海洋工程中电伴热的选型及应用

海洋工程中电伴热的选型及应用

提要：由于海上环境温度变化较大，特别在冬季，温度较低，管

线中的介质极易在低温下冻凝，甚至出现管线断裂等现象，因此海

上石油平台管线保温是一项极为重要的工作。本文对电伴热、热

水伴热以及蒸汽伴热三种伴热形式从电能消耗、热效率、设计费

用、设备器材费、施工安装费以及运行维护费等几个方面进行了

较许细的比较，对海上石油平台管线采月电伴热保温给予了肯定,

并对电伴热系统原理、用途、设计等进行了较详细的说明。结合

电伴热系统在工程项目中的实际应用以QK18・1项目电伴热系统为

实例进行优化设计，而且对电伴热系统在施工过程中出现的问题

提出了建议性解决方案，对今后海上石油平台的电伴热系统设计

工作具有一定的指导作用。

关键词：电伴热原理比较选型应用

1前言

海上平台输油管线及储油罐体容器的温度是海上施工过程中

比较重要的问题，因为海上的工作环境温度变化比较大，特别是低

温，就渤海地区来说可达・20℃。当温度下降到极低情况下，输油管

线中的石油就很难保证其品质的可靠性，还有可能发生石油冻凝,

管线断裂等现象。因此，对管线中石油的保温是极其重要的一项工

作。

当前海上平台对各种管线的保温基本上是采用电能来维持其内

部介质的温度，故称其为电伴热。电伴热是用电热来补充被伴热物

体在工艺过程中所散失的热量,以维持流动介质温度最合理的工艺

温度范围。电伴热的应用范围非常广泛，可用于石油、化工、电

力、冶金以及其它部门的管道、阀门、储罐、反应塔等工业装

置。

2电伴热的种类及特点比较

在以往的工程中我们曾使用过其它的保温手段来防止石油管线

因温度过低而造成的影响，诸如电加热器、蒸气热水伴热等，但各

方面效果均不如电伴热优越，就电伴热与传统蒸气热水伴热相比

较,有如下优点：

1.电伴热装置简单，发热均匀，温度准确，可远程控制，实现自

动化管理。

2.可靠性高，具有防爆及全天候工作性能，使用寿命长，传输无

泄漏，有利于环保，不像蒸汽热水伴热会产生”跑、冒、滴、漏工

污染环境的现象。

3.电伴热节省汹材，因为蒸汽热水伴热一般采用一来一去二趟

伴热管路，而电伴热不需要，电伴热节省保温材料。

4.电伴热伴热效率高，能大大节约能源，主要体现在下列几个

方面：

vl＞伴热管线的散热量与散热面积有关。电伴热产品的外

形尺寸较小，敷设凶不会改变管线保温层形状；而蒸汽热水伴热管

线管径较大，这样扩大了保温层的散热面积，增加了热量散失。

v2＞蒸汽热水伴热管线与工艺管线之间只有线接触，换热

效率一般为40%—60%;而电伴热产品呈扁平状，借助铝胶带可形

成较宽的换热面，其热效率高达90%―96%。

v3＞采用蒸汽热水伴热时，考虑沿途传输热损失及泄漏,必

须在近点过热补偿；而电伴热则无须过热补偿，因为它在整个线方

向上的放热是均匀的。

<4>蒸汽热水热能传输的损失比电能传输损失要大的多。

当被加热管线离热源较远，则沿线损失较多，而电能传递损耗就较

少。

5.降低设计、施工和维修费用。电伴热设计工作量小，施工

简单、周期短、维护方便、日常维护保养工作量小。我们曾经

做过这样一个比较（见表1—1）,电伴热与蒸汽热水伴热周期费用

比较如下：

表1--1

伴热方式

对比项目电伴热热水伴热蒸汽伴热

能耗123

综合热效率比较10.30.3

设计费用12.53

设备器材费10.60.6

施工安装费12.53

运行维护费11012

从上表能够看出，一个设计合理的电伴热工程的器材费会略

高于热水、蒸汽伴热工程的器材费，但从年周期运行情况来看，-

般电伴热一年到一年半所节省的费用就能收回基建投资费用。

综上所述，从各方面来比较，海上平台使用电伴热手段来达到

保温的效果是非常理想的。

3电伴热的结构特点及基本工作原理

电伴热产品就伴热类型可分为两类：恒功率式和自限式。首先

介绍一下单相恒功率电伴热带（如图2—1）o

图2-3为导电塑料的自控原理，经过该图能够分析出其伴热原

理：

冷管：受冷时，导电塑暖管：变热时，导电塑料微热

管：导电塑料微分子充分膨胀

料微分子收缩，接通电分子膨胀，渐渐切断电路

几乎切断所有电路

路

图2-3

在每根伴热线内，母线之间的电路数随温度的影响而变化。当

伴热线周围的温度变冷时，导电塑料产生微分子的收缩而使碳粒

连接成电路，电流流经这些电路，使伴热带发热；当温度升高时,导

电塑料产生微分子的膨胀，碳粒渐渐分开，引起电路中断，电阻上

升，伴热线自动减少功率输出；当周围温度变冷时，塑料又恢复到

微分子收缩状态，碳粒相应连接起来形成电路，伴热带发热功袤又

自动上升（见图2-4）o

图2-4

由于高分子导电复合材料的功率衰减现象严重影响使用专命,

而高达3-8倍的起动瞬间冲击电流又严重影响了电伴热带的使用寿

命和长度，因此，在设计中我们都充分考虑了这些因素。

在设计过程中，有关电伴热带有效线路长度和电流限制一直是

比较重要的问题，经过查阅相关资料了解到限制电伴热带有效长

度的主要因素是电伴热带线路首末端头的导电芯之间存在的电压

降。一般自限式电伴热带为20%左右，而恒功率式电伴热带为10%

左右。恒功率式伴热带的有效线路长度取决于导电芯口径、导电

芯温度和端头电压降，同样规格的电伴热带，高功率的比低功案的

有效线路长度短。而自限式电伴热带的有效长度则取决于起始温度

（起始温度越低则起始电流越高、有效线路长度越短）、电路保

护形式和端头电压降。对于恒功率式电伴热带,10%电压降，输出功

率遵守欧姆定律，从而，电伴热线路的首端和末端的输出功率分别

为设计功率的110%和90%o而自限式电伴热带,20%电压降，输出

功率不遵守欧姆定律，而与电压的平方成正比，从而，电伴热线路

的首端和末端的输出功率分别为设计功率的144%和64%。因此，具

体到实际的设计工作应该灵活地应用并解决电伴热带有效线路长

度来放宽尺寸，以达到减少回路和保证伴热效果的目的。在以往的

设计中我们曾经遇到过这样的问题：即如果连接接线盒的一路伴

热电路已达到其有效长度，但它的总电流还小于断路器额定电流,

此时，是否能够增加电伴热带。经过进一步的研究发现，尽量K要

在已达到有效长度的回路上增加电伴热带数量，但能够在该接线

盒上增加新的伴热回路。

4电伴热系统在海洋平台使用中的选型原则

以上几个方面主要介绍了电伴热的一些原理知识,下面结合实际

来谈一谈电伴热的用途。

纵观一下我们海上平台使用的电伴热的情况。几年以来我们使

用的伴热带基本上为自限式电伴热带(SELF-LIMITING

TRACE-HEATING)o现就海上石油生产的特点来分析其原因可归

纳为以下几点：

1.从两种伴热带类型的比较，我们知道，恒功率式伴热带发热稳

定，其发热量与长度成正比，使用的伴热带越长，输出的总功率越

大。它不能够随着外界环境以及管子温度的变化来自动调节其热量

的输出，因而当伴热带交叉安装时就会造成局部管线过热的情况,

这样就会使管道内的石油受热不均进而影响油质。而自限式伴热带

的特点是能够自动调节其功率输出，当温度升高时，导电塑料微分

子膨胀，电路中断，碳粒分开；温度降低时，微分子收缩，破粒又连

接成回路。它能够使管道内介质始终保持在一定温度范围内。

2.其次，从设计安装角度来讲，恒功率伴热带一般受节长的限制,

当切割时未能找准一个节长，则该部分伴热带起不到伴热的作用，

这不但影响到管线的伴热效果，同时也会造成一定的浪费。平台上

的管线的走向复杂，而且阀门、弯头较多，若使用恒功率伴热带,

则可能出现交叉重叠式安装，这样就会发生温度过高的现象，因此,

恒功率伴热带一般适用于长距离，直管线的伴热保温。而自限式伴

热带对于现场安装非常随意，仅须设计人员将伴热带的规格及长

度计算出来，便能够将该伴热带到现场根据实际需要任意截其长

度，不受节长的限制，这样也能够减少许多不必要的浪费。

5电伴热在工程项目中的实际应用

下面，就QK18・1项目部分管线的改造工作来介绍一下整个可伴

热的设计过程。

首先，要由配管专业提供管线三维图，将其中需要伴热的管线

按不同工艺系统分类绘制成连续的电伴热管系示意图。

其次，在选型设计之前，必须要先确定下述参数：

Vl＞环境条件：

①安装处冬季与夏季的最低与最高温度为多少。

＜2＞安装敷设情况：

①是否安装在易燃易爆场所，属于几类防爆场所。

②是安装在室内还是室外，室外风速多大。

③安装场所是否有腐蚀性气（液）体。

v3＞管道内介质的性质：

①①管道内是何物质。

②②介质所需工艺温度的上限和下限各为多少度。

＜4＞介质管道情况：

①①管道长度。

②②管道材料。

③③管道的附件（阀门、弯头、法兰、托架等）的数

量。

＜5＞保温层状况：

①①拟用何种材质的保温材料。

②②保温层的厚度为多少。

上述参数确定后，我们便能够开始伴热带的选型计算了。计算

所应用的基本原理公式为Qv=2JLlAT.E/LnD/d

其中：Qv：热量损失（W/m）

A:保温层热传导系数

D:带保温层的管道外径（mm）

D:不带保温层的管道外径（mm）

E:安全系数

AT:温差（要求保持的温度-环境最低温度）

我们伴热的目的就是要使电伴热带的发热量大于Qv,以此来

补偿其热量损失。

在QK18-1部分管线改造的项目中，我们选用的为RAYCHEM

公司的自限式伴热带，其伴热带类型有BTV、QTV、XTV和KTV

系列。其中,BTV系列的电伴热带从特性上讲主要是应用于管线和

设备的防冻保护，也可用于维持不超过65C或偶然性温度不超过

85℃的工艺操作温度;QTV系列自限式伴热带主要用于维持最高不

超过11。℃的工艺操作温度，也可用于热量较大或偶然性温度不超

过135℃的管线的防冻；XTV系列伴热带用于散热量更高的管线及

设备的防冻和维护工艺操作温度。它能承受的持续操作温度最高不

超过120℃,偶然最高温度不超过215℃;KTV系列伴热带用于维持

温度最高不超过150c的工艺操作温度，偶然最高温度不超过

215℃的管线的防冻。

我们计算伴热管线的各种参数以及选择伴热带的类型，主要

经过RAYCHEM公司提供的计算软件来进行的。以往我们软件的

运行环境是在DOS界面下，在使用过程中，我们发现了许多弊端:

操作过程很不方便，计算的每一个步骤均需要返回主菜单，这样大

大的降低了计算速度。在旧软件中，对风速的变化从计算结果中体

现不明显，而阀门、法兰等的数量对计算结果的影响在计算过程中

也没有显示出来。诸如此类的问题我们与厂商共同切磋并做了一些

改进。现在，这套软件已经能够运行在WINDOWS下了，而且已经

掌握了对其的熟练操作。以下便介绍它的计算过程（如图3-1）o

图3/

我们看到整人管系由四条单独的管线连接而成。首先以

HT-041A为例。图3・2

图3-2

为该软件的窗口，计算前，首先应从下拉菜单OTHER的

ADDITIONALDATA中确定计算过程中遵循的制式（ENGLISH

ORMETRIC）o在比我们选用METRIC制，在计算过程中，温度单

位为摄氏度。编辑SITECODE（图3-3）:

图3-3

对于启动温度，应考虑到极限情况有可能在最低温度环境下起

动，故应将其定为而最高环境温度为34℃O对于海上来说,

风速一般不是固定的，经过查阅原始数据，平均风速为23.5m/s,1

年重现期为3秒钟。海上石油的施工环境多为含盐雾及腐蚀性气体,

因此选择其化学暴露为ORGANICS/CORROSIVES。对于室外工作,

基于全面的考虑问题，我们应选择为危险区，故其防爆等级根据规

范要求为CID2GROUPD,温度组别为T3O以下几项内容便一目了

然：电压220V,断路器规格30A,允许有缠绕比等。编辑完毕此项

内容后，接下来是PROCESSCODE的数据录入过程（见图3-4）:

图3-4

图中主要是一些温度参数的确定。因该管线中的介质为原油，根

据工艺专业提供的参数，其保持温度为30℃o管材与保温层的材料

是经过相关专业提供的，参数录入完毕，便可打印出如下内容（见

图3-5）o

图3-5

基础参数输入结束后，便是根据管线本身的结构来填充其它的

空白。管线HT.041A管径为10",管线长度33m。具体的附件如法

兰、托架、三通、二通等的数量一一根据图中所示添入空白处。

如此能够得到如图3-6及3-7的清单:

图3-6

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图3-7