（中国船舶集团有限公司 第七一八研究所，河北 邯郸 056000）

含硼溶液在低温条件下或环境温度降低时容易结晶，其储运设备和管道存在堵塞风险［1］。文中结合某项目中含硼溶液储罐与输送管道、管件的实际情况，以防止热量损失使溶液温度降低、引起硼酸结晶堵塞管路为目标，对管道与设备进行热损失分析与计算，对伴热方式进行选型讨论。针对电伴热方式，进行伴热线缆选型、伴热带选型以及伴热自控系统的设计。

1 项目伴热需求分析

为一套输送含硼溶液的装置进行的保温伴热设计项目中，整套装置包含储存溶液的箱体设备、输送溶液的泵设备与相关管道。在不同管道或设备中，由于输送溶液的浓度不同、需要维持的溶液温度不同，设计的保温伴热需求也有所差别。其中溶液输送量的设计值为1.5 m3/h，需维持箱体中的溶液温度高于35℃、管道中的溶液温度高于35℃或者90℃，以防止溶液温度降低时失温结晶、造成设备或管道堵塞。

2 含硼溶液输送管道热损失计算

2.1 管道结构

图1 含硼溶液输送管道截面结构示图

2.2 管道热损失组成

管道内的含硼溶液通过管壁、保温层及金属防护层向外部空间传热。传热过程中，保温层热阻、空隙层热阻以及金属防护层外空气热阻的存在均会造成管道的热损失。管道热损失按下式计算［2］。

式中，q为单位管道长度热损失，W/m；tp为管道外表面温度，tamb为环境温度，℃；Rin为保温层单位管道长度热阻，Ri为空隙层单位管道长度热阻，Ro为单位管道长度空气热阻，℃·m/W。

2.3 热阻计算方法

2.3.1 保温层

保温层热阻按下式计算［3］。

式（2）和式（3）中，Dc为金属防护层直径，Dp为管道直径，m；Kin为保温层热导率，W/（m·℃）；tin为保温层外表面温度，℃。

2.3.2 空隙层

空隙层的热阻按式（4）～式（8）计算［4］。

魏气冲冲走了，迟恒发慌，得赶紧报警，打开手机翻盖，显示屏不亮，按键也无反应，该死的手机！他想去追魏昌龙。就在这时，他看见库区西头变戏法似地亮起了一溜车灯，散在库区的手电光束迅速向北坝中段移动。

式（4）～式（8）中，hi为空隙层总传热系数，hri为空隙层辐射传热系数，hci为对流传热系数 （空隙层中的传热为自然对流传热，因横管和竖管的布置方式不同，其对流传热系数的计算也不相同）,W/ （m2·℃）；tc为金属防护层壁温，℃；εin为保温层发射率，εin取值 0～1；Lv为竖管段长度，m。

2.3.3 外部空气

金属防护层外的空气热阻按式 （9）～式（14）进行计算［5］。

式（9）～式（14）中，ho为空气总传热系数，hro为空气辐射传热系数，hco为空气对流传热系数，W/（m2·℃）；εc为金属防护层发射率，εc取值 0～1；ω为流体流速，m/s；υ为流体的运动黏度，m2/s；Nu为努塞尔数；Pr为普朗特数；λ为导热系数，W/（m·K）；l在此处为 Dc，m。在计算空气对流传热系数hco时，首先由空气雷诺数判断自然对流型式，进而计算出空气对流传热系数。

2.4 计算结果

本项目中低浓度含硼溶液的温度需不低于35℃，高浓度含硼溶液温度需不低于90℃。

使用式（1）进行计算，得到每条管道的热损失，见表1。

表1 管道热损失计算结果汇总

3 设备热损失计算

本项目中尺寸 （长×宽×高）2.5 m×2 m×2 m的长方平壁设备需要伴热，其单位面积热损失是计算的基础，根据表2确定或者按式（15）计算。

表2 不同保温层厚度下罐体单位面积热损失 W/m2

式中，t为设备外表面温度，℃；δ为保温层厚度，m；αs为保温层外表面空气放热系数，W/(m2·℃)。表2中Δt为保温层两侧的温差，℃。在选取厚度约50 mm的保温棉保温后，计算的设备热损失约为1 300 W。

4 管道与设备伴热方式讨论

常用的管道伴热方式有内伴热管伴热、外伴热管伴热、夹套伴热和电伴热等多种。相应地，伴热介质有热水、蒸汽、热载体和电热［6］。蒸汽的冷凝潜热大、温度易于调节，被广泛应用于各行业中，尤其是石化企业。蒸汽伴热系统必须设置蒸汽总管、引入管和分配管，被伴热的管道上除设置伴热管，还需设置冷凝水的引出管、总管和收集站等［7］，其系统构成复杂、维修量大，不适合长输管道，窄小空间、无规则外形的设备，塑料或非金属管道及无蒸汽热源或边远地区管道等场合的伴热。热水伴热的使用场合更加局限，尤其不适用于操作温度高的场合［8］。

电伴热通过在沿管线方向或罐体容器上均匀敷设电伴热线缆实现伴热保温［9］，具有温度梯度小、热稳定时间长及电伴热效率高等优点。电伴热可以通过控制系统实现伴热量的自动调节，较蒸汽或热载体伴热需要的伴热管钢材更少，无需蒸汽、热水等热源，可降低设计、施工和维修费用以及年运行费用［10］。因此电伴热系统在石油、化工、电力、食品及船舶等行业的管道与管件、泵体、设备容器的伴热保温，防冻及防凝方面均有广泛应用。在压水堆核电厂，电伴热是主要的仪表及其测量管道保温方式，也是含硼溶液输送管道、阀门及泵的伴热设施［11］，主要起维持流体循环，防止硼酸结晶的作用。

本项目为一套独立装置，需要伴热的设备和管路较少，伴热量需求较小，且现场无蒸汽或热载体做配套的伴热系统，因此，选用电伴热进行管道和设备伴热，仅需消耗电能即可转化成热能，无需额外设置热水或热载体系统，可极大节省伴热系统的投资，且利于控制。综上，本项目选择电伴热方式进行管道和设备伴热设计与控制。

5 电伴热系统设计与控制

5.1 常见伴热线缆类型

电伴热线缆有并联自限温式伴热带、恒功率伴热带、矿物绝缘伴热电缆、硅橡胶电伴热带、玻璃纤维电伴热带等类型［12］。相应地，电伴热技术也有自限温技术、恒功率技术、聚合物绝缘（PI）技术及矿物绝缘（MI）技术等，其中以自限温电伴热与恒功率电伴热最为常用。

自限温电伴热带构成见图2。恒功率电伴热带结构见图3。

图2 自限温电伴热带结构示图

图3 恒功率电伴热带结构示图

自限温电伴热带的特点是升温迅速，在选用电伴热带的最长使用长度内可以任意截短，交叉重叠缠绕敷设时不存在过热以及烧毁等问题。可根据环境温度自动调节发热功率，无需配置温度控制器，只有在温度控制精度要求很高的场合才需要配置。

恒功率电伴热带以串联或并联金属电阻丝或专用碳纤维束、导电线芯及绝缘材料结合制成，不允许交叉重叠敷设，需要温控系统配套使用［13］。但其启动电流小、能耗低、年衰减率低，使用寿命长、最大单向使用长度较长、回路数量较少、总成本较低等优势更明显，因此本项目选取恒功率电伴热带进行电伴热设计。

5.2 伴热带选型计算

5.2.1 电伴热功率

根据项目电伴热需求统计的管道电伴热参数以及各回路管道的热损失计算结果见表1。

对于箱体设备，根据前述计算的散热量为1 300 W，取设计余量为0.3，则电伴热需提供热量为 1 300×1.3=1 690 W。

5.2.2 伴热带选型

通常，根据管道最高持续性操作温度Tc、管道最高偶然性操作温度Ti（如蒸汽、热水或热油吹扫时）、平均操作温度TM下管道散热量QT1、供电电压、一般区或危险区、化学环境等参数选择伴热带型号系列。根据本项目的电伴热需求，选取型号RDP2-J4-40和RDP2-J4-30的电伴热带，其技术参数见表3。

表3 RDP2-J4-40和RDP2-J4-30型号电伴热带技术参数

常用电伴热带的敷设方式主要有平铺和螺旋缠绕2种，见图4和图5。平铺敷设可设置单根或多根平铺。相较螺旋缠绕安装，平铺安装有利于拆除后检测或维修，在满足功率需求的情况下安装更简便。因此管道和设备均选取平铺敷设安装方式。需要注意的是，平铺安装时先固定传感器，再缠绕电伴热带，严禁将电伴热带重叠或打结，传感器必须安装于伴热带完整的发热节内。箱体的伴热和保温安装示意图见图6。

图4 电伴热带缠绕安装示图

图5 电伴热带平铺安装示图

图6 箱体电伴热带安装示图

在管道系统中，由于设置的阀门管件存在热阱效应，因此在计算热损失时需要考虑其散热，否则会使保温伴热量低于需求值。同时，在计算伴热带长度时也要充分考虑阀门管件处的伴热带安装长度。在本项目的管件电伴热计算中，阀门散热系数取值结果见表4。对于每一条管道回路，可依照表5中包含的管件计算其管件热损失值，再根据伴热带的额定功率确定所需伴热带长度。此长度加考虑到的直管段伴热长度，总和即为该回路的伴热带总长度。其中，计算伴热带所提供的伴热功率时考虑1.4倍的裕度系数。

表4 各回路管道上阀门散热系数取值

根据上述方法，管道和设备的电伴热选型结果见表 5。表 5中，I型为 RDP2-J3-30，II型为RDP2-J4-40。

表5 管道和设备电伴热选型结果

5.3 电伴热自控流程

电伴热系统由供电电源系统、电伴热加热系统及电伴热智能控制报警系统组成［14］。电伴热回路由电伴热带、电源接线盒、温控器或温度传感器、三通接线盒、尾端集线盒及安装附件组成［15］，见图7。其中温控器包括环境感应温控器和管线感应温控器。

图7 电伴热回路组成示图

在管道每个电伴热回路中各配置1个铂电阻温度传感器，安装在管道表面，用来检测管道表面温度，将检测到的温度信号传送至现场控制箱内的温控表上。当所测温度高于设定值时，电伴热带自动停止工作；当温度低于设定值时，电伴热带自动恢复工作。该设计可实现不同回路的电伴热系统的温度自调控，保障系统的稳定运行。

6 结语

管道和设备电伴热系统为含硼溶液的输送和存储提供伴热，保证不同浓度含硼溶液温度高于其结晶温度，确保溶液不会结晶、造成堵塞。本文通过对设备、管道和管件进行热损失分析与计算，确定了箱体和不同管道回路的电伴热带设计、选型与安装，并最终实现了温度控制与稳定运行。文中的电伴热设计思路和方法可为化工领域相关电伴热设计选型提供参考。