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恒功率电阻并联型伴热控制技术方案
一、产品概述
目前烟气在线仪器使用的伴热管是自限温型的，其安全的控制完全依靠伴热带的自身性能。由于没有存在过流保护以及过热保护，一旦自限温性能发生失效是就可能带来火灾隐患。在郴州的现场已经发生了一起比较严重的火灾，所幸没有造成更为严重的后果。但对公司的形象造成极为不好的影响，也为公司其他烟气在线仪器的伴热带安全提出了疑问，为产品的安全敲响了警钟。
秉着对客户负责的态度，无论是已经安装的还是以后销售的仪器为了能排除伴热带造成的安全隐患，有效的保护仪器以及现场的安全。研发一套快速而且有效的恒功率伴热带的控制器已是目前迫切需求。
恒温度电伴热管要求电屏蔽和良好接地，以及潮湿问题。但是我们现场做到这些要求比较困难，所以建议回避采用这样技术难度大环境要求高的电伴热管。同时基于恒功率电阻并联型伴热管有比较完好的解决方案，工作可靠性和安全性大大提高，所以建议采用恒功率电阻并联型电伴热管作为烟气在线监控系统的采样管和工艺优化采样器的采样管。
二、电伴热可行性分析
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，测控流体介质温度，使之维持在一个合理和经济的水平上。我国工艺管线和罐体容器的伴热目前大多采用传统的蒸气或热水伴热。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。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。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，是取代蒸汽，热水伴热的技术发展方向，是国家重点推广的节能项目。电伴热与蒸汽（热水）相比，具有诸多优势如下：
（1）电伴热装置简单、发热均匀、控温准确，能进行远控，遥控，实现自动化管理。
　　（2）电伴热具有防爆、全天候工作性能，可靠性高，使用寿命长。
（3）电伴热无泄漏，有利于环境保护。
（4）节省钢材：它不需要蒸气伴热所需的一来一去二趟伴热管路。
（5）节省保温材料。
（6）节约水资源，不象锅炉每天需要大量的水。
（7）电伴热还能解决蒸气和热水伴热难以解决的问题。
（8）电伴热设计工作量小，施工方便简单，维护工作量小。
（9）效率高，能大大降低能耗。
（10）在正确维护下，电伴热系统使用寿命为8年或更长。
电伴热产品可广泛用于石油、化工、电力、医药、机械、食品、船舶等行业的管道、泵体、阀门、槽池和罐体容积的伴热保温、防冻和防凝，是输液管道、储液介质罐体维持工艺温度　最先进、最有效的方法。电伴热不但适用于蒸汽伴热的各种场所，而且能解决蒸汽伴热难以解决的问题，如：长输管道的伴热，窄小空间的伴热；无规则外型的设备（如泵）伴热；无蒸汽热源或边远地区管道和设备的伴热；塑料与非金属管道的伴热，等等。
主要应用场所举例如下：
（1）石油管线防凝、解蜡和伴热保温。
（2）油田井口采油树的伴热防凝，提高产量。
（3）化工管道、罐体、仪表管线的伴热保温。
（4）海上石油平台输油管线伴热和水管防冻。
（5）油轮和船舶管线、容器的伴热保温。
（6）发电厂重油管道的伴热保温和水管的防冻。
（7）间歇输送介质管道的升温和伴热保温。
（8）需要严格控制介质温度管线的伴热保温。
但是，目前我国电伴热工程暂无国家或行业规范和产品标准可遵循，所以产品的标准都是以企业自身标准而定，所以使用和安装应在供货方的指导下进行。因此，电伴热带产品就没有国家3C强制认证。市场说有这种认证的大都是电线电缆的国家3C强制认证，敬请留意上面文字说明多数以各种型式电线或电缆命名。
三、技术对比
(1)、恒功率电热带的工作原理和特点
电源母线为二根平行绝缘铜线，在内绝缘层上缠绕电热丝，并将电热丝每隔一定距离（即“发热切长”）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。该电热带在现场能按实际需要长度任意剪切，具有柔软性，机械强度高，但不能重叠安装。发热丝的温度（在0℃维持温度下)+外界维持温度必须小于绝缘材料的耐温等级。在相同维持温度下（例如在0℃维持温度下）,米功率越高,发热丝温度也越高。因此当绝缘材料的耐温等级一定时,恒功率电热带米功率越高，允许的最高维持温度就越低。对于恒功率电热带由于随着长度的增加，电缆尾端的压降也将增加，根据IEC标准，电缆尾端功率降不得超过输入端的20%。因此此时的电缆长度就规定为恒定功率电缆的最大长度。自控温电热带的最大长度是基于某一规格的断路器的大小再考虑一定的冲击电流而定的。
(2)、自限温电热带的工作原理和特点
自限温电热带的电热元件，是在两根平行金属母线之间均匀地挤包一层PTC材料制成的芯带。电缆一端的两根母线与电源接通时，电流从一根母线横向流过PTC材料层到达另一根母线，PTC层就是连续并联在母线之间的电阻发热体，将电能转化成热能，对操作系统进行伴热保温。芯带电阻随温度升高增大，到了高阻区，电阻大到几乎阻断电流，芯带温度便达到高限不再升高却自动限温。电缆的输出功率主要受控于传热过程以被加热体系的温度。自控温电伴热线依据各自所在微区的感温结果，就地自动跟踪伴热，整个管线上无数个并联电阻元件如同一条条各尽所能、自动协作的无声伴热工作线，使全线管温处处、时时均匀同步，即无过热点也无过低点。从而实现了自动保温、安全节能。独立的伴热性能使得电伴热线能够重叠敷设不过热、随意剪短照样用、安装方便、运行安全的技术基础。自限温电热带经过辐照可以增加使用寿命和发热温度的稳定性，但此类产品在长期使用中有功率的衰减趋向。选用自限温伴热电缆（自控温电热带）的依据：
（1）、首先知道需要电伴热的场合：一般区、危险区、防爆区、腐蚀区等场合。
（2）、是否确认选用自限温控伴热电缆（自控温电热带）。
（3）、管道最高维持温度。
（4）、管道最高偶然性的操作温度。
（5）、环境最低维持温度
（6）、供应电压
（7）、阀门、法兰和管架的数目与种类
（8）、需要伴热的管道长度
(3)、自控温和恒功率两种的应用特点
1、自控温电热带是由导电聚合物和两条平行金属导线及绝缘层构成。其特点是导电聚合物具有很高的电阻正温度系数特性，且相互并联；能随被加热体系的温度变化自动调节输出功率，自动限制加热的温度。可以任意截短或在一定范围内接长使用，并允许多次交叉重叠而无高温度点及烧坏之虑。一般情况下，可不配温度控制器，仅在温度控制精度要求很高场合才配温控器。温控器的选择和安装要求与恒功率电热带相同。自控温电热带分屏蔽型和加强型。腐蚀区应采用加强型。
2、恒功率电热带是以金属电阻丝或专用碳纤维束串联或并联与导电线芯及绝缘材料结合而制成，由于其输出功率恒定，温度积累必须采取通断电控温，因此使用时必须配置温控器，不允许交叉、重叠及任意接长、剪断使用，否则会出现过热、过载、燃烧等恶性事故，因此恒功率电热带常用于非重要(非防爆)场合，功率需要较大、温度较高的加热场合。
四、设计原理
设计电热带配电系统时，电热带应与过载、短路、漏电保护和温度保护装置配合，并应符合我国有关电气规范要求。具体如图一所示:

图一 恒功率电阻并联型伴热控制原理
控制说明：
漏电保护器，温控断路器，电流断路器都串联在伴热带的供电回路中。只要有一个方面发生了问题，都能及时的切断伴热带的供电电源。从而保护系统，消除安全隐患。
1、漏电保护器：漏电保护器主要是用来在设备发生漏电故障时以及对有致命危险的人身触电进行保护。当发生漏电情况时将自动将电源切断以保护设备以及人身安全，此类器件已经在家用电器上。
2、温度控制器：温度控制器由温度检测器、控制器、温控断路器组成。温度检测器是将伴热带内的温度转换为电信号输出至控制器。控制器负责上下限温度的设定和保存、温度信号进行分析、判断温度是否在高低温设定范围内并启停温度断路器，实现跳闸以及合闸动作。实现的功能是在检测到伴热带内温度过高的时候进行跳闸开路，使得伴热带内的温度降低。这样能有效的避免由于温度升高而带来的起火隐患。当温度过低的时进行合闸动作，启动伴热带进行加热、升温。
3、电流保护控制：电流保护控制由电流检测ct、电流设定、电流检测计算部件、控制出口电路、交流接触器等组成。工作原理是：电流变送器将伴热带上的电流转换为合适的电信号传输给电流检测计算部件、由计算部件计算出电流值与设定值相比较，根据不同的情况控制报警或者断开交流接触器动作产生跳闸保护动作。其中计算部件是关键，主要完成以下功能：
（1）、伴热带短路控制交流接触器断开电路。当伴热带短路瞬间伴热管供电回流的电流会急剧增大，在20毫秒内检测到短路、马上控制交流接触器断开供电回路并报警。根据恒功率并联电阻型伴热管的特点，系统的电流一般情况是很定的值，不会有电流突然急剧上升的情况，这种情况在一个电流周期内能完全准确判断。如果出现这种情况，肯定是供电回流短路引起的。如果在20毫秒内检测出故障，并且能在15毫秒内跳开交流接触器，也就是说在35毫秒内能断开短路电流，肯定不会引起火灾发生，因此可以完全避免火灾。但是自控温型伴热管的温度是由高分子材料本身的特性随温度变化调节电流的，没有办法检测电流来断开短路故障的发生，所以在这方面恒功率电阻并联型伴热管在因为火灾引起的可控性方面优点不太突出。
（2）、伴热管因为潮湿或内部感应电压跳火故障保护：潮湿或者绝缘层失效等引起伴热管内部漏电打火的故障，恒功率并联电阻型伴热管同样通过对电流变送器的信号进行计算可以进行判断。这时候出现的电流波形畸变，产生谐波。在20毫秒内可以判断出产生比较大的电流并且有比较大的二次谐波来判断有这种故障产生。出现这种故障时15毫秒内控制交流接触器跳闸并报警。从而避免了盘热管质量不良或潮湿引起伴热管性能发生改变的故障产生。但是恒温度伴热管的电流本身随温度的变化而变化，无法判断伴热管潮湿或材料性能不良的故障。恒温度电伴热管没有这方面的优势。
（3）、伴热带局部断路的报警和保护：恒功率并联电阻型伴热管由多个电阻并联。当其中有某一个或几个断路时，会造成整个系统的电阻增大，从而导致伴热供电回路电流变小。通过对电流变送器的数值进行计算可以判断出是否发生了局部断路。可以通过设置，当发生了一定数量的局部断路时进行报警，提醒工作人员进行相应的处理。当局部断路数量超过一定值，恒功率电阻并联型电伴热管电流就会下降到设定电流值，这时候因为其失效，应该跳闸并进行维护更换。但是恒温度型电伴热管没有这个特征，没法判断是否内部断路引起失效。这也是恒功率并联电阻型电伴热管的一个优势。
同时，伴热带外壳加装屏蔽层，并进行接地。能有效的避免电磁干扰对伴热带的影响。也能更好的保证电流变送器的传送稳定性，有效的避免误动作。
五、产品功能
1、电流过流极限值，欠流值，欠流极限值设置。
2、温度上、下限设置。
3、电流超过过流极限值切断伴热带电源，并通知仪器故障，待仪器故障记录后切断仪器电源。并报警。
4、电流低于欠流值但高于欠流极限值时进行报警。
5、电流低于欠流极限值是切断伴热带电源并报警。
6、温度高于温度设定上限值切断伴热带电源。
7、温度低于温度设定下限值接通伴热带电源。
六、性能参数
项 目
性能
控制器动作时间
≤40ms
控制器误动作次数
≤1次/6个月
误报警次数
≤1次/6个月
平均无故障连续运行时间
(MTBF)
≥6个月/次
绝缘阻抗
≥20MΩ
耐电压
无异常现象(电弧和击穿等)
七、安全要求