油气-管道电伴热技术研究及工程实践

油气?管道电伴热技术研究及工程实践
【摘要】伴随着油气储运工程建设的蓬勃发展，电伴热系统克服了蒸汽伴热能源消耗大、维护管理费用高腐蚀管道等不足，在输油输气管道中得到了广泛的应用。

本文较为详细的介绍了油气管道电伴热技术，并结合工程实践对电伴热系统设计工作进行了探讨。

【关键词】油气管道；电伴热系统
1 前言
二十一世纪初期是我国油气储运建设的高潮时期，大型油气码头、大型原油成品油气库，长距离输油和输气管线陆续开工建设与投用使管道工程建设进入了前所未有的蓬勃发展的历史时期。

与此同时，电伴热系统克服了蒸汽伴热能源消耗大，维护管理费用高，腐蚀管道的不足，在输油输气管道中得到了广泛的应用。

2 电伴热技术概况
电伴热是指用电能补充被伴热物体在输送工艺过程中的热损失，使流动介质温度维持在一定的工艺温度范围内。

管道电伴热有以下四种类型：
2.1 阴抗伴热
阴抗伴热分直流电伴热和交流电伴热两种类型。

它要求管道等径，并且加热的管段上没有副管和阀门。

阻抗伴热耗资小，施工操作方便，但具有以下弊端：
①为保证工作人员的安全，需要安装变压器；
②接地极的总电阻要小于管体电阻值；
③伴热管道应与相邻的设备进行绝缘；
④地下使用该伴热系统时，会引起电流的大量流失。

2.2 电磁感应伴热
电磁感应伴热利用电磁感应原理及感应电流通过导体时产生的热效应使工件快速加热。

电磁感应伴热一般分为三类：工频电磁感应伴热、中频电磁感应伴热和高频电磁感应伴热。

电磁感应伴热效率可达到80%以上，并且加热速度极高，热流密度大，可自动控温，可消除设备发生火灾的危险（仅铁芯发热）。

电磁感应伴热的热惯性小，断电后会马上断磁、停止加热，控温性能比较准确，但设备复杂，成本很高。

2.3 柔性材料伴热
柔性材料伴热是以导体通电时产生的焦耳热来加热管道，包括电缆伴热和电热带伴热两种类型。

（1）电缆伴热是以铜或铜合金制成芯线，芯线外面用具有良好的热稳定性和导热性的材料做成绝缘层，最外层为不锈钢铠装护套。

电缆伴热有两种敷设方式：①管道内部敷设；②管道外部敷设。

目前用于工程实际的常用电缆为MI矿物电缆。

MI电缆采用高纯合金电热丝作为发热源，高纯、高温、高结晶度的氧化镁作导热绝缘体，无缝不锈钢或铜管作为护套管，具有耐高温、防水、防爆、机械强度高、寿命长、安全可靠等特点。

但由于MI电缆以金属作为外护套，剪切及封口较麻烦，给现场施工安装带来不便；另外，MI电缆外护套内充填氧化镁粉末，对弯曲半径有较高要求，多次弯曲变形后将直接影响MI电缆的安全可靠性。

（2）电热带伴热分为恒功率和变功率两大类。

电热带外形扁平便于与管道接触，传热效果优于电缆伴热。

①恒功率电热带单位长度的发热功率基本恒定，不受温度的影响，可分为并联式电热带和串联式电热带。

恒功率电热带热量稳定并且与长度成正比，使用的伴热带越长，输出的总功率越大。

当电热带交叉安装时局部管线温度有可能超过其最高承受温度，影响油质，而且电热带若有局部损坏，将影响其它部位的使用。

此外，恒功率伴热带还受节长的限制，利用率低。

但其设计选型较为方便、一次投资较少，目前使用较为广泛。

②变功率电热带又称自限式伴热带，是指电热带的输出功率随被伴热介质温度的升高而下降，反之则增加。

电热带核心部分由两根平行母线和发热元件构成，发热元件的电阻率具有正温度系数（简称PTC）。

将PTC材料均匀地挤塑在两根平行的金属线芯之间即可得到芯带。

PTC材料一般由塑料加导电碳粒组成。

在通电的电热带内，母线间的电路数量随温度的变化而变化：当电热带周围的温度下降时，电路数量增加；当母线的温度升高时，电路数量减少。

变功率电热带是整体发热，允许任意交叉重叠，并且在现场安装时可任意截其长度从而减少不必要的浪费。

另外，电热带由无数并联结构组成，即使有局部损坏，也不影响其它部分的使用。

自限式电热带伴热的性能是由制造它的PTC材料决定的，伴热温度受到限制，同时生产加工能力也制约了其长度（一般不到千米）。

近年来，国内外短距离、伴热温度不高的油气管道多采用自限式电伴热带。

2.4 集肤效应伴热
当交流电通过铁磁性材料时，导体横截面上的电流分布是不相同的。

在接近导体曲表皮部分电流比较集中，这种现象被称为集肤效应。

管道集肤效应伴热（SECT）是利用集肤效应使电能集中在一小口径碳钢管的内表面处转换为热能，并把热量传给管道。

因电流集中在钢管的内表面，外表面几乎没有电流，所以自
身能形成很好的绝缘结构。

SECT系统基本上由输液管、伴热管、耐热电缆、保温层及保护外壳五部分组成。

输液管和伴热管为普通钢管，伴热管直径为15-40mm，间断地点焊在输液管上，耐热电缆放在伴热管中，外面是保温层和保护外壳。

集肤效应伴热技术与设备具有显著的优点：
①防爆功能，自身形成的绝缘结构成功地解决了电器装置和设备的绝缘问题；
②装置一体化，伴热管可实现工厂预制化，减少了工程量，缩短了工程周期；
③伴热温度高，有效维持温度可达0-230℃；
④热量利用率高，在输送管与加热管间的焊缝间隙内加入传热水泥后的热效率可与电缆伴热的内部敷设方式相比拟；
⑤伴热距离长，一个电源点的伴热距离最长可达24km；
⑥使用寿命长，耐热电缆具有十年的使用寿命。

3 电伴热技术在管道工程中的应用
下面以某原油成品油管道工程某原油首站燃料油泵区为例对电伴热系统设计选型作简要介绍。

在实际工程中选择电伴热带类型应具体情况具体分析，不宜按区块划分，都选某种类型的伴热带，要从技术经济角度综合考虑，建议参照以下选型原则：（1）在温度控制比较严格的区域（如过滤分离器、旋风分离器、调压阀较集中的区域）可以采用恒功率电伴热带。

（2）在可能出现交叉重叠式安装的区域（如阀门弯头较多的区域）不适宜安装恒功率电伴热带，可以选用自限式伴热带。

（3）从设计、安装角度讲，恒功率电伴热带一般受节长限制，若切割时未能找准一个节长，则该部分伴热带不起作用，这不仅影响管道的伴热效果，同时也造成浪费；而自限式伴热带可随意切割，能确保电伴热完整。

该原油首站燃料油泵区管线较短，阀门弯头比较多，考虑选用自限式伴热带。

自限式伴热带产品选型建议参考如下步骤：
（1）根据被伴热体系的最高维持性及偶然性操作温度来选择伴热带系列。

首先要掌握管道的最高温升和偶发性温升（如蒸汽、热水、热油吹扫管道）数据。

所选伴热带的最高暴露温度应不低于偶发性温升。

如偶发性温升高于最高暴露温升，可在热工估算后调整安装方法，在伴热带与管道之间加一层适当厚度的保温
层以缓解偶发温升对伴热带的影响。

（2）根据供电条件，电网负荷及被伴热体系的布局、尺寸、复杂程度确定电伴热方案及型号。

（3）根据管道单位长度或容器单位面积的热损失来确定伴热带功率和长度。

选择伴热带的输出功率是以管道达到系统维持温度时伴热带必须输出的功率为依据的，而不是以伴热带标称功率为依据。

电热带的总长度为管道部分、法兰部分、阀门部分、管架部分和其它部分敷设伴热带长度的总和。

在计算管道部分需要的电热带时，如果电热带每米发热量足够补偿散热，电热带长度与管道长度相同；如果电热带发热量少于散热，就需缠绕（见图1）或增加电热带数目至两条或更多。

每个法兰需要的电热带长度等于法兰直径的两倍；每个阀门需要的电热带长度等于阀门散热系数（见表1）乘以每米管道需要的电热带长度；每个管架需要的电热带长度等于管架与管道接触处长度的3倍；每一配件另加1米的电热带作接头用。

图1 电热带的螺旋缠绕
表1 阀门散热系数表
阀门种类散热系数
闸门 1.3
蝶形阀、截留阀0.7
球阀0.8
球心阀 1.2
（4）根据应用环境选择产品结构型式。

在表面不能可靠接地的容器和管道上（如塑料或表面涂有油漆）可选用屏蔽型产品；在易燃易爆地区或管内介质是易燃易爆介质时应选用防爆型产品；在伴热带有可能腐蚀性化学品时应采用防护型产品。

为了确定管道或容器散失到环境的热量，应该找出下面几个参数：
TH，管道内流体维持温度（℃）：一般在冰点或凝固点之上，流体粘稠度最适宜的温度；
TA，当地最冷月平均环境温度（℃）；
管道直径（mm）；
保温层的种类和厚度（mm）；
管道安装地点：在室内或室外，地面上或地面下。

保温管道的热损失（加30%的安全系数）可按下式计算：
：单位长度管道的热损失，W/m
：流体维持温度，℃
：环境温度，℃
：保温层的导热系数，W/m·℃
：保温层内径，m
：保温层外径，m
：保温层外表面向大气的热交换系数，W/m·℃，α与风速ω（m/s）有关，该原油首站燃油泵区各段待伴热管道参数如下：
流体：原油
地点：室外地上
保温材料：硅酸钙管壳40mm λ=0.05W/m·℃
室外最冷月平均温度：-11℃
流体维持温度：16℃
年平均风速：ω=1.8m/s
管径：φ60.3mm、φ88.9mm
根据以上数据按照公式计算可得：
管径φ60.3mm：
管径φ88.9mm：
根据工艺数据和计算结果选择BARTEC PSB26型伴热带（16℃时输出功率23W/m）沿管道直线敷设。

电伴热系统的供电电压为220V，电源由配电间引来，经过电伴热防爆动力配电箱分配给若干供电回路。

防爆配电箱内装具过载短路保护功能的高分断小型断路器。

根据IEEE规范（515—2004）建议，电伴热回路应配漏电保护装置进行保护，特别是在防爆区、危险区或腐蚀区，以及管道需经常维修和伴热线容易受到机械损坏的区域。

4 电伴热技术实际应用中的几个问题
伴热的目的是使伴热带的发热量大于管道的热损失，然而在输气管线中，天然气经调压阀后压力骤降、气体膨胀并吸收大量热量（通常取决于调压阀前后管道压差），用一般热平衡方程无法精确计算。

因此在设计中应综合考虑各个管道项目中电伴热系统的实际运行情况、加热时间及启动温度等诸多因素按管道加热方式进行计算。

电伴热系统安装完毕后，初次使用之前，必须测量各个回路的绝缘电阻。

电伴热系统应分批投人，以避免过大的启动电流。

而且应在伴热管道运行前30分钟投入电伴热，以保证管道温度骤降时有充足预热时间。

电伴热系统能否良好运行，不仅取决于高质量的产品和正确合理的方案设计，而且和电伴热产品的正确安装、施工有着重要的关系。

严格遵照程序施工，避免错误的施工方式（如在放带时过度弯曲或打折伴热带造成伴热带损坏；恒功率电伴热带安装时交叉缠绕致使重叠缠绕处过热）是十分必要的。

5 结语
随着油气储运工程建设的蓬勃开展，可以预期，电伴热技术将以其使用寿命长、自动控制水平高、节约能源、无污染、施工方便的特点在管道工程领域得到更广泛的应用。

参考文献：
[1]温栋，马红军.电伴热系统在西气东输管道工程中的应用.节能与环保.2004（12）.
[2]彭艮鹏，柴芬义，孙竟.电伴热在输气管线中的应用.油气储运技术论文集（第二卷）.北京：石油工业出版社.
[3][IEEE Std 515一2004] IEEE Standard for the testing，design，install- ation，and maintenance of electrical resistance heat tracing for industrial applications. Published May14，2004 by IEEE.。