保温箱内供料管线，还应用于供料净化管线内物料的压力、流量调节，而供料净化管线上的减压调节阀采用自限温电热带进行保温。自厂房运行以来，供料净化管线上的减压调节阀在物料加热及备用净化时，控制供料净化管线孔板前压力低于室温下物料的饱和蒸汽压向供料净化冷风箱内3m3容器放压。经现场检验，供料净化管线上的减压调节阀至今开关灵活、无堵塞，这为保温箱内的减压调节阀采用电伴热技术保温提供了有力的保障，同时也验证了在技术上保温箱内供料管线上的减压调节阀采用电伴热带替换供料保温箱进行保温是可行的。

2 热工设计

电伴热是利用电伴热带输出的热量来补偿管道、容器、罐体等储运系统所耗散的热量，以维持系统操作介质始终处在工艺要求的适宜温区。所以，热工设计首先要确定工艺装置的热损失即耗热量，然后根据耗热量确定所需电伴热带的功率和长度，再根据电伴热带及保温管道的长度来确认铺设方式[10]。

2.1 电伴热带的功率和长度

对供料管道采用电伴热带进行保温，目的是保证其内部物料压力达到其饱和温度的要求，防止物料在管道内部冷凝。因此电伴热带在供料管道工作状态下的加热功率，取决于供料管道本身的耗热量、阀门本身的耗热量、内部物料在电伴加热设定温度下的耗热量以及保温状态下的热量损失。现根据实际需求将电伴加热温度设定值调为70℃通过计算来进一步确认加热功率需求值。

保温箱内供料管道采用无缝钢管ф76×3.5，长度l为2.96m，查阅动力管道设计手册[11]，其重量为6.26kg/m，按供料管道电伴加热设定温度70℃和厂房环境温度20℃计算。取温差△T为50℃，无缝钢管比热为0.5024KJ/（kg·℃），根据工程热力学能量方程[12]得其本身需要的热量为：

Q1=C×m×ΔT=0.5024×（2.96×6.26）×50≈465.46（KJ）

工艺系统升温规定每小时10℃左右，为了可靠，取安全系数ε为1.25，则按每小时12.5℃的速度计算，提升50℃，升温时间t为4小时，那么保温箱内供料管道的耗热量为：

为计算物料的耗热量，先计算供料管道内的物料量。由保温箱内供料管道的体积以及在70℃时物料的饱和蒸汽压，以及理想气体状态方程PV=（m/M）RT，计算出70℃时保温箱内供料管道的物料质量为：

其中保温箱内供料管道型号为φ76×3.5，其体积V如下计算得到：

底面積S=πr2=3.14×[（0.076-0.0035×2）/2]2≈0.0037m2。因此，V=S·l=0.0037×2.96≈0.01m3

供料管道电伴加热设定温度为70℃，假设供料阶段从加热箱出来的物料温度为64℃，为保障物料的畅通，上述供料管道内物料温度从64℃上升到70℃所需热量为：

Q2=C×m×ΔT=0.54×0.22×6≈0.71（KJ）

供料流量F按135kg/h计算，则上述供料管道内物料的吸热时间t=m/F=0.22/135≈0.0016h，那么供料管道内物料在电伴加热设定温度下的耗热量为：

上述供料管道保温状态下的热量损失，根据傅里叶定律[13]计算如下：

其中λ为保温材料导热系数，0.07W/（m·k）；TA为工作温度，70℃；TB为最低环境温度，20℃；l为管道长度，2.96m；d为管道外径，76mm；δ为保温层厚度，15mm。

根据电伴热简明设计手册[14]，减压调节阀的耗热量为单位供料管线耗热量的0.6倍，则减压调节阀的耗热量为：

而所需电伴热带加热功率的大小等于总耗热量，取安全系数ε为1.02，则：

P=ε·（q1+q2+q3+q4）=1.02×（32.32+123.26+195.38+71.14）≈430.54（W）

厂房供料管线保温采用的自限温电热带，其标称功率Pe为30W/m，则自限温电热带替换供料保温箱所需要的电伴热带长度L为：

2.2 电伴热带的铺设方式选择

电伴热带的铺设方式主要有以下几种[15]：

I 直接缠绕

将一根电伴热带沿管道一边直线放置，当多根电伴热带铺设于直管上时，电伴热带由管道线路一端起布线至尾端再回头至起点，可在管线315°、225°、135°或45°等位置安装电伴热带，用铝胶带或安装铝带将其固定在管道上，固定间距不大于50㎝。

II波浪缠绕

将电伴热带以波浪方式与管道附和在一起。按设计确定每米管道所需要电伴热带长度，然后再确定波浪曲率半径R，铺设时应尽量使波幅均匀，以保证电伴热带的均匀散热，用铝带沿波浪曲线粘贴电伴热带，或用铝胶带（安装铝带）粘贴弯曲处。

III螺旋缠绕

将电伴热带按每米管道所需其长度均匀地以螺旋状缠绕在管道上，用铝胶带沿螺旋方向固定，或用铝胶带（安装铝带）固定电伴热带与管子上端处。

由于自限温电热带替换供料保温箱所需要的电伴热带长度L为14.35m，保温箱内供料管道长度l为2.96m，则缠绕系数ξ为：

根据缠绕系数ξ为4.85，可以选择直接缠绕方式在管线315°、225°、135°、45°这四个位置安装电伴热带，这也是现在厂房电伴热带选择的铺设方式。剩下约2.51m电伴热带用于缠绕管线上的减压调节阀。

3 效益分析

电伴热技术在厂房供料管线的保温应用中，具有发热效率高、安装简便、质量可靠及使用寿命长（通常为20a）等优势。经评估，采用电伴热的前期投入约为保温箱的53%，运行费用为保温箱的7%，采用电伴热技术的年折旧及维护费用大约是保温箱的1/4，明显优于保温箱。两者的产出效果相同，都可达到供料管线的保温要求。

自限温电热带因本身根据感应管壁（介质）的温度而自调发热量，耗电量仅为保温箱的5%，是一种节能措施。对于企业来说，节能即意味着减少浪费，节约成本，不仅能带来良好的经济效益，同时也能培养每个人的思想道德、品质和精神，也代表一种企业文化，这种美德一旦在企业扎根，将会增加凝聚力和战斗力。对于国家来说有助于缓解能源供应和建设压力，同时节约社会资源，更有利于国民经济健康持续发展[16]。

4 结论

本文根据实际情况，对电伴热带及供料保温箱进行了概述，并介绍了它们的工作原理及应用，不仅从理论上分析了保温箱内的减压前供料管线及减压调节阀采用电伴热带进行保温的技术可行性，还通过现场的应用及检验，验证了在技术上保温箱内的减压前供料管线及减压调节阀采用电伴热带替换供料保温箱进行保温是可行的。

将厂房供料保温箱内管道、阀门、压力传感器的加热方式由空气加热改为电伴加热，在一定程度上可以改善保温箱内减压阀、自由阀的电机、各种动力及信号线缆的工作环境，降低其故障率。

本文还在已有的工艺参数基础上，应用热工设计确定工艺管道的热损失即耗热量，然后根据耗热量确定所需伴热电缆的功率和长度。最后，通过效益分析，可以看出采用自限温电热带不但一次性投资较低，而且运行费用大幅下降，其所需的热量（电功率）大大低于保温箱的电加热，不仅能带来良好的经济效益，还能达到节能降耗的目的，具有广泛的社会效益，是国家重点推广的节能项目。

在厂房的实际应用中，电伴热带不仅应用于保温箱外需要保温的供料管线，还应用于保温箱外所有需要保温的管道、阀门及仪表，它具有发热均匀、安全可靠、热效率高、节约能源、设计简单、施工安装方便、无污染、使用寿命长、能实现遥控和自动控制等优点。从厂房目前已经采用电伴热系统的实际运行情况看，电伴热已经达到了预期效果。可以预见在其它各行业的保温应用中，采用电伴热技术保温也将成為必然的趋势。

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[责任编辑：朱丽娜]