集膚效應電伴熱替代蒸汽伴熱的應用

常瑞增

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司北方分院，天津 300222）

石油、石化和化工等行業(yè)由于管線、設備需要在維持溫度（高于環(huán)境溫度，在規(guī)定的設計條件下介質或工藝物料所達到的處于平衡狀態(tài)的特定溫度）下運行，如只采取保溫措施，不管保溫做得多厚，管線或設備的溫度最終都會降到環(huán)境溫度，這是因為存在熱損失。伴熱，就是通過外界對管線或設備提供的熱量與管線或設備的熱損失相當，使它們保持在維持溫度運行。伴熱以蒸汽作為傳熱介質的稱為蒸汽伴熱，伴熱以電為能源的稱為電伴熱。

20世紀70、80年代，秦皇島港原油碼頭、青島港黃島1、2期原油碼頭、大連港鯰魚灣原油碼頭等的輸油管線都采用了蒸汽伴熱，21世紀初某港口船舶燃料油碼頭的輸油管線的伴熱，經過對蒸汽伴熱和幾種電伴熱的比較后，采用了適合中、長輸管線的集膚效應電伴熱，以這個工程實例，介紹集膚效應的原理，系統(tǒng)的組成，并對電伴熱和蒸汽伴熱進行了比較，電伴熱的成本低、運行安全、維護方便、節(jié)能顯著,用電伴熱代替蒸汽伴熱將是必然趨勢。由于對每個集膚效應電伴熱系統(tǒng)都需要專門設計，所以本文供同行設計參考，并希望多采用電伴熱代替蒸汽伴熱，對港口的節(jié)能減排做些工作。

1 管線伴熱設計的基礎參數

本工程管線伴熱的基礎參數如下：

1.1 環(huán)境溫度：最高40℃ 最低5℃；

1.2 電伴熱維持溫度范圍60-70℃；

1.3 輸送管道規(guī)格：Ф300X82根 ；

1.4 管線長：2X2100 m；

1.5 敷設方式：管溝；

1.6 管線首、尾端有閥門控制，管線不用掃線;

1.7 保溫層結構采用硬質聚氨酯保溫管殼，阻燃，厚度60mm，最高使用溫度60℃。

2 伴熱方法的選擇

幾種伴熱方法的特點簡要列于表1 ：

表1

從表1 可看出，集膚效應電伴熱適應于中、長距離條件各種管徑管線的伴熱，它的優(yōu)點是：伴熱功率大，電源供電點少 （單電源最大伴熱長度24km）,伴熱效果好，維修方便。本工程實例中的每根伴熱管長2.1km,又考慮到它敷設在管溝內，選用集膚效應電伴熱。

3 集膚效應電伴熱的工作原理

3.1 集膚效應電伴熱電纜

電纜的結構見圖1 。芯線一般為鍍鎳絞織銅絲母線，絕緣層一般為含氟聚合物的絕緣層，外護套一般為含氟聚合物的防磨損護套。

圖1 集膚效應伴熱電纜結構

本工程采用全F46氟塑料30 mm2電纜。芯線采用二次復合鍍錫19股銅線，直流電阻小于1.16 Ω/km。絕緣層厚度為1.2 mm，最薄處不小于標準值的90%，且表面光滑，無色透明。外護套厚度0.8 mm，在耐磨性，抗老化性和機械強度上達到國際先進水平。電纜的長期允許使用溫度：100℃。電纜耐壓等級：10000 V。

3.2 工作原理

集膚效應電伴熱系統(tǒng)主要由工藝管道、伴熱熱管和耐熱集膚電纜（見圖1 ）、保溫層及保護外殼四部分組成，見圖2 。伴熱熱管為具有鐵磁性的鋼管，耐熱集膚電纜穿在伴熱熱管中，外面是是保溫層和保護外殼，集膚伴熱管道構成見圖3 。

圖2 集膚伴熱管道斷面圖

圖3 集膚伴熱管道構成圖

集膚效應現(xiàn)象就是交流電流通過導體時，電流漸趨集中在導體表面通過的一種現(xiàn)象。

臨近效應是一對通過反向等電流導體間的一種電磁現(xiàn)象，高頻反向電流流過相鄰導體時，由于磁電作用使導體內的電流偏向靠近另一個導體內的表面處流動。

根據管徑的大小，伴熱溫度的高低，集膚效應伴熱分為單管、雙管和三管伴熱等。耐熱集膚電纜穿在伴熱熱管內，在熱管的終端，電纜的芯線和熱管相連。在電源端，熱管和集膚電纜之間連接交流電壓，見圖4 ，交流電流流經耐熱集膚電纜和熱熱管時，由于熱管的鐵磁特性和臨近效應，集膚效應現(xiàn)象迫使電流只能在熱管的內壁流動，產生熱能，而熱管的外表面沒有電流，熱管因此可以安全的接地。

圖4 伴熱熱管電流示意圖

集膚效應系統(tǒng)的阻抗小，又能夠承受高電壓，因此集膚效應系統(tǒng)特別適合長輸管線，根據不同的應用，從單一供電點，集膚效應系統(tǒng)就可以向長距離管線提供伴熱。

4 集膚效應電伴熱的電路和溫度控制

根據管線伴熱設計的基礎參數，計算出集膚效應伴熱所需的伴熱功率，采用工頻交流電供電電源，選擇一個電源變壓器，供電電壓隨實際設計所需確定，二次供電電壓最大可到33kV（根據耐熱集膚電纜的絕緣層的耐受電壓而定）,一般單電源控制柜設在工藝管道敷設的中間位置，變壓器的一次側設有斷路器的過載、短路等電氣保護，變壓器的次級設有調節(jié)范圍，每5%設一檔，共設5檔，通過真空接觸器的主觸頭閉或合，把交流電壓加到或斷開耐熱集膚電纜和伴熱熱管的串聯(lián)電路 （見圖4 ），有電流流過伴熱熱管時，熱管就會對工藝管道進行伴熱。在工藝管道上設有固態(tài)繼電器式的溫控器，當溫度低于電伴熱維持溫度時，溫控器的動合觸點使真空接觸器的線圈通電而動作，有電流流過伴熱熱管而加熱，當溫度高于電伴熱維持溫度時，溫控器的動合觸點使接觸器的線圈失電而動作，沒有電流流過伴熱熱管，伴熱熱管不產生熱（見圖5 和圖7 ）。考慮溫控器通過控制真空接觸器的通斷來控制工藝管道溫度，變壓器的初級繞組要能夠承受機械及電氣的頻繁開關，頻率為每天10次左右。變壓器在這樣的使用情況能保持正常的使用壽命。

圖5 集膚效應電伴熱的電路示意圖

本工程測溫元件采用XMT-322，安裝在管線的外表面，溫控器的輸出可根據用戶的需求更改。變壓器按兩根管線同時工作設計，采用三相T型專用加熱變壓器。要求變壓器輸入端三相不平行度不得大于 10%。輸入電壓：10000V，輸出電壓：（2×1100V）；變壓器的二次側設5個電壓輸出檔位。輸出電流:135 A,變壓器容量：360kVA;變壓器效率：0.9。加熱變壓器和真空接觸器等都安裝在650（寬）×800（深）×2000（高）的控制柜內。控制柜盤面在前面小門的上方，設溫度值顯示、溫度范圍調整、超溫報警指示；電源指示；過電流指示；電壓顯示；電流顯示；工作指示；停止指示；手動-自動切換。控制柜不帶電的金屬構件均接地,見圖6 和圖7 。

圖6 集膚效應電伴熱的一次原理圖

圖7 集膚效應電伴熱的二次原理圖

本工程伴熱管采用無縫鋼管。需用2個鋼質的首端接線盒、2個鋼質的終端接線盒和60個鋼質的中間接線盒。還需要272kg的導熱膠泥。

5 電伴熱替代蒸汽伴熱將是必然趨勢

以本工程的集膚效應電伴熱與蒸汽伴熱比較，電伴熱具有許多顯著的優(yōu)點：

5.1 電伴熱比蒸汽伴熱適應性廣泛

蒸汽伴熱不適合復雜管線伴熱，不適合遠離裝置的管線伴熱，若在北方冰凍的季節(jié)里，安裝在野外蒸汽伴熱的回水管線可能被凍壞。

集膚效應電伴熱適應所有長、短距離輸送液體介質鋼制管道的伴熱和加熱，敷設方式適合復雜管線伴熱，適合遠離裝置的管線伴熱，適用任何場所，如：地下直埋、水下、河流穿越、地面 架空敷設、適用于易燃引爆場所直埋 或架空。

5.2 電伴熱比蒸汽伴熱安全可靠

蒸汽伴熱易燙傷人。

集膚效應電伴熱由于伴熱熱管是碳鋼管，機械 強度大，密封良好，對電纜有很好的保護作用。集膚 電纜是特制耐熱電纜，由于集膚效應系統(tǒng)自身形成 絕緣結構， 使工藝管道和伴熱熱管外表面均不帶 電，工藝管道安全接地，保證工藝管道始終是零電 位，做到安全可靠。

5.3 電伴熱比蒸汽伴熱便于實現(xiàn)自動化

蒸汽伴熱始端高，終端低，溫度不均勻，難于控 溫，不便于實現(xiàn)自動化。

集膚效應電伴熱首尾端的加熱溫度是均勻的， 不會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，可以通過溫度傳感器進行溫度 檢測，通過閉環(huán)溫控系統(tǒng)準確調節(jié)和控制，實現(xiàn)無 人管理自動化控制或遙控，滿足企業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的 要求。

5.4 電伴熱比蒸汽伴熱維修方便、成本低

蒸汽伴熱的維修工作量大，需要定期更換蒸汽 伴熱管道，成本高。

集膚效應電伴熱由于熱管一直沿著工藝管線 固定，工藝管線的溫度變化非常小。發(fā)熱元件是堅 固的熱管，在野外也很難被損壞。幾乎不需要維修。 一旦絕緣集膚電纜損壞，利用系統(tǒng)已有的接線盒可以方便的抽出和更換絕緣集膚電纜，不會影響保溫 層。維修方便，成本低。

5.5 電伴熱比蒸汽伴熱經濟效益好

集膚效應電伴熱一次初投資比蒸汽伴熱高些， 但是，運行費用、維修費用和管理費用卻比蒸汽伴 熱低得多，有資料表明，經過技術經濟比較，電伴熱 一次投資比蒸汽伴熱多的差額，很快就從上面的其 他費用回收，經濟效益比蒸汽伴熱好。

5.6 電伴熱和蒸汽伴熱比較，節(jié)能顯著

蒸汽伴熱對輸送蒸汽本身也需要保溫，常有跑 冒滴漏現(xiàn)象，加熱效率低。

耐熱集膚電纜在伴熱熱管內，伴熱熱管和工藝 管道焊在一起，外面加上保溫層和保護外殼，加熱 效率高。

有資料表明，輸油管道采用集膚效應伴熱耗能 為231kg/km 標煤, 采用蒸汽伴熱耗能為1813kg/km 標煤。按1kWh=0.404kg 標煤進行折算，每km 輸油 管道每h 節(jié)約3 915.8kWh 的電能。節(jié)能效果十分顯 著。

集膚效應電伴熱由于具有以上諸多優(yōu)點，特別 是經濟效益好、節(jié)能效果顯著，符合我國的節(jié)能減 排技術政策，正受到用戶、設計院的重視而得到越 來越廣泛的應用。

參考資料

[1]泰科熱控公司的有關集膚效應電伴熱資料