集肤效应电伴热在长距离输送液硫管线上的应用

颜 兵，甘军平，周雪林

[1.恒逸实业（文莱）有限公司，浙江杭州 311000；2.镇海石化工程股份有限公司，浙江宁波 315000；3.巴斯夫（中国）有限公司，上海 200137]

随着原油资源重质化和硫含量增高，以及对环境保护的重视，石油化工行业普遍采用硫磺回收技术对硫进行回收，硫磺产品以固体成型包装和液体输送两种方式出厂。液硫管道输送因投资成本低、操作方便、能耗较低而成为硫磺产品出厂优先考虑的方式。由于液硫的黏度受温度的影响较大，为保证其有良好的流动性，需维持温度在130～160 ℃。如采用蒸汽伴热输送液硫，对应的饱和蒸汽约为0.4 MPa。Claus硫磺回收装置自产0.4 MPa蒸汽，因而装置界区内短距离液硫输送管线一般采用0.4 MPa蒸汽夹套伴热[1]，但涉及到长距离液硫的输送，采用蒸汽夹套伴热则存在投资和维护费用高、凝结水回收困难、夹套内漏造成管道堵塞难以处理等问题，此时可考虑采用电伴热的方式对液硫进行保温。

恒逸实业（文莱）有限公司120 kt/a硫磺回收装置液硫管线自装置界区到码头全长约1 850 m，管径为DN250，液硫泵输送能力约300 t/h。该管线由镇海石化工程股份有限公司设计，选用滨特尔自控温集肤效应电伴热系统（STS），使用效果良好。

1 STS系统

1.1 基本原理

集肤效应电伴热原理基于交流电的集肤效应和邻近效应[2]。集肤效应就是当交流电通过碳钢导体的电流逐渐趋肤在导体表面的一种现象；而邻近效应是一对通以反向等电流电体间的一种电磁现象，在加热管中的电缆和外管间通过电流时，外热管上电流逐渐趋肤在加热管内壁，而正是这薄薄的外壁产生的焦耳热来满足伴热的需要。集肤效应电伴热系统产生焦耳热主要来自于三部分：①加热管上通电流时，加热管上发出的热，该热量是集肤效应电伴热系统的主要热量来源；②加热管内部电缆产生的热；③加热管内磁滞损耗产生的热。

集肤效应电伴热技术示意见图1。

图1 集肤效应电伴热技术示意

1.2 STS系统组成

STS系统由安装于铁磁伴热管内能产生额定热量的绝缘电缆构成。绝缘电缆与伴热管在尾端相连接，在电源接线盒内的绝缘电缆与伴热管之间通上交流电源，电源通过绝缘电缆和伴热管内表面形成一个回路。STS系统组成示意见图2。

图2 STS系统组成示意

1.3 STS系统设计考虑因素

1.3.1 温度的传感和控制

STS系统补偿从管道散发的热量损失。正常操作时，电伴热回路的正常操作温度远低于STS系统设计的最高温度，以延长系统的使用寿命。STS系统实施闭环温度控制，输送管的温度被连续监测并与设置的参考温度进行比对。当管道温度降低到设定值以下时，电伴热系统开始通电运行。

该液硫管线电伴热系统设置了3处温度监测点：装置红线外设置温控器TG1参与伴热控制；沿途管廊一处高点设置温度监控器TG2用于显示和报警，高温度报警设置为160 ℃；管线末端设置温控器TI。日常运行时，TG1设置温度为132～135℃，对应管道高点TG2温度为155～158 ℃，TI设置温度为 146～152 ℃。

1.3.2 液硫再熔融

对管道内固体硫磺的再熔融能力是STS系统性能最重要的性能指标之一，当硫磺回收装置出现应急检修或全厂停工检修造成液硫输送管线伴热系统停电时间较长时，管道内液硫会因温度降低而凝固。由于固体硫磺的密度大于液硫，液硫凝固后体积会缩小约9%，管道的局部位置会产生空隙，因此管廊高点的管线会出现空管或半管，管廊低点的管线则满管。在液硫的再熔融过程中，空管和满管受热温度上升的速度存在偏差，可能会产生较高的温差应力，造成管道拉裂。据滨特尔公司的相关研究和经验表明：液硫的再熔融过程必须使已经迁移到实心管段的硫分子原路返回，这样才可无约束地回到空隙区，这个过程需要较大的热量，以在顶部建立熔融硫磺的流动。

管道中的液硫凝固后再熔融过程必须考虑2个方面：①伴热系统加热功率足够使固硫从常温上升到操作温度；②熔融过程必须严格遵照特定的升温曲线，避免产生高的温差应力。该液硫管线电伴热项目通过建立硫磺介质热力学模型和管道应力模拟，计算得到满管和半管固硫再熔融的升温曲线，并按此曲线设置适宜的控制方案及配置参数。

1.3.3 保温

因STS系统保温效果差会导致热损失过多，造成液硫管道温度降低，液硫黏度变大，管道输送不畅，因此STS系统的保温材料及施工质量尤为关键。该液硫管线电伴热项目的液硫管道保温层采用厚度为70 mm的岩棉，保护层采用厚度为0.8 mm的平铝合金板，未采用绝热管托以节约成本。

1.3.4 停电后的处理

STS系统投用后，需要定期进行检查和维护，同时应避免长时间断电。当全厂停工检修时，应尽可能保证该系统的正常供电，如无法避免长时间断电而造成液硫固化，在液硫再熔融时，需留足充分的再熔融时间，同时严格遵循特定的管道升温曲线。

2 使用效果

该公司硫磺回收装置的液硫管线自2019年11月采用STS系统伴热以来，已外送液硫累计近50次约13.8 kt，电伴热供电系统稳定，加热系统自动控温，运行工况良好，仅在2021年1月18日，由于现场连续多天下雨造成局部管段进水影响伴热效果，使得管线温度降低，继而造成液硫输送困难，通过对管道外保温层进行完善处理，并提高TG1设定温度的方式持续加热管道，8 h后管道输送恢复正常。

3 存在的不足和建议措施

3.1 管道管托处温度过低

经设计核算，普通管托散热仅占总散热量的7%，不会对伴热系统产生过大的影响。但在实际运行过程中，每一处管托表面的实测温度均超过50 ℃，管托焊接处管道低点的表面温度较其他管段温度低10～20 ℃，存在管道低点温度过低造成液硫黏度增大的风险。因此，对于钢质管廊架上敷设的液硫管线采用绝热或隔热管托非常必要。

3.2 未能有效监控管道温度分布

该液硫管线电伴热系统为了节约成本，仅设置2处温控和1处温度监控，主管道设置2个就地温度计用于辅助监控管道温度。上述设置在日常操作中可以满足生产要求，但如果出现再熔融工况时，以上配置则无法帮助用户确切地了解液硫管道的温度分布。采用分布式光纤光栅温度监控技术，可以有效监控管道局部温度，大大降低再熔融操作风险。

3.3 STS系统不适用于不规则体伴热

由STS系统的伴热原理可知，该伴热系统不适用于不规则体管线或阀门的敷设。在液硫管道至装船末端的长距离输送过程中，不可避免地会出现隔断阀、流量计等不规则部件，单个不规则体需要单独设置VPL恒功率缠绕带等其他形式的伴热装置。

也正是基于STS伴热系统的特性，长距离液硫管线沿途未设置放空阀，仅设置几处带盲盖的导淋用于开工期间液硫管道的冲洗放尽。然而在实际操作过程中，由于管线吹扫的可操作性不强，使得液硫管道在投用后，液硫的处理或放尽变得极为困难。当管道出现泄漏时，必须将管道电伴热停用，待液硫固化后动火，或采用带压堵漏等其他方式进行处理。漏点处理后，再对管道内的液硫进行再熔融，而液硫再熔融耗时长、操作难度大且风险高。

4 结语

恒逸实业（文莱）有限公司硫磺回收装置的液硫管道采用STS系统两年多来，该伴热系统温度控制稳定、维护工作量低，可以满足使用需求，但仍有改进空间。值得一提的是，除蒸汽夹套和集肤效应电伴热外，“蒸汽外伴热+导热胶泥”伴热技术也在国内同类装置有实际应用，从技术原理分析，新开发的伴热技术可以有效避免蒸汽夹套伴热和电伴热的缺陷，可供相关企业借鉴使用。