化工企業儲運系統恒功率電伴熱帶的應用及風險控制

范楓林

(南京理工大學，江蘇南京 210094)

化工生產企業主廠區管道伴熱所需的公用工程條件完備，伴熱方式也根據現場條件靈活多樣，而企業的儲運系統往往居于廠區周邊或偏遠地區，公用工程配套不全、巡檢及維護管理難度大。而電伴熱較蒸汽伴熱，節能效果好，易于集中精確控制。因此，采用電伴熱實現儲運系統物料管線集中伴熱是目前的主流。

1 電伴熱帶的分類及特點

1.1 電伴熱帶分類

電伴熱帶作為電伴熱系統的核心，根據其結構和原理的不同，可分為恒功率電伴熱帶和自限溫電伴熱帶，前者又包括串聯式電伴熱帶、并聯式電伴熱帶2種類型。

1.2 電伴熱帶特性比較

從表1電伴熱帶特性比較可以看出，并聯式恒功率電伴熱帶和自限溫式電伴熱帶均不適宜長管段伴熱，均具有并聯帶的局部電阻絲損壞不易發現、壽命相對較短的缺點，而且自限溫式電伴熱帶控溫精度低且須定制；串聯式恒功率電伴熱帶則適合于長管線，控溫精確，故障率低，且故障點易發現、易查找，與并聯帶和自限溫帶比較具有相對優勢。

2 化工儲運系統的伴熱特點及對電伴熱的適應性要求

2.1 儲運系統伴熱特點

a)儲運生產為間歇性作業，物料輸送管線工藝動態變化多，同一個物料儲運系統有時送料，有時收料，有時因輸送的物料溫度超過伴熱控制溫度而不需伴熱。因而溫度控制對伴熱運行要求更高，溫控的節能優化空間更大。

表1 幾種電伴熱帶特性比較

b)儲運系統管線伴熱的目的多以防凍防凝為主，一旦伴熱系統故障停運，在生產間歇、管線靜態時極易凍凝，影響企業的原料、產品輸送。

c)化工儲運系統儲存的物料品種多，且每種物料系統獨立，物料性質差別大，電伴熱控制的溫度各不相同，造成供電回路繁雜。

d)化工儲運系統罐區部分管段多、管程短、每個管段伴熱溫度差異大，而罐區以外的管段一般是長度大，甚至幾千米以上。

2.2 儲運生產組織對電伴熱系統的要求

a)針對儲運生產組織特點，要發揮DCS等電伴熱集中監測與控制系統功能強大的優勢，解決伴熱回路多、伴熱溫度不統一、管網動態多帶來的伴熱啟停頻繁的難點。

b)應選用溫度控制精確的伴熱帶。

c)電伴熱帶要適應故障反應直觀、故障點易查找、故障處理快的要求。

3 電伴熱的運行風險

化工儲運生產中電伴熱出現運行故障造成管線凍凝，則干擾主裝置生產負荷，更為重要的是出現因電伴熱造成的火災爆炸事故時，后果影響大，主要的風險表現在以下幾個方面。

3.1 火災爆炸

伴熱管道輸轉物料多為易燃易爆品，火災爆炸的主要風險因素來源于前期設計不規范，電伴熱系統設計沒有達到防爆標準。同時在管線維修過程中對伴熱帶的損壞，造成伴熱帶發生接地、短路等產生電火花的故障，從而引燃物料造成火災爆炸事故。

3.2 伴熱負荷不足

經驗表明，由于設計時關鍵參數取值不合理，對極端低溫天氣估計不足，情況出現時即使電伴熱系統持續加熱也不能維持運行溫度，甚至持續下降，造成管線凍凝。

3.3 伴熱溫度檢測控制不準

俗稱“假溫度”，即溫控器顯示的溫度不能反應管道內物料的真實溫度，造成溫控器不能啟動加熱、管線凍凝，或不應有的持續加熱、出現物料及伴熱帶過熱。

3.4 對被伴熱設備的損壞及觸電危險

采用電伴熱的設備，電伴熱帶受到損傷后，易發生漏電造成人身觸電危險；芯線碰觸設備外壁形成接地短路故障，破壞被伴熱設備，圖1為電伴熱故障后燒損管線的情況。

4 風險控制及對策

理論上，風險值(R)=風險發生的概率(L)×風險發生的后果(S)，影響L值、S值的因素很多，降低風險值R的途徑也多。針對電伴熱應用上存在風險因素的分析，從方案設計、安裝、運行管理、故障排除、應急管理5個方面做好優化，提高電伴熱系統的安全性、穩定性是風險管理的關鍵。

4.1 方案設計優化

4.1.1伴熱負荷的計算

電伴熱功率計算首先要計算管道熱損失量Q：

Q=2πλ(TW-TH)[(d+2δ)/d]

(1)

式中：Q——管道熱損失量，W/m；

λ——保溫材料導熱系數，W/m·℃；

TW——工作維持溫度，℃；

TH——當地最低平均溫度，℃；

d——管道外徑，mm；

δ——保溫層厚度，mm。

由公式(1)看出，關鍵參數TW、TH的確定至關重要，工程設計上TW應根據管道輸送物料的凝點，再加上必要的操作空間，一般要增加10 ℃以上；TH的選取為保險起見應為當地最低“日”平均氣溫。

圖1 電伴熱帶故障后燒損管線情況

而電伴熱帶發熱功率P的計算，要盡可能滿足應對極低氣溫風險的要求，一般通過可靠系數k對電伴熱帶發熱功率P進行調整，取值區間1.1～1.2，建議取上限1.2。

P=kQ

(2)

式中：P——電伴熱帶發熱功率，W/m；

Q——管道熱損失，W/m·℃；

k——可靠系數。

4.1.2伴熱帶的選取與布線方案優化

儲運系統的罐區部分與進出罐區后的外管網，特點明顯，前者管線短而繁雜，后者單條管線長度大；從電伴熱帶的特點和使用經驗看，罐區外的長管道首選串聯帶，而罐區部分本應選擇并聯帶，但因其固有的缺陷，某一段的電阻絲損壞后不易發現、發現損壞后也很難找到準確位置。因此，在伴熱帶選型上盡量多使用串聯帶。具體設計時，對罐區內同一品種、伴熱溫度相近的不同品種的短管線，盡可能用一條串聯帶串聯起來，滿足串聯帶對管線長度的要求。罐區內短管線優化使用串聯帶的示例見圖2。

圖2 罐區內短管線使用串聯帶及測溫點布置示意

當然，串聯帶代替并聯帶的設計思路也對管理上提出了更高的要求，設計階段要對各管段的長度測量準確，首尾連接點的選取要避免重復布線，交工資料準確詳細，技術人員要繪制精確的伴熱帶走向圖，甚至同一條管道上因走向或伴熱功率需要往返布置伴熱帶時，要繪制伴熱帶安裝斷面位置圖，以方便后續維修時故障點的查找。

4.1.3伴熱溫度的檢測與控制

電伴熱測溫點的布設不合理將會形成“假溫度”顯示。如圖2所示的溫度監測點A，由于冬季倒罐和加熱循環增多，測溫點所在的管段溫度較泵出口的外管道高，將直接導致電伴熱不啟動，外管道存在失溫凍凝的風險。

如圖2所示的溫度監測點B，測溫點設在泵出口的外管道上，當外管道啟動電伴熱加溫時，由于冬季倒罐和加熱循環多，泵入口及循環管道溫度普遍較高，造成長時間加熱，浪費能源，加快伴熱帶老化，甚至出現燒壞伴熱帶形成火災。測溫探頭安裝不牢脫落，也會出現同樣的結果。

因此，為方便對管網龐大、工藝動態復雜的電伴熱系統的控制和管理，除了應用“環境溫度控制”、“比例環境溫度控制”等針對局部的控制技術外，還要采用DCS技術，實現更豐富的高低溫與電流自動檢測、遠程監控功能，提高系統運行的可靠性。

此外，為提高電伴熱系統的安全完整性水平，在溫控器之外，增設獨立的“溫度限制器”，對電伴熱系統起到額外的保護作用；它通過自帶的RTD,當測量值達到設定范圍，繼電器自動脫扣，使系統安全完整性達到SIL2以上的水平。

4.1.4電伴熱系統防爆與漏電保護

安裝在防爆區域的電伴熱系統，要嚴格按照區域防爆等級要求進行系統設計和設備選型，電源接線盒及電伴熱帶接線盒的防爆等級要達到防爆區域的防爆要求，設備具有EC檢測證明或證書；為避免電伴熱系統因漏電造成的觸電等事故，需安裝漏電保護器。

4.2 安裝

電伴熱帶敷設時不要打折、過度彎曲或折疊，不得承受過大的拉力，禁止沖擊錘打，以免損傷絕緣層。安裝時，安裝處上空不再進行焊接、吊裝等操作，以防止電焊熔渣濺落到電伴熱帶上損壞絕緣層。

保溫層施工必須在電伴熱帶安裝調試后進行，管線彎頭、閥門、流量計等處的保溫鐵皮要做握邊處理，防止鋒利的鐵皮割傷電伴熱帶；保溫鉆頭用短鉆頭，防止損傷電伴熱帶；管線及保溫鐵皮上每隔5 m標注距首端距離，以便日后故障查找時準確定位。

電伴熱帶敷設完后及保溫前要測絕緣并記錄，確認電伴熱帶完好。檢測絕緣時用1 000 V兆歐表檢查系統的絕緣電阻，電伴熱帶的線芯相間或對地電阻應不低于20 MΩ。要記錄交接試運行時的電流，以作為后期維護的參考電流。

4.3 電伴熱運行管理

電伴熱運行過程中要密切關注伴熱系統的運行狀況，及時發現并消除運行中的隱患和問題，延長伴熱帶的使用壽命。

a)關注運行電流和溫度。電流、溫度是電伴熱運行的2個重要參數，這兩個參數發生較大變化時，就表征電伴熱帶可能出現了故障。

日常要記錄運行電流，在電伴熱第一次試運行或通電時，記錄運行電流；每次冬季試運行時或正常運行時也要記錄運行電流。冬季送電前測絕緣，檢查電伴熱是否具備工作條件，送電運行4～6個小時后，檢查電伴熱帶運行狀況，并記錄運行電流，與以前的運行電流進行比較，判斷電伴熱運行是否正常。

b)根據物料的凝點合理設定運行溫度，并根據氣溫變化及時調整。如果溫度設定過高，縮短電伴熱帶使用壽命，浪費電能。

4.4 伴熱帶故障處理

4.4.1故障查找方法

并聯型電伴熱帶的故障大多由電阻絲損壞造成的，此時電伴熱帶整體仍能運行，只能通過分析運行電流大小變化來判斷是否出現故障，拆除保溫后沿電伴熱帶測試是否發熱來查找故障位置。而串聯型電伴熱帶故障主要有斷線故障、接地短路故障、相間短路故障等。一般的查找方法主要有3種。

a)斷線查找法。將電伴熱帶從中間斷開，再從斷開處測量對地或相間電阻，判定故障點在斷點的前后區域，確認區域范圍后再將故障段從中間斷開，以此類推直至將故障確認在20 m之內，該方法對電伴熱帶損傷較大。

b)破絕緣層查找法。主要用于查找斷線故障，將電伴熱帶中間絕緣層割開，將一端接地，用萬用表測量伴熱帶對地的通斷情況，判定故障點在前半段還是后半段，確認后再將故障段中間的絕緣層割開，以此類推直至找到故障[1]。

c)電纜故障探測器查找法。該方法能查找電伴熱帶的各種故障。利用電伴熱帶結構和電纜結構相似，用電纜故障儀探測器確定故障點的范圍，再采用聲測法、音頻法等不同的定點方法進行精確定點，提高故障查找效率，減少對電伴熱帶損傷，查找故障時應優先采用[2]。

4.4.2常見故障及處理

表2列出幾種常見的故障現象及處理措施。

4.5 應急管理

單就電伴熱系統對化工儲運生產安穩運行的影響，應急管理側重于電伴熱系統故障狀態下，如何盡快恢復伴熱，避免影響物料進出廠。由此，除了做好預知性維修、運行監測、完善搶修技術方案外，根據情況做好以下工作。

表2 常見故障現象及處理措施

a)運行溫度的設置要為巡檢發現故障、簡單故障排除留下一定的反應時間，一般要比物料凝點高5 ℃以上，在凝線前將伴熱帶問題處理完畢。

b)在滿足工藝條件的情況下，制定工藝預案，故障時進行物料循環加熱。

c)準備好頂線儲罐或槽車，緊急情況下掃線處理。

5 結語

隨著電伴熱帶加工技術的提高，越來越多的化工物料管線采用電伴熱。儲運專業如何結合自身的工藝狀況，針對同行業發現的使用風險和經驗，在系統設計上完善監測控制措施，在運行和維修上控制風險度，保證生產安穩運行，還需要進一步探討和實踐。