電伴熱在石化儀表及管道中的設計應用

羅宏偉

（大慶石化工程有限公司）

石油化工裝置及輔助設施一般是露天布置。國內南北方冬夏季的極端環境溫度范圍大致在-40～44 ℃。儀表及其測量管線的伴熱和絕熱設計是保證裝置正常運行的重點。 儀表伴熱類型一般遵循管道安裝專業的伴熱規定。

1 伴熱種類

伴熱主要分為3種：熱水伴熱、蒸汽伴熱和電伴熱。 熱水的比熱容較大，在伴熱過程中不產生相變，所以在高寒地區廣泛使用。 蒸汽伴熱有相變，尤其在高寒地區晝夜溫差較大，疏水系統相對故障率較高，維護工作量大，主要用于防凍伴熱和高溫強伴熱場所。 電伴熱的特點是伴熱均勻，維護方便，便于自動化管理，主要用于對伴熱對象實現精確溫度控制和遙控的場合，也常用于伴熱點偏遠， 熱水和蒸汽無法或較難到達的場合。

基于以上特點，并根據過去多年的電伴熱應用經驗，近些年在石化裝置中使用電伴熱的趨勢越來越多。

2 電伴熱帶

2.1 電伴熱帶的種類

電伴熱帶主要分為自限溫電伴熱帶、恒功率并聯電伴熱帶和恒功率串聯電伴熱帶，額定電壓一般為220 V（AC）或380 V（AC）。 自限溫電伴熱帶按最高維持溫度分為低溫、 中溫和高溫3個系列， 最高維持溫度65～125 ℃， 最高表面溫度80～145 ℃，最高承受溫度90～160 ℃，標稱功率3～65 W/m； 恒功率并聯電伴熱帶額定功率范圍10～60 W/m，最高表面溫度150 ℃；恒功率串聯電伴熱帶額定功率6～50 W/m。

2.2 電伴熱帶的特點及應用范圍

自限溫電伴熱帶用于防凍伴熱，特點是能夠自動限制其發熱溫度，并隨被伴熱體溫度自動調節輸出功率；可任意剪切或者在規定長度范圍內接長使用；允許交叉重疊使用；冷態啟動電流較大［1］，因此其規定長度一般不超過100 m。 恒功率并聯電伴熱帶應配置溫控器以用于溫度要求精確控制的場合；可任意剪切或者在規定長度范圍內接長使用；不允許隨意交叉、重疊使用。 恒功率串聯電伴熱帶的主要特點是長度長、輸出功率恒定；需要訂做，不能任意剪切；一般應用于長輸管線、大型槽池和儲罐的防凍、防凝、保溫。

用于防爆場所時要注意電伴熱帶防爆特性必須滿足現場爆炸危險區劃分要求，尤其是最高表面溫度限制要求。

2.3 電伴熱帶的結構組成

2.3.1 自限溫電伴熱帶

自限溫電伴熱帶的結構如圖1所示， 各部分使用材料如下：

圖1 自限溫電伴熱帶結構

導體 銅芯導線

發熱電阻體 普通PTC、阻燃PTC、含氟PTC

絕緣層 改良聚烯烴、阻燃聚烯烴、含氟聚烯烴

金屬護套（屏蔽層） 鍍錫軟銅線

外護套 改良聚烯烴、阻燃聚烯烴、含氟聚烯烴

2.3.2 恒功率電伴熱帶

恒功率并聯電伴熱帶和恒功率串聯電伴熱帶都是通過電阻發熱絲通電發熱達到加熱目的的， 兩種恒功率電伴熱帶的結構分別如圖2、3所示。

圖2 恒功率并聯電伴熱帶結構

圖3 恒功率串聯電伴熱帶結構

2.4 電伴熱帶的選型原則

電伴熱帶的選型原則如下：

a. 根據儀表伴熱目的和要求確定電伴熱類型，防凍伴熱一般選自限溫電伴熱帶，要求溫度精確控制時選恒功率并聯電伴熱帶。

b. 根據被伴熱管道單位長度散熱損失確定電伴熱產品的功率。

c. 根據伴熱區域的爆炸危險區域劃分等級選擇滿足要求的防爆型電伴熱帶及附件；伴熱帶選型時要特別注意爆炸危險釋放介質的溫度組別和伴熱管線的最高維持溫度，滿足最高維持溫度不高于爆炸釋放介質的溫度組別要求。

d. 根據儀表取壓或采樣管線最高維持溫度及最高承受溫度來選定電伴熱產品的耐熱等級［2］，在能夠耐受最高承受溫度的前提下，應該以滿足伴熱條件并且合理、經濟、維護方便為原則。

e. 根據不同的化學環境（如是否埋地或有無腐蝕性氣體等）來確定所需電伴熱產品的結構。

f. 在選擇電伴熱元器件時，要從適用性、經濟性、最高維持溫度、周圍有無腐蝕性環境等方面綜合考慮。

g. 若分析儀表采樣管線距離較長，宜使用帶預制保溫層的一體化管束， 使維持溫度恒定；對有伴熱需求的儀表變送器，表頭部分可使用帶電加熱功能的儀表保溫箱。

2.5 設計分工及注意事項

一般工藝和儀表伴熱的電伴熱帶的供電系統由電氣專業人員負責設計， 設計時將主供電箱、分供電箱根據伴熱點分布布置在現場合適的位置。

儀表的防凍伴熱原則上采用自限溫電伴熱帶，要求溫度控制嚴格的場合一般采用恒功率并聯電伴熱帶。 自限溫電伴熱帶一般從電源接線盒引出，在末端有終端接線盒，如果中間有接頭，需要采用兩通或三通中間接線盒連接，總長度不能超過電伴熱帶產品的允許值。 恒功率并聯電伴熱帶從電源接線盒引出， 在末端有終端接線盒，如果中間有接頭，需要采用兩通或三通中間接線盒連接；必須安裝溫控器，溫控器的感溫部分可以是溫包或者熱電阻（RTD），通過溫控器設定溫度上限和下限，保證伴熱部位的溫度超過上限時斷電，低于下限時通電。

恒功率電伴熱帶屬于阻性負載，在冷態通電時會產生瞬時沖擊電流，可達額定電流的2.5倍左右，所以在配備供電設備時要注意合理選擇熔斷器的容量，且加漏電保護器，最大長度配置應符合產品最大允許長度要求。

2.6 典型的電伴熱系統結構

儀表及管道用電伴熱系統一般包括電源接線盒、自限溫/恒功率電伴熱帶、測溫電阻（RTD）、溫控器、中間接線盒（JB）及終端接線盒（EB）等［3］，典型的儀表電伴熱系統結構如圖4所示。

圖4 電伴熱系統結構示意圖

目前儀表及管道電伴熱主要有圖4所示的4種類型：自限溫保溫伴熱型、自限溫保溫伴熱節能型、自限溫精確控溫型和恒功率或限功率精確控溫型。 常用的是自限溫保溫伴熱型和自限溫保溫伴熱節能型。

2.7 電伴熱帶的安裝

電伴熱帶的安裝需要由專業人員完成，在安裝過程中應遵循如下原則。

溫控器、接線盒、測溫元件等設備的安裝應規范、合理,應牢牢固定在管壁或支架上，以免因松動（或顫動）引起短路或火災；應采用配套的安裝部件，例如T形安裝支架、卡箍、熱縮管及密封膠等，保證安裝工程符合設計要求。

電伴熱帶安裝前要清除被伴熱管線或設備上的毛刺、雜物等，施工時避免強折、硬拉、踩踏等，防止重物放置于電伴熱帶上，導致伴熱帶表面受損或短路。 纏繞安裝方式如圖5所示。

圖5 電伴熱纏繞安裝方式

中間接線盒適用于自限溫和恒功率并聯電伴熱帶。 因為電伴熱帶不可直接連接，兩根或多根電伴熱帶連接時可使用中間接線盒。 對于單根電伴熱帶中間有損壞的情況，用中間接線盒連接后仍可使用，維護方便且避免浪費。 中間接線盒分為兩通、三通接線盒，其連接方式如圖6所示。

圖6 中間接線盒連接方式

電伴熱帶終端必須用終端接線盒連接并進行密封處理，以防受潮或進水造成短路，嚴禁絞合連接。 終端接線盒安裝方式如圖7所示。

圖7 終端接線盒安裝方式

在不影響安全使用的情況下，外護套輕微小面積損傷可以采用外部材料修復工藝技術。 供電控制箱應盡可能接近伴熱點， 溫控回路應有短路、過載和漏電保護功能，安裝完畢后檢查其絕緣電阻是否合格。

3 案例分析

3.1 反吹裝置的電伴熱方案

氣相流化床工藝聚乙烯裝置反應器中的主要介質乙烯中含有粉料。 反應器運行時操作壓力為2.4 MPa，操作溫度小于115 ℃。 測量壓力、壓差時一般采用反吹裝置，避免粉料進入導壓管。 反吹介質為潔凈的乙烯氣體。 反吹裝置內有一個很小的限流孔板，乙烯氣體在冬季溫度較低時存在冷凝現象，會導致限流孔板堵塞，影響測量。 這個問題是乙烯飽和蒸氣、冬季溫度過低和反吹裝置的結構特點綜合作用產生的。

乙烯物性數據如下：閃點 -100 ℃沸點 -103.9 ℃

飽和蒸氣壓 4.083 8 MPa（0 ℃）

乙烯飽和蒸氣壓與溫度的關系見表1。

表1 乙烯飽和蒸氣壓與溫度的關系

當溫度降到-20 ℃以下時， 乙烯的飽和蒸氣壓也隨之降低到乙烯操作壓力2.4 MPa以下。吹掃乙烯的溫度也會降低到環境溫度且其壓力與反應器內乙烯壓力近似相等， 就可能存在凝液現象，導致毛細管式限流孔板堵塞，使得吹掃效果受到凝液的影響， 出現儀表測量信號不穩的情況。 反吹裝置電伴熱帶安裝圖如圖8所示。

圖8 反吹裝置電伴熱帶安裝圖

反吹裝置和變送器導壓管均用自限溫電伴熱帶伴熱并保溫或者將反吹裝置和變送器安裝在保溫箱內。 自限溫電伴熱帶溫控器，通過檢測環境溫度控制溫控器的通斷，例如，設定溫度低于-18 ℃時啟動電伴熱， 當環境溫度高于-18 ℃時可以切斷電伴熱，既節能又便于維護。

3.2 分析采樣管路的電伴熱方案

在聚乙烯裝置中氣相色譜分析儀采樣管路要求其內部介質始終保持氣相狀態，應對其進行精確伴熱以滿足采樣要求。 所以首先對采樣介質進行降壓處理，然后采樣管線采用一體化自限熱電伴熱帶采樣管纜，并且為了便于維護，對采樣管纜的電伴熱帶進行冗余配置。 由于自限溫電伴熱帶伴熱長度一般不超過100 m， 而采樣管線敷設長度大約180 m， 所以采用兩根約90 m的伴熱管纜，這樣既保證了伴熱的準確性，也使得維護和安裝工作變得簡便可行。

4 結束語

電伴熱在儀表和管道伴熱方面的應用越來越多，在安裝方便、環保性能、維護費用、伴熱精度、節能效果等方面的優勢明顯。 同時，隨著電伴熱在石化裝置及輔助設施上的廣泛應用，完全可以做到對其伴熱系統進行規范化設計和安裝，并實現裝置內整個伴熱系統的自動化管理。