含硼溶液電伴熱系統設計與控制

（中國船舶集團有限公司 第七一八研究所，河北 邯鄲 056000）

含硼溶液在低溫條件下或環境溫度降低時容易結晶，其儲運設備和管道存在堵塞風險［1］。文中結合某項目中含硼溶液儲罐與輸送管道、管件的實際情況，以防止熱量損失使溶液溫度降低、引起硼酸結晶堵塞管路為目標，對管道與設備進行熱損失分析與計算，對伴熱方式進行選型討論。針對電伴熱方式，進行伴熱線纜選型、伴熱帶選型以及伴熱自控系統的設計。

1 項目伴熱需求分析

為一套輸送含硼溶液的裝置進行的保溫伴熱設計項目中，整套裝置包含儲存溶液的箱體設備、輸送溶液的泵設備與相關管道。在不同管道或設備中，由于輸送溶液的濃度不同、需要維持的溶液溫度不同，設計的保溫伴熱需求也有所差別。其中溶液輸送量的設計值為1.5 m3/h，需維持箱體中的溶液溫度高于35℃、管道中的溶液溫度高于35℃或者90℃，以防止溶液溫度降低時失溫結晶、造成設備或管道堵塞。

2 含硼溶液輸送管道熱損失計算

2.1 管道結構

圖1 含硼溶液輸送管道截面結構示圖

2.2 管道熱損失組成

管道內的含硼溶液通過管壁、保溫層及金屬防護層向外部空間傳熱。傳熱過程中，保溫層熱阻、空隙層熱阻以及金屬防護層外空氣熱阻的存在均會造成管道的熱損失。管道熱損失按下式計算［2］。

式中，q為單位管道長度熱損失，W/m；tp為管道外表面溫度，tamb為環境溫度，℃；Rin為保溫層單位管道長度熱阻，Ri為空隙層單位管道長度熱阻，Ro為單位管道長度空氣熱阻，℃·m/W。

2.3 熱阻計算方法

2.3.1 保溫層

保溫層熱阻按下式計算［3］。

式（2）和式（3）中，Dc為金屬防護層直徑，Dp為管道直徑，m；Kin為保溫層熱導率，W/（m·℃）；tin為保溫層外表面溫度，℃。

2.3.2 空隙層

空隙層的熱阻按式（4）～式（8）計算［4］。

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式（4）～式（8）中，hi為空隙層總傳熱系數，hri為空隙層輻射傳熱系數，hci為對流傳熱系數 （空隙層中的傳熱為自然對流傳熱，因橫管和豎管的布置方式不同，其對流傳熱系數的計算也不相同）,W/ （m2·℃）；tc為金屬防護層壁溫，℃；εin為保溫層發射率，εin取值 0～1；Lv為豎管段長度，m。

2.3.3 外部空氣

金屬防護層外的空氣熱阻按式 （9）～式（14）進行計算［5］。

式（9）～式（14）中，ho為空氣總傳熱系數，hro為空氣輻射傳熱系數，hco為空氣對流傳熱系數，W/（m2·℃）；εc為金屬防護層發射率，εc取值 0～1；ω為流體流速，m/s；υ為流體的運動黏度，m2/s；Nu為努塞爾數；Pr為普朗特數；λ為導熱系數，W/（m·K）；l在此處為 Dc，m。在計算空氣對流傳熱系數hco時，首先由空氣雷諾數判斷自然對流型式，進而計算出空氣對流傳熱系數。

2.4 計算結果

本項目中低濃度含硼溶液的溫度需不低于35℃，高濃度含硼溶液溫度需不低于90℃。

使用式（1）進行計算，得到每條管道的熱損失，見表1。

表1 管道熱損失計算結果匯總

3 設備熱損失計算

本項目中尺寸 （長×寬×高）2.5 m×2 m×2 m的長方平壁設備需要伴熱，其單位面積熱損失是計算的基礎，根據表2確定或者按式（15）計算。

表2 不同保溫層厚度下罐體單位面積熱損失 W/m2

式中，t為設備外表面溫度，℃；δ為保溫層厚度，m；αs為保溫層外表面空氣放熱系數，W/(m2·℃)。表2中Δt為保溫層兩側的溫差，℃。在選取厚度約50 mm的保溫棉保溫后，計算的設備熱損失約為1 300 W。

4 管道與設備伴熱方式討論

常用的管道伴熱方式有內伴熱管伴熱、外伴熱管伴熱、夾套伴熱和電伴熱等多種。相應地，伴熱介質有熱水、蒸汽、熱載體和電熱［6］。蒸汽的冷凝潛熱大、溫度易于調節，被廣泛應用于各行業中，尤其是石化企業。蒸汽伴熱系統必須設置蒸汽總管、引入管和分配管，被伴熱的管道上除設置伴熱管，還需設置冷凝水的引出管、總管和收集站等［7］，其系統構成復雜、維修量大，不適合長輸管道，窄小空間、無規則外形的設備，塑料或非金屬管道及無蒸汽熱源或邊遠地區管道等場合的伴熱。熱水伴熱的使用場合更加局限，尤其不適用于操作溫度高的場合［8］。

電伴熱通過在沿管線方向或罐體容器上均勻敷設電伴熱線纜實現伴熱保溫［9］，具有溫度梯度小、熱穩定時間長及電伴熱效率高等優點。電伴熱可以通過控制系統實現伴熱量的自動調節，較蒸汽或熱載體伴熱需要的伴熱管鋼材更少，無需蒸汽、熱水等熱源，可降低設計、施工和維修費用以及年運行費用［10］。因此電伴熱系統在石油、化工、電力、食品及船舶等行業的管道與管件、泵體、設備容器的伴熱保溫，防凍及防凝方面均有廣泛應用。在壓水堆核電廠，電伴熱是主要的儀表及其測量管道保溫方式，也是含硼溶液輸送管道、閥門及泵的伴熱設施［11］，主要起維持流體循環，防止硼酸結晶的作用。

本項目為一套獨立裝置，需要伴熱的設備和管路較少，伴熱量需求較小，且現場無蒸汽或熱載體做配套的伴熱系統，因此，選用電伴熱進行管道和設備伴熱，僅需消耗電能即可轉化成熱能，無需額外設置熱水或熱載體系統，可極大節省伴熱系統的投資，且利于控制。綜上，本項目選擇電伴熱方式進行管道和設備伴熱設計與控制。

5 電伴熱系統設計與控制

5.1 常見伴熱線纜類型

電伴熱線纜有并聯自限溫式伴熱帶、恒功率伴熱帶、礦物絕緣伴熱電纜、硅橡膠電伴熱帶、玻璃纖維電伴熱帶等類型［12］。相應地，電伴熱技術也有自限溫技術、恒功率技術、聚合物絕緣（PI）技術及礦物絕緣（MI）技術等，其中以自限溫電伴熱與恒功率電伴熱最為常用。

自限溫電伴熱帶構成見圖2。恒功率電伴熱帶結構見圖3。

圖2 自限溫電伴熱帶結構示圖

圖3 恒功率電伴熱帶結構示圖

自限溫電伴熱帶的特點是升溫迅速，在選用電伴熱帶的最長使用長度內可以任意截短，交叉重疊纏繞敷設時不存在過熱以及燒毀等問題。可根據環境溫度自動調節發熱功率，無需配置溫度控制器，只有在溫度控制精度要求很高的場合才需要配置。

恒功率電伴熱帶以串聯或并聯金屬電阻絲或專用碳纖維束、導電線芯及絕緣材料結合制成，不允許交叉重疊敷設，需要溫控系統配套使用［13］。但其啟動電流小、能耗低、年衰減率低，使用壽命長、最大單向使用長度較長、回路數量較少、總成本較低等優勢更明顯，因此本項目選取恒功率電伴熱帶進行電伴熱設計。

5.2 伴熱帶選型計算

5.2.1 電伴熱功率

根據項目電伴熱需求統計的管道電伴熱參數以及各回路管道的熱損失計算結果見表1。

對于箱體設備，根據前述計算的散熱量為1 300 W，取設計余量為0.3，則電伴熱需提供熱量為 1 300×1.3=1 690 W。

5.2.2 伴熱帶選型

通常，根據管道最高持續性操作溫度Tc、管道最高偶然性操作溫度Ti（如蒸汽、熱水或熱油吹掃時）、平均操作溫度TM下管道散熱量QT1、供電電壓、一般區或危險區、化學環境等參數選擇伴熱帶型號系列。根據本項目的電伴熱需求，選取型號RDP2-J4-40和RDP2-J4-30的電伴熱帶，其技術參數見表3。

表3 RDP2-J4-40和RDP2-J4-30型號電伴熱帶技術參數

常用電伴熱帶的敷設方式主要有平鋪和螺旋纏繞2種，見圖4和圖5。平鋪敷設可設置單根或多根平鋪。相較螺旋纏繞安裝，平鋪安裝有利于拆除后檢測或維修，在滿足功率需求的情況下安裝更簡便。因此管道和設備均選取平鋪敷設安裝方式。需要注意的是，平鋪安裝時先固定傳感器，再纏繞電伴熱帶，嚴禁將電伴熱帶重疊或打結，傳感器必須安裝于伴熱帶完整的發熱節內。箱體的伴熱和保溫安裝示意圖見圖6。

圖4 電伴熱帶纏繞安裝示圖

圖5 電伴熱帶平鋪安裝示圖

圖6 箱體電伴熱帶安裝示圖

在管道系統中，由于設置的閥門管件存在熱阱效應，因此在計算熱損失時需要考慮其散熱，否則會使保溫伴熱量低于需求值。同時，在計算伴熱帶長度時也要充分考慮閥門管件處的伴熱帶安裝長度。在本項目的管件電伴熱計算中，閥門散熱系數取值結果見表4。對于每一條管道回路，可依照表5中包含的管件計算其管件熱損失值，再根據伴熱帶的額定功率確定所需伴熱帶長度。此長度加考慮到的直管段伴熱長度，總和即為該回路的伴熱帶總長度。其中，計算伴熱帶所提供的伴熱功率時考慮1.4倍的裕度系數。

表4 各回路管道上閥門散熱系數取值

根據上述方法，管道和設備的電伴熱選型結果見表 5。表 5中，I型為 RDP2-J3-30，II型為RDP2-J4-40。

表5 管道和設備電伴熱選型結果

5.3 電伴熱自控流程

電伴熱系統由供電電源系統、電伴熱加熱系統及電伴熱智能控制報警系統組成［14］。電伴熱回路由電伴熱帶、電源接線盒、溫控器或溫度傳感器、三通接線盒、尾端集線盒及安裝附件組成［15］，見圖7。其中溫控器包括環境感應溫控器和管線感應溫控器。

圖7 電伴熱回路組成示圖

在管道每個電伴熱回路中各配置1個鉑電阻溫度傳感器，安裝在管道表面，用來檢測管道表面溫度，將檢測到的溫度信號傳送至現場控制箱內的溫控表上。當所測溫度高于設定值時，電伴熱帶自動停止工作；當溫度低于設定值時，電伴熱帶自動恢復工作。該設計可實現不同回路的電伴熱系統的溫度自調控，保障系統的穩定運行。

6 結語

管道和設備電伴熱系統為含硼溶液的輸送和存儲提供伴熱，保證不同濃度含硼溶液溫度高于其結晶溫度，確保溶液不會結晶、造成堵塞。本文通過對設備、管道和管件進行熱損失分析與計算，確定了箱體和不同管道回路的電伴熱帶設計、選型與安裝，并最終實現了溫度控制與穩定運行。文中的電伴熱設計思路和方法可為化工領域相關電伴熱設計選型提供參考。