淺析原油管輸伴熱技術

孫海珊

（天津港石油化工碼頭有限公司，天津 300456）

管道輸送是原油集疏的主要方式。對于凝固點、粘度較高的原油來說，輸送工藝可分為兩種類型，一是加熱輸送，另一是常溫輸送。加熱輸送是指將原油加熱后進入管道加壓輸送，通過提高原油輸送溫度降低其粘度，來減少管路摩阻損失。我國原油大多具有粘度大、凝固點高的性質，加熱輸送工藝是國內原油管道常用的一種輸送工藝。還有兩種不常用的加熱方式，一是提高原油流速，利用原油在高速下摩擦所產生的熱能彌補沿程熱損失；另一種是利用電集膚效應加熱。而常溫輸送工藝是指利用熱處理、添加化學藥劑、添加減阻劑、稀釋、熱裂解、磁處理等方式，改善原油的低溫流動性，達到常溫輸送的目的。

圖1 蒸汽伴熱安裝形式示意圖

原油管道加熱輸送存在兩方面的能量損失，散熱損失和摩阻損失。由于油流溫度高于管路周圍的環境溫度，存在徑向溫差，熱油攜帶的熱能將不斷地往管外散失，因而使其溫度在向前輸送過程中逐漸降低，引起軸向散熱損失，油流溫度下降，粘度上升，單位長度管路的壓降逐漸增大，容易出現管道事故。為此，需對輸油管線進行保溫伴熱，通過伴熱媒體散發一定的熱量，以直接或間接的熱交換補充被伴熱管道的熱損失，達到升溫、保溫或防凍的工作要求。

目前，天津港南疆石化小區各企業在原油管輸中普遍運用的是加熱輸送技術，而熱油向下站輸送過程中主要采用蒸汽伴熱和電伴熱這兩種維溫方法。

1 蒸汽伴熱

為了防止由于溫度低，高沸點、高凝固點油品在設備和管道中凝固，最常用的加熱方法是用蒸汽加熱。其工作原理是通過蒸汽伴熱管道散熱以補充被保溫管道的熱損失。常見蒸汽伴熱系統包括：蒸汽鍋爐、伴熱管、凝結水管、減壓閥、疏水閥、溫度傳感器、凝結水回收泵、蒸汽分配器、防凍自動排液閥、導熱膠泥等組件，其安裝形式見圖1。

1.1 加熱過程

伴熱管與輸油管平行敷設、保溫在一起，鍋爐產生的過熱蒸汽經伴熱管傳熱給輸油管，從而加熱管內油品，維持溫度。在輸油管適當位置加裝溫度傳感器進行監控，依此調節鍋爐產汽量，控制伴熱溫度。蒸汽冷卻產生的凝結水經疏水閥進入凝結水管，通過凝結水回收泵輸送回鍋爐房再次利用。

1.2 優點

單位時間傳輸熱量大、設施投資少、運行成本低。

1.3 缺點

a.散熱量不易控制，保溫效率低。

b.蒸汽流量難以靈活調節，不易實現油溫的準確控制。

c.供汽點和疏水點多，相應的減壓閥、調節閥和疏水閥多，檢查維護量大。

d.伴熱管道經常會出現“跑、冒、滴、漏”現象。

2 電伴熱

電伴熱是用電熱的能量來補充被伴熱體在工藝流程中所散失的熱量，從而維持流動介質最合理的工藝溫度。輸油管道采用電伴熱保溫，防止管道中原油凝固是近幾年來發展的一項高新節能技術。

2.1 自控溫電伴熱

電伴熱系統由電源開關柜、電源接線盒、防爆溫度控制器、尾端盒及安裝附件等組成，通過電源電纜和電伴熱線的連接形成電源回路系統。貼附在輸油管表面的電伴熱線，經通電后產生熱量，達到保溫伴熱的目的，其安裝形式見圖2。

2.1.1 加熱過程

自控溫電伴熱方案主要通過自控溫電伴熱線完成。自控溫電伴熱線由導電塑料和2根平行母線加絕緣層、金屬屏蔽網、防腐外套構成。其中由塑料加導電碳粒經特殊加工而成的導電塑料是發熱核心。當伴熱線周圍溫度較低時，導電塑料產生微分子收縮，碳粒連接形成電路使電流通過，伴熱線便開始發熱；而溫度較高時，導電塑料產生微分子膨脹，碳粒逐漸分開，導致電路中斷，電阻上升，伴熱線自動減少功率輸出，發熱量便降低。當周圍溫度變冷時，塑料又恢復到微分子收縮狀態，碳粒相應連接起來形成電路，伴熱線發熱功率又自動上升。由于整個溫度控制過程是由材料本身自動調節完成的，其控制溫度不會過高也不會過低。

圖2 自控溫電伴熱安裝形式示意圖

圖3 集膚效應伴熱安裝形式示意圖

圖4 集膚效應伴熱過程示意圖

2.1.2 優點

a.沿管線長度方向均勻放熱，溫度梯度小、熱穩定時間長，供熱量變化可隨時起停；

b.設計簡單，施工安裝方便，能實現遙控和自動控制，維護工作量小；

c.熱效率高、能耗低，節約能源；

d.體積小，可靠性高，使用壽命長，適用范圍廣；

e.無"噪聲"和"滴"、"冒"、"漏"等現象，無任何污染；

f.伴熱溫度不受季節、晝夜和首尾端溫差影響，能自動跟蹤。

2.1.3 缺點

單位時間傳輸熱量小、一次性投資較高、長期使用電力運行成本較大。

2.2 集膚效應伴熱

集膚效應伴熱技術是將交流電的集膚效應原理靈活應用于輸油管道的生產伴熱及解堵的電伴熱方法。相比常規用于長輸管線的電阻式伴熱而言，集膚效應加熱系統不需要大量采用配電設施，是一個非常經濟的方案，從一個電源點可對達10 余公里的管線進行伴熱。集膚效應伴熱系統主要由磁性鋼管和集膚效應導線構成，其安裝形式見圖3。

2.2.1 集膚效應原理

在加熱理論中，有一個集膚效應原理，即：

S=K（1/FC）1/2

式中：S--集膚效應深度

K--修正系數

FC--頻率

由此可以看出，當FC 增大時，S 變小，則集膚深度越深，同時其交流阻抗 Z=KZC（FC）1/2 也變大，因此在相同數值的電流作用下，負載所獲得的能量也越高，而電流及線路損耗相應地也會變小，從而提高了加熱效率，同時還可起到節約電能的目的。

2.2.2 加熱過程

集膚效應加熱系統的工作原理是基于兩種現象：場效應和集膚效應。加熱裝置是一個被稱為“熱管”的有鐵磁性的鋼管，在其中穿有專門設計的集膚效應導線。熱管和絕緣的集膚效應導線在一端連接在一起，在另一端則分別與交流電源的零線和相線相連。交流電壓將在熱管內產生電流，電流從熱管的內壁表面流回，通過導線和管壁形成回路產生焦耳熱。由于在絕緣的導線和鐵磁性的管道間的電流產生磁通量關聯，使返回電流集中在熱管的內壁表面。而交流電并非均勻地流經熱管截面，而是集中流過自其內表面起的某一深度內，電流密度按指數規律減少，這一深度叫做“集膚深度”。集膚效應加熱系統產生的熱量是由熱管的集膚深度內的電阻所致。當電流集中在熱管的內壁表面時，產生的熱量從熱管傳遞到輸送管線表面和物料，使其溫度升高到設計的水平。由于前述的現象，在熱管的外壁表面實際上沒有可測出的電壓電流，這樣管路系統可以接地，很安全。因此可以將熱管直接焊接在輸油管上，使之成為高效熱源。熱管產生的熱量通過焊縫迅速傳給輸油管，起到伴熱作用。（詳見圖4）

2.2.3 優點

a.加熱距離長，從一個電源點供電可達十余公里，適合長輸管道伴熱；

b.結構簡單，本身具有防爆性，表面不帶電，安全可靠；

c.單位長度發熱功率較大，熱效率高，節能顯著；

d.自動化程度高，可實現自動控制；

e.使用壽命長達二十年；

f.無污染，操作簡單，維護量少。

2.2.4 缺點

一次性投資高、長期使用電力運行成本較大。

小結

我國工藝管線和罐體容器的伴熱目前大多采用傳統的蒸汽或熱水伴熱。由于電伴熱較蒸汽、熱水伴熱有許多優點，國外六十年代就研究開發，并逐漸取代傳統伴熱方法，應用推廣面達80%以上。電伴熱不但適用于蒸汽伴熱的各種場所，而且能解決蒸汽伴熱難以解決的問題，如：長輸管道的伴熱，窄小空間的伴熱；無規則外型的設備（如泵）伴熱；無蒸汽熱源或邊遠地區管道和設備的伴熱；塑料與非金屬管道的伴熱，等等。雖然電伴熱無論從技術性能、經濟效益，還是節能、環保方面，都明顯優于蒸汽伴熱，但原油管輸企業在選擇伴熱方式時仍需充分考慮自身生產特點，以生產效率最高、經濟效益最優為依據合理選型，做到優化配置。

［1］高承淮.油氣集輸工藝技術現狀與展望[J].中國石化，2001.

［2］電伴熱產品.無錫恒業電熱電器有限公司[Z].2008.

［3］伴熱專家.上海新冠伴熱工程有限公司[Z].2008.