電伴熱在石化行業(yè)中的應用

彭海濱

(中國寰球工程公司,北京 100028)

電伴熱在石化行業(yè)中的應用

彭海濱

(中國寰球工程公司,北京 100028)

伴熱作為一種有效的管道保溫及防凍方案在化工廠中一直被廣泛應用,其工作原理是伴熱媒體散發(fā)一定的熱量,通過直接或間接的熱交換,補充被伴熱管道的熱損失,以達到升溫、保溫或防凍的正常工作要求。參考了電伴熱的標準,介紹了電伴熱的技術優(yōu)勢及蒸汽、熱水伴熱方案的缺陷,并就儀表管道采用電伴熱的電纜種類和實際伴熱應用方式進行了論述。在化工廠的電伴熱方案中,應根據(jù)實際情況,選擇理想的伴熱方案,合理投資,獲得綜合效益。

伴熱;自控溫電伴熱;比例環(huán)境感應控制

0 引 言

伴熱作為一種有效的管道保溫及防凍方案在工廠中一直被廣泛應用,其工作原理是伴熱媒體散發(fā)一定的熱量,通過直接或間接的熱交換補充被伴熱管道的熱損失,以達到升溫、保溫或防凍的正常工作要求。國內(nèi)化工廠中的工藝管線和罐體容器的伴熱目前大多采用傳統(tǒng)的蒸汽或熱水伴熱。但是蒸汽、熱水的散熱量不易控制,其保溫效率始終處于一個較低的水平,而且需要伴熱的管道一般以儀表管線、工藝管線及化學管線為主,管線比較復雜,鋪設伴熱管道十分不便。由于運行時蒸汽伴熱管道經(jīng)常會出現(xiàn)“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象,每年化工廠維修部門都不得不在管線保溫上花費大量的人力、物力來確保工廠的冬季運行安全。20世紀70年代,美國能源行業(yè)就提出用電伴熱方案來替代蒸汽伴熱的設想。80年代,包括能源業(yè)在內(nèi)的很多部門已廣泛推廣了電伴熱技術,以電伴熱全面代替蒸汽伴熱。電伴熱是沿管線長度方向或在罐體容積大面積上的均勻放熱,溫度梯度小,熱穩(wěn)定時間較長,適合長期使用,其所需的熱量(電功率)大大低于蒸汽和熱水加熱,具有熱效率高、節(jié)約能源、設計簡單、施工安裝方便、無污染、使用壽命長、能實現(xiàn)遙控和自動控制等優(yōu)點,可替代蒸汽、熱水等伴熱技術,是國家重點推廣的節(jié)能項目。電伴熱技術至今,已由傳統(tǒng)的恒功率伴熱發(fā)展到以導電塑料為核心的自控溫電伴熱,很多化工廠已采用了自控溫伴熱技術,其控制算法也在朝節(jié)能方向發(fā)展,出現(xiàn)了比例環(huán)境感應控制(PASC)等新算法。

1 電伴熱使用電纜種類

電伴熱系統(tǒng)由發(fā)熱電纜供電電源系統(tǒng)、防冰凍電纜加熱系統(tǒng)和電伴熱智能控制報警系統(tǒng)三部分組成。每個電伴熱回路包括溫控器、溫度傳感器、空氣開關、接觸器、工作狀態(tài)顯示器、故障蜂鳴報警器及變壓器等電路。工作狀況下,溫度傳感器安置在被加熱的管道上,可隨時測量其溫度。溫控器根據(jù)事先設定好的溫度,與溫度傳感器測出的溫度比較,通過控制箱內(nèi)的接觸器,及時切斷與接通電源,以達到加熱防凍目的。通用的電伴熱所使用的電纜有如下幾種形式。

1.1 自控溫電伴熱電纜

自控溫電伴熱電纜的核心材料PTC半導電塑料,其電阻值隨溫度的升高而增加,但當溫度上升到一定的數(shù)值時(可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)大小),電阻突然劇增,從而阻斷電流停止加熱;當溫度低于門檻溫度時,PTC材料的電阻自動下降導通電流,繼續(xù)加熱。從而使系統(tǒng)維持在一個穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)。這種電纜是在兩根平行金屬母線之間均勻地擠包一層PTC材料制成的芯帶。基本型自調(diào)控電伴熱線(伴熱電纜)由PTC芯帶和絕緣層組成,在其外面包裹一層聚乙烯或聚氯乙烯絕緣層。當環(huán)境有強化或耐腐蝕要求時,可以加一層編織層或氟聚合物外被。PTC材料中分散的炭微粒形成無數(shù)纖細的導電炭網(wǎng)絡。當它們跨接在兩根平行母線上時,就構成芯帶的PTC并聯(lián)回路。PTC層就是連續(xù)并聯(lián)在母線之間的電阻發(fā)熱體,將電能轉(zhuǎn)化成熱能,對操作系統(tǒng)進行伴熱保溫,與此同時,芯帶通過護套向溫度較低的被加熱體系傳熱,達到穩(wěn)態(tài)時單位時間傳遞的熱量等于電纜的電功率。電纜的輸出功率主要受控于傳熱過程以及被加熱體系的溫度。自控溫電伴熱帶的電阻隨著溫度升高而增大,在降溫時若電阻能沿著原升溫路線返回原來的起點,便具有PTC記憶性能。具有記憶性能的電纜才能長期反復使用。自控溫電伴熱帶的芯帶是由大量的纖細導電網(wǎng)絡形成的PTC并聯(lián)單元組成。當伴熱管道任何區(qū)段出現(xiàn)料溫及能耗波動時,所在部位的各個 PTC元都能直接感溫并獨立做出響應,即時朝著消除波動的方向自動調(diào)整各自的輸出功率,以維持整個系統(tǒng)各區(qū)段的運行溫度均勻穩(wěn)定。這是一種微區(qū)跟蹤,全線同步,全自動的伴熱保溫過程。

1.2 恒功率型電伴熱

伴熱帶在通電后功率輸出一直恒定,不會隨外界環(huán)境、保溫材料、伴熱材質(zhì)變化而變化,而其功率的輸出或停止通常由溫度傳感器來控制。包括并聯(lián)式恒功率電伴熱帶和串聯(lián)式電伴熱帶。對于前者,其電阻絲是并聯(lián)連接方式,工作時是靠電阻絲發(fā)熱對管道進行加熱,兩根相互平行的鍍鎳銅絞線包覆在氟化物絕熱層中,作為電源母線,并且在內(nèi)絕熱層外纏繞鎳鉻合金電熱絲,每隔一段固定距離將電熱絲進行焊接,形成一個連續(xù)的并聯(lián)電阻,當電源銅母線通電以后,各并聯(lián)電阻隨之發(fā)熱,形成一個連續(xù)發(fā)熱的電熱帶,可任意剪切。

串聯(lián)式恒功率電伴熱帶其電阻絲是串聯(lián)連接方式,工作時是靠電阻絲發(fā)熱對管道進行加熱,絕緣銅絞線為電源母線,即為發(fā)熱芯線。具有一定內(nèi)阻的芯線通過電流時芯線就會產(chǎn)生焦耳熱量,其大小與電流平方、芯線阻值和通過時間成正比。因此串聯(lián)式電伴熱帶隨著通電時間的延續(xù),源源不斷地發(fā)出熱量,形成一條連續(xù)的、均勻發(fā)熱的電伴熱帶。串聯(lián)式電伴熱帶芯線電流相同、電阻相等,所以整根電伴熱帶首尾發(fā)熱均勻,其輸出功率恒定不受環(huán)境溫度和管道溫度影響。

1.3 礦物絕緣加熱電纜

礦物絕緣加熱電纜是一種以金屬(典型的有銅、合金)作為外護套,電熱材料作為發(fā)熱元件,氧化鎂粉作為絕緣的特殊加熱電纜。礦物絕緣加熱電纜的發(fā)熱量與工作電壓、發(fā)熱芯的截面及電纜的長度有關。適用于250℃以上的高溫伴熱。

2 電伴熱系統(tǒng)的實現(xiàn)

中央控制和監(jiān)測對于工業(yè)電伴熱系統(tǒng)日益重要。如今,現(xiàn)場維護人員逐漸減少,安全可靠的操作日益受到重視。越來越多的電路需要被控制,同時精度要求也越來越高。因此,監(jiān)控中心需要隨時對決定電伴熱系統(tǒng)完整性的重要信息進行監(jiān)測。DigiTrace NGC系列是泰科熱控最新開發(fā)的電伴熱控制與監(jiān)測系統(tǒng)。整個系統(tǒng)采用模塊化結構,可以共享監(jiān)控軟件和用戶操作界面,而在控制器層面上可根據(jù)不同的應用要求分為 NGC-20和NGC-30。

2.1 NGC-30系統(tǒng)

NGC-30是先進的電子式多電路電伴熱控制、檢測及配電系統(tǒng),支持電路多達260路,在溫度變化范圍變小的時候需要控制更多的線路,廣泛運用于工業(yè)電伴熱領域,應用于集中控制。該系統(tǒng)可以監(jiān)測溫度、接地故障、工作電流以及其他可以反映電伴熱線路完整性的信息,并將結果及時傳達給監(jiān)控中心。由于該控制系統(tǒng)完全支持分布式結構,可以顯著降低溫度傳感器布線成本。用戶可以清晰地接收到系統(tǒng)故障信息和警報。這些將會顯示在用戶界面終端(UIT)或者遠程使用管理程序軟件包。該軟件可遠程配置控制系統(tǒng),同時具備其他先進的特性,包括:數(shù)據(jù)記錄、走向、公式和批處理等。它提供可自由配置級別的用戶訪問權限,并支持全球范圍內(nèi)的遠程訪問。通過多重控制算法可以控制和監(jiān)視多達260個電路:開/關,環(huán)境感測, PASC以及與固態(tài)繼電器SSR一起使用時的比例式控制。

NGC-30系統(tǒng)可按客戶需求進行相應配置。對于電流測量、接地故障或者分布控制等的需求逐漸凸顯時,可以選擇卡柜(CR),機械繼電器的卡柜模塊 (CRM),和/或固態(tài)繼電器的卡柜模塊(CRMS)、互感器模塊(CTM)和電壓模塊(CVM)。還可以升級老的MoniTrace 200N-E系統(tǒng),使用遠程監(jiān)控模塊(RMM)和遠程控制器模塊(RMC)等完全兼容的組件。圖1為NGC-30系統(tǒng)的三種控制方式框圖。

圖1 NGC-30系統(tǒng)的三種控制方式

其中:用戶界面終端(UIT)是NGC-30通信的核心部分。它包括電伴熱監(jiān)測、配置以及維護功能。通過RS-485與工作區(qū)通信,并通過RS-232/ RS-485/以太網(wǎng)(可選)與管理軟件包以及工廠過程控制系統(tǒng)通信。

關于小組成員，我們應該每學期調(diào)整1-2次。每個小組都必須確定一名領導人，可小組內(nèi)部決定小組成員分工。此外，課堂活動中的組長應根據(jù)老師的指示，安排小組成員完成任務。然后實現(xiàn)每個人的參與，同時取得進步。

N GC-30的RMC系統(tǒng)包含集成控制功能塊。RMC可提供多路繼電器輸出以操作每個電伴熱線路中的接觸器,也可以輸入斷路器的脫扣報警信號。當UIT進行控制時,RMM可進行溫度輸入。

2.2 NGC-20控制器

N GC-20控制器的特點是既能本地控制,又能提供集中監(jiān)測的能力。其控制裝置可用于高達25 A的單相電路,符合IEC 61508:2000的要求,認證為SIL 2設備的安全溫度限制器。

針對控制、監(jiān)測和報警能力,NGC-20控制器提供多種不同的控制算法,包括最優(yōu)化的電伴熱控制PASC算法。NGC-20控制器可為高溫和低溫、高電流和低電流、接地故障電流和電壓進行報警。用戶可設定接地故障電流的脫扣和報警值,可用于早在漏電保護開關脫扣之前啟動報警,系統(tǒng)可識別哪條分支電路的接地故障電流已增加,然后在電路停止運行之前采取措施。NGC-20控制器提供了一個用于報警輸出的繼電器干節(jié)點,因此,對于伴熱系統(tǒng)的狀態(tài)進行了系統(tǒng)化維護,從而減少了重要管線的意外停機時間。伴熱系統(tǒng)的自檢可以確保系統(tǒng)的完整性。

NGC-20控制器配備了RS-485接口。通過此接口,最多可將247臺NGC-20控制器連接至一個UIT或標準電腦的一個串行端口。

設置和調(diào)試NGC-20控制器可以用手持編程設備(藍牙通信)來本地設置參數(shù),也可以從控制中心設置參數(shù)。編程之后,程序永久存儲在非易失性存儲器中,從而避免了電源出現(xiàn)故障時或長期電源關閉后數(shù)據(jù)丟失。NGC-20控制裝置允許伴熱和電力電纜直接連接至該裝置。

選擇NGC-20控制器在配電電纜鋪設時節(jié)約了大量成本,無需RTD布線亦不影響安全性和可靠性。對于較短電路,可將多臺控制裝置以菊花鏈形式連接至同一個斷路器,另外,RTD傳感器可以直接接到溫控器上,所以無須連接額外的RTD電纜。一個中等規(guī)模的電伴熱系統(tǒng)采用NGC-20溫控器使得整個系統(tǒng)的材料成本要比集中式的控制系統(tǒng)降低約30%,加快項目總體進度和降低成本。

PASC的原理是在環(huán)境溫度控制的基礎上,增加了從最低環(huán)境溫度到控制溫度這段區(qū)間內(nèi)的比值計算,從而確定一個合理的輸出功率占空比和動作周期,PASC特別適用于防凍保護。因為伴熱線的輸出功率是按照一個地區(qū)的極端最低環(huán)境溫度來設計的,即使溫度低于設定值(假設是5℃),絕大部分時間該輸出功率大于防凍所需要的功率輸出,所以溫度越接近設定值,節(jié)省的電能越多。

PASC算法的特點是根據(jù)實測環(huán)境溫度值來確定伴熱線通電的占空比,以達到節(jié)能的目的。以設定點溫度為5℃為例,控制原理如圖2所示。

圖2 PASC算法的控制原理

PASC算法既可以節(jié)省大量的控制系統(tǒng)成本,又可以極大地提高伴熱效率,降低了電伴熱的能耗。在-5℃的環(huán)境溫度下,節(jié)能50%。

3 電伴熱系統(tǒng)設計分析

由于電伴熱具有一定的危險性,所以選擇電伴熱要按照標準考慮哪些情況影響電伴熱的穩(wěn)定性及安全性。

a)電伴熱帶的選擇需要有一定的溫度上限余量,超限對電伴熱帶是致命的。

b)選擇電伴熱元件時,要確保不存在潛在點燃可能,電伴熱的媒介不具有可燃易爆特性。

c)電伴熱帶的保溫需要做好,不能有裸露部分。

d)電伴熱帶的周圍最好少用水沖洗設備、管線,防止水滲到伴熱帶旁,特別是接線盒周圍杜絕用水。

e)測溫探頭安裝需要準確,防止溫度嚴重滯后伴熱帶超限使用。

f)重要管線,電伴熱需要有備用線路,防止伴熱帶意外失效。

g)DCS最好對伴熱管線的溫度設置報警,防止伴熱管線失效卻不知。

h)應用在防爆區(qū)域時,電伴熱電纜和相應就地元件、控制器等均符合防爆要求。

4 結束語

如今,現(xiàn)場維護人員逐漸減少,安全可靠的操作日益受到重視。因此,監(jiān)控中心對電伴熱系統(tǒng)的重要信息進行監(jiān)測的需求也逐步顯現(xiàn)。有的項目,無論是一次性投資,還是年運行費用,電伴熱帶比蒸汽伴熱帶都要節(jié)省費用;有的項目,電伴熱帶的一次性投資可能會略高于蒸汽熱水伴熱,但就年運行費用而言,通常電伴熱運行1～2 a節(jié)省的費用就能收回投資。普通的環(huán)境溫度控制系統(tǒng)只要在所測環(huán)境溫度低于設定值時伴熱線就滿負荷工作,不管是在極端最低溫還是在零度上下。

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The Application of Electrical Tracing in Petrochemical Plants

Peng Haibin
(The China Huanqiu Contracting&Eng.Corp.,Beijing,100028,China)

The heat tracing has been widely applied in chemical plants as an effective pipe insulation and freeze protection solution. The work principle is direct or indirectheat exchange ofhotmedia dissipation,the heat loss of pipes is compensated to raise or keep the temperature,and to prevent from freezing.The standards with electrical heat tracing are referred and the technical advantages of electric heat tracing and steam tracing and the deficiencies of hot water and steam is presented,and heat tracing cable types and practical application of heat tracing methods are discussed.In the petrochemical plants good heating solution selection should be based practical conditions in order to achieve reasonable investment and comprehensive economic results.

heat-tracing;electrical heat tracing with temperature control;proportional ambient sensing control

TH89

B

1007-7324(2010)06-0020-04

2010-07-27。

彭海濱(1979—),男,黑龍江大慶人,2001年畢業(yè)于北京化工大學自動化系測控技術與儀器專業(yè),工作于中國寰球工程公司。