集肤电流加热技术在输油管线中的应用探讨

集肤电流加热技术在输油管线中的应用探讨

摘要：由于成品油在进入管道之前有可能脱不净水，或者一部分以乳化状态存在的水分，会在油品输送过程中分离出来，当环境温度降低时，这部分水就在管道内部结冰，严重时会造成管线的局部冰堵，导致全线运行停止。集肤电流加热技术（SECT）出现在60年代中期是一种先进的电加热技术。具有结构简单，安全可靠，热能利用率高及易于自动控制等优点，是解决输油管线冰堵的一种好方法。本文对集肤电流加热技术的原理的理论分析，设计所需参数的定量计算及集肤电流伴热装置进行了介绍，其中包括电流透入深度，功率因数等等。

关键词：管线冰堵电加热

1 集肤电流加热技术的简介

1.1集肤电流加热技术的理论分析

1.1.1 集肤电流加热装置的基本形式

导线接在交流电源的一端，穿入加热管中，穿出后与管接头相接，管子本身作为电路的归路。另一端接在电源上，组成一个导线与钢管串联的回路。

1.1.2 集肤电流加热基本原理

当工频交流电流通过铁磁性材料钢管时，在集肤效应，临近效应，屏蔽效应的共同作用下，产生两个重要的现象：一是电流不是均匀的流过钢管的横截面，而只是留经其中的一部分，相应地减少了钢管的有效截面积，交流阻抗显著增大；二是电流集中在钢管的内表面，外表面几乎没有电流通过，钢管自身形成很好的电绝缘结构。

1.2集肤电流加热法的电路参数

⑴电流透入深度

式中－电流透入深度，cm;

－媒质电阻率，Ωcm;

－电源频率，1/s;

－媒质相对磁导率。

⑵交流阻抗

式中－加热管的内径，m。

⑶集肤加热管的功率

式中－单位长度穿管导线的电阻，Ω∕m。

⑷功率因数

式中－单位长度加热管的阻抗，Ω∕m；

⑸内集肤加热管的漏电压

V L=

1.3集肤电流加热技术用于工业生产的几个技术问题的处理

1.3.1漏电压的技术处理

漏电压是指集肤管外壁存在的小电流在集肤管外壁电阻上产生的电位降，它于管长、电压、电流、电阻率成正比，与管径，壁厚，透入深度成反比。

⑴将集肤管紧贴焊接或用管卡捆接在介质管道上；

⑵并联降压线。

1.3.2使用设备和材料

⑴设备SECT法的主要设备是大功率调压变压器，即次级要求有调节范围，电流必须保持在200A 以上。

⑵耐热电缆该电缆一要满足耐热温度要求（即要满足介质管升温和恒温要求），二要满足线芯截面面积要求。推荐使用铜芯线，且电流密度在4~5A/mm2为宜，使得整个系统中集肤管与导线的发热比基本达到4/1的最佳条件。

⑶管材选择要求使用管材必须是磁性材料，可以用碳钢。

1.3.3连接件的选择

连接件的结构关键是要减小接线柱两接线端子界面间及接线端子与耐热导线线芯连接时的接触电阻，以防局部过热。

1.3.4电压降的选择

当集肤管使用在升温环境时，设计电压降最好为0.5~0.7V/m；当集肤管使用在恒温稳定环境时设计电压最好为0.3~0.5V/m。

2 集肤电流伴热装置介绍

2.1集肤电流伴热装置的基本结构

集肤电流加热法电伴热装置，按其结构功能可分为：产生热量部分，电源供给部分，温度控制部分，保护装置部分。

⑴产生热量部分

它是由集肤电流加热管及管内的集肤电流加热导线组成。

为了将集肤电流加热管产生的热量及时传输给被伴热的管道，提高传热效率，采用两根管间隔一定距离相互焊接一段的办法。在集肤电流加热管内设置一根集肤电流加热导线，在被伴热主管的末端，集肤电流加热管与导线相连接。

当接通电源，也就是加入一般常用频率的交流电后，电流通过集肤电流加热管内导线流到集肤电流加热管末端，再通过集肤电流加热管回到电源。些时管内由于“集肤效应”，在集肤电流加热管的内表皮产生集中的电流，并随此而产生热量，当然集肤电流加热导线自身也会产生一定热量，但80%~90%的热量是集肤电流加热管所产生。整个回路的功率因数达90%。

产生热量部分的设计及安装组数，应根据伴热管道的大小，所需保持温度，保温材料的材质，厚度等条件来决定。在输送重油时，当伴热管道在14英寸（355mm）以下时，通常只选一组，而在14英寸以上时，可选2~3组。另外，在被伴热管道上，为了连接集肤电流加热管内导线，需安装钢板制造的接线箱（接线箱或电缆接线箱），一般接线盒的间距为60~150m，电缆接线箱的间距为500~1000m。

⑵电源供给部分

它是供给产生热量部分的源头，包括电源变压器，加热控制盘等主要设备。一般情况下，一个变电所的电源供给部分覆盖伴热管道最长达20km。

⑶温度控制部分

它是由温度指示调节器，温度报警器，温度测定器等构成。再加热控制盘上安装了温度指示调节器，用它自动控制加热电源，使被伴热管道温度保持一定。温度报警器起温度调节器的后备仪表作用。

⑷保护装置

电器系统的保护装置有防止短路用的保险丝，切断器，有防止过电流保护用的过电流继电器及差

动电流继电器。伴热方面的热保护装置有温度报警器。

2.2集肤电流伴热装置的特点

⑴由于集肤电流加热管采用钢管，结构简单，牢固，因此，机械性能好，可靠性高。

⑵由于集肤电流加热管内的集肤电流加热导线，使用了特殊的耐热性能高的绝缘材料，比普通电线寿命长，再设计，施工方面又有精心安排，故可靠性高。

⑶集肤电流伴热可采用普通工业高压电源供电，一个变电所可供长达20km远的管道伴热，是相当经济的。

⑷当有危险的瓦斯存在时，该装置可很容易地做成防爆结构。

⑸集肤电流加热管内导线万一出现损坏，只需打开局部保温层更换导线便可修复，作业简单。

⑹由于集肤电流加热管与被伴热管道焊接在一起传热好，也不会产生局部过热点。

⑺集肤电流加热管可以做成6~12m长的组合件，在专门的工厂里进行预制，包括被伴热管道的焊接和保护等均可实行一体化施工，固有利于加强质量管理。

⑻适于要求可靠性高，维护困难的地下管道及海底管道的伴热。

3 电伴热与蒸汽伴热能耗对比

尽管使用电比使用蒸汽每单位热量所需费用要高，但是在不同的管道规模和输送条件下，因其热的利用率有高有低，使得用电伴热在很多情况下要比使用蒸汽伴热费用节约很多。

3.1电伴热

采用电伴热在下述情况下能提高能量的利用率：

⑴当输送液体时除了流量小，输液管线长情况，因液温沿管线方向温降小，所以在管道正常输送过程中没有必要进行加热保温时，此时热源耗电为零。

⑵当管道停止输送，即液体不流动时，利用自动控温，给管道自动供给由管道保温层散失的热量，使被伴热液体保持所定温度。如果在同一管道内，输送不同燃料油时，通过改变温度调节器设定值的方法，保持各种油的最适宜保持温度。

⑶当管内输送液体温度高于温度调节器设定值时，再送液停止后，液体温度下降到所许保持温度设定值之前，伴热电源均能处于关闭状态，此时能源消耗为零。

⑷如果长时间停止输送，液体处于不流动的情况下，为了节约能源，伴热可停下来，即关闭电源。待再次需要输送开始之前，再打开电源进行伴热，把冷却的管内液体重新加热升温到可以输送的状态。

3.2蒸汽伴热

该伴热法热能利用率不高，其原因如下：

⑴蒸汽伴热一般都是按照最低的气温条件下，能保持被伴热液体所需流动温度进行设计的，而当夏季气温升高时，管道内液体温度高于所许保持温度，伴热用的能源能耗相对增大。也就是说蒸汽伴热，因没有温度自动控制，所以加热往往偏高，热能利用率必然不好。

⑵在正常伴热过程中有热能损耗。

⑶为了向伴热管道的伴热管内供汽，需附设主蒸汽管线，而该管线也有一定的热能损耗。电伴热与蒸汽伴热能耗对比