石油化工装置电伴热系统设计及应用

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(甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730070)

石油化工装置电伴热系统设计及应用

王丽娟，杨武，李曙彤

(甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730070)

随着高分子材料科学的进步及电力事业的发展，电伴热方式已逐步在化工、油田、机械、电力、制药、食品和建筑等领域应用。电伴热技术对环保有积极意义，有着广阔的发展前景。分析比较了自调控技术与恒功率技术的不同原理及特点，介绍了石油化工装置中自调控电伴热系统的设计选型。电伴热系统在满足设备工艺要求的同时具有高效、节能的特点，在石油化工设备中应用广泛，为设备的稳定生产及运行提供保障。

电伴热系统； 石油化工装置； 自调控； 恒功率； 设计； 应用

石油化工装置中的各类分离器、电脱水器、双介质过滤器、热交换器及段塞流捕集器等需要在一定的温度条件下才能正常工作，满足工艺要求，在停工或检修期间，容器、配管中残留的介质不可冻结。为了达到防冻、维持工艺温度、降低介质黏度、防液化等目的，常需要对石油化工装置中的设备或管线采取伴热措施。伴热方式分为热水伴热、蒸汽伴热及电伴热，其中电伴热的热源方便灵活，热效率可达80%～90%，是热效率最高的一种热保护方式，具有运行可靠、不需经常维修等优点[1]。对环境洁净程度要求较高的场所，或要求对伴热系统实现温度精确控制或遥控和自动控制的场合，可采用电伴热[2]。文中对石油化工装置中电伴热系统的组成、应用及设计进行简要介绍。

1 电伴热系统组成及应用场合

电伴热系统由供电电源系统、电伴热加热系统以及电伴热智能控制报警系统3部分组成。每个电伴热回路由电伴热带、电源接线盒、温控器或温度传感器、三通接线盒、尾端以及安装附件组成(图1)，其中温控器包括环境感应温控器和管线感应温控器两类[3]。

图1 电伴热系统组成示图

电伴热系统主要用于以下场合：①防冻。对于水等介质，电伴热系统对其进行热补偿，使其在静止或流量降低等情况下也具有高于冰点以上的安全温度，从而起到防冻作用。②防凝。对原油等高凝点介质，如果其热源突然失常(功率下降或关断)、停输或环境温度大幅降低，电伴热可防止其温度低于凝点而发生凝结事故。③工艺保温。如果对工艺介质的温度要求较为严格，沿管道的温降被要求控制在一定的范围内，当保温层不能满足该要求时，采用电伴热方法能较好地解决此问题[4]。

2 电伴热技术原理

电伴热就是利用电伴热设备将电能转化为热能，通过直接或间接的热交换，补充被伴热设备通过保温材料所损失的热量，并采用温度控制，跟踪和控制伴热设备内介质的温度，使之维持在一个合理和经济的水平上。电伴热技术有自调控技术、恒功率技术、聚合物绝缘(PI)技术及矿物绝缘(MI)技术等，常用的有自调控技术与恒功率技术。

2.1自调控技术

电伴热带由导电聚合物包裹2根平行母线外加绝缘层构成，导电聚合物由聚合物和可导电的碳粒混合而成，此种材料可传导电流、热量，对各种微波具有阻挡效应，机械强度高，易加工且质轻[5]。当平行母线通电时，碳粒就在2根平行母线间形成电路，母线间的导电碳粒数随外界温度的影响而变化。外界温度高，导电塑料产生的微分子膨胀，碳粒渐渐分开，引起电路中断，电阻增大，功率降低，发热量减小。反之，发热量增加，微分子收缩，电路接通，电阻减小。即自限式电伴热带可根据环境温度自动调节功率，以达到维持温度的要求。由于这种温度记忆材料内部的导电活性网络均匀且密度可变，从而其具有正温度系数(PTC)效应[6]。

2.2恒功率技术

电伴热带通电后输出功率恒定，功率的输出或停止通常由温度传感器来控制，恒功率技术包括并联式恒功率技术和串联式恒功率技术。

并联式电伴热带由2根互相平行的镀镍铜绞线包覆在氟化物绝热层中作为电源母线，在内绝热层外缠绕镍铬合金电热丝，每隔一段固定距离将电热丝焊接，形成一个连续的并联电阻。当电源母线通电后，就形成一个连续发热的电热带。

串联式恒功率电伴热带的电阻丝是串联连接方式，整根电伴热带首尾发热均匀，不受环境温度和管线温度影响。

2.3自调控电伴热与恒功率电伴热比较

自调控电伴热带每一局部皆可因被伴热处的温度变化而自动调节，可按照制造时给定的温度记忆调整到限额，既不会发生温度不足，也不会局部过热损坏电缆的某一部分[7]，允许交叉重叠缠绕敷设而不存在过热及烧毁等问题。平行(并联)线路的构造使其在现场可任意剪切，施工便利，若需要温度精确，则可以加设温控系统，一般使用铂热电阻检测管线实际温度，温控器根据反馈温度与设定温度进行比较，控制伴热带工作[8]。自调控电伴热系统优点：①伴热管线温度均匀，不会过热，安全可靠。②伴热管线接近所需达到的温度时，功率自动降低，节约电能，运行成本低。③间歇操作情况下，当系统处于较低温度启动时，其加热功率处于最大值，升温快速[9]。④安装维护简便，便于自动化管理。

恒功率电伴热带不允许交叉重叠敷设，需要温控系统配套使用。并联型恒功率电伴热带最小使用长度不能低于一个发热节长度，常用于温度要求高和防爆区域的大型罐体和管道。串联型恒功率电伴热带一般按照实际需用长度设计，并在出厂时预制成成品，过长或过短均会影响功率、温度，故不得任意切割或接长，建议用于长输管道如石油长输管线。恒功率电伴热系统优点：①启动电流小，低能耗。②年衰减率低，使用寿命长。③最大使用长度长，最大单向使用长度较长，回路数量较少，总成本较低。

石油化工装置中基本采用自调控式电伴热带系统。自调控与恒功率的温度控制曲线对比见图2。

图2 自调控与恒功率温度控制曲线图

3 自调控电伴热系统设计选型

电伴热是利用电伴热带产生的热量来补偿由管道或设备散失到环境中的热量，以便维持管道温度[10]，因此可利用工艺参数、环境参数计算热损失后选择热补偿伴热带型号，并设计其补偿长度、回路数、安装附件数量等，根据安装环境确定电源接线盒、三通、尾端等附件型号。

3.1管道及罐体散热计算

首先需确定各工艺参数和环境参数，主要包括工艺介质必须维持的温度TM(一般是冻结点或凝固点之上，流体粘稠度最适中的温度)、当地最低环境温度TA、管道和罐体尺寸、保温层的材料和厚度、设备所在区域类型。

根据式(1)计算管道散热量QT1：

QT1=QBf

(1)

式中，QB为管道每米散热量，W/m，一般由管道散热量手册查出，如果没有对应的数值，可用内差法计算；f为保温系数，见表1。

表1 不同保温材料保温系数及导热系数

根据式(2)计算罐体热损QT2：

QT2=QV+QS+QA

(2)

其中

QV=AVkf

(3)

式中，QS为水泥板或支腿、鞍座等支撑件散失到环

境中的热量，QA为人孔、梯子等附件损失的热量，W/m；AV为罐体的保温面积，m2；k为罐体热损失率，W/m2。不同保温层厚度下的罐体热损失率见表2。

表2 不同保温层厚度下罐体热损失率

一般设计时要考虑10%的安全系数，若罐体在室内，则乘以0.9的系数。

3.2电伴热带产品选型

3.2.1伴热带型号及功率选择

根据管道最高持续性操作温度Tc、管道最高偶然性操作温度Ti(如蒸气、热水或热油扫线时)、TM温度下管道散热量QT1、供电电压、一般区或危险区、化学环境等参数选择伴热带型号系列。目前，可采用专业软件完成热损计算及电伴热带选型。

根据自调控电伴热带在保温层内金属管上的功率曲线选择伴热带的功率类别，需确认发热功率等于或大于管道散热量。

3.2.2伴热带长度计算

计算管道部分所需伴热带长度时，如果伴热带每米发热量足够补偿散热量，则伴热带的长度与管道长度相同；如果伴热带的发热量小于散热量，则需缠绕或增加伴热带数目至2根或更多。此外，根据罐体热损失量及伴热带单位长度输出功率即可得出罐体所需伴热带长度，每个法兰需要的伴热带长度等于法兰直径的2倍，每个阀门需要的伴热带长度等于阀门散热系数(表3)乘以每米管道需要的伴热带长度，每个管架需要的伴热带长度等于管道与管架接触处长度的3倍，电源盒、三通等附件需预留1 m的伴热带余量。

表3 阀门散热系数

3.3相关电气设备设计

电伴热的供电为单相，电源由配电间引来，或经过电伴热就地动力配电箱分配给若干供电回路[11]。所有的自调控电伴热电源部分均需连接过流保护开关，作为必要的电气保护。与伴热回路相关的电气设备也必须完全符合电气规程和标准。因实际应用中存在漏电的风险[12]，故文献[13，14]均提出，电伴热负荷采用专用变压器供电，变压器二次侧应采用接地系统，每个电伴热电路应具有高阻接地(即漏电)和短路故障保护能力，在其漏电电流超过30 mA时，应能自动断开该电伴热线路电源。美国石油协会(API)标准[15]对电伴热的要求也引用文献[13]作为依据。

3.4高温吹扫与防爆环境设计

当管线蒸汽吹扫温度大于电伴热带耐热温度时，由于蒸汽吹扫时间相应较短，可采用图3所示的双层保温层结构来保证使用。这种结构的内层保温厚度一般为5～10 mm，在内保温层外包铁皮、铝皮或铝胶带，铝胶带上敷设电热带。内层保温可有效降低蒸汽吹扫温度，双层保温温度示意见图4。

图3 电伴热双层保温层结构

NEC标准和IEC标准对电伴热带所处防爆环境的区分有明显差异，我国是参考IEC标准进行分类的，对电伴热带在防爆环境中的设计和应用有以下规定：①电伴热带不允许在0区使用。②在1区/2区，所有的电伴热带、附件以及配电盘必须符合相

图4 双层保温温度示意图

应区域的温度等级和防爆要求，控制和接线盒尽可能放在1区之外。③每个电伴热带回路都需设置独立的断路器进行控制，根据文献[13]建议，每一电伴热线路应采用30 mA对地漏电开关进行电工保护，特别是在防爆区、危险区、腐蚀区或管道需经常维修和电伴热线易受到机械损坏的区域。

4 结语

按文中方法进行了多套石油化工设备电伴热系统的设计选型，实际应用表明，电伴热系统设计合理，选型正确，符合各项目控制要求，在伴热带总长度核算准确的前提下，充分发挥了其节能高效的优点，满足工艺要求，提高了设备生产效率。

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(张编)

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

王丽娟(1990-)，女，山东滕州人，助理工程师，学士，从事海洋陆地油气田电气设计工作。