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海洋工程中电伴热的选型及应用

郭 宏 李 艳
(海洋石油工程股份有限公司机电部)

提要: 由于海上环境温度变化较大, 特别在冬季, 温度较低, 管线中的介质极易在低温下冻凝, 甚至出现管线断裂等现象, 因此海上石油平台管线保温是一项极为重要的工作。本文对电伴热、 热水伴热以及蒸汽伴热三种伴热形式从电能消耗、 热效率、 设计费用、 设备器材费、 施工安装费以及运行维护费等几个方面进行了较详细的比较, 对海上石油平台管线采用电伴热保温给予了肯定, 并对电伴热系统原理、 用途、 设计等进行了较详细的说明。结合电伴热系统在工程项目中的实际应用以QK18-1项目电伴热系统为实例进行优化设计, 而且对电伴热系统在施工过程中出现的问题提出了建议性解决方案, 对今后海上石油平台的电伴热系统设计工作具有一定的指导作用。
关键词: 电伴热 原理 比较 选型 应用

1 前言
海上平台输油管线及储油罐体容器的温度是海上施工过程中比较重要的问题, 因为海上的工作环境温度变化比较大, 特别是低温, 就渤海地区来说可达-20℃。当温度下降到极低情况下, 输油管线中的石油就很难保证其品质的可靠性, 还有可能发生石油冻凝, 管线断裂等现象。因此, 对管线中石油的保温是极其重要的一项工作。
当前海上平台对各种管线的保温基本上是采用电能来维持其内部介质的温度, 故称其为电伴热。电伴热是用电热来补充被伴热物体在工艺过程中所散失的热量,以维持流动介质温度最合理的工艺温度范围。电伴热的应用范围非常广泛, 可用于石油、 化工、 电力、 冶金以及其它部门的管道、 阀门、 储罐、 反应塔等工业装置。
2 电伴热的种类及特点比较
在以往的工程中我们曾使用过其它的保温手段来防止石油管线因温度过低而造成的影响, 诸如电加热器、 蒸气热水伴热等, 但各方面效果均不如电伴热优越, 就电伴热与传统蒸气热水伴热相比较, 有如下优点:
1．电伴热装置简单, 发热均匀, 温度准确, 可远程控制, 实现自动化管理。
2．可靠性高, 具有防爆及全天候工作性能, 使用寿命长, 传输无泄漏, 有利于环保, 不像蒸汽热水伴热会产生”跑、 冒、 滴、 漏”, 污染环境的现象。
3．电伴热节省钢材, 因为蒸汽热水伴热一般采用一来一去二趟伴热管路, 而电伴热不需要, 电伴热节省保温材料。
4．电伴热伴热效率高, 能大大节约能源, 主要体现在下列几个方面:
＜1＞伴热管线的散热量与散热面积有关。电伴热产品的外形尺寸较小, 敷设时不会改变管线保温层形状; 而蒸汽热水伴热管线管径较大, 这样扩大了保温层的散热面积, 增加了热量散失。
＜2＞蒸汽热水伴热管线与工艺管线之间只有线接触, 换热效率一般为40%~~60%; 而电伴热产品呈扁平状, 借助铝胶带可形成较宽的换热面, 其热效率高达90%~~96%。
＜3＞采用蒸汽热水伴热时, 考虑沿途传输热损失及泄漏, 必须在近点过热补偿; 而电伴热则无须过热补偿, 因为它在整个线方向上的放热是均匀的。
＜4＞蒸汽热水热能传输的损失比电能传输损失要大的多。当被加热管线离热源较远, 则沿线损失较多, 而电能传递损耗就较少。
5．降低设计、 施工和维修费用。电伴热设计工作量小, 施工简单、 周期短、 维护方便、 日常维护保养工作量小。我们曾经做过这样一个比较( 见表1—1) , 电伴热与蒸汽热水伴热周期费用比较如下:
表1--1
伴热方式
对比项目

电伴热

热水伴热

蒸汽伴热
能耗
1
2
3
综合热效率比较
1
0.3
0.3
设计费用
1
2.5
3
设备器材费
1
0.6
0.6
施工安装费
1
2.5
3
运行维护费
1
10
12

从上表能够看出, 一个设计合理的电伴热工程的器材费会略高于热水、 蒸汽伴热工程的器材费, 但从年周期运行情况来看, 一般电伴热一年到一年半所节省的费用就能收回基建投资费用。
综上所述, 从各方面来比较, 海上平台使用电伴热手段来达到保温的效果是非常理想的。
3 电伴热的结构特点及基本工作原理
电伴热产品就伴热类型可分为两类: 恒功率式和自限式。首先介绍一下单相恒功率电伴热带( 如图2—1) 。

图2-1

该类型伴热带采用合金加热丝, 输出功率恒定, 电源母线为两根平行绝缘铜线, 在绝缘层上缠绕电热丝, 并将电热丝每隔一定距离( 即发热节长) 与母线连接, 形成连续并联电阻, 母线通电后, 各并联电阻发热, 因而形成一条连续的加热带。恒功率型伴热带单位长度发热量恒定, 它适用于温度要求非常严格的场所, 因此, 恒功率型伴热带回路应配有温控器来监控其温度, 当温度过高时切断电路。伴热带外层的编织层不但起着传热和散热的作用, 提高电伴热带的整体强度, 同时还能做为安全的接地线。恒功率伴热带最大的特点是它的起动电流比较小, 在运行过程中基本上无功率衰减。
接下来介绍一下自限式电伴热带。单相自限式电伴热带是由导电塑料和两根平行母线外加绝缘层构成( 如图2—2) 。

图2-2

图2--3为导电塑料的自控原理, 经过该图能够分析出其伴热原理:
冷管: 受冷时, 导电塑 暖管: 变热时, 导电塑料微 热管: 导电塑料微分子充分膨胀
料微分子收缩, 接通电 分子膨胀, 渐渐切断电路 几乎切断所有电路
路
图2-3

在每根伴热线内, 母线之间的电路数随温度的影响而变化。当伴热线周围的温度变冷时, 导电塑料产生微分子的收缩而使碳粒连接成电路, 电流流经这些电路, 使伴热带发热; 当温度升高时, 导电塑料产生微分子的膨胀, 碳粒渐渐分开, 引起电路中断, 电阻上升 伴热线自动减少功率输出; 当周围温度变冷时, 塑料又恢复到微分子收缩状态, 碳粒相应连接起来形成电路, 伴热带发热功率又自动上升( 见图2—4) 。

图2-4

由于高分子导电复合材料的功率衰减现象严重影响使用寿命, 而高达3-8倍的起动瞬间冲击电流又严重影响了电伴热带的使用寿命和长度, 因此, 在设计中我们都充分考虑了这些因素。
在设计过程中, 有关电伴热带有效线路长度和电流限制一直是比较重要的问题, 经过查阅相关资料了解到限制电伴热带有效长度的主要因素是电伴热带线路首末端头的导电芯之间存在的电压降。一般自限式电伴热带为20%左右, 而恒功率式电伴热带为10%左右。恒功率式伴热带的有效线路长度取决于导电芯口径、 导电芯温度和端头电压降, 同样规格的电伴热带, 高功率的比低功率的有效线路长度短。而自限式电伴热带的有效长度则取决于起始温度( 起始温度越低则起始电流越高、 有效线路长度越短) 、 电路保护形式和端头电压降。对于恒功率式电伴热带, 10%电压降, 输出功率遵守欧姆定律, 从而, 电伴热线路的首端和末端的输出功率分别为设计功率的110%和90%。而自限式电伴热带, 20%电压降, 输出功率不遵守欧姆定律, 而与电压的平方成正比, 从而, 电伴热线路的首端和末端的输出功率分别为设计功率的144%和64%。因此, 具体到实际的设计工作应该灵活地应用并解决电伴热带有效线路长度来放宽尺寸, 以达到减少回路和保证伴热效果的目的。在以往的设计中我们曾经遇到过这样的问题: 即如果连接接线盒的一路伴热电路已达到其有效长度, 但它的总电流还小于断路器额定电流, 此时, 是否能够增加电伴热带。经过进一步的研究发现, 尽量不要在已达到有效长度的回路上增加电伴热带数量, 但能够在该接线盒上增加新的伴热回路。
4 电伴热系统在海洋平台使用中的选型原则
以上几个方面主要介绍了电伴热的一些原理知识, 下面结合实际来谈一谈电伴热的用途。
纵观一下我们海上平台使用的电伴热的情况。几年以来我们使用的伴热带基本上为自限式电伴热带( SELF-LIMITING TRACE-HEATING) 。现就海上石油生产的特点来分析其原因可归纳为以下几点:
1.从两种伴热带类型的比较, 我们知道, 恒功率式伴热带发热稳定, 其发热量与长度成正比, 使用的伴热带越长, 输出的总功率越大。它不能够随着外界环境以及管子温度的变化来自动调节其热量的输出, 因而当伴热带交叉安装时就会造成局部管线过热的情况, 这样就会使管道内的石油受热不均进而影响油质。而自限式伴热带的特点是能够自动调节其功率输出, 当温度升高时, 导电塑料微分子膨胀, 电路中断, 碳粒分开; 温度降低时, 微分子收缩, 碳粒又连接成回路。它能够使管道内介质始终保持在一定温度范围内。
2.其次, 从设计安装角度来讲, 恒功率伴热带一般受节长的限制, 当切割时未能找准一个节长, 则该部分伴热带起不到伴热的作用, 这不但影响到管线的伴热效果, 同时也会造成一定的浪费。平台上的管线的走向复杂, 而且阀门、 弯头较多, 若使用恒功率伴热带, 则可能出现交叉重叠式安装, 这样就会发生温度过高的现象, 因此, 恒功率伴热带一般适用于长距离, 直管线的伴热保温。而自限式伴热带对于现场安装非常随意, 仅须设计人员将伴热带的规格及长度计算出来, 便能够将该伴热带到现场根据实际需要任意截其长度, 不受节长的限制, 这样也能够减少许多不必要的浪费。
5 电伴热在工程项目中的实际应用
下面, 就QK18-1项目部分管线的改造工作来介绍一下整个电伴热的设计过程。
首先, 要由配管专业提供管线三维图, 将其中需要伴热的管线按不同工艺系统分类绘制成连续的电伴热管系示意图。
其次, 在选型设计之前, 必须要先确定下述参数:
＜1＞环境条件:
①安装处冬季与夏季的最低与最高温度为多少。
＜2＞安装敷设情况:
①是否安装在易燃易爆场所, 属于几类防爆场所。
②是安装在室内还是室外, 室外风速多大。
③安装场所是否有腐蚀性气( 液) 体。
＜3＞管道内介质的性质:
① ①    管道内是何物质。
② ②    介质所需工艺温度的上限和下限各为多少度。
＜4＞介质管道情况:
① ①    管道长度。
② ②    管道材料。
③ ③    管道的附件( 阀门、 弯头、 法兰、 托架等) 的数量。
＜5＞保温层状况:
① ①    拟用何种材质的保温材料。
② ②    保温层的厚度为多少。
上述参数确定后, 我们便能够开始伴热带的选型计算了。计算所应用的基本原理公式为QV=2Л.λ.ΔT.E/LnD/d
其中: QV:热量损失( W/m)
λ: 保温层热传导系数
D : 带保温层的管道外径( mm)
D : 不带保温层的管道外径( mm)
E : 安全系数
ΔT: 温差( 要求保持的温度-环境最低温度)
我们伴热的目的就是要使电伴热带的发热量大于QV , 以此来补偿其热量损失。
在QK18-1部分管线改造的项目中, 我们选用的为RAYCHEM公司的自限式伴热带, 其伴热带类型有BTV、 QTV、 XTV和KTV系列。其中, BTV系列的电伴热带从特性上讲主要是应用于管线和设备的防冻保护, 也可用于维持不超过 65℃或偶然性温度不超过85℃的工艺操作温度; QTV系列自限式伴热带主要用于维持最高不超过110℃的工艺操作温度, 也可用于热量较大或偶然性温度不超过135℃的管线的防冻; XTV系列伴热带用于散热量更高的管线及设备的防冻和维护工艺操作温度。它能承受的持续操作温度最高不超过120℃, 偶然最高温度不超过215℃; KTV系列伴热带用于维持温度最高不超过150℃的工艺操作温度, 偶然最高温度不超过215℃的管线的防冻。
我们计算伴热管线的各种参数以及选择伴热带的类型, 主要经过RAYCHEM公司提供的计算软件来进行的。以往我们软件的运行环境是在DOS界面下, 在使用过程中, 我们发现了许多弊端: 操作过程很不方便, 计算的每一个步骤均需要返回主菜单, 这样大大的降低了计算速度。在旧软件中, 对风速的变化从计算结果中体现不明显, 而阀门、 法兰等的数量对计算结果的影响在计算过程中也没有显示出来。诸如此类的问题我们与厂商共同切磋并做了一些改进。现在, 这套软件已经能够运行在WINDOWS下了, 而且已经掌握了对其的熟练操作。以下便介绍它的计算过程( 如图3-1) 。

图3-1

我们看到整个管系由四条单独的管线连接而成。首先以HT-041A为例。图3-2

图3-2

为该软件的窗口, 计算前, 首先应从下拉菜单OTHER的ADDITIONAL DATA 中确定计算过程中遵循的制式( ENGLISH OR METRIC) 。在此我们选用METRIC 制, 在计算过程中, 温度单位为摄氏度。编辑SITE CODE( 图3-3) :

图3-3

对于启动温度, 应考虑到极限情况有可能在最低温度环境下起动, 故应将其定为-15℃。而最高环境温度为34℃。对于海上来说, 风速一般不是固定的, 经过查阅原始数据, 平均风速为23.5m/s, 1年重现期为3秒钟。海上石油的施工环境多为含盐雾及腐蚀性气体, 因此选择其化学暴露为ORGANICS/CORROSIVES。对于室外工作, 基于全面的考虑问题, 我们应选择为危险区, 故其防爆等级根据规范要求为CID2 GROUP D, 温度组别为T3。以下几项内容便一目了然: 电压220V, 断路器规格30A, 允许有缠绕比等。编辑完毕此项内容后, 接下来是PROCESS CODE的数据录入过程( 见图3-4) :
图3-4
图中主要是一些温度参数的确定。因该管线中的介质为原油, 根据工艺专业提供的参数, 其保持温度为30℃。管材与保温层的材料是经过相关专业提供的, 参数录入完毕, 便可打印出如下内容( 见图3-5) 。
图3-5
基础参数输入结束后, 便是根据管线本身的结构来填充其它的空白。管线HT-041A管径为10”, 管线长度33m。具体的附件如法兰、 托架、 三通、 二通等的数量一一根据图中所示添入空白处。如此, 能够得到如图3-6及3-7的清单:
图3-6
图3-7
从该清单中能够看出, 整套伴热所需的各种附件的型号、 数量均表示清楚, 这为我们日后统计料单工作节省了大量的时间。
6 电伴热系统在设计中遇到的问题及改进方法
在这次使用新软件的过程中, 经过对几年来使用电伴热的情况, 以及部室的技术研讨, 对以往考虑不足的问题做了一些改进, 其结果对伴热效果的改进起到一定的效果。
1.风速问题:在以往的计算软件中,没有考虑风速这一因素, 而我们认为风速对伴热效果是有一定的影响, 并将该意见反馈给厂家。当前的软件已经将风速作为基础数据考虑进去了。
2.安全系数:安全系数是指在计算的最终基于全面考虑所给出的安全裕度, 而在以往的软件中该项为缺省值, 经过查阅国内外相关资料, 在厂家认同的前提下我们认为将其选为15%较为合理。
3 .伴热选型: 对于功率较小的3BTV和5BTV的伴热带, 由于自限式伴热带的衰减, 同时考虑长期运行使用效果, 经过与厂家商榷, 在以后的应用中, 厂家不再推荐这两类产品。
最后介绍一下典型电伴热安装示意图( 如图3-8) 。
图3-8
7 几点建议
电伴热的选型设计固然是一项非常重要的工作, 但维护也是不容忽视的。它关系到整个系统的安全、 伴热效果以及使用寿命等问题, 因此, 我们须对电伴热带进行定期检查。一般定期检查按以下三种情况进行:
＜1＞系统安装完毕后, 初次使用之前。
＜2＞使用的时间达到预定的时间间隔时。
＜3＞在每次排除故障修复之后对故障回路进行预防性检查。检查的内容主要包括:
① ①       防护层: 检查所有伴热带保温材料外部的防护层有无损伤, 防护铝皮接缝处的密封硅胶是否完好, 保温层有无松动和脱落。当有以上情况发生时, 需进行修理和换新, 因为保温材料的吸水力很强, 当它受潮时会使伴热带接线盒处的绝缘降低, 使维持温度达不到设计要求, 因此一定要保证保温层的干燥。如果发现保温层有损坏, 要及时检查其附近伴热带的情况, 更换变潮的保温材料, 敷好保温层, 并加上密封。
② ②       电源接线盒: 检查所有的接线盒, 同时检查橇内各套管上的接线点和温控器是否受到腐蚀和潮气的侵蚀。