电伴热在石化仪表及管道中的设计应用

2022-08-16罗宏伟

化工自动化及仪表 2022年4期

罗宏伟

（大庆石化工程有限公司）

石油化工装置及辅助设施一般是露天布置。国内南北方冬夏季的极端环境温度范围大致在-40～44 ℃。仪表及其测量管线的伴热和绝热设计是保证装置正常运行的重点。仪表伴热类型一般遵循管道安装专业的伴热规定。

1 伴热种类

伴热主要分为3种：热水伴热、蒸汽伴热和电伴热。热水的比热容较大，在伴热过程中不产生相变，所以在高寒地区广泛使用。蒸汽伴热有相变，尤其在高寒地区昼夜温差较大，疏水系统相对故障率较高，维护工作量大，主要用于防冻伴热和高温强伴热场所。电伴热的特点是伴热均匀，维护方便，便于自动化管理，主要用于对伴热对象实现精确温度控制和遥控的场合，也常用于伴热点偏远，热水和蒸汽无法或较难到达的场合。

基于以上特点，并根据过去多年的电伴热应用经验，近些年在石化装置中使用电伴热的趋势越来越多。

2 电伴热带

2.1 电伴热带的种类

电伴热带主要分为自限温电伴热带、恒功率并联电伴热带和恒功率串联电伴热带，额定电压一般为220 V（AC）或380 V（AC）。自限温电伴热带按最高维持温度分为低温、中温和高温3个系列，最高维持温度65～125 ℃，最高表面温度80～145 ℃，最高承受温度90～160 ℃，标称功率3～65 W/m；恒功率并联电伴热带额定功率范围10～60 W/m，最高表面温度150 ℃；恒功率串联电伴热带额定功率6～50 W/m。

2.2 电伴热带的特点及应用范围

自限温电伴热带用于防冻伴热，特点是能够自动限制其发热温度，并随被伴热体温度自动调节输出功率；可任意剪切或者在规定长度范围内接长使用；允许交叉重叠使用；冷态启动电流较大［1］，因此其规定长度一般不超过100 m。恒功率并联电伴热带应配置温控器以用于温度要求精确控制的场合；可任意剪切或者在规定长度范围内接长使用；不允许随意交叉、重叠使用。恒功率串联电伴热带的主要特点是长度长、输出功率恒定；需要订做，不能任意剪切；一般应用于长输管线、大型槽池和储罐的防冻、防凝、保温。

用于防爆场所时要注意电伴热带防爆特性必须满足现场爆炸危险区划分要求，尤其是最高表面温度限制要求。

2.3 电伴热带的结构组成

2.3.1 自限温电伴热带

自限温电伴热带的结构如图1所示，各部分使用材料如下：

图1 自限温电伴热带结构

导体铜芯导线

发热电阻体普通PTC、阻燃PTC、含氟PTC

绝缘层改良聚烯烃、阻燃聚烯烃、含氟聚烯烃

金属护套（屏蔽层）镀锡软铜线

外护套改良聚烯烃、阻燃聚烯烃、含氟聚烯烃

2.3.2 恒功率电伴热带

恒功率并联电伴热带和恒功率串联电伴热带都是通过电阻发热丝通电发热达到加热目的的，两种恒功率电伴热带的结构分别如图2、3所示。

图2 恒功率并联电伴热带结构

图3 恒功率串联电伴热带结构

2.4 电伴热带的选型原则

电伴热带的选型原则如下：

a. 根据仪表伴热目的和要求确定电伴热类型，防冻伴热一般选自限温电伴热带，要求温度精确控制时选恒功率并联电伴热带。

b. 根据被伴热管道单位长度散热损失确定电伴热产品的功率。

c. 根据伴热区域的爆炸危险区域划分等级选择满足要求的防爆型电伴热带及附件；伴热带选型时要特别注意爆炸危险释放介质的温度组别和伴热管线的最高维持温度，满足最高维持温度不高于爆炸释放介质的温度组别要求。

d. 根据仪表取压或采样管线最高维持温度及最高承受温度来选定电伴热产品的耐热等级［2］，在能够耐受最高承受温度的前提下，应该以满足伴热条件并且合理、经济、维护方便为原则。

e. 根据不同的化学环境（如是否埋地或有无腐蚀性气体等）来确定所需电伴热产品的结构。

f. 在选择电伴热元器件时，要从适用性、经济性、最高维持温度、周围有无腐蚀性环境等方面综合考虑。

g. 若分析仪表采样管线距离较长，宜使用带预制保温层的一体化管束，使维持温度恒定；对有伴热需求的仪表变送器，表头部分可使用带电加热功能的仪表保温箱。

2.5 设计分工及注意事项

一般工艺和仪表伴热的电伴热带的供电系统由电气专业人员负责设计，设计时将主供电箱、分供电箱根据伴热点分布布置在现场合适的位置。

仪表的防冻伴热原则上采用自限温电伴热带，要求温度控制严格的场合一般采用恒功率并联电伴热带。自限温电伴热带一般从电源接线盒引出，在末端有终端接线盒，如果中间有接头，需要采用两通或三通中间接线盒连接，总长度不能超过电伴热带产品的允许值。恒功率并联电伴热带从电源接线盒引出，在末端有终端接线盒，如果中间有接头，需要采用两通或三通中间接线盒连接；必须安装温控器，温控器的感温部分可以是温包或者热电阻（RTD），通过温控器设定温度上限和下限，保证伴热部位的温度超过上限时断电，低于下限时通电。

恒功率电伴热带属于阻性负载，在冷态通电时会产生瞬时冲击电流，可达额定电流的2.5倍左右，所以在配备供电设备时要注意合理选择熔断器的容量，且加漏电保护器，最大长度配置应符合产品最大允许长度要求。

2.6 典型的电伴热系统结构

仪表及管道用电伴热系统一般包括电源接线盒、自限温/恒功率电伴热带、测温电阻（RTD）、温控器、中间接线盒（JB）及终端接线盒（EB）等［3］，典型的仪表电伴热系统结构如图4所示。

图4 电伴热系统结构示意图

目前仪表及管道电伴热主要有图4所示的4种类型：自限温保温伴热型、自限温保温伴热节能型、自限温精确控温型和恒功率或限功率精确控温型。常用的是自限温保温伴热型和自限温保温伴热节能型。

2.7 电伴热带的安装

电伴热带的安装需要由专业人员完成，在安装过程中应遵循如下原则。

温控器、接线盒、测温元件等设备的安装应规范、合理,应牢牢固定在管壁或支架上，以免因松动（或颤动）引起短路或火灾；应采用配套的安装部件，例如T形安装支架、卡箍、热缩管及密封胶等，保证安装工程符合设计要求。

电伴热带安装前要清除被伴热管线或设备上的毛刺、杂物等，施工时避免强折、硬拉、踩踏等，防止重物放置于电伴热带上，导致伴热带表面受损或短路。缠绕安装方式如图5所示。

图5 电伴热缠绕安装方式

中间接线盒适用于自限温和恒功率并联电伴热带。因为电伴热带不可直接连接，两根或多根电伴热带连接时可使用中间接线盒。对于单根电伴热带中间有损坏的情况，用中间接线盒连接后仍可使用，维护方便且避免浪费。中间接线盒分为两通、三通接线盒，其连接方式如图6所示。

图6 中间接线盒连接方式

电伴热带终端必须用终端接线盒连接并进行密封处理，以防受潮或进水造成短路，严禁绞合连接。终端接线盒安装方式如图7所示。

图7 终端接线盒安装方式

在不影响安全使用的情况下，外护套轻微小面积损伤可以采用外部材料修复工艺技术。供电控制箱应尽可能接近伴热点，温控回路应有短路、过载和漏电保护功能，安装完毕后检查其绝缘电阻是否合格。

3 案例分析

3.1 反吹装置的电伴热方案

气相流化床工艺聚乙烯装置反应器中的主要介质乙烯中含有粉料。反应器运行时操作压力为2.4 MPa，操作温度小于115 ℃。测量压力、压差时一般采用反吹装置，避免粉料进入导压管。反吹介质为洁净的乙烯气体。反吹装置内有一个很小的限流孔板，乙烯气体在冬季温度较低时存在冷凝现象，会导致限流孔板堵塞，影响测量。这个问题是乙烯饱和蒸气、冬季温度过低和反吹装置的结构特点综合作用产生的。

乙烯物性数据如下：闪点 -100 ℃沸点 -103.9 ℃

饱和蒸气压 4.083 8 MPa（0 ℃）

乙烯饱和蒸气压与温度的关系见表1。

表1 乙烯饱和蒸气压与温度的关系

当温度降到-20 ℃以下时，乙烯的饱和蒸气压也随之降低到乙烯操作压力2.4 MPa以下。吹扫乙烯的温度也会降低到环境温度且其压力与反应器内乙烯压力近似相等，就可能存在凝液现象，导致毛细管式限流孔板堵塞，使得吹扫效果受到凝液的影响，出现仪表测量信号不稳的情况。反吹装置电伴热带安装图如图8所示。

图8 反吹装置电伴热带安装图

反吹装置和变送器导压管均用自限温电伴热带伴热并保温或者将反吹装置和变送器安装在保温箱内。自限温电伴热带温控器，通过检测环境温度控制温控器的通断，例如，设定温度低于-18 ℃时启动电伴热，当环境温度高于-18 ℃时可以切断电伴热，既节能又便于维护。

3.2 分析采样管路的电伴热方案

在聚乙烯装置中气相色谱分析仪采样管路要求其内部介质始终保持气相状态，应对其进行精确伴热以满足采样要求。所以首先对采样介质进行降压处理，然后采样管线采用一体化自限热电伴热带采样管缆，并且为了便于维护，对采样管缆的电伴热带进行冗余配置。由于自限温电伴热带伴热长度一般不超过100 m，而采样管线敷设长度大约180 m，所以采用两根约90 m的伴热管缆，这样既保证了伴热的准确性，也使得维护和安装工作变得简便可行。