彭海滨

(中国寰球工程公司,北京 100028)

电伴热在石化行业中的应用

彭海滨

(中国寰球工程公司,北京 100028)

伴热作为一种有效的管道保温及防冻方案在化工厂中一直被广泛应用,其工作原理是伴热媒体散发一定的热量,通过直接或间接的热交换,补充被伴热管道的热损失,以达到升温、保温或防冻的正常工作要求。参考了电伴热的标准,介绍了电伴热的技术优势及蒸汽、热水伴热方案的缺陷,并就仪表管道采用电伴热的电缆种类和实际伴热应用方式进行了论述。在化工厂的电伴热方案中,应根据实际情况,选择理想的伴热方案,合理投资,获得综合效益。

伴热;自控温电伴热;比例环境感应控制

0 引 言

伴热作为一种有效的管道保温及防冻方案在工厂中一直被广泛应用,其工作原理是伴热媒体散发一定的热量,通过直接或间接的热交换补充被伴热管道的热损失,以达到升温、保温或防冻的正常工作要求。国内化工厂中的工艺管线和罐体容器的伴热目前大多采用传统的蒸汽或热水伴热。但是蒸汽、热水的散热量不易控制,其保温效率始终处于一个较低的水平,而且需要伴热的管道一般以仪表管线、工艺管线及化学管线为主,管线比较复杂,铺设伴热管道十分不便。由于运行时蒸汽伴热管道经常会出现“跑、冒、滴、漏”现象,每年化工厂维修部门都不得不在管线保温上花费大量的人力、物力来确保工厂的冬季运行安全。20世纪70年代,美国能源行业就提出用电伴热方案来替代蒸汽伴热的设想。80年代,包括能源业在内的很多部门已广泛推广了电伴热技术,以电伴热全面代替蒸汽伴热。电伴热是沿管线长度方向或在罐体容积大面积上的均匀放热,温度梯度小,热稳定时间较长,适合长期使用,其所需的热量(电功率)大大低于蒸汽和热水加热,具有热效率高、节约能源、设计简单、施工安装方便、无污染、使用寿命长、能实现遥控和自动控制等优点,可替代蒸汽、热水等伴热技术,是国家重点推广的节能项目。电伴热技术至今,已由传统的恒功率伴热发展到以导电塑料为核心的自控温电伴热,很多化工厂已采用了自控温伴热技术,其控制算法也在朝节能方向发展,出现了比例环境感应控制(PASC)等新算法。

1 电伴热使用电缆种类

电伴热系统由发热电缆供电电源系统、防冰冻电缆加热系统和电伴热智能控制报警系统三部分组成。每个电伴热回路包括温控器、温度传感器、空气开关、接触器、工作状态显示器、故障蜂鸣报警器及变压器等电路。工作状况下,温度传感器安置在被加热的管道上,可随时测量其温度。温控器根据事先设定好的温度,与温度传感器测出的温度比较,通过控制箱内的接触器,及时切断与接通电源,以达到加热防冻目的。通用的电伴热所使用的电缆有如下几种形式。

1.1 自控温电伴热电缆

自控温电伴热电缆的核心材料PTC半导电塑料,其电阻值随温度的升高而增加,但当温度上升到一定的数值时(可以根据需要调节大小),电阻突然剧增,从而阻断电流停止加热;当温度低于门槛温度时,PTC材料的电阻自动下降导通电流,继续加热。从而使系统维持在一个稳定的温度范围内。这种电缆是在两根平行金属母线之间均匀地挤包一层PTC材料制成的芯带。基本型自调控电伴热线(伴热电缆)由PTC芯带和绝缘层组成,在其外面包裹一层聚乙烯或聚氯乙烯绝缘层。当环境有强化或耐腐蚀要求时,可以加一层编织层或氟聚合物外被。PTC材料中分散的炭微粒形成无数纤细的导电炭网络。当它们跨接在两根平行母线上时,就构成芯带的PTC并联回路。PTC层就是连续并联在母线之间的电阻发热体,将电能转化成热能,对操作系统进行伴热保温,与此同时,芯带通过护套向温度较低的被加热体系传热,达到稳态时单位时间传递的热量等于电缆的电功率。电缆的输出功率主要受控于传热过程以及被加热体系的温度。自控温电伴热带的电阻随着温度升高而增大,在降温时若电阻能沿着原升温路线返回原来的起点,便具有PTC记忆性能。具有记忆性能的电缆才能长期反复使用。自控温电伴热带的芯带是由大量的纤细导电网络形成的PTC并联单元组成。当伴热管道任何区段出现料温及能耗波动时,所在部位的各个 PTC元都能直接感温并独立做出响应,即时朝着消除波动的方向自动调整各自的输出功率,以维持整个系统各区段的运行温度均匀稳定。这是一种微区跟踪,全线同步,全自动的伴热保温过程。

1.2 恒功率型电伴热

伴热带在通电后功率输出一直恒定,不会随外界环境、保温材料、伴热材质变化而变化,而其功率的输出或停止通常由温度传感器来控制。包括并联式恒功率电伴热带和串联式电伴热带。对于前者,其电阻丝是并联连接方式,工作时是靠电阻丝发热对管道进行加热,两根相互平行的镀镍铜绞线包覆在氟化物绝热层中,作为电源母线,并且在内绝热层外缠绕镍铬合金电热丝,每隔一段固定距离将电热丝进行焊接,形成一个连续的并联电阻,当电源铜母线通电以后,各并联电阻随之发热,形成一个连续发热的电热带,可任意剪切。

串联式恒功率电伴热带其电阻丝是串联连接方式,工作时是靠电阻丝发热对管道进行加热,绝缘铜绞线为电源母线,即为发热芯线。具有一定内阻的芯线通过电流时芯线就会产生焦耳热量,其大小与电流平方、芯线阻值和通过时间成正比。因此串联式电伴热带随着通电时间的延续,源源不断地发出热量,形成一条连续的、均匀发热的电伴热带。串联式电伴热带芯线电流相同、电阻相等,所以整根电伴热带首尾发热均匀,其输出功率恒定不受环境温度和管道温度影响。

1.3 矿物绝缘加热电缆

矿物绝缘加热电缆是一种以金属(典型的有铜、合金)作为外护套,电热材料作为发热元件,氧化镁粉作为绝缘的特殊加热电缆。矿物绝缘加热电缆的发热量与工作电压、发热芯的截面及电缆的长度有关。适用于250℃以上的高温伴热。

2 电伴热系统的实现

中央控制和监测对于工业电伴热系统日益重要。如今,现场维护人员逐渐减少,安全可靠的操作日益受到重视。越来越多的电路需要被控制,同时精度要求也越来越高。因此,监控中心需要随时对决定电伴热系统完整性的重要信息进行监测。DigiTrace NGC系列是泰科热控最新开发的电伴热控制与监测系统。整个系统采用模块化结构,可以共享监控软件和用户操作界面,而在控制器层面上可根据不同的应用要求分为 NGC-20和NGC-30。

2.1 NGC-30系统

NGC-30是先进的电子式多电路电伴热控制、检测及配电系统,支持电路多达260路,在温度变化范围变小的时候需要控制更多的线路,广泛运用于工业电伴热领域,应用于集中控制。该系统可以监测温度、接地故障、工作电流以及其他可以反映电伴热线路完整性的信息,并将结果及时传达给监控中心。由于该控制系统完全支持分布式结构,可以显著降低温度传感器布线成本。用户可以清晰地接收到系统故障信息和警报。这些将会显示在用户界面终端(UIT)或者远程使用管理程序软件包。该软件可远程配置控制系统,同时具备其他先进的特性,包括:数据记录、走向、公式和批处理等。它提供可自由配置级别的用户访问权限,并支持全球范围内的远程访问。通过多重控制算法可以控制和监视多达260个电路:开/关,环境感测, PASC以及与固态继电器SSR一起使用时的比例式控制。

NGC-30系统可按客户需求进行相应配置。对于电流测量、接地故障或者分布控制等的需求逐渐凸显时,可以选择卡柜(CR),机械继电器的卡柜模块 (CRM),和/或固态继电器的卡柜模块(CRMS)、互感器模块(CTM)和电压模块(CVM)。还可以升级老的MoniTrace 200N-E系统,使用远程监控模块(RMM)和远程控制器模块(RMC)等完全兼容的组件。图1为NGC-30系统的三种控制方式框图。

图1 NGC-30系统的三种控制方式

其中:用户界面终端(UIT)是NGC-30通信的核心部分。它包括电伴热监测、配置以及维护功能。通过RS-485与工作区通信,并通过RS-232/ RS-485/以太网(可选)与管理软件包以及工厂过程控制系统通信。

关于小组成员，我们应该每学期调整1-2次。每个小组都必须确定一名领导人，可小组内部决定小组成员分工。此外，课堂活动中的组长应根据老师的指示，安排小组成员完成任务。然后实现每个人的参与，同时取得进步。

N GC-30的RMC系统包含集成控制功能块。RMC可提供多路继电器输出以操作每个电伴热线路中的接触器,也可以输入断路器的脱扣报警信号。当UIT进行控制时,RMM可进行温度输入。

2.2 NGC-20控制器

N GC-20控制器的特点是既能本地控制,又能提供集中监测的能力。其控制装置可用于高达25 A的单相电路,符合IEC 61508:2000的要求,认证为SIL 2设备的安全温度限制器。

针对控制、监测和报警能力,NGC-20控制器提供多种不同的控制算法,包括最优化的电伴热控制PASC算法。NGC-20控制器可为高温和低温、高电流和低电流、接地故障电流和电压进行报警。用户可设定接地故障电流的脱扣和报警值,可用于早在漏电保护开关脱扣之前启动报警,系统可识别哪条分支电路的接地故障电流已增加,然后在电路停止运行之前采取措施。NGC-20控制器提供了一个用于报警输出的继电器干节点,因此,对于伴热系统的状态进行了系统化维护,从而减少了重要管线的意外停机时间。伴热系统的自检可以确保系统的完整性。

NGC-20控制器配备了RS-485接口。通过此接口,最多可将247台NGC-20控制器连接至一个UIT或标准电脑的一个串行端口。

设置和调试NGC-20控制器可以用手持编程设备(蓝牙通信)来本地设置参数,也可以从控制中心设置参数。编程之后,程序永久存储在非易失性存储器中,从而避免了电源出现故障时或长期电源关闭后数据丢失。NGC-20控制装置允许伴热和电力电缆直接连接至该装置。

选择NGC-20控制器在配电电缆铺设时节约了大量成本,无需RTD布线亦不影响安全性和可靠性。对于较短电路,可将多台控制装置以菊花链形式连接至同一个断路器,另外,RTD传感器可以直接接到温控器上,所以无须连接额外的RTD电缆。一个中等规模的电伴热系统采用NGC-20温控器使得整个系统的材料成本要比集中式的控制系统降低约30%,加快项目总体进度和降低成本。

PASC的原理是在环境温度控制的基础上,增加了从最低环境温度到控制温度这段区间内的比值计算,从而确定一个合理的输出功率占空比和动作周期,PASC特别适用于防冻保护。因为伴热线的输出功率是按照一个地区的极端最低环境温度来设计的,即使温度低于设定值(假设是5℃),绝大部分时间该输出功率大于防冻所需要的功率输出,所以温度越接近设定值,节省的电能越多。

PASC算法的特点是根据实测环境温度值来确定伴热线通电的占空比,以达到节能的目的。以设定点温度为5℃为例,控制原理如图2所示。

图2 PASC算法的控制原理

PASC算法既可以节省大量的控制系统成本,又可以极大地提高伴热效率,降低了电伴热的能耗。在-5℃的环境温度下,节能50%。

3 电伴热系统设计分析

由于电伴热具有一定的危险性,所以选择电伴热要按照标准考虑哪些情况影响电伴热的稳定性及安全性。

a)电伴热带的选择需要有一定的温度上限余量,超限对电伴热带是致命的。

b)选择电伴热元件时,要确保不存在潜在点燃可能,电伴热的媒介不具有可燃易爆特性。

c)电伴热带的保温需要做好,不能有裸露部分。

d)电伴热带的周围最好少用水冲洗设备、管线,防止水渗到伴热带旁,特别是接线盒周围杜绝用水。

e)测温探头安装需要准确,防止温度严重滞后伴热带超限使用。

f)重要管线,电伴热需要有备用线路,防止伴热带意外失效。

g)DCS最好对伴热管线的温度设置报警,防止伴热管线失效却不知。

h)应用在防爆区域时,电伴热电缆和相应就地元件、控制器等均符合防爆要求。

4 结束语

如今,现场维护人员逐渐减少,安全可靠的操作日益受到重视。因此,监控中心对电伴热系统的重要信息进行监测的需求也逐步显现。有的项目,无论是一次性投资,还是年运行费用,电伴热带比蒸汽伴热带都要节省费用;有的项目,电伴热带的一次性投资可能会略高于蒸汽热水伴热,但就年运行费用而言,通常电伴热运行1～2 a节省的费用就能收回投资。普通的环境温度控制系统只要在所测环境温度低于设定值时伴热线就满负荷工作,不管是在极端最低温还是在零度上下。

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The Application of Electrical Tracing in Petrochemical Plants

Peng Haibin
(The China Huanqiu Contracting&Eng.Corp.,Beijing,100028,China)

The heat tracing has been widely applied in chemical plants as an effective pipe insulation and freeze protection solution. The work principle is direct or indirectheat exchange ofhotmedia dissipation,the heat loss of pipes is compensated to raise or keep the temperature,and to prevent from freezing.The standards with electrical heat tracing are referred and the technical advantages of electric heat tracing and steam tracing and the deficiencies of hot water and steam is presented,and heat tracing cable types and practical application of heat tracing methods are discussed.In the petrochemical plants good heating solution selection should be based practical conditions in order to achieve reasonable investment and comprehensive economic results.

heat-tracing;electrical heat tracing with temperature control;proportional ambient sensing control

TH89

B

1007-7324(2010)06-0020-04

2010-07-27。

彭海滨(1979—),男,黑龙江大庆人,2001年毕业于北京化工大学自动化系测控技术与仪器专业,工作于中国寰球工程公司。