電伴熱在石化儀表及管道中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

羅宏偉

（大慶石化工程有限公司）

石油化工裝置及輔助設(shè)施一般是露天布置。國(guó)內(nèi)南北方冬夏季的極端環(huán)境溫度范圍大致在-40～44 ℃。儀表及其測(cè)量管線的伴熱和絕熱設(shè)計(jì)是保證裝置正常運(yùn)行的重點(diǎn)。 儀表伴熱類型一般遵循管道安裝專業(yè)的伴熱規(guī)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(guò)程中不產(chǎn)生相變，所以在高寒地區(qū)廣泛使用。 蒸汽伴熱有相變，尤其在高寒地區(qū)晝夜溫差較大，疏水系統(tǒng)相對(duì)故障率較高，維護(hù)工作量大，主要用于防凍伴熱和高溫強(qiáng)伴熱場(chǎng)所。 電伴熱的特點(diǎn)是伴熱均勻，維護(hù)方便，便于自動(dòng)化管理，主要用于對(duì)伴熱對(duì)象實(shí)現(xiàn)精確溫度控制和遙控的場(chǎng)合，也常用于伴熱點(diǎn)偏遠(yuǎn)， 熱水和蒸汽無(wú)法或較難到達(dá)的場(chǎng)合。

基于以上特點(diǎn)，并根據(jù)過(guò)去多年的電伴熱應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，近些年在石化裝置中使用電伴熱的趨勢(shì)越來(lái)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(lián)電伴熱帶和恒功率串聯(lián)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(gè)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(biāo)稱功率3～65 W/m； 恒功率并聯(lián)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(lián)電伴熱帶額定功率6～50 W/m。

2.2 電伴熱帶的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

自限溫電伴熱帶用于防凍伴熱，特點(diǎn)是能夠自動(dòng)限制其發(fā)熱溫度，并隨被伴熱體溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率；可任意剪切或者在規(guī)定長(zhǎng)度范圍內(nèi)接長(zhǎng)使用；允許交叉重疊使用；冷態(tài)啟動(dòng)電流較大［1］，因此其規(guī)定長(zhǎng)度一般不超過(guò)100 m。 恒功率并聯(lián)電伴熱帶應(yīng)配置溫控器以用于溫度要求精確控制的場(chǎng)合；可任意剪切或者在規(guī)定長(zhǎng)度范圍內(nèi)接長(zhǎng)使用；不允許隨意交叉、重疊使用。 恒功率串聯(lián)電伴熱帶的主要特點(diǎn)是長(zhǎng)度長(zhǎng)、輸出功率恒定；需要訂做，不能任意剪切；一般應(yīng)用于長(zhǎng)輸管線、大型槽池和儲(chǔ)罐的防凍、防凝、保溫。

用于防爆場(chǎng)所時(shí)要注意電伴熱帶防爆特性必須滿足現(xiàn)場(chǎng)爆炸危險(xiǎn)區(qū)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(jié)構(gòu)組成

2.3.1 自限溫電伴熱帶

自限溫電伴熱帶的結(jié)構(gòu)如圖1所示， 各部分使用材料如下：

圖1 自限溫電伴熱帶結(jié)構(gòu)

導(dǎo)體 銅芯導(dǎo)線

發(fā)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(hù)套（屏蔽層） 鍍錫軟銅線

外護(hù)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(lián)電伴熱帶和恒功率串聯(lián)電伴熱帶都是通過(guò)電阻發(fā)熱絲通電發(fā)熱達(dá)到加熱目的的， 兩種恒功率電伴熱帶的結(jié)構(gòu)分別如圖2、3所示。

圖2 恒功率并聯(lián)電伴熱帶結(jié)構(gòu)

圖3 恒功率串聯(lián)電伴熱帶結(jié)構(gòu)

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(jù)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(shí)選恒功率并聯(lián)電伴熱帶。

b. 根據(jù)被伴熱管道單位長(zhǎng)度散熱損失確定電伴熱產(chǎn)品的功率。

c. 根據(jù)伴熱區(qū)域的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分等級(jí)選擇滿足要求的防爆型電伴熱帶及附件；伴熱帶選型時(shí)要特別注意爆炸危險(xiǎn)釋放介質(zhì)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(zhì)的溫度組別要求。

d. 根據(jù)儀表取壓或采樣管線最高維持溫度及最高承受溫度來(lái)選定電伴熱產(chǎn)品的耐熱等級(jí)［2］，在能夠耐受最高承受溫度的前提下，應(yīng)該以滿足伴熱條件并且合理、經(jīng)濟(jì)、維護(hù)方便為原則。

e. 根據(jù)不同的化學(xué)環(huán)境（如是否埋地或有無(wú)腐蝕性氣體等）來(lái)確定所需電伴熱產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。

f. 在選擇電伴熱元器件時(shí)，要從適用性、經(jīng)濟(jì)性、最高維持溫度、周圍有無(wú)腐蝕性環(huán)境等方面綜合考慮。

g. 若分析儀表采樣管線距離較長(zhǎng)，宜使用帶預(yù)制保溫層的一體化管束， 使維持溫度恒定；對(duì)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(shè)計(jì)分工及注意事項(xiàng)

一般工藝和儀表伴熱的電伴熱帶的供電系統(tǒng)由電氣專業(yè)人員負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)， 設(shè)計(jì)時(shí)將主供電箱、分供電箱根據(jù)伴熱點(diǎn)分布布置在現(xiàn)場(chǎng)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(yán)格的場(chǎng)合一般采用恒功率并聯(lián)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(zhǎng)度不能超過(guò)電伴熱帶產(chǎn)品的允許值。 恒功率并聯(lián)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(guò)溫控器設(shè)定溫度上限和下限，保證伴熱部位的溫度超過(guò)上限時(shí)斷電，低于下限時(shí)通電。

恒功率電伴熱帶屬于阻性負(fù)載，在冷態(tài)通電時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊電流，可達(dá)額定電流的2.5倍左右，所以在配備供電設(shè)備時(shí)要注意合理選擇熔斷器的容量，且加漏電保護(hù)器，最大長(zhǎng)度配置應(yīng)符合產(chǎn)品最大允許長(zhǎng)度要求。

2.6 典型的電伴熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

儀表及管道用電伴熱系統(tǒng)一般包括電源接線盒、自限溫/恒功率電伴熱帶、測(cè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電伴熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)能型。

2.7 電伴熱帶的安裝

電伴熱帶的安裝需要由專業(yè)人員完成，在安裝過(guò)程中應(yīng)遵循如下原則。

溫控器、接線盒、測(cè)溫元件等設(shè)備的安裝應(yīng)規(guī)范、合理,應(yīng)牢牢固定在管壁或支架上，以免因松動(dòng)（或顫動(dòng)）引起短路或火災(zāi)；應(yīng)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(shè)計(jì)要求。

電伴熱帶安裝前要清除被伴熱管線或設(shè)備上的毛刺、雜物等，施工時(shí)避免強(qiáng)折、硬拉、踩踏等，防止重物放置于電伴熱帶上，導(dǎo)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(lián)電伴熱帶。 因?yàn)殡姲闊釒Р豢芍苯舆B接，兩根或多根電伴熱帶連接時(shí)可使用中間接線盒。 對(duì)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(hù)方便且避免浪費(fèi)。 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(jìn)行密封處理，以防受潮或進(jìn)水造成短路，嚴(yán)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(hù)套輕微小面積損傷可以采用外部材料修復(fù)工藝技術(shù)。 供電控制箱應(yīng)盡可能接近伴熱點(diǎn)， 溫控回路應(yīng)有短路、過(guò)載和漏電保護(hù)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(yīng)器中的主要介質(zhì)乙烯中含有粉料。 反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)操作壓力為2.4 MPa，操作溫度小于115 ℃。 測(cè)量壓力、壓差時(shí)一般采用反吹裝置，避免粉料進(jìn)入導(dǎo)壓管。 反吹介質(zhì)為潔凈的乙烯氣體。 反吹裝置內(nèi)有一個(gè)很小的限流孔板，乙烯氣體在冬季溫度較低時(shí)存在冷凝現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致限流孔板堵塞，影響測(cè)量。 這個(gè)問(wèn)題是乙烯飽和蒸氣、冬季溫度過(guò)低和反吹裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)綜合作用產(chǎn)生的。

乙烯物性數(shù)據(jù)如下：閃點(diǎn) -100 ℃沸點(diǎn) -103.9 ℃

飽和蒸氣壓 4.083 8 MPa（0 ℃）

乙烯飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系見表1。

表1 乙烯飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系

當(dāng)溫度降到-20 ℃以下時(shí)， 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(huì)降低到環(huán)境溫度且其壓力與反應(yīng)器內(nèi)乙烯壓力近似相等， 就可能存在凝液現(xiàn)象，導(dǎo)致毛細(xì)管式限流孔板堵塞，使得吹掃效果受到凝液的影響， 出現(xiàn)儀表測(cè)量信號(hào)不穩(wěn)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(dǎo)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(nèi)。 自限溫電伴熱帶溫控器，通過(guò)檢測(cè)環(huán)境溫度控制溫控器的通斷，例如，設(shè)定溫度低于-18 ℃時(shí)啟動(dòng)電伴熱， 當(dāng)環(huán)境溫度高于-18 ℃時(shí)可以切斷電伴熱，既節(jié)能又便于維護(hù)。

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(nèi)部介質(zhì)始終保持氣相狀態(tài)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行精確伴熱以滿足采樣要求。 所以首先對(duì)采樣介質(zhì)進(jìn)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(hù)，對(duì)采樣管纜的電伴熱帶進(jìn)行冗余配置。 由于自限溫電伴熱帶伴熱長(zhǎng)度一般不超過(guò)100 m， 而采樣管線敷設(shè)長(zhǎng)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(zhǔn)確性，也使得維護(hù)和安裝工作變得簡(jiǎn)便可行。

4 結(jié)束語(yǔ)

電伴熱在儀表和管道伴熱方面的應(yīng)用越來(lái)越多，在安裝方便、環(huán)保性能、維護(hù)費(fèi)用、伴熱精度、節(jié)能效果等方面的優(yōu)勢(shì)明顯。 同時(shí)，隨著電伴熱在石化裝置及輔助設(shè)施上的廣泛應(yīng)用，完全可以做到對(duì)其伴熱系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計(jì)和安裝，并實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)整個(gè)伴熱系統(tǒng)的自動(dòng)化管理。