彭海濱

(中國(guó)寰球工程公司,北京 100028)

電伴熱在石化行業(yè)中的應(yīng)用

彭海濱

(中國(guó)寰球工程公司,北京 100028)

伴熱作為一種有效的管道保溫及防凍方案在化工廠中一直被廣泛應(yīng)用,其工作原理是伴熱媒體散發(fā)一定的熱量,通過直接或間接的熱交換,補(bǔ)充被伴熱管道的熱損失,以達(dá)到升溫、保溫或防凍的正常工作要求。參考了電伴熱的標(biāo)準(zhǔn),介紹了電伴熱的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及蒸汽、熱水伴熱方案的缺陷,并就儀表管道采用電伴熱的電纜種類和實(shí)際伴熱應(yīng)用方式進(jìn)行了論述。在化工廠的電伴熱方案中,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況,選擇理想的伴熱方案,合理投資,獲得綜合效益。

伴熱;自控溫電伴熱;比例環(huán)境感應(yīng)控制

0 引 言

伴熱作為一種有效的管道保溫及防凍方案在工廠中一直被廣泛應(yīng)用,其工作原理是伴熱媒體散發(fā)一定的熱量,通過直接或間接的熱交換補(bǔ)充被伴熱管道的熱損失,以達(dá)到升溫、保溫或防凍的正常工作要求。國(guó)內(nèi)化工廠中的工藝管線和罐體容器的伴熱目前大多采用傳統(tǒng)的蒸汽或熱水伴熱。但是蒸汽、熱水的散熱量不易控制,其保溫效率始終處于一個(gè)較低的水平,而且需要伴熱的管道一般以儀表管線、工藝管線及化學(xué)管線為主,管線比較復(fù)雜,鋪設(shè)伴熱管道十分不便。由于運(yùn)行時(shí)蒸汽伴熱管道經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象,每年化工廠維修部門都不得不在管線保溫上花費(fèi)大量的人力、物力來(lái)確保工廠的冬季運(yùn)行安全。20世紀(jì)70年代,美國(guó)能源行業(yè)就提出用電伴熱方案來(lái)替代蒸汽伴熱的設(shè)想。80年代,包括能源業(yè)在內(nèi)的很多部門已廣泛推廣了電伴熱技術(shù),以電伴熱全面代替蒸汽伴熱。電伴熱是沿管線長(zhǎng)度方向或在罐體容積大面積上的均勻放熱,溫度梯度小,熱穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng),適合長(zhǎng)期使用,其所需的熱量(電功率)大大低于蒸汽和熱水加熱,具有熱效率高、節(jié)約能源、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、施工安裝方便、無(wú)污染、使用壽命長(zhǎng)、能實(shí)現(xiàn)遙控和自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn),可替代蒸汽、熱水等伴熱技術(shù),是國(guó)家重點(diǎn)推廣的節(jié)能項(xiàng)目。電伴熱技術(shù)至今,已由傳統(tǒng)的恒功率伴熱發(fā)展到以導(dǎo)電塑料為核心的自控溫電伴熱,很多化工廠已采用了自控溫伴熱技術(shù),其控制算法也在朝節(jié)能方向發(fā)展,出現(xiàn)了比例環(huán)境感應(yīng)控制(PASC)等新算法。

1 電伴熱使用電纜種類

電伴熱系統(tǒng)由發(fā)熱電纜供電電源系統(tǒng)、防冰凍電纜加熱系統(tǒng)和電伴熱智能控制報(bào)警系統(tǒng)三部分組成。每個(gè)電伴熱回路包括溫控器、溫度傳感器、空氣開關(guān)、接觸器、工作狀態(tài)顯示器、故障蜂鳴報(bào)警器及變壓器等電路。工作狀況下,溫度傳感器安置在被加熱的管道上,可隨時(shí)測(cè)量其溫度。溫控器根據(jù)事先設(shè)定好的溫度,與溫度傳感器測(cè)出的溫度比較,通過控制箱內(nèi)的接觸器,及時(shí)切斷與接通電源,以達(dá)到加熱防凍目的。通用的電伴熱所使用的電纜有如下幾種形式。

1.1 自控溫電伴熱電纜

自控溫電伴熱電纜的核心材料PTC半導(dǎo)電塑料,其電阻值隨溫度的升高而增加,但當(dāng)溫度上升到一定的數(shù)值時(shí)(可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)大小),電阻突然劇增,從而阻斷電流停止加熱;當(dāng)溫度低于門檻溫度時(shí),PTC材料的電阻自動(dòng)下降導(dǎo)通電流,繼續(xù)加熱。從而使系統(tǒng)維持在一個(gè)穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)。這種電纜是在兩根平行金屬母線之間均勻地?cái)D包一層PTC材料制成的芯帶?；拘妥哉{(diào)控電伴熱線(伴熱電纜)由PTC芯帶和絕緣層組成,在其外面包裹一層聚乙烯或聚氯乙烯絕緣層。當(dāng)環(huán)境有強(qiáng)化或耐腐蝕要求時(shí),可以加一層編織層或氟聚合物外被。PTC材料中分散的炭微粒形成無(wú)數(shù)纖細(xì)的導(dǎo)電炭網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)它們跨接在兩根平行母線上時(shí),就構(gòu)成芯帶的PTC并聯(lián)回路。PTC層就是連續(xù)并聯(lián)在母線之間的電阻發(fā)熱體,將電能轉(zhuǎn)化成熱能,對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行伴熱保溫,與此同時(shí),芯帶通過護(hù)套向溫度較低的被加熱體系傳熱,達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)單位時(shí)間傳遞的熱量等于電纜的電功率。電纜的輸出功率主要受控于傳熱過程以及被加熱體系的溫度。自控溫電伴熱帶的電阻隨著溫度升高而增大,在降溫時(shí)若電阻能沿著原升溫路線返回原來(lái)的起點(diǎn),便具有PTC記憶性能。具有記憶性能的電纜才能長(zhǎng)期反復(fù)使用。自控溫電伴熱帶的芯帶是由大量的纖細(xì)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成的PTC并聯(lián)單元組成。當(dāng)伴熱管道任何區(qū)段出現(xiàn)料溫及能耗波動(dòng)時(shí),所在部位的各個(gè) PTC元都能直接感溫并獨(dú)立做出響應(yīng),即時(shí)朝著消除波動(dòng)的方向自動(dòng)調(diào)整各自的輸出功率,以維持整個(gè)系統(tǒng)各區(qū)段的運(yùn)行溫度均勻穩(wěn)定。這是一種微區(qū)跟蹤,全線同步,全自動(dòng)的伴熱保溫過程。

1.2 恒功率型電伴熱

伴熱帶在通電后功率輸出一直恒定,不會(huì)隨外界環(huán)境、保溫材料、伴熱材質(zhì)變化而變化,而其功率的輸出或停止通常由溫度傳感器來(lái)控制。包括并聯(lián)式恒功率電伴熱帶和串聯(lián)式電伴熱帶。對(duì)于前者,其電阻絲是并聯(lián)連接方式,工作時(shí)是靠電阻絲發(fā)熱對(duì)管道進(jìn)行加熱,兩根相互平行的鍍鎳銅絞線包覆在氟化物絕熱層中,作為電源母線,并且在內(nèi)絕熱層外纏繞鎳鉻合金電熱絲,每隔一段固定距離將電熱絲進(jìn)行焊接,形成一個(gè)連續(xù)的并聯(lián)電阻,當(dāng)電源銅母線通電以后,各并聯(lián)電阻隨之發(fā)熱,形成一個(gè)連續(xù)發(fā)熱的電熱帶,可任意剪切。

串聯(lián)式恒功率電伴熱帶其電阻絲是串聯(lián)連接方式,工作時(shí)是靠電阻絲發(fā)熱對(duì)管道進(jìn)行加熱,絕緣銅絞線為電源母線,即為發(fā)熱芯線。具有一定內(nèi)阻的芯線通過電流時(shí)芯線就會(huì)產(chǎn)生焦耳熱量,其大小與電流平方、芯線阻值和通過時(shí)間成正比。因此串聯(lián)式電伴熱帶隨著通電時(shí)間的延續(xù),源源不斷地發(fā)出熱量,形成一條連續(xù)的、均勻發(fā)熱的電伴熱帶。串聯(lián)式電伴熱帶芯線電流相同、電阻相等,所以整根電伴熱帶首尾發(fā)熱均勻,其輸出功率恒定不受環(huán)境溫度和管道溫度影響。

1.3 礦物絕緣加熱電纜

礦物絕緣加熱電纜是一種以金屬(典型的有銅、合金)作為外護(hù)套,電熱材料作為發(fā)熱元件,氧化鎂粉作為絕緣的特殊加熱電纜。礦物絕緣加熱電纜的發(fā)熱量與工作電壓、發(fā)熱芯的截面及電纜的長(zhǎng)度有關(guān)。適用于250℃以上的高溫伴熱。

2 電伴熱系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

中央控制和監(jiān)測(cè)對(duì)于工業(yè)電伴熱系統(tǒng)日益重要。如今,現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員逐漸減少,安全可靠的操作日益受到重視。越來(lái)越多的電路需要被控制,同時(shí)精度要求也越來(lái)越高。因此,監(jiān)控中心需要隨時(shí)對(duì)決定電伴熱系統(tǒng)完整性的重要信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。DigiTrace NGC系列是泰科熱控最新開發(fā)的電伴熱控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu),可以共享監(jiān)控軟件和用戶操作界面,而在控制器層面上可根據(jù)不同的應(yīng)用要求分為 NGC-20和NGC-30。

2.1 NGC-30系統(tǒng)

NGC-30是先進(jìn)的電子式多電路電伴熱控制、檢測(cè)及配電系統(tǒng),支持電路多達(dá)260路,在溫度變化范圍變小的時(shí)候需要控制更多的線路,廣泛運(yùn)用于工業(yè)電伴熱領(lǐng)域,應(yīng)用于集中控制。該系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)溫度、接地故障、工作電流以及其他可以反映電伴熱線路完整性的信息,并將結(jié)果及時(shí)傳達(dá)給監(jiān)控中心。由于該控制系統(tǒng)完全支持分布式結(jié)構(gòu),可以顯著降低溫度傳感器布線成本。用戶可以清晰地接收到系統(tǒng)故障信息和警報(bào)。這些將會(huì)顯示在用戶界面終端(UIT)或者遠(yuǎn)程使用管理程序軟件包。該軟件可遠(yuǎn)程配置控制系統(tǒng),同時(shí)具備其他先進(jìn)的特性,包括:數(shù)據(jù)記錄、走向、公式和批處理等。它提供可自由配置級(jí)別的用戶訪問權(quán)限,并支持全球范圍內(nèi)的遠(yuǎn)程訪問。通過多重控制算法可以控制和監(jiān)視多達(dá)260個(gè)電路:開/關(guān),環(huán)境感測(cè), PASC以及與固態(tài)繼電器SSR一起使用時(shí)的比例式控制。

NGC-30系統(tǒng)可按客戶需求進(jìn)行相應(yīng)配置。對(duì)于電流測(cè)量、接地故障或者分布控制等的需求逐漸凸顯時(shí),可以選擇卡柜(CR),機(jī)械繼電器的卡柜模塊 (CRM),和/或固態(tài)繼電器的卡柜模塊(CRMS)、互感器模塊(CTM)和電壓模塊(CVM)。還可以升級(jí)老的MoniTrace 200N-E系統(tǒng),使用遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊(RMM)和遠(yuǎn)程控制器模塊(RMC)等完全兼容的組件。圖1為NGC-30系統(tǒng)的三種控制方式框圖。

圖1 NGC-30系統(tǒng)的三種控制方式

其中:用戶界面終端(UIT)是NGC-30通信的核心部分。它包括電伴熱監(jiān)測(cè)、配置以及維護(hù)功能。通過RS-485與工作區(qū)通信,并通過RS-232/ RS-485/以太網(wǎng)(可選)與管理軟件包以及工廠過程控制系統(tǒng)通信。

關(guān)于小組成員，我們應(yīng)該每學(xué)期調(diào)整1-2次。每個(gè)小組都必須確定一名領(lǐng)導(dǎo)人，可小組內(nèi)部決定小組成員分工。此外，課堂活動(dòng)中的組長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)老師的指示，安排小組成員完成任務(wù)。然后實(shí)現(xiàn)每個(gè)人的參與，同時(shí)取得進(jìn)步。

N GC-30的RMC系統(tǒng)包含集成控制功能塊。RMC可提供多路繼電器輸出以操作每個(gè)電伴熱線路中的接觸器,也可以輸入斷路器的脫扣報(bào)警信號(hào)。當(dāng)UIT進(jìn)行控制時(shí),RMM可進(jìn)行溫度輸入。

2.2 NGC-20控制器

N GC-20控制器的特點(diǎn)是既能本地控制,又能提供集中監(jiān)測(cè)的能力。其控制裝置可用于高達(dá)25 A的單相電路,符合IEC 61508:2000的要求,認(rèn)證為SIL 2設(shè)備的安全溫度限制器。

針對(duì)控制、監(jiān)測(cè)和報(bào)警能力,NGC-20控制器提供多種不同的控制算法,包括最優(yōu)化的電伴熱控制PASC算法。NGC-20控制器可為高溫和低溫、高電流和低電流、接地故障電流和電壓進(jìn)行報(bào)警。用戶可設(shè)定接地故障電流的脫扣和報(bào)警值,可用于早在漏電保護(hù)開關(guān)脫扣之前啟動(dòng)報(bào)警,系統(tǒng)可識(shí)別哪條分支電路的接地故障電流已增加,然后在電路停止運(yùn)行之前采取措施。NGC-20控制器提供了一個(gè)用于報(bào)警輸出的繼電器干節(jié)點(diǎn),因此,對(duì)于伴熱系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)化維護(hù),從而減少了重要管線的意外停機(jī)時(shí)間。伴熱系統(tǒng)的自檢可以確保系統(tǒng)的完整性。

NGC-20控制器配備了RS-485接口。通過此接口,最多可將247臺(tái)NGC-20控制器連接至一個(gè)UIT或標(biāo)準(zhǔn)電腦的一個(gè)串行端口。

設(shè)置和調(diào)試NGC-20控制器可以用手持編程設(shè)備(藍(lán)牙通信)來(lái)本地設(shè)置參數(shù),也可以從控制中心設(shè)置參數(shù)。編程之后,程序永久存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中,從而避免了電源出現(xiàn)故障時(shí)或長(zhǎng)期電源關(guān)閉后數(shù)據(jù)丟失。NGC-20控制裝置允許伴熱和電力電纜直接連接至該裝置。

選擇NGC-20控制器在配電電纜鋪設(shè)時(shí)節(jié)約了大量成本,無(wú)需RTD布線亦不影響安全性和可靠性。對(duì)于較短電路,可將多臺(tái)控制裝置以菊花鏈形式連接至同一個(gè)斷路器,另外,RTD傳感器可以直接接到溫控器上,所以無(wú)須連接額外的RTD電纜。一個(gè)中等規(guī)模的電伴熱系統(tǒng)采用NGC-20溫控器使得整個(gè)系統(tǒng)的材料成本要比集中式的控制系統(tǒng)降低約30%,加快項(xiàng)目總體進(jìn)度和降低成本。

PASC的原理是在環(huán)境溫度控制的基礎(chǔ)上,增加了從最低環(huán)境溫度到控制溫度這段區(qū)間內(nèi)的比值計(jì)算,從而確定一個(gè)合理的輸出功率占空比和動(dòng)作周期,PASC特別適用于防凍保護(hù)。因?yàn)榘闊峋€的輸出功率是按照一個(gè)地區(qū)的極端最低環(huán)境溫度來(lái)設(shè)計(jì)的,即使溫度低于設(shè)定值(假設(shè)是5℃),絕大部分時(shí)間該輸出功率大于防凍所需要的功率輸出,所以溫度越接近設(shè)定值,節(jié)省的電能越多。

PASC算法的特點(diǎn)是根據(jù)實(shí)測(cè)環(huán)境溫度值來(lái)確定伴熱線通電的占空比,以達(dá)到節(jié)能的目的。以設(shè)定點(diǎn)溫度為5℃為例,控制原理如圖2所示。

圖2 PASC算法的控制原理

PASC算法既可以節(jié)省大量的控制系統(tǒng)成本,又可以極大地提高伴熱效率,降低了電伴熱的能耗。在-5℃的環(huán)境溫度下,節(jié)能50%。

3 電伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

由于電伴熱具有一定的危險(xiǎn)性,所以選擇電伴熱要按照標(biāo)準(zhǔn)考慮哪些情況影響電伴熱的穩(wěn)定性及安全性。

a)電伴熱帶的選擇需要有一定的溫度上限余量,超限對(duì)電伴熱帶是致命的。

b)選擇電伴熱元件時(shí),要確保不存在潛在點(diǎn)燃可能,電伴熱的媒介不具有可燃易爆特性。

c)電伴熱帶的保溫需要做好,不能有裸露部分。

d)電伴熱帶的周圍最好少用水沖洗設(shè)備、管線,防止水滲到伴熱帶旁,特別是接線盒周圍杜絕用水。

e)測(cè)溫探頭安裝需要準(zhǔn)確,防止溫度嚴(yán)重滯后伴熱帶超限使用。

f)重要管線,電伴熱需要有備用線路,防止伴熱帶意外失效。

g)DCS最好對(duì)伴熱管線的溫度設(shè)置報(bào)警,防止伴熱管線失效卻不知。

h)應(yīng)用在防爆區(qū)域時(shí),電伴熱電纜和相應(yīng)就地元件、控制器等均符合防爆要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

如今,現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員逐漸減少,安全可靠的操作日益受到重視。因此,監(jiān)控中心對(duì)電伴熱系統(tǒng)的重要信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)的需求也逐步顯現(xiàn)。有的項(xiàng)目,無(wú)論是一次性投資,還是年運(yùn)行費(fèi)用,電伴熱帶比蒸汽伴熱帶都要節(jié)省費(fèi)用;有的項(xiàng)目,電伴熱帶的一次性投資可能會(huì)略高于蒸汽熱水伴熱,但就年運(yùn)行費(fèi)用而言,通常電伴熱運(yùn)行1～2 a節(jié)省的費(fèi)用就能收回投資。普通的環(huán)境溫度控制系統(tǒng)只要在所測(cè)環(huán)境溫度低于設(shè)定值時(shí)伴熱線就滿負(fù)荷工作,不管是在極端最低溫還是在零度上下。

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[10] American National Standards Institute.IEEE Std 515-1997 IEEE Standard for the Testing,Design,Installation,and Maintenance of ElectricalResistance Heat Tracing for Industrial Applications[S].1997.

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。

彭海濱(1979—),男,黑龍江大慶人,2001年畢業(yè)于北京化工大學(xué)自動(dòng)化系測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè),工作于中國(guó)寰球工程公司。