化工管道電伴熱帶的設(shè)計(jì)計(jì)算及優(yōu)化選型研究

(中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074)

在化工介質(zhì)的存儲(chǔ)和傳輸過(guò)程中，不可避免地存在散熱損失，很多熔點(diǎn)高、黏度大、易凝固、易受潮的介質(zhì)一旦達(dá)不到所需維持的工藝溫度，很可能會(huì)影響物料性質(zhì)，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。電伴熱帶利用電能致熱來(lái)補(bǔ)償被伴熱管線及設(shè)備在工藝過(guò)程所耗散的熱損失，以確保介質(zhì)溫度符合工藝流程具體要求。

電伴熱產(chǎn)品的選型設(shè)計(jì)正確與否，不僅涉及到整個(gè)電伴熱系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，還涉及到投資成本、運(yùn)行成本、運(yùn)行質(zhì)量及產(chǎn)品使用壽命。工藝介質(zhì)的保溫要求和系統(tǒng)熱補(bǔ)償量是決定電伴熱系統(tǒng)選型的主要因素，如果對(duì)電伴熱產(chǎn)品的計(jì)算及優(yōu)化選型過(guò)程缺乏研究，不僅影響通電升溫調(diào)試環(huán)節(jié)順利進(jìn)行，而且還給后期運(yùn)維帶來(lái)不必要的麻煩。

本技術(shù)提供了一種化工管道電伴熱帶的優(yōu)化設(shè)計(jì)選型及具體計(jì)算方法，包括如下主要步驟：①保溫層厚度的確定；②熱損失量修正及補(bǔ)充加熱量的計(jì)算；③電伴熱帶的優(yōu)化選型；④電伴熱帶的安裝長(zhǎng)度及敷設(shè)方式。

1 保溫層厚度的確定

對(duì)包裹有保溫層的管道，通過(guò)比較不同保溫層厚度的單位長(zhǎng)度管道的熱損失量Q損，并且結(jié)合管道造價(jià)成本，確定管道上包裹的保溫層厚度。

對(duì)于化工管道的熱損失，行業(yè)內(nèi)做法大多建議采用查表法計(jì)算，即根據(jù)實(shí)際工程的管徑、保溫層厚度、所需維持的流體溫度及環(huán)境溫度的溫差值，查詢管道散熱量條件表，得到兩個(gè)接近的溫差值下的熱量損失值，然后用中間插值法求得每米管道的熱損失理論值，乘以適當(dāng)?shù)谋叵禂?shù)后，從而得到實(shí)際單位長(zhǎng)度管道的散熱量。這種方法雖然較簡(jiǎn)便、通用，但受限于管道散熱量表所涉及的不同工況條件以及所查得散熱量的準(zhǔn)確程度，往往得到的管道熱損失值不夠準(zhǔn)確，再加上保溫系數(shù)也屬于經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，所以最后確定的管道散熱量往往相差較大，從而導(dǎo)致電伴熱帶的選型出現(xiàn)明顯偏差，甚至達(dá)不到維持所需的流體溫度。

本項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新性地采用下述公式直接計(jì)算管道熱損失。

式中，t1表示管道內(nèi)的流體溫度，℃；t2表示保溫層外的環(huán)境溫度，℃；d1表示以管道內(nèi)壁計(jì)算的圓筒壁直徑，mm；d2表示以管道外壁計(jì)算的圓筒壁直徑，mm；d3表示以保溫層外壁計(jì)算的圓筒壁直徑，mm，為2倍的保溫層厚度δ與圓筒外壁直徑d2之和；λ1表示管壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)；λ2表示保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

對(duì)于實(shí)際的電伴熱工程，不同厚度、不同材質(zhì)的保溫產(chǎn)品導(dǎo)熱系數(shù)不同，其保溫效果同樣會(huì)有很大差別。有時(shí)，不需要更換伴熱產(chǎn)品，僅僅改變保溫材料的種類(lèi)或厚度就可以滿足伴熱的要求，既可以節(jié)約能源，又可以降低成本；而保溫材質(zhì)對(duì)散熱量的影響，可通過(guò)不同材料的修正系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)比較來(lái)考慮，保溫層厚度的確定，在實(shí)際散熱量計(jì)算中占有很大權(quán)重，必須在設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)不同厚度的計(jì)算比較得到最佳厚度，但通常容易忽略保溫層厚度對(duì)熱損失計(jì)算的影響，僅僅根據(jù)規(guī)范查表確定保溫厚度，直接按照單層圓筒壁來(lái)考慮熱損失，這樣的算法明顯會(huì)使熱損失量出現(xiàn)較大偏差。本技術(shù)中的上述管道熱損失計(jì)算公式根據(jù)實(shí)際工況，并結(jié)合保溫層厚度的影響因素，由化工傳熱過(guò)程中多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)計(jì)算模型推導(dǎo)得出，并將其運(yùn)用到實(shí)際電伴熱工程的選型過(guò)程，提高了管道散熱量計(jì)算的精確度。

2 熱損失量修正及補(bǔ)充加熱量的計(jì)算

利用步驟(1)確定的保溫層厚度，計(jì)算單位長(zhǎng)度管道的熱損失量Q損，并對(duì)此熱損失量Q損進(jìn)行修正，得到修正后的單位長(zhǎng)度管道的熱損失量Q修，即為單位長(zhǎng)度管道所需要補(bǔ)充的總熱量Q=Q修。

由于電伴熱工程中實(shí)際影響管道熱損失的因素比較多，因而需在以上理論計(jì)算的熱損失量Q損結(jié)果基礎(chǔ)上，對(duì)此熱損失量Q損進(jìn)行一定的修正，修正后的單位長(zhǎng)度管道的熱損失量：

式中，k1為環(huán)境條件修正系數(shù)，k2為保溫層材料修正系數(shù)，k3為管道材質(zhì)修正系數(shù)，k1、k2、k3均可根據(jù)具體條件查表得到；k4為偏差系數(shù)，用以補(bǔ)償10%電壓波動(dòng)(下降)和10%電阻上升等因素，取值范圍為1.37～1.4；Si為管道附屬件的熱損耗系數(shù)，χi為管道附屬件的數(shù)量，i表示閥門(mén)、三通、彎頭、異徑接頭、法蘭、管架等各種管道附屬件的序數(shù)，取值可以從1到n，n表示所有管道附屬件的種類(lèi)總和；具體的管道附件的熱損耗系數(shù)值可以通過(guò)查表得到，再乘以各類(lèi)管件的數(shù)量，進(jìn)而加和得到管道附件的綜合熱損耗修正系數(shù)。環(huán)境條件修正系數(shù)見(jiàn)表1，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)及保溫修正系數(shù)見(jiàn)表2，管道材料修正系數(shù)見(jiàn)表3，管道修正系數(shù)見(jiàn)表4。

表1 環(huán)境條件修正系數(shù)

另外，對(duì)于特殊介質(zhì)的工藝管道，如易凝固、易液化的流體，需要考慮選用電伴熱帶保溫，如果僅僅按照伴熱型考慮，只提供熱損失的補(bǔ)償量，滿足不了工藝要求，必須考慮對(duì)管道及內(nèi)部介質(zhì)進(jìn)行加熱，以確保介質(zhì)物性不會(huì)因溫度下降受到影響。這種情況下，需要考慮選擇加熱用電伴熱帶，單位長(zhǎng)度管道所需要補(bǔ)充的總熱量Q除了正常的補(bǔ)充熱損失量外，還包括加熱單位長(zhǎng)度管道及其內(nèi)部介質(zhì)所需加熱量Q加，即：

Q=Q修+Q加

Q加=(C1×M1+C2×M2)×(t安-t相)×k加

式中，C1為管道材料比熱，J/(kg·℃)；C2為管道內(nèi)介質(zhì)比熱，J/(kg·℃)；M1為單位長(zhǎng)度管道質(zhì)量，kg；M2為單位長(zhǎng)度管道內(nèi)介質(zhì)質(zhì)量，kg；k加為加熱安全修正系數(shù)，其取值為1.2；t安為保證管道內(nèi)介質(zhì)不會(huì)發(fā)生相變的最大安全溫度，℃；t相為管道內(nèi)介質(zhì)發(fā)生相變時(shí)的溫度，℃。

表2 保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)及保溫修正系數(shù)

表3 管道材料修正系數(shù)

表4 管件修正系數(shù)

3 電伴熱帶的優(yōu)化選型

根據(jù)供電條件、電網(wǎng)負(fù)荷及管道長(zhǎng)度等輸入條件，確定電伴熱帶產(chǎn)品的型號(hào)。要考慮到伴熱系統(tǒng)的周?chē)h(huán)境及工藝技術(shù)要求，以及產(chǎn)品的性能指標(biāo)，選型以經(jīng)濟(jì)、適用、最佳分布為原則。

電伴熱帶主要分為自限溫式和恒功率式。自限溫式耐溫范圍低，適宜對(duì)溫度控制要求不高的管路，其敷設(shè)方式是并聯(lián)型，且允許隨意切割，都能確保電伴熱帶達(dá)到效果，適宜于在閥門(mén)彎頭較多區(qū)域，可能出現(xiàn)交叉重疊式安裝。恒功率式耐溫范圍較高，適宜對(duì)溫度控制比較嚴(yán)格的管路，又分串聯(lián)型、并聯(lián)型或MI型等，恒功率電伴熱帶一般受節(jié)長(zhǎng)限制，若切割時(shí)未能找準(zhǔn)一個(gè)節(jié)長(zhǎng)，則該部分電伴熱帶不起作用，這不僅影響管道的伴熱效果，同時(shí)也造成浪費(fèi)，故不允許裁剪敷設(shè)。串聯(lián)型及MI型適合較長(zhǎng)或管路規(guī)則的管道，需要根據(jù)工程實(shí)際長(zhǎng)度確定精確的需求長(zhǎng)度，其設(shè)計(jì)功率和需求長(zhǎng)度必須在施工前與現(xiàn)場(chǎng)配管實(shí)際長(zhǎng)度進(jìn)行精確核實(shí)，常常引起設(shè)計(jì)修改，一般不宜選用。但MI型電伴熱帶耐溫范圍最高，適用于管道維持溫度很高或偶然性最高操作溫度較大的工況。并聯(lián)式電熱帶應(yīng)用范圍較廣，分為普通型和加強(qiáng)型，加強(qiáng)型電熱帶是在普通型電熱帶外層再包覆一層絕緣材料，其機(jī)械強(qiáng)度高、防腐力強(qiáng)，但導(dǎo)熱性能略低于普通型電熱帶，適合于埋地或有腐蝕性介質(zhì)的場(chǎng)合，還適合于有防爆區(qū)域的場(chǎng)合。

根據(jù)供電條件、電網(wǎng)負(fù)荷確定電伴熱帶型號(hào)的原則如下：三相五線制供電條件，允許選擇恒功率式、自限溫式電伴熱帶；三相四線制供電條件，則無(wú)法選擇恒功率式。660V的供電負(fù)荷專(zhuān)用于長(zhǎng)距離(1 200m或以上)管道伴熱，適宜選擇串聯(lián)型恒功率式電伴熱帶；380V的供電負(fù)荷允許選擇恒功率式、自限溫式電伴熱帶；220V的供電負(fù)荷適宜選擇自限溫式電伴熱帶。

根據(jù)管道長(zhǎng)度及管路特點(diǎn)確定電伴熱帶型號(hào)的原則如下：管路規(guī)則且屬于長(zhǎng)距離(1 200m左右或以上)的管道，適宜選用串聯(lián)型恒功率式；管路不太規(guī)則且對(duì)溫度控制要求嚴(yán)格的管道，適宜選用并聯(lián)型恒功率式；閥門(mén)彎頭較多區(qū)域且對(duì)溫度控制要求不高的管道，適宜選用自限溫式。

根據(jù)管道維持溫度確定電伴熱帶選型的原則如下：要求選定最高維持溫度高于管道維持溫度及偶然性最高操作溫度的電伴熱帶，尤其要注意有蒸汽吹掃的管道，如果掃線工況下蒸汽溫度很高，則要求根據(jù)最高蒸汽溫度選型，適宜選用耐熱溫度最高的MI型電伴熱帶。

4 電伴熱帶的安裝長(zhǎng)度及敷設(shè)方式

根據(jù)所選取型號(hào)的電伴熱帶單位長(zhǎng)度釋放的熱量及步驟(1)計(jì)算得到的單位長(zhǎng)度管道所需要補(bǔ)充的總熱量Q，確定所需電伴熱帶的長(zhǎng)度L及其敷設(shè)方式。

當(dāng)電伴熱帶單位長(zhǎng)度釋放的熱量大于或等于單位長(zhǎng)度管道所需要補(bǔ)充的總熱量Q時(shí)，電伴熱帶長(zhǎng)度與管道長(zhǎng)度相同，采用一條電伴熱帶平行敷設(shè)于管道。

當(dāng)電伴熱帶單位長(zhǎng)度釋放的熱量小于單位長(zhǎng)度管道所需要補(bǔ)充的總熱量Q時(shí)，采用多條電伴熱帶平行敷設(shè)，或采用一條電伴熱帶纏繞敷設(shè)。

具體來(lái)說(shuō)，采用電伴熱帶的單位放熱量小于管道單位散熱損失量的伴熱方案時(shí)，選定補(bǔ)償單位長(zhǎng)度管道所需功率與單位長(zhǎng)度電伴熱帶放熱功率的比值作為安裝系數(shù)進(jìn)行修正，此時(shí)對(duì)電伴熱帶的敷設(shè)方案具體如下：①若安裝系數(shù)大于1.5，則采用多條電伴熱帶平行敷設(shè)，且電伴熱帶長(zhǎng)度L為管道長(zhǎng)度×根數(shù)×安全系數(shù)，其中，安全系數(shù)取值范圍為1.05～1.15；②若安裝系數(shù)為1.0～1.5，則采用一條電伴熱帶纏繞敷設(shè)，且電伴熱帶長(zhǎng)度L為管道長(zhǎng)度×安裝系數(shù)×安全系數(shù)，其中，安全系數(shù)取值范圍為1.05～1.15。

對(duì)于總承包項(xiàng)目，為了保障項(xiàng)目成本和伴熱效果，往往選擇上述電伴熱帶的單位放熱量小于管道單位散熱損失量的伴熱方案對(duì)電伴熱帶進(jìn)行優(yōu)化敷設(shè)。

此外，電伴熱帶的長(zhǎng)度還應(yīng)考慮用于電源線接線用的附加電伴熱帶長(zhǎng)度L附，L附取值為1～1.5m；因此，整個(gè)系統(tǒng)所需要的電伴熱帶總長(zhǎng)度L總=L+L附。

圖1 電伴熱帶纏繞間距示意

表5 電伴熱帶纏繞間距d’mm

5 結(jié)語(yǔ)

本技術(shù)結(jié)合化工管道附屬管件多樣、管路復(fù)雜的特性，考慮了產(chǎn)品類(lèi)型、伴熱長(zhǎng)度、敷設(shè)方式、保溫層厚度等因素對(duì)設(shè)計(jì)選型的影響，采用準(zhǔn)確量化的公式法直接計(jì)算熱損失量，創(chuàng)新性地將多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)計(jì)算公式運(yùn)用到實(shí)際工程選型過(guò)程，便于精確確定管道散熱量。還對(duì)化工管道電伴熱帶的安裝長(zhǎng)度進(jìn)行精確計(jì)算，對(duì)于實(shí)際工程產(chǎn)品的敷設(shè)方案提供了理論指導(dǎo)。通過(guò)工程實(shí)例表明，該項(xiàng)優(yōu)化選型技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理、適用性強(qiáng)，能夠節(jié)省建設(shè)運(yùn)維成本。