集膚效應(yīng)電伴熱在長距離輸送液硫管線上的應(yīng)用

顏 兵，甘軍平，周雪林

[1.恒逸實業(yè)（文萊）有限公司，浙江杭州 311000；2.鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司，浙江寧波 315000；3.巴斯夫（中國）有限公司，上海 200137]

隨著原油資源重質(zhì)化和硫含量增高，以及對環(huán)境保護(hù)的重視，石油化工行業(yè)普遍采用硫磺回收技術(shù)對硫進(jìn)行回收，硫磺產(chǎn)品以固體成型包裝和液體輸送兩種方式出廠。液硫管道輸送因投資成本低、操作方便、能耗較低而成為硫磺產(chǎn)品出廠優(yōu)先考慮的方式。由于液硫的黏度受溫度的影響較大，為保證其有良好的流動性，需維持溫度在130～160 ℃。如采用蒸汽伴熱輸送液硫，對應(yīng)的飽和蒸汽約為0.4 MPa。Claus硫磺回收裝置自產(chǎn)0.4 MPa蒸汽，因而裝置界區(qū)內(nèi)短距離液硫輸送管線一般采用0.4 MPa蒸汽夾套伴熱[1]，但涉及到長距離液硫的輸送，采用蒸汽夾套伴熱則存在投資和維護(hù)費(fèi)用高、凝結(jié)水回收困難、夾套內(nèi)漏造成管道堵塞難以處理等問題，此時可考慮采用電伴熱的方式對液硫進(jìn)行保溫。

恒逸實業(yè)（文萊）有限公司120 kt/a硫磺回收裝置液硫管線自裝置界區(qū)到碼頭全長約1 850 m，管徑為DN250，液硫泵輸送能力約300 t/h。該管線由鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司設(shè)計，選用濱特爾自控溫集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)（STS），使用效果良好。

1 STS系統(tǒng)

1.1 基本原理

集膚效應(yīng)電伴熱原理基于交流電的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)[2]。集膚效應(yīng)就是當(dāng)交流電通過碳鋼導(dǎo)體的電流逐漸趨膚在導(dǎo)體表面的一種現(xiàn)象；而鄰近效應(yīng)是一對通以反向等電流電體間的一種電磁現(xiàn)象，在加熱管中的電纜和外管間通過電流時，外熱管上電流逐漸趨膚在加熱管內(nèi)壁，而正是這薄薄的外壁產(chǎn)生的焦耳熱來滿足伴熱的需要。集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)產(chǎn)生焦耳熱主要來自于三部分：①加熱管上通電流時，加熱管上發(fā)出的熱，該熱量是集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)的主要熱量來源；②加熱管內(nèi)部電纜產(chǎn)生的熱；③加熱管內(nèi)磁滯損耗產(chǎn)生的熱。

集膚效應(yīng)電伴熱技術(shù)示意見圖1。

圖1 集膚效應(yīng)電伴熱技術(shù)示意

1.2 STS系統(tǒng)組成

STS系統(tǒng)由安裝于鐵磁伴熱管內(nèi)能產(chǎn)生額定熱量的絕緣電纜構(gòu)成。絕緣電纜與伴熱管在尾端相連接，在電源接線盒內(nèi)的絕緣電纜與伴熱管之間通上交流電源，電源通過絕緣電纜和伴熱管內(nèi)表面形成一個回路。STS系統(tǒng)組成示意見圖2。

圖2 STS系統(tǒng)組成示意

1.3 STS系統(tǒng)設(shè)計考慮因素

1.3.1 溫度的傳感和控制

STS系統(tǒng)補(bǔ)償從管道散發(fā)的熱量損失。正常操作時，電伴熱回路的正常操作溫度遠(yuǎn)低于STS系統(tǒng)設(shè)計的最高溫度，以延長系統(tǒng)的使用壽命。STS系統(tǒng)實施閉環(huán)溫度控制，輸送管的溫度被連續(xù)監(jiān)測并與設(shè)置的參考溫度進(jìn)行比對。當(dāng)管道溫度降低到設(shè)定值以下時，電伴熱系統(tǒng)開始通電運(yùn)行。

該液硫管線電伴熱系統(tǒng)設(shè)置了3處溫度監(jiān)測點：裝置紅線外設(shè)置溫控器TG1參與伴熱控制；沿途管廊一處高點設(shè)置溫度監(jiān)控器TG2用于顯示和報警，高溫度報警設(shè)置為160 ℃；管線末端設(shè)置溫控器TI。日常運(yùn)行時，TG1設(shè)置溫度為132～135℃，對應(yīng)管道高點TG2溫度為155～158 ℃，TI設(shè)置溫度為 146～152 ℃。

1.3.2 液硫再熔融

對管道內(nèi)固體硫磺的再熔融能力是STS系統(tǒng)性能最重要的性能指標(biāo)之一，當(dāng)硫磺回收裝置出現(xiàn)應(yīng)急檢修或全廠停工檢修造成液硫輸送管線伴熱系統(tǒng)停電時間較長時，管道內(nèi)液硫會因溫度降低而凝固。由于固體硫磺的密度大于液硫，液硫凝固后體積會縮小約9%，管道的局部位置會產(chǎn)生空隙，因此管廊高點的管線會出現(xiàn)空管或半管，管廊低點的管線則滿管。在液硫的再熔融過程中，空管和滿管受熱溫度上升的速度存在偏差，可能會產(chǎn)生較高的溫差應(yīng)力，造成管道拉裂。據(jù)濱特爾公司的相關(guān)研究和經(jīng)驗表明：液硫的再熔融過程必須使已經(jīng)遷移到實心管段的硫分子原路返回，這樣才可無約束地回到空隙區(qū)，這個過程需要較大的熱量，以在頂部建立熔融硫磺的流動。

管道中的液硫凝固后再熔融過程必須考慮2個方面：①伴熱系統(tǒng)加熱功率足夠使固硫從常溫上升到操作溫度；②熔融過程必須嚴(yán)格遵照特定的升溫曲線，避免產(chǎn)生高的溫差應(yīng)力。該液硫管線電伴熱項目通過建立硫磺介質(zhì)熱力學(xué)模型和管道應(yīng)力模擬，計算得到滿管和半管固硫再熔融的升溫曲線，并按此曲線設(shè)置適宜的控制方案及配置參數(shù)。

1.3.3 保溫

因STS系統(tǒng)保溫效果差會導(dǎo)致熱損失過多，造成液硫管道溫度降低，液硫黏度變大，管道輸送不暢，因此STS系統(tǒng)的保溫材料及施工質(zhì)量尤為關(guān)鍵。該液硫管線電伴熱項目的液硫管道保溫層采用厚度為70 mm的巖棉，保護(hù)層采用厚度為0.8 mm的平鋁合金板，未采用絕熱管托以節(jié)約成本。

1.3.4 停電后的處理

STS系統(tǒng)投用后，需要定期進(jìn)行檢查和維護(hù)，同時應(yīng)避免長時間斷電。當(dāng)全廠停工檢修時，應(yīng)盡可能保證該系統(tǒng)的正常供電，如無法避免長時間斷電而造成液硫固化，在液硫再熔融時，需留足充分的再熔融時間，同時嚴(yán)格遵循特定的管道升溫曲線。

2 使用效果

該公司硫磺回收裝置的液硫管線自2019年11月采用STS系統(tǒng)伴熱以來，已外送液硫累計近50次約13.8 kt，電伴熱供電系統(tǒng)穩(wěn)定，加熱系統(tǒng)自動控溫，運(yùn)行工況良好，僅在2021年1月18日，由于現(xiàn)場連續(xù)多天下雨造成局部管段進(jìn)水影響伴熱效果，使得管線溫度降低，繼而造成液硫輸送困難，通過對管道外保溫層進(jìn)行完善處理，并提高TG1設(shè)定溫度的方式持續(xù)加熱管道，8 h后管道輸送恢復(fù)正常。

3 存在的不足和建議措施

3.1 管道管托處溫度過低

經(jīng)設(shè)計核算，普通管托散熱僅占總散熱量的7%，不會對伴熱系統(tǒng)產(chǎn)生過大的影響。但在實際運(yùn)行過程中，每一處管托表面的實測溫度均超過50 ℃，管托焊接處管道低點的表面溫度較其他管段溫度低10～20 ℃，存在管道低點溫度過低造成液硫黏度增大的風(fēng)險。因此，對于鋼質(zhì)管廊架上敷設(shè)的液硫管線采用絕熱或隔熱管托非常必要。

3.2 未能有效監(jiān)控管道溫度分布

該液硫管線電伴熱系統(tǒng)為了節(jié)約成本，僅設(shè)置2處溫控和1處溫度監(jiān)控，主管道設(shè)置2個就地溫度計用于輔助監(jiān)控管道溫度。上述設(shè)置在日常操作中可以滿足生產(chǎn)要求，但如果出現(xiàn)再熔融工況時，以上配置則無法幫助用戶確切地了解液硫管道的溫度分布。采用分布式光纖光柵溫度監(jiān)控技術(shù)，可以有效監(jiān)控管道局部溫度，大大降低再熔融操作風(fēng)險。

3.3 STS系統(tǒng)不適用于不規(guī)則體伴熱

由STS系統(tǒng)的伴熱原理可知，該伴熱系統(tǒng)不適用于不規(guī)則體管線或閥門的敷設(shè)。在液硫管道至裝船末端的長距離輸送過程中，不可避免地會出現(xiàn)隔斷閥、流量計等不規(guī)則部件，單個不規(guī)則體需要單獨設(shè)置VPL恒功率纏繞帶等其他形式的伴熱裝置。

也正是基于STS伴熱系統(tǒng)的特性，長距離液硫管線沿途未設(shè)置放空閥，僅設(shè)置幾處帶盲蓋的導(dǎo)淋用于開工期間液硫管道的沖洗放盡。然而在實際操作過程中，由于管線吹掃的可操作性不強(qiáng)，使得液硫管道在投用后，液硫的處理或放盡變得極為困難。當(dāng)管道出現(xiàn)泄漏時，必須將管道電伴熱停用，待液硫固化后動火，或采用帶壓堵漏等其他方式進(jìn)行處理。漏點處理后，再對管道內(nèi)的液硫進(jìn)行再熔融，而液硫再熔融耗時長、操作難度大且風(fēng)險高。

4 結(jié)語

恒逸實業(yè)（文萊）有限公司硫磺回收裝置的液硫管道采用STS系統(tǒng)兩年多來，該伴熱系統(tǒng)溫度控制穩(wěn)定、維護(hù)工作量低，可以滿足使用需求，但仍有改進(jìn)空間。值得一提的是，除蒸汽夾套和集膚效應(yīng)電伴熱外，“蒸汽外伴熱+導(dǎo)熱膠泥”伴熱技術(shù)也在國內(nèi)同類裝置有實際應(yīng)用，從技術(shù)原理分析，新開發(fā)的伴熱技術(shù)可以有效避免蒸汽夾套伴熱和電伴熱的缺陷，可供相關(guān)企業(yè)借鑒使用。