集肤效应电伴热替代蒸汽伴热的应用

常瑞增

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司北方分院，天津 300222）

石油、石化和化工等行业由于管线、设备需要在维持温度（高于环境温度，在规定的设计条件下介质或工艺物料所达到的处于平衡状态的特定温度）下运行，如只采取保温措施，不管保温做得多厚，管线或设备的温度最终都会降到环境温度，这是因为存在热损失。伴热，就是通过外界对管线或设备提供的热量与管线或设备的热损失相当，使它们保持在维持温度运行。伴热以蒸汽作为传热介质的称为蒸汽伴热，伴热以电为能源的称为电伴热。

20世纪70、80年代，秦皇岛港原油码头、青岛港黄岛1、2期原油码头、大连港鲶鱼湾原油码头等的输油管线都采用了蒸汽伴热，21世纪初某港口船舶燃料油码头的输油管线的伴热，经过对蒸汽伴热和几种电伴热的比较后，采用了适合中、长输管线的集肤效应电伴热，以这个工程实例，介绍集肤效应的原理，系统的组成，并对电伴热和蒸汽伴热进行了比较，电伴热的成本低、运行安全、维护方便、节能显著,用电伴热代替蒸汽伴热将是必然趋势。由于对每个集肤效应电伴热系统都需要专门设计，所以本文供同行设计参考，并希望多采用电伴热代替蒸汽伴热，对港口的节能减排做些工作。

1 管线伴热设计的基础参数

本工程管线伴热的基础参数如下：

1.1 环境温度：最高40℃ 最低5℃；

1.2 电伴热维持温度范围60-70℃；

1.3 输送管道规格：Ф300X82根 ；

1.4 管线长：2X2100 m；

1.5 敷设方式：管沟；

1.6 管线首、尾端有阀门控制，管线不用扫线;

1.7 保温层结构采用硬质聚氨酯保温管壳，阻燃，厚度60mm，最高使用温度60℃。

2 伴热方法的选择

几种伴热方法的特点简要列于表1 ：

表1

从表1 可看出，集肤效应电伴热适应于中、长距离条件各种管径管线的伴热，它的优点是：伴热功率大，电源供电点少 （单电源最大伴热长度24km）,伴热效果好，维修方便。本工程实例中的每根伴热管长2.1km,又考虑到它敷设在管沟内，选用集肤效应电伴热。

3 集肤效应电伴热的工作原理

3.1 集肤效应电伴热电缆

电缆的结构见图1 。芯线一般为镀镍绞织铜丝母线，绝缘层一般为含氟聚合物的绝缘层，外护套一般为含氟聚合物的防磨损护套。

图1 集肤效应伴热电缆结构

本工程采用全F46氟塑料30 mm2电缆。芯线采用二次复合镀锡19股铜线，直流电阻小于1.16 Ω/km。绝缘层厚度为1.2 mm，最薄处不小于标准值的90%，且表面光滑，无色透明。外护套厚度0.8 mm，在耐磨性，抗老化性和机械强度上达到国际先进水平。电缆的长期允许使用温度：100℃。电缆耐压等级：10000 V。

3.2 工作原理

集肤效应电伴热系统主要由工艺管道、伴热热管和耐热集肤电缆（见图1 ）、保温层及保护外壳四部分组成，见图2 。伴热热管为具有铁磁性的钢管，耐热集肤电缆穿在伴热热管中，外面是是保温层和保护外壳，集肤伴热管道构成见图3 。

图2 集肤伴热管道断面图

图3 集肤伴热管道构成图

集肤效应现象就是交流电流通过导体时，电流渐趋集中在导体表面通过的一种现象。

临近效应是一对通过反向等电流导体间的一种电磁现象，高频反向电流流过相邻导体时，由于磁电作用使导体内的电流偏向靠近另一个导体内的表面处流动。

根据管径的大小，伴热温度的高低，集肤效应伴热分为单管、双管和三管伴热等。耐热集肤电缆穿在伴热热管内，在热管的终端，电缆的芯线和热管相连。在电源端，热管和集肤电缆之间连接交流电压，见图4 ，交流电流流经耐热集肤电缆和热热管时，由于热管的铁磁特性和临近效应，集肤效应现象迫使电流只能在热管的内壁流动，产生热能，而热管的外表面没有电流，热管因此可以安全的接地。

图4 伴热热管电流示意图

集肤效应系统的阻抗小，又能够承受高电压，因此集肤效应系统特别适合长输管线，根据不同的应用，从单一供电点，集肤效应系统就可以向长距离管线提供伴热。

4 集肤效应电伴热的电路和温度控制

根据管线伴热设计的基础参数，计算出集肤效应伴热所需的伴热功率，采用工频交流电供电电源，选择一个电源变压器，供电电压随实际设计所需确定，二次供电电压最大可到33kV（根据耐热集肤电缆的绝缘层的耐受电压而定）,一般单电源控制柜设在工艺管道敷设的中间位置，变压器的一次侧设有断路器的过载、短路等电气保护，变压器的次级设有调节范围，每5%设一档，共设5档，通过真空接触器的主触头闭或合，把交流电压加到或断开耐热集肤电缆和伴热热管的串联电路 （见图4 ），有电流流过伴热热管时，热管就会对工艺管道进行伴热。在工艺管道上设有固态继电器式的温控器，当温度低于电伴热维持温度时，温控器的动合触点使真空接触器的线圈通电而动作，有电流流过伴热热管而加热，当温度高于电伴热维持温度时，温控器的动合触点使接触器的线圈失电而动作，没有电流流过伴热热管，伴热热管不产生热（见图5 和图7 ）。考虑温控器通过控制真空接触器的通断来控制工艺管道温度，变压器的初级绕组要能够承受机械及电气的频繁开关，频率为每天10次左右。变压器在这样的使用情况能保持正常的使用寿命。

图5 集肤效应电伴热的电路示意图

本工程测温元件采用XMT-322，安装在管线的外表面，温控器的输出可根据用户的需求更改。变压器按两根管线同时工作设计，采用三相T型专用加热变压器。要求变压器输入端三相不平行度不得大于 10%。输入电压：10000V，输出电压：（2×1100V）；变压器的二次侧设5个电压输出档位。输出电流:135 A,变压器容量：360kVA;变压器效率：0.9。加热变压器和真空接触器等都安装在650（宽）×800（深）×2000（高）的控制柜内。控制柜盘面在前面小门的上方，设温度值显示、温度范围调整、超温报警指示；电源指示；过电流指示；电压显示；电流显示；工作指示；停止指示；手动-自动切换。控制柜不带电的金属构件均接地,见图6 和图7 。

图6 集肤效应电伴热的一次原理图

图7 集肤效应电伴热的二次原理图

本工程伴热管采用无缝钢管。需用2个钢质的首端接线盒、2个钢质的终端接线盒和60个钢质的中间接线盒。还需要272kg的导热胶泥。

5 电伴热替代蒸汽伴热将是必然趋势

以本工程的集肤效应电伴热与蒸汽伴热比较，电伴热具有许多显著的优点：

5.1 电伴热比蒸汽伴热适应性广泛

蒸汽伴热不适合复杂管线伴热，不适合远离装置的管线伴热，若在北方冰冻的季节里，安装在野外蒸汽伴热的回水管线可能被冻坏。

集肤效应电伴热适应所有长、短距离输送液体介质钢制管道的伴热和加热，敷设方式适合复杂管线伴热，适合远离装置的管线伴热，适用任何场所，如：地下直埋、水下、河流穿越、地面 架空敷设、适用于易燃引爆场所直埋 或架空。

5.2 电伴热比蒸汽伴热安全可靠

蒸汽伴热易烫伤人。

集肤效应电伴热由于伴热热管是碳钢管，机械 强度大，密封良好，对电缆有很好的保护作用。集肤 电缆是特制耐热电缆，由于集肤效应系统自身形成 绝缘结构， 使工艺管道和伴热热管外表面均不带 电，工艺管道安全接地，保证工艺管道始终是零电 位，做到安全可靠。

5.3 电伴热比蒸汽伴热便于实现自动化

蒸汽伴热始端高，终端低，温度不均匀，难于控 温，不便于实现自动化。

集肤效应电伴热首尾端的加热温度是均匀的， 不会出现过热现象，可以通过温度传感器进行温度 检测，通过闭环温控系统准确调节和控制，实现无 人管理自动化控制或遥控，满足企业现代化发展的 要求。

5.4 电伴热比蒸汽伴热维修方便、成本低

蒸汽伴热的维修工作量大，需要定期更换蒸汽 伴热管道，成本高。

集肤效应电伴热由于热管一直沿着工艺管线 固定，工艺管线的温度变化非常小。发热元件是坚 固的热管，在野外也很难被损坏。几乎不需要维修。 一旦绝缘集肤电缆损坏，利用系统已有的接线盒可以方便的抽出和更换绝缘集肤电缆，不会影响保温 层。维修方便，成本低。

5.5 电伴热比蒸汽伴热经济效益好

集肤效应电伴热一次初投资比蒸汽伴热高些， 但是，运行费用、维修费用和管理费用却比蒸汽伴 热低得多，有资料表明，经过技术经济比较，电伴热 一次投资比蒸汽伴热多的差额，很快就从上面的其 他费用回收，经济效益比蒸汽伴热好。

5.6 电伴热和蒸汽伴热比较，节能显著

蒸汽伴热对输送蒸汽本身也需要保温，常有跑 冒滴漏现象，加热效率低。

耐热集肤电缆在伴热热管内，伴热热管和工艺 管道焊在一起，外面加上保温层和保护外壳，加热 效率高。

有资料表明，输油管道采用集肤效应伴热耗能 为231kg/km 标煤, 采用蒸汽伴热耗能为1813kg/km 标煤。按1kWh=0.404kg 标煤进行折算，每km 输油 管道每h 节约3 915.8kWh 的电能。节能效果十分显 著。

集肤效应电伴热由于具有以上诸多优点，特别 是经济效益好、节能效果显著，符合我国的节能减 排技术政策，正受到用户、设计院的重视而得到越 来越广泛的应用。

参考资料

[1]泰科热控公司的有关集肤效应电伴热资料