集膚效應(yīng)電伴熱替代蒸汽伴熱的應(yīng)用

常瑞增

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司北方分院，天津 300222）

石油、石化和化工等行業(yè)由于管線、設(shè)備需要在維持溫度（高于環(huán)境溫度，在規(guī)定的設(shè)計條件下介質(zhì)或工藝物料所達到的處于平衡狀態(tài)的特定溫度）下運行，如只采取保溫措施，不管保溫做得多厚，管線或設(shè)備的溫度最終都會降到環(huán)境溫度，這是因為存在熱損失。伴熱，就是通過外界對管線或設(shè)備提供的熱量與管線或設(shè)備的熱損失相當(dāng)，使它們保持在維持溫度運行。伴熱以蒸汽作為傳熱介質(zhì)的稱為蒸汽伴熱，伴熱以電為能源的稱為電伴熱。

20世紀(jì)70、80年代，秦皇島港原油碼頭、青島港黃島1、2期原油碼頭、大連港鯰魚灣原油碼頭等的輸油管線都采用了蒸汽伴熱，21世紀(jì)初某港口船舶燃料油碼頭的輸油管線的伴熱，經(jīng)過對蒸汽伴熱和幾種電伴熱的比較后，采用了適合中、長輸管線的集膚效應(yīng)電伴熱，以這個工程實例，介紹集膚效應(yīng)的原理，系統(tǒng)的組成，并對電伴熱和蒸汽伴熱進行了比較，電伴熱的成本低、運行安全、維護方便、節(jié)能顯著,用電伴熱代替蒸汽伴熱將是必然趨勢。由于對每個集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)都需要專門設(shè)計，所以本文供同行設(shè)計參考，并希望多采用電伴熱代替蒸汽伴熱，對港口的節(jié)能減排做些工作。

1 管線伴熱設(shè)計的基礎(chǔ)參數(shù)

本工程管線伴熱的基礎(chǔ)參數(shù)如下：

1.1 環(huán)境溫度：最高40℃ 最低5℃；

1.2 電伴熱維持溫度范圍60-70℃；

1.3 輸送管道規(guī)格：Ф300X82根 ；

1.4 管線長：2X2100 m；

1.5 敷設(shè)方式：管溝；

1.6 管線首、尾端有閥門控制，管線不用掃線;

1.7 保溫層結(jié)構(gòu)采用硬質(zhì)聚氨酯保溫管殼，阻燃，厚度60mm，最高使用溫度60℃。

2 伴熱方法的選擇

幾種伴熱方法的特點簡要列于表1 ：

表1

從表1 可看出，集膚效應(yīng)電伴熱適應(yīng)于中、長距離條件各種管徑管線的伴熱，它的優(yōu)點是：伴熱功率大，電源供電點少 （單電源最大伴熱長度24km）,伴熱效果好，維修方便。本工程實例中的每根伴熱管長2.1km,又考慮到它敷設(shè)在管溝內(nèi)，選用集膚效應(yīng)電伴熱。

3 集膚效應(yīng)電伴熱的工作原理

3.1 集膚效應(yīng)電伴熱電纜

電纜的結(jié)構(gòu)見圖1 。芯線一般為鍍鎳絞織銅絲母線，絕緣層一般為含氟聚合物的絕緣層，外護套一般為含氟聚合物的防磨損護套。

圖1 集膚效應(yīng)伴熱電纜結(jié)構(gòu)

本工程采用全F46氟塑料30 mm2電纜。芯線采用二次復(fù)合鍍錫19股銅線，直流電阻小于1.16 Ω/km。絕緣層厚度為1.2 mm，最薄處不小于標(biāo)準(zhǔn)值的90%，且表面光滑，無色透明。外護套厚度0.8 mm，在耐磨性，抗老化性和機械強度上達到國際先進水平。電纜的長期允許使用溫度：100℃。電纜耐壓等級：10000 V。

3.2 工作原理

集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)主要由工藝管道、伴熱熱管和耐熱集膚電纜（見圖1 ）、保溫層及保護外殼四部分組成，見圖2 。伴熱熱管為具有鐵磁性的鋼管，耐熱集膚電纜穿在伴熱熱管中，外面是是保溫層和保護外殼，集膚伴熱管道構(gòu)成見圖3 。

圖2 集膚伴熱管道斷面圖

圖3 集膚伴熱管道構(gòu)成圖

集膚效應(yīng)現(xiàn)象就是交流電流通過導(dǎo)體時，電流漸趨集中在導(dǎo)體表面通過的一種現(xiàn)象。

臨近效應(yīng)是一對通過反向等電流導(dǎo)體間的一種電磁現(xiàn)象，高頻反向電流流過相鄰導(dǎo)體時，由于磁電作用使導(dǎo)體內(nèi)的電流偏向靠近另一個導(dǎo)體內(nèi)的表面處流動。

根據(jù)管徑的大小，伴熱溫度的高低，集膚效應(yīng)伴熱分為單管、雙管和三管伴熱等。耐熱集膚電纜穿在伴熱熱管內(nèi)，在熱管的終端，電纜的芯線和熱管相連。在電源端，熱管和集膚電纜之間連接交流電壓，見圖4 ，交流電流流經(jīng)耐熱集膚電纜和熱熱管時，由于熱管的鐵磁特性和臨近效應(yīng)，集膚效應(yīng)現(xiàn)象迫使電流只能在熱管的內(nèi)壁流動，產(chǎn)生熱能，而熱管的外表面沒有電流，熱管因此可以安全的接地。

圖4 伴熱熱管電流示意圖

集膚效應(yīng)系統(tǒng)的阻抗小，又能夠承受高電壓，因此集膚效應(yīng)系統(tǒng)特別適合長輸管線，根據(jù)不同的應(yīng)用，從單一供電點，集膚效應(yīng)系統(tǒng)就可以向長距離管線提供伴熱。

4 集膚效應(yīng)電伴熱的電路和溫度控制

根據(jù)管線伴熱設(shè)計的基礎(chǔ)參數(shù)，計算出集膚效應(yīng)伴熱所需的伴熱功率，采用工頻交流電供電電源，選擇一個電源變壓器，供電電壓隨實際設(shè)計所需確定，二次供電電壓最大可到33kV（根據(jù)耐熱集膚電纜的絕緣層的耐受電壓而定）,一般單電源控制柜設(shè)在工藝管道敷設(shè)的中間位置，變壓器的一次側(cè)設(shè)有斷路器的過載、短路等電氣保護，變壓器的次級設(shè)有調(diào)節(jié)范圍，每5%設(shè)一檔，共設(shè)5檔，通過真空接觸器的主觸頭閉或合，把交流電壓加到或斷開耐熱集膚電纜和伴熱熱管的串聯(lián)電路 （見圖4 ），有電流流過伴熱熱管時，熱管就會對工藝管道進行伴熱。在工藝管道上設(shè)有固態(tài)繼電器式的溫控器，當(dāng)溫度低于電伴熱維持溫度時，溫控器的動合觸點使真空接觸器的線圈通電而動作，有電流流過伴熱熱管而加熱，當(dāng)溫度高于電伴熱維持溫度時，溫控器的動合觸點使接觸器的線圈失電而動作，沒有電流流過伴熱熱管，伴熱熱管不產(chǎn)生熱（見圖5 和圖7 ）?？紤]溫控器通過控制真空接觸器的通斷來控制工藝管道溫度，變壓器的初級繞組要能夠承受機械及電氣的頻繁開關(guān)，頻率為每天10次左右。變壓器在這樣的使用情況能保持正常的使用壽命。

圖5 集膚效應(yīng)電伴熱的電路示意圖

本工程測溫元件采用XMT-322，安裝在管線的外表面，溫控器的輸出可根據(jù)用戶的需求更改。變壓器按兩根管線同時工作設(shè)計，采用三相T型專用加熱變壓器。要求變壓器輸入端三相不平行度不得大于 10%。輸入電壓：10000V，輸出電壓：（2×1100V）；變壓器的二次側(cè)設(shè)5個電壓輸出檔位。輸出電流:135 A,變壓器容量：360kVA;變壓器效率：0.9。加熱變壓器和真空接觸器等都安裝在650（寬）×800（深）×2000（高）的控制柜內(nèi)?？刂乒癖P面在前面小門的上方，設(shè)溫度值顯示、溫度范圍調(diào)整、超溫報警指示；電源指示；過電流指示；電壓顯示；電流顯示；工作指示；停止指示；手動-自動切換?？刂乒癫粠щ姷慕饘贅?gòu)件均接地,見圖6 和圖7 。

圖6 集膚效應(yīng)電伴熱的一次原理圖

圖7 集膚效應(yīng)電伴熱的二次原理圖

本工程伴熱管采用無縫鋼管。需用2個鋼質(zhì)的首端接線盒、2個鋼質(zhì)的終端接線盒和60個鋼質(zhì)的中間接線盒。還需要272kg的導(dǎo)熱膠泥。

5 電伴熱替代蒸汽伴熱將是必然趨勢

以本工程的集膚效應(yīng)電伴熱與蒸汽伴熱比較，電伴熱具有許多顯著的優(yōu)點：

5.1 電伴熱比蒸汽伴熱適應(yīng)性廣泛

蒸汽伴熱不適合復(fù)雜管線伴熱，不適合遠(yuǎn)離裝置的管線伴熱，若在北方冰凍的季節(jié)里，安裝在野外蒸汽伴熱的回水管線可能被凍壞。

集膚效應(yīng)電伴熱適應(yīng)所有長、短距離輸送液體介質(zhì)鋼制管道的伴熱和加熱，敷設(shè)方式適合復(fù)雜管線伴熱，適合遠(yuǎn)離裝置的管線伴熱，適用任何場所，如：地下直埋、水下、河流穿越、地面 架空敷設(shè)、適用于易燃引爆場所直埋 或架空。

5.2 電伴熱比蒸汽伴熱安全可靠

蒸汽伴熱易燙傷人。

集膚效應(yīng)電伴熱由于伴熱熱管是碳鋼管，機械 強度大，密封良好，對電纜有很好的保護作用。集膚 電纜是特制耐熱電纜，由于集膚效應(yīng)系統(tǒng)自身形成 絕緣結(jié)構(gòu)， 使工藝管道和伴熱熱管外表面均不帶 電，工藝管道安全接地，保證工藝管道始終是零電 位，做到安全可靠。

5.3 電伴熱比蒸汽伴熱便于實現(xiàn)自動化

蒸汽伴熱始端高，終端低，溫度不均勻，難于控 溫，不便于實現(xiàn)自動化。

集膚效應(yīng)電伴熱首尾端的加熱溫度是均勻的， 不會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，可以通過溫度傳感器進行溫度 檢測，通過閉環(huán)溫控系統(tǒng)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)和控制，實現(xiàn)無 人管理自動化控制或遙控，滿足企業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的 要求。

5.4 電伴熱比蒸汽伴熱維修方便、成本低

蒸汽伴熱的維修工作量大，需要定期更換蒸汽 伴熱管道，成本高。

集膚效應(yīng)電伴熱由于熱管一直沿著工藝管線 固定，工藝管線的溫度變化非常小。發(fā)熱元件是堅 固的熱管，在野外也很難被損壞。幾乎不需要維修。 一旦絕緣集膚電纜損壞，利用系統(tǒng)已有的接線盒可以方便的抽出和更換絕緣集膚電纜，不會影響保溫 層。維修方便，成本低。

5.5 電伴熱比蒸汽伴熱經(jīng)濟效益好

集膚效應(yīng)電伴熱一次初投資比蒸汽伴熱高些， 但是，運行費用、維修費用和管理費用卻比蒸汽伴 熱低得多，有資料表明，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較，電伴熱 一次投資比蒸汽伴熱多的差額，很快就從上面的其 他費用回收，經(jīng)濟效益比蒸汽伴熱好。

5.6 電伴熱和蒸汽伴熱比較，節(jié)能顯著

蒸汽伴熱對輸送蒸汽本身也需要保溫，常有跑 冒滴漏現(xiàn)象，加熱效率低。

耐熱集膚電纜在伴熱熱管內(nèi)，伴熱熱管和工藝 管道焊在一起，外面加上保溫層和保護外殼，加熱 效率高。

有資料表明，輸油管道采用集膚效應(yīng)伴熱耗能 為231kg/km 標(biāo)煤, 采用蒸汽伴熱耗能為1813kg/km 標(biāo)煤。按1kWh=0.404kg 標(biāo)煤進行折算，每km 輸油 管道每h 節(jié)約3 915.8kWh 的電能。節(jié)能效果十分顯 著。

集膚效應(yīng)電伴熱由于具有以上諸多優(yōu)點，特別 是經(jīng)濟效益好、節(jié)能效果顯著，符合我國的節(jié)能減 排技術(shù)政策，正受到用戶、設(shè)計院的重視而得到越 來越廣泛的應(yīng)用。

參考資料

[1]泰科熱控公司的有關(guān)集膚效應(yīng)電伴熱資料