電伴熱帶替換供料保溫箱的可行性分析

羅加強　李梅芳　徐寅鵬　封學(xué)智　楊建平　耿境

【摘 要】針對近期供料保溫箱內(nèi)信號電纜因長期受熱引起表面滲油、閥門絲桿潤滑油蒸干導(dǎo)致卡滯及電動閥電機塑料件老化等問題，依據(jù)公司方針及車間要求進行電伴熱帶替換供料保溫箱的可行性分析。本文根據(jù)實際情況，不僅從理論上分析了其技術(shù)可行性，還通過現(xiàn)場的應(yīng)用及檢驗，驗證了在技術(shù)上電伴熱帶替換供料保溫箱是可行的。本文還在已有的工藝參數(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合熱工設(shè)計，進行效益分析，通過對電伴熱帶和供料保溫箱的效益分析表明：采用電伴熱帶替換供料保溫箱不僅能帶來良好的經(jīng)濟效益，還能達到節(jié)能降耗的目的，具有廣泛的社會效益。

【關(guān)鍵詞】電伴熱帶；供料保溫箱；熱工設(shè)計；效益分析；可行性

0 引言

近年來，由于供料保溫箱內(nèi)溫度較高，箱內(nèi)信號電纜因長期受熱引起表面滲油、閥門絲桿潤滑油蒸干導(dǎo)致卡滯及電動閥電機塑料件老化等問題較為突出，而作為工藝管線和罐體容器伴熱的電伴熱技術(shù)發(fā)展迅猛，繼蒸汽或熱水伴熱之后，電伴熱技術(shù)受到人們普遍重視。從上世紀七十年代以來，各國為了使電伴熱技術(shù)能用于生產(chǎn)，經(jīng)過多年努力，投入大量人力、物力和財力，電伴熱性能得以不斷改善[1]。隨著電伴熱技術(shù)的日益成熟和電伴熱具有熱效率高、節(jié)約能源、設(shè)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，目前，電伴熱已成為一種在工業(yè)規(guī)模上比蒸汽或熱水伴熱更具競爭力的伴熱方法[2]。

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(zhì)最合理的工藝溫度，它是一種高新技術(shù)產(chǎn)品[3]。電伴熱是沿管線長度方向或罐體容積大面積上的均勻放熱，它不同于在一個點或小面積上熱負荷高度集中的電伴熱；電伴熱溫度梯度小，熱穩(wěn)定時間較長，適合長期使用，其所需的熱量（電功率）大大低于電加熱，是國家重點推廣的節(jié)能項目[4]。

隨著電伴熱技術(shù)的發(fā)展及生產(chǎn)設(shè)備、技術(shù)水平、工藝條件的提升，我國各大廠家通過不斷的研發(fā)、設(shè)計及反復(fù)試驗，電熱絲壽命短，易于出現(xiàn)斷路這一問題得以解決，現(xiàn)已開發(fā)出多款適合自己國情的產(chǎn)品，并廣泛應(yīng)用于石油開采輸油管道、油氣田泵站儲罐、油氣田地埋管道、海洋石油平臺、發(fā)電廠、熱電廠、鋼鐵廠、煉油廠、化工廠管道儲罐等環(huán)境惡劣場合[5]，這為我公司電伴熱帶替換供料保溫箱提供了有力的技術(shù)保障。

如何在已有的工藝參數(shù)基礎(chǔ)上，分析電伴熱帶替換供料保溫箱的可行性，并應(yīng)用熱工設(shè)計確定工藝裝置的熱損失即耗熱量，然后根據(jù)耗熱量確定所需伴熱電纜的功率和長度，是我公司技術(shù)人員都在努力探討的問題，也是本文的工作重點。

1 技術(shù)可行性探究

供料管道及閥門的保溫效果對其內(nèi)物料的流量穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響，在給定了供料管道及閥門的保溫條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)以后，如何驗證電伴熱帶能確保物料在供料管道及閥門內(nèi)不會冷凝是證明其技術(shù)可行性的一個關(guān)鍵。

本節(jié)通過對電伴熱帶替換供料保溫箱的技術(shù)分析，不僅從理論上分析了保溫箱內(nèi)的減壓前供料管線及減壓調(diào)節(jié)閥采用電伴熱帶進行保溫的技術(shù)可行性，還通過現(xiàn)場的應(yīng)用及檢驗，驗證了在技術(shù)上保溫箱內(nèi)的減壓前供料管線及減壓調(diào)節(jié)閥采用電伴熱帶替換供料保溫箱進行保溫是可行的。在廠房的實際應(yīng)用中，電伴熱帶還應(yīng)用于保溫箱外所有需要保溫的管道、閥門及儀表，這為電伴熱帶替換供料保溫箱提供了有力的技術(shù)保障。

1.1 電伴熱帶

電伴熱作為一種有效的管道及閥門保溫方案一直被廣泛應(yīng)用[6]。其工作原理是通過伴熱媒體散發(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損失，以達到升溫、保溫的正常工作要求。常用電伴熱針對不同的管道及閥門可分為以下幾種形式[7]：

I自限溫電熱帶

此電熱帶隨溫度升高電阻變大功率變小，由于其啟動時電流較大，所以使用長度一般不超過100米，電熱帶可隨意剪切，電熱帶無論多長，通上額定電壓都能發(fā)熱。

II 恒功率串聯(lián)電熱帶

恒功率串聯(lián)電熱帶單位長度的發(fā)熱量恒定，使用的電熱帶越長輸出的總功率越大，管道維持溫度高。該電熱帶在現(xiàn)場不完全能按實際長度任意剪切。此電熱帶使用長度不能太短，一般使用500-2500米左右。

III 高溫電伴熱帶

此電熱帶由玻璃纖維或其它耐高溫材料制成，耐溫300℃以內(nèi)，長度1-50米不等（由于其不可隨意剪切，需找專業(yè)廠家設(shè)計）。

IV 硅橡膠電熱帶

此電熱帶可用于潮濕的、無爆炸性氣體場所工業(yè)設(shè)備或?qū)嶒炇夜芟洌摅w和槽池，油桶（箱）的加熱、伴熱和保溫，電熱帶長度1-15米（由于其不可隨意剪切，需找專業(yè)廠家設(shè)計）。

V MI電熱帶

此電熱帶是金屬線芯（發(fā)熱體）、線芯周圍緊密的環(huán)繞著礦物質(zhì)氧化鎂（絕緣層）及經(jīng)過多次拉制過的金屬管（通常是銅、鋼或是不銹鋼等）構(gòu)成，連續(xù)工作溫度可達250-590℃，短期工作溫度可至1083℃，長度18-680米（由于其不可隨意剪切，需找專業(yè)廠家設(shè)計）。

廠房供料管線保溫采用的電伴熱形式為自限溫電伴熱，此電熱帶伴熱時能夠自動限定其工作溫度，且能隨被伴熱體系的溫度變化自動調(diào)整輸出功率而無需外加設(shè)備[8]。它可以任意裁短或在一定范圍內(nèi)接長使用，而上述性能不變；允許交叉重疊纏繞敷設(shè)而無過熱及燒毀之憂；伴熱管線溫度均勻，不會過熱，安全可靠；安裝使用維護簡便；便于自動化管理[9]；

1.2 供料保溫箱

供料保溫箱由箱體、加熱器、儀表閥門托架等三大部分組成。

電熱裝置是由電熱管、溫度控制器組成，箱體側(cè)面裝有插座，當(dāng)接通電源后，箱內(nèi)加熱到所需溫度時，再由溫度控制器接通電源繼續(xù)升溫。通過反復(fù)工作使箱內(nèi)溫度能保持在一定范圍內(nèi)，從而確保物料在其內(nèi)管道與閥門中不會冷凝。

1.3 技術(shù)可行性分析

廠房供料保溫箱的作用是為了確保物料在其內(nèi)管道與閥門中不會冷凝，而保溫箱內(nèi)的關(guān)鍵管道及閥門為供料管道及減壓調(diào)節(jié)閥，因此，分析電伴熱帶對供料管道及減壓調(diào)節(jié)閥的保溫效果是驗證其替換供料保溫箱技術(shù)可行性的關(guān)鍵，本節(jié)將著重從這兩方面進行分析。

1.3.1 電伴熱帶在供料管線上的應(yīng)用

廠房供料管線保溫采用的電伴熱技術(shù)為自限溫電伴熱，此電熱帶應(yīng)用于保溫箱外所有需要保溫的管道。

在多年的實際應(yīng)用中，廠房供料系統(tǒng)一直處于安全穩(wěn)定運行狀態(tài)，自限溫電熱帶有效地保障了供料管線的暢通，這為保溫箱內(nèi)的減壓前供料管線采用電伴熱技術(shù)保溫提供了有力的保障，同時也驗證了在技術(shù)上減壓前供料管線采用電伴熱帶替換供料保溫箱進行保溫是可行的。

1.3.2 電伴熱帶在減壓調(diào)節(jié)閥上的應(yīng)用

保溫箱內(nèi)減壓調(diào)節(jié)閥的作用是為了確保向級聯(lián)供入壓力、流量穩(wěn)定的物料，保障減壓調(diào)節(jié)閥的靈敏性對維護整個供料系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

廠房的減壓調(diào)節(jié)閥不僅應(yīng)用于保溫箱內(nèi)供料管線，還應(yīng)用于供料凈化管線內(nèi)物料的壓力、流量調(diào)節(jié)，而供料凈化管線上的減壓調(diào)節(jié)閥采用自限溫電熱帶進行保溫。自廠房運行以來，供料凈化管線上的減壓調(diào)節(jié)閥在物料加熱及備用凈化時，控制供料凈化管線孔板前壓力低于室溫下物料的飽和蒸汽壓向供料凈化冷風(fēng)箱內(nèi)3m3容器放壓。經(jīng)現(xiàn)場檢驗，供料凈化管線上的減壓調(diào)節(jié)閥至今開關(guān)靈活、無堵塞，這為保溫箱內(nèi)的減壓調(diào)節(jié)閥采用電伴熱技術(shù)保溫提供了有力的保障，同時也驗證了在技術(shù)上保溫箱內(nèi)供料管線上的減壓調(diào)節(jié)閥采用電伴熱帶替換供料保溫箱進行保溫是可行的。

2 熱工設(shè)計

電伴熱是利用電伴熱帶輸出的熱量來補償管道、容器、罐體等儲運系統(tǒng)所耗散的熱量，以維持系統(tǒng)操作介質(zhì)始終處在工藝要求的適宜溫區(qū)。所以，熱工設(shè)計首先要確定工藝裝置的熱損失即耗熱量，然后根據(jù)耗熱量確定所需電伴熱帶的功率和長度，再根據(jù)電伴熱帶及保溫管道的長度來確認鋪設(shè)方式[10]。

2.1 電伴熱帶的功率和長度

對供料管道采用電伴熱帶進行保溫，目的是保證其內(nèi)部物料壓力達到其飽和溫度的要求，防止物料在管道內(nèi)部冷凝。因此電伴熱帶在供料管道工作狀態(tài)下的加熱功率，取決于供料管道本身的耗熱量、閥門本身的耗熱量、內(nèi)部物料在電伴加熱設(shè)定溫度下的耗熱量以及保溫狀態(tài)下的熱量損失?，F(xiàn)根據(jù)實際需求將電伴加熱溫度設(shè)定值調(diào)為70℃通過計算來進一步確認加熱功率需求值。

保溫箱內(nèi)供料管道采用無縫鋼管ф76×3.5，長度l為2.96m，查閱動力管道設(shè)計手冊[11]，其重量為6.26kg/m，按供料管道電伴加熱設(shè)定溫度70℃和廠房環(huán)境溫度20℃計算。取溫差△T為50℃，無縫鋼管比熱為0.5024KJ/（kg·℃），根據(jù)工程熱力學(xué)能量方程[12]得其本身需要的熱量為：

Q1=C×m×ΔT=0.5024×（2.96×6.26）×50≈465.46（KJ）

工藝系統(tǒng)升溫規(guī)定每小時10℃左右，為了可靠，取安全系數(shù)ε為1.25，則按每小時12.5℃的速度計算，提升50℃，升溫時間t為4小時，那么保溫箱內(nèi)供料管道的耗熱量為：

為計算物料的耗熱量，先計算供料管道內(nèi)的物料量。由保溫箱內(nèi)供料管道的體積以及在70℃時物料的飽和蒸汽壓，以及理想氣體狀態(tài)方程PV=（m/M）RT，計算出70℃時保溫箱內(nèi)供料管道的物料質(zhì)量為：

其中保溫箱內(nèi)供料管道型號為φ76×3.5，其體積V如下計算得到：

底面積S=πr2=3.14×[（0.076-0.0035×2）/2]2≈0.0037m2。因此，V=S·l=0.0037×2.96≈0.01m3

供料管道電伴加熱設(shè)定溫度為70℃，假設(shè)供料階段從加熱箱出來的物料溫度為64℃，為保障物料的暢通，上述供料管道內(nèi)物料溫度從64℃上升到70℃所需熱量為：

Q2=C×m×ΔT=0.54×0.22×6≈0.71（KJ）

供料流量F按135kg/h計算，則上述供料管道內(nèi)物料的吸熱時間t=m/F=0.22/135≈0.0016h，那么供料管道內(nèi)物料在電伴加熱設(shè)定溫度下的耗熱量為：

上述供料管道保溫狀態(tài)下的熱量損失，根據(jù)傅里葉定律[13]計算如下：

其中λ為保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，0.07W/（m·k）；TA為工作溫度，70℃；TB為最低環(huán)境溫度，20℃；l為管道長度，2.96m；d為管道外徑，76mm；δ為保溫層厚度，15mm。

根據(jù)電伴熱簡明設(shè)計手冊[14]，減壓調(diào)節(jié)閥的耗熱量為單位供料管線耗熱量的0.6倍，則減壓調(diào)節(jié)閥的耗熱量為：

而所需電伴熱帶加熱功率的大小等于總耗熱量，取安全系數(shù)ε為1.02，則：

P=ε·（q1+q2+q3+q4）=1.02×（32.32+123.26+195.38+71.14）≈430.54（W）

廠房供料管線保溫采用的自限溫電熱帶，其標稱功率Pe為30W/m，則自限溫電熱帶替換供料保溫箱所需要的電伴熱帶長度L為：

2.2 電伴熱帶的鋪設(shè)方式選擇

電伴熱帶的鋪設(shè)方式主要有以下幾種[15]：

I 直接纏繞

將一根電伴熱帶沿管道一邊直線放置，當(dāng)多根電伴熱帶鋪設(shè)于直管上時，電伴熱帶由管道線路一端起布線至尾端再回頭至起點，可在管線315°、225°、135°或45°等位置安裝電伴熱帶，用鋁膠帶或安裝鋁帶將其固定在管道上，固定間距不大于50㎝。

II波浪纏繞

將電伴熱帶以波浪方式與管道附和在一起。按設(shè)計確定每米管道所需要電伴熱帶長度，然后再確定波浪曲率半徑R，鋪設(shè)時應(yīng)盡量使波幅均勻，以保證電伴熱帶的均勻散熱，用鋁帶沿波浪曲線粘貼電伴熱帶，或用鋁膠帶（安裝鋁帶）粘貼彎曲處。

III螺旋纏繞

將電伴熱帶按每米管道所需其長度均勻地以螺旋狀纏繞在管道上，用鋁膠帶沿螺旋方向固定，或用鋁膠帶（安裝鋁帶）固定電伴熱帶與管子上端處。

由于自限溫電熱帶替換供料保溫箱所需要的電伴熱帶長度L為14.35m，保溫箱內(nèi)供料管道長度l為2.96m，則纏繞系數(shù)ξ為：

根據(jù)纏繞系數(shù)ξ為4.85，可以選擇直接纏繞方式在管線315°、225°、135°、45°這四個位置安裝電伴熱帶，這也是現(xiàn)在廠房電伴熱帶選擇的鋪設(shè)方式。剩下約2.51m電伴熱帶用于纏繞管線上的減壓調(diào)節(jié)閥。

3 效益分析

電伴熱技術(shù)在廠房供料管線的保溫應(yīng)用中，具有發(fā)熱效率高、安裝簡便、質(zhì)量可靠及使用壽命長（通常為20a）等優(yōu)勢。經(jīng)評估，采用電伴熱的前期投入約為保溫箱的53%，運行費用為保溫箱的7%，采用電伴熱技術(shù)的年折舊及維護費用大約是保溫箱的1/4，明顯優(yōu)于保溫箱。兩者的產(chǎn)出效果相同，都可達到供料管線的保溫要求。

自限溫電熱帶因本身根據(jù)感應(yīng)管壁（介質(zhì)）的溫度而自調(diào)發(fā)熱量，耗電量僅為保溫箱的5%，是一種節(jié)能措施。對于企業(yè)來說，節(jié)能即意味著減少浪費，節(jié)約成本，不僅能帶來良好的經(jīng)濟效益，同時也能培養(yǎng)每個人的思想道德、品質(zhì)和精神，也代表一種企業(yè)文化，這種美德一旦在企業(yè)扎根，將會增加凝聚力和戰(zhàn)斗力。對于國家來說有助于緩解能源供應(yīng)和建設(shè)壓力，同時節(jié)約社會資源，更有利于國民經(jīng)濟健康持續(xù)發(fā)展[16]。

4 結(jié)論

本文根據(jù)實際情況，對電伴熱帶及供料保溫箱進行了概述，并介紹了它們的工作原理及應(yīng)用，不僅從理論上分析了保溫箱內(nèi)的減壓前供料管線及減壓調(diào)節(jié)閥采用電伴熱帶進行保溫的技術(shù)可行性，還通過現(xiàn)場的應(yīng)用及檢驗，驗證了在技術(shù)上保溫箱內(nèi)的減壓前供料管線及減壓調(diào)節(jié)閥采用電伴熱帶替換供料保溫箱進行保溫是可行的。

將廠房供料保溫箱內(nèi)管道、閥門、壓力傳感器的加熱方式由空氣加熱改為電伴加熱，在一定程度上可以改善保溫箱內(nèi)減壓閥、自由閥的電機、各種動力及信號線纜的工作環(huán)境，降低其故障率。

本文還在已有的工藝參數(shù)基礎(chǔ)上，應(yīng)用熱工設(shè)計確定工藝管道的熱損失即耗熱量，然后根據(jù)耗熱量確定所需伴熱電纜的功率和長度。最后，通過效益分析，可以看出采用自限溫電熱帶不但一次性投資較低，而且運行費用大幅下降，其所需的熱量（電功率）大大低于保溫箱的電加熱，不僅能帶來良好的經(jīng)濟效益，還能達到節(jié)能降耗的目的，具有廣泛的社會效益，是國家重點推廣的節(jié)能項目。

在廠房的實際應(yīng)用中，電伴熱帶不僅應(yīng)用于保溫箱外需要保溫的供料管線，還應(yīng)用于保溫箱外所有需要保溫的管道、閥門及儀表，它具有發(fā)熱均勻、安全可靠、熱效率高、節(jié)約能源、設(shè)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。從廠房目前已經(jīng)采用電伴熱系統(tǒng)的實際運行情況看，電伴熱已經(jīng)達到了預(yù)期效果?？梢灶A(yù)見在其它各行業(yè)的保溫應(yīng)用中，采用電伴熱技術(shù)保溫也將成為必然的趨勢。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]