集膚效應(yīng)電伴熱在油氣長(zhǎng)輸管線中的應(yīng)用研究

宋成銘 王紫陽(yáng) 費(fèi)繼濤

摘 要：我國(guó)是工業(yè)大國(guó)，也是能源消耗大國(guó)。廣大的國(guó)土上分布著縱橫數(shù)千里的管道，每天為工業(yè)生產(chǎn)和能源使用提供石油和天然氣輸送服務(wù)。由于其物質(zhì)特性，油氣在運(yùn)輸過(guò)程中必須維持一定溫度以上，否則就會(huì)降低輸送效率，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐晒艿朗鹿省榱吮ＷC油氣輸送安全，人們開發(fā)出集膚效應(yīng)電伴熱技術(shù)，較為妥善地解決了油氣遠(yuǎn)距離管道輸送中溫度下降的問題。文章圍繞集膚效應(yīng)電伴熱技術(shù)在油氣遠(yuǎn)距離管道輸送中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，介紹了集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)的基本原理和主要組成，分析了集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，最后強(qiáng)調(diào)了在集膚效應(yīng)電伴熱技術(shù)的實(shí)際使用過(guò)程中需要重視的問題。

關(guān)鍵詞：集膚效應(yīng)電伴熱；介質(zhì)；油氣輸送；基本原理；設(shè)計(jì)

引言

石油、天然氣是重要的能源物質(zhì)和基礎(chǔ)化工原料。在實(shí)際使用過(guò)程中，石油、天然氣與許多化工產(chǎn)品、半產(chǎn)品一樣，都是采用管道運(yùn)輸方式進(jìn)行輸送的。由于許多輸送對(duì)象在常溫狀態(tài)下流動(dòng)性較差，出于便于輸送的目的，使用管道運(yùn)輸物料的過(guò)程中往往采用了保溫措施，將被輸送的物料溫度維持到一定限度以上。但在長(zhǎng)距離輸送過(guò)程中，必然會(huì)伴隨著熱量損失，從而導(dǎo)致物料溫度下降，如果被輸送的物料溫度輸送要求溫度，物料物理形態(tài)發(fā)生改變，就會(huì)給輸送帶來(lái)負(fù)面影響，嚴(yán)重時(shí)造成管道堵塞。比如原油、天然氣輸送過(guò)程中溫度下降，就會(huì)導(dǎo)致管道中出現(xiàn)凝固結(jié)蠟現(xiàn)象。為了保障無(wú)論輸送順利正常，人們?cè)趯?shí)際輸送物料過(guò)程中主要使用熱量補(bǔ)償?shù)姆椒ǎS持物料在輸送過(guò)程中的溫度，具體通過(guò)對(duì)輸送管道進(jìn)行伴熱處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)管道的實(shí)際特點(diǎn)和需求不同，伴熱的具體方式也會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于要求不高的普通輸送管道，常用的伴熱方式有蒸汽伴熱、熱水伴熱和電伴熱等幾種方式。而石油、天然氣等輸送管道具有輸送距離長(zhǎng)，途徑環(huán)境復(fù)雜多變，條件嚴(yán)苛等特點(diǎn)，有的輸油管道還會(huì)有海底管道和陸地管道的變化，如果采用常用的蒸汽伴熱或熱水伴熱等伴熱方式，不僅設(shè)備復(fù)雜、給建設(shè)、使用、維護(hù)管理帶來(lái)很大困難，還會(huì)有資金需求量大，使用周期短等問題，所以通常會(huì)考慮施工更加經(jīng)濟(jì)的電伴熱方式。而電伴熱方式中的自限式電伴熱和恒功率電伴熱兩種方式，其伴熱距離較短，一般最多200m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)石油、天然氣動(dòng)則幾百公里的輸送需求。針對(duì)這一問題，技術(shù)人員經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究和實(shí)踐總結(jié)，開發(fā)出集膚效應(yīng)電伴熱管道加熱技術(shù)。該技術(shù)一經(jīng)問世，就受到石化企業(yè)的高度歡迎，在石化行業(yè)遠(yuǎn)距離管道輸送領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，自身也實(shí)現(xiàn)了飛快發(fā)展。集膚效應(yīng)電伴熱技術(shù)英文簡(jiǎn)稱為SECT法，能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速提高物料溫度，對(duì)于遠(yuǎn)距離管道運(yùn)輸加熱、伴熱具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，同時(shí)兼具安全可靠、壽命長(zhǎng)、安裝和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)概述

1.1 集膚效應(yīng)電伴熱的基本原理

在電磁場(chǎng)的作用下，通電導(dǎo)體的集膚效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)熱量，根據(jù)這個(gè)原理，人們將其應(yīng)用于管道輸送領(lǐng)域，這就是集膚效應(yīng)電伴熱技術(shù)的基本原理。在實(shí)際應(yīng)用中，集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)的發(fā)熱裝置由承擔(dān)著熱管作用的普通碳鋼管與穿過(guò)導(dǎo)管的集膚效應(yīng)導(dǎo)線組成。在需伴熱的管線上焊接熱管，再將熱管與導(dǎo)線一端短接，另一端則與電源兩端分別相連。在通電狀態(tài)下，集膚效應(yīng)產(chǎn)生，熱管中的電荷集中于熱管內(nèi)壁，導(dǎo)線中的電荷集中于導(dǎo)線外表面，二者彼此吸引，從而使得熱管內(nèi)壁與導(dǎo)線外表面構(gòu)成高陰區(qū)，發(fā)出大量的熱。這些熱量經(jīng)由熱管傳遞至伴熱管線，從而達(dá)到伴熱保溫的效果。從安全角度上看，熱管外壁電位為零，伴熱管道電位也為零，二者間沒有電位差，不會(huì)形成電流通路，因此使用集膚效應(yīng)電伴熱是安全可靠的。

1.2 集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)組成分析

一般情況下，集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)由主控制柜、變壓器、導(dǎo)線及接頭連接件、熱管及連接件、溫度控制系統(tǒng)等單元組成。

1.2.1 主控制柜

該裝置是集膚效應(yīng)伴熱系統(tǒng)的控制單元，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的電力支持和對(duì)集膚效應(yīng)電伴熱電路進(jìn)行控制。

1.2.2 變壓器

干式變壓器、油浸式變壓器、SCOTT變壓器或者帶平衡裝置的變壓器等都是集膚效應(yīng)電伴熱常用的變壓器種類。對(duì)于在一根輸送管道上使用兩路集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)的情況，一般都使用特殊形式的SCOTT型變壓器或者加負(fù)載平衡器的變壓器，而不是用常用的三項(xiàng)變壓器，這是因?yàn)樵谶@種條件下使用三項(xiàng)變壓器會(huì)導(dǎo)致三項(xiàng)無(wú)法平衡，電源質(zhì)量嚴(yán)重下降。

1.2.3 集膚效應(yīng)導(dǎo)線及接頭連接件

集膚效應(yīng)導(dǎo)線通常采用單芯銅導(dǎo)線，使用具有耐高溫性、抗磨損性能佳的絕緣材料外敷表面。整個(gè)系統(tǒng)的總發(fā)熱量的十分之一由其提供，導(dǎo)線線徑的選擇取決于電流的大小和載流量系數(shù)。而電源電壓等級(jí)、負(fù)載大小和伴熱長(zhǎng)度等則是電流大小的主要影響因素。

1.2.4 熱管及連接件

熱管是集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)的發(fā)熱單元，一般使用普通的碳鋼管制成。總發(fā)熱量的十分之九由其提供。熱管的接長(zhǎng)需要使用連接件，其材質(zhì)與熱管一致，主要使用碳鋼制成。具體包括首端接線盒、中間接線盒和終端接線盒等部分，分別用于電路中各個(gè)部分的連接。

1.2.5 溫度探測(cè)及變送裝置

要實(shí)現(xiàn)維持管道中物料溫度的目的，首先要對(duì)物料當(dāng)前溫度進(jìn)行測(cè)定，管道中物料溫度通常采用溫度探頭測(cè)定。由于許多物料在管道中的不同位置的狀態(tài)、理化性能并不完全相同，使得溫度在管道內(nèi)部的分布也不一樣，這就要求管道中設(shè)置的探頭測(cè)定數(shù)據(jù)必須要能夠體現(xiàn)物料的整體溫度情況，通常在物流的首端和終端設(shè)置溫度探頭。探頭測(cè)定的溫度以電信號(hào)的方式傳遞給控制盤，根據(jù)設(shè)定參數(shù)決定是否接通、切斷集膚效應(yīng)電伴熱電路。

2 集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在設(shè)計(jì)集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)時(shí)，最重要的是要選擇適宜、正確的熱管材料，熱管是整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)熱核心，其材質(zhì)性能直接關(guān)系到集膚效應(yīng)伴熱系統(tǒng)的工作狀況。常用的熱管材質(zhì)有碳鋼管、不銹鋼管及銅管等，由于碳鋼較為經(jīng)濟(jì)，所以使用頻率較多。熱管厚度受集膚深度和腐蝕裕量?jī)蓚€(gè)因素影響，電流頻率50赫茲的情況下，碳鋼的集膚深度一般控制在0.6毫米至0.8毫米之間。然后再結(jié)合所使用的碳鋼的腐蝕系數(shù)和設(shè)計(jì)使用年限計(jì)算出腐蝕裕量，腐蝕裕量和集膚深度之和就是熱管管壁的最小厚度。

3 在使用集膚效應(yīng)電伴熱過(guò)程中需要注意的問題

（1）對(duì)于使用海底管道進(jìn)行油氣輸送的情況，考慮到海底管道熱管的連接方式，為保證管件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，需要對(duì)內(nèi)外管連接鉚固件進(jìn)行強(qiáng)度校核。

（2）對(duì)于使用陸上管道進(jìn)行油氣輸送的情況，由于法蘭、閥門及支撐等配套結(jié)構(gòu)為剛性結(jié)構(gòu)，不能使用同為硬質(zhì)材料的熱管進(jìn)行纏繞伴熱，所以要使用自限式伴熱帶對(duì)其熱量損失進(jìn)行彌補(bǔ)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)有的多種伴熱技術(shù)中，集膚效應(yīng)電伴熱效率高、適應(yīng)性好，已經(jīng)成為當(dāng)前海、陸石油、天然氣的遠(yuǎn)距離管道輸送的主要技術(shù)。我國(guó)要大力發(fā)展石油、天然氣產(chǎn)業(yè)，集膚效應(yīng)電伴熱技術(shù)是不可或缺的一環(huán)，相關(guān)企業(yè)要加大研究投入，不斷提高、完善集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)的性能和質(zhì)量，為我國(guó)石油、天然氣產(chǎn)業(yè)順暢發(fā)展提供必要的保障。

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