范楓林

(南京理工大學(xué)，江蘇南京 210094)

化工生產(chǎn)企業(yè)主廠區(qū)管道伴熱所需的公用工程條件完備，伴熱方式也根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件靈活多樣，而企業(yè)的儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)往往居于廠區(qū)周邊或偏遠(yuǎn)地區(qū)，公用工程配套不全、巡檢及維護(hù)管理難度大。而電伴熱較蒸汽伴熱，節(jié)能效果好，易于集中精確控制。因此，采用電伴熱實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)物料管線集中伴熱是目前的主流。

1 電伴熱帶的分類及特點(diǎn)

1.1 電伴熱帶分類

電伴熱帶作為電伴熱系統(tǒng)的核心，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和原理的不同，可分為恒功率電伴熱帶和自限溫電伴熱帶，前者又包括串聯(lián)式電伴熱帶、并聯(lián)式電伴熱帶2種類型。

1.2 電伴熱帶特性比較

從表1電伴熱帶特性比較可以看出，并聯(lián)式恒功率電伴熱帶和自限溫式電伴熱帶均不適宜長(zhǎng)管段伴熱，均具有并聯(lián)帶的局部電阻絲損壞不易發(fā)現(xiàn)、壽命相對(duì)較短的缺點(diǎn)，而且自限溫式電伴熱帶控溫精度低且須定制；串聯(lián)式恒功率電伴熱帶則適合于長(zhǎng)管線，控溫精確，故障率低，且故障點(diǎn)易發(fā)現(xiàn)、易查找，與并聯(lián)帶和自限溫帶比較具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)。

2 化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的伴熱特點(diǎn)及對(duì)電伴熱的適應(yīng)性要求

2.1 儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)伴熱特點(diǎn)

a)儲(chǔ)運(yùn)生產(chǎn)為間歇性作業(yè)，物料輸送管線工藝動(dòng)態(tài)變化多，同一個(gè)物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)有時(shí)送料，有時(shí)收料，有時(shí)因輸送的物料溫度超過(guò)伴熱控制溫度而不需伴熱。因而溫度控制對(duì)伴熱運(yùn)行要求更高，溫控的節(jié)能優(yōu)化空間更大。

表1 幾種電伴熱帶特性比較

b)儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)管線伴熱的目的多以防凍防凝為主，一旦伴熱系統(tǒng)故障停運(yùn)，在生產(chǎn)間歇、管線靜態(tài)時(shí)極易凍凝，影響企業(yè)的原料、產(chǎn)品輸送。

c)化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)儲(chǔ)存的物料品種多，且每種物料系統(tǒng)獨(dú)立，物料性質(zhì)差別大，電伴熱控制的溫度各不相同，造成供電回路繁雜。

d)化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)部分管段多、管程短、每個(gè)管段伴熱溫度差異大，而罐區(qū)以外的管段一般是長(zhǎng)度大，甚至幾千米以上。

2.2 儲(chǔ)運(yùn)生產(chǎn)組織對(duì)電伴熱系統(tǒng)的要求

a)針對(duì)儲(chǔ)運(yùn)生產(chǎn)組織特點(diǎn)，要發(fā)揮DCS等電伴熱集中監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)功能強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，解決伴熱回路多、伴熱溫度不統(tǒng)一、管網(wǎng)動(dòng)態(tài)多帶來(lái)的伴熱啟停頻繁的難點(diǎn)。

b)應(yīng)選用溫度控制精確的伴熱帶。

c)電伴熱帶要適應(yīng)故障反應(yīng)直觀、故障點(diǎn)易查找、故障處理快的要求。

3 電伴熱的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)

化工儲(chǔ)運(yùn)生產(chǎn)中電伴熱出現(xiàn)運(yùn)行故障造成管線凍凝，則干擾主裝置生產(chǎn)負(fù)荷，更為重要的是出現(xiàn)因電伴熱造成的火災(zāi)爆炸事故時(shí)，后果影響大，主要的風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 火災(zāi)爆炸

伴熱管道輸轉(zhuǎn)物料多為易燃易爆品，火災(zāi)爆炸的主要風(fēng)險(xiǎn)因素來(lái)源于前期設(shè)計(jì)不規(guī)范，電伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒有達(dá)到防爆標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)在管線維修過(guò)程中對(duì)伴熱帶的損壞，造成伴熱帶發(fā)生接地、短路等產(chǎn)生電火花的故障，從而引燃物料造成火災(zāi)爆炸事故。

3.2 伴熱負(fù)荷不足

經(jīng)驗(yàn)表明，由于設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)鍵參數(shù)取值不合理，對(duì)極端低溫天氣估計(jì)不足，情況出現(xiàn)時(shí)即使電伴熱系統(tǒng)持續(xù)加熱也不能維持運(yùn)行溫度，甚至持續(xù)下降，造成管線凍凝。

3.3 伴熱溫度檢測(cè)控制不準(zhǔn)

俗稱“假溫度”，即溫控器顯示的溫度不能反應(yīng)管道內(nèi)物料的真實(shí)溫度，造成溫控器不能啟動(dòng)加熱、管線凍凝，或不應(yīng)有的持續(xù)加熱、出現(xiàn)物料及伴熱帶過(guò)熱。

3.4 對(duì)被伴熱設(shè)備的損壞及觸電危險(xiǎn)

采用電伴熱的設(shè)備，電伴熱帶受到損傷后，易發(fā)生漏電造成人身觸電危險(xiǎn)；芯線碰觸設(shè)備外壁形成接地短路故障，破壞被伴熱設(shè)備，圖1為電伴熱故障后燒損管線的情況。

4 風(fēng)險(xiǎn)控制及對(duì)策

理論上，風(fēng)險(xiǎn)值(R)=風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率(L)×風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的后果(S)，影響L值、S值的因素很多，降低風(fēng)險(xiǎn)值R的途徑也多。針對(duì)電伴熱應(yīng)用上存在風(fēng)險(xiǎn)因素的分析，從方案設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行管理、故障排除、應(yīng)急管理5個(gè)方面做好優(yōu)化，提高電伴熱系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性是風(fēng)險(xiǎn)管理的關(guān)鍵。

4.1 方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1.1伴熱負(fù)荷的計(jì)算

電伴熱功率計(jì)算首先要計(jì)算管道熱損失量Q：

Q=2πλ(TW-TH)[(d+2δ)/d]

(1)

式中：Q——管道熱損失量，W/m；

λ——保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃；

TW——工作維持溫度，℃；

TH——當(dāng)?shù)刈畹推骄鶞囟?，℃?/p>

d——管道外徑，mm；

δ——保溫層厚度，mm。

由公式(1)看出，關(guān)鍵參數(shù)TW、TH的確定至關(guān)重要，工程設(shè)計(jì)上TW應(yīng)根據(jù)管道輸送物料的凝點(diǎn)，再加上必要的操作空間，一般要增加10 ℃以上；TH的選取為保險(xiǎn)起見應(yīng)為當(dāng)?shù)刈畹汀叭铡逼骄鶜鉁亍?/p>

圖1 電伴熱帶故障后燒損管線情況

而電伴熱帶發(fā)熱功率P的計(jì)算，要盡可能滿足應(yīng)對(duì)極低氣溫風(fēng)險(xiǎn)的要求，一般通過(guò)可靠系數(shù)k對(duì)電伴熱帶發(fā)熱功率P進(jìn)行調(diào)整，取值區(qū)間1.1～1.2，建議取上限1.2。

P=kQ

(2)

式中：P——電伴熱帶發(fā)熱功率，W/m；

Q——管道熱損失，W/m·℃；

k——可靠系數(shù)。

4.1.2伴熱帶的選取與布線方案優(yōu)化

儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的罐區(qū)部分與進(jìn)出罐區(qū)后的外管網(wǎng)，特點(diǎn)明顯，前者管線短而繁雜，后者單條管線長(zhǎng)度大；從電伴熱帶的特點(diǎn)和使用經(jīng)驗(yàn)看，罐區(qū)外的長(zhǎng)管道首選串聯(lián)帶，而罐區(qū)部分本應(yīng)選擇并聯(lián)帶，但因其固有的缺陷，某一段的電阻絲損壞后不易發(fā)現(xiàn)、發(fā)現(xiàn)損壞后也很難找到準(zhǔn)確位置。因此，在伴熱帶選型上盡量多使用串聯(lián)帶。具體設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)罐區(qū)內(nèi)同一品種、伴熱溫度相近的不同品種的短管線，盡可能用一條串聯(lián)帶串聯(lián)起來(lái)，滿足串聯(lián)帶對(duì)管線長(zhǎng)度的要求。罐區(qū)內(nèi)短管線優(yōu)化使用串聯(lián)帶的示例見圖2。

圖2 罐區(qū)內(nèi)短管線使用串聯(lián)帶及測(cè)溫點(diǎn)布置示意

當(dāng)然，串聯(lián)帶代替并聯(lián)帶的設(shè)計(jì)思路也對(duì)管理上提出了更高的要求，設(shè)計(jì)階段要對(duì)各管段的長(zhǎng)度測(cè)量準(zhǔn)確，首尾連接點(diǎn)的選取要避免重復(fù)布線，交工資料準(zhǔn)確詳細(xì)，技術(shù)人員要繪制精確的伴熱帶走向圖，甚至同一條管道上因走向或伴熱功率需要往返布置伴熱帶時(shí)，要繪制伴熱帶安裝斷面位置圖，以方便后續(xù)維修時(shí)故障點(diǎn)的查找。

4.1.3伴熱溫度的檢測(cè)與控制

電伴熱測(cè)溫點(diǎn)的布設(shè)不合理將會(huì)形成“假溫度”顯示。如圖2所示的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)A，由于冬季倒罐和加熱循環(huán)增多，測(cè)溫點(diǎn)所在的管段溫度較泵出口的外管道高，將直接導(dǎo)致電伴熱不啟動(dòng)，外管道存在失溫凍凝的風(fēng)險(xiǎn)。

如圖2所示的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)B，測(cè)溫點(diǎn)設(shè)在泵出口的外管道上，當(dāng)外管道啟動(dòng)電伴熱加溫時(shí)，由于冬季倒罐和加熱循環(huán)多，泵入口及循環(huán)管道溫度普遍較高，造成長(zhǎng)時(shí)間加熱，浪費(fèi)能源，加快伴熱帶老化，甚至出現(xiàn)燒壞伴熱帶形成火災(zāi)。測(cè)溫探頭安裝不牢脫落，也會(huì)出現(xiàn)同樣的結(jié)果。

因此，為方便對(duì)管網(wǎng)龐大、工藝動(dòng)態(tài)復(fù)雜的電伴熱系統(tǒng)的控制和管理，除了應(yīng)用“環(huán)境溫度控制”、“比例環(huán)境溫度控制”等針對(duì)局部的控制技術(shù)外，還要采用DCS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更豐富的高低溫與電流自動(dòng)檢測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

此外，為提高電伴熱系統(tǒng)的安全完整性水平，在溫控器之外，增設(shè)獨(dú)立的“溫度限制器”，對(duì)電伴熱系統(tǒng)起到額外的保護(hù)作用；它通過(guò)自帶的RTD,當(dāng)測(cè)量值達(dá)到設(shè)定范圍，繼電器自動(dòng)脫扣，使系統(tǒng)安全完整性達(dá)到SIL2以上的水平。

4.1.4電伴熱系統(tǒng)防爆與漏電保護(hù)

安裝在防爆區(qū)域的電伴熱系統(tǒng)，要嚴(yán)格按照區(qū)域防爆等級(jí)要求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型，電源接線盒及電伴熱帶接線盒的防爆等級(jí)要達(dá)到防爆區(qū)域的防爆要求，設(shè)備具有EC檢測(cè)證明或證書；為避免電伴熱系統(tǒng)因漏電造成的觸電等事故，需安裝漏電保護(hù)器。

4.2 安裝

電伴熱帶敷設(shè)時(shí)不要打折、過(guò)度彎曲或折疊，不得承受過(guò)大的拉力，禁止沖擊錘打，以免損傷絕緣層。安裝時(shí)，安裝處上空不再進(jìn)行焊接、吊裝等操作，以防止電焊熔渣濺落到電伴熱帶上損壞絕緣層。

保溫層施工必須在電伴熱帶安裝調(diào)試后進(jìn)行，管線彎頭、閥門、流量計(jì)等處的保溫鐵皮要做握邊處理，防止鋒利的鐵皮割傷電伴熱帶；保溫鉆頭用短鉆頭，防止損傷電伴熱帶；管線及保溫鐵皮上每隔5 m標(biāo)注距首端距離，以便日后故障查找時(shí)準(zhǔn)確定位。

電伴熱帶敷設(shè)完后及保溫前要測(cè)絕緣并記錄，確認(rèn)電伴熱帶完好。檢測(cè)絕緣時(shí)用1 000 V兆歐表檢查系統(tǒng)的絕緣電阻，電伴熱帶的線芯相間或?qū)Φ仉娮钁?yīng)不低于20 MΩ。要記錄交接試運(yùn)行時(shí)的電流，以作為后期維護(hù)的參考電流。

4.3 電伴熱運(yùn)行管理

電伴熱運(yùn)行過(guò)程中要密切關(guān)注伴熱系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除運(yùn)行中的隱患和問題，延長(zhǎng)伴熱帶的使用壽命。

a)關(guān)注運(yùn)行電流和溫度。電流、溫度是電伴熱運(yùn)行的2個(gè)重要參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)發(fā)生較大變化時(shí)，就表征電伴熱帶可能出現(xiàn)了故障。

日常要記錄運(yùn)行電流，在電伴熱第一次試運(yùn)行或通電時(shí)，記錄運(yùn)行電流；每次冬季試運(yùn)行時(shí)或正常運(yùn)行時(shí)也要記錄運(yùn)行電流。冬季送電前測(cè)絕緣，檢查電伴熱是否具備工作條件，送電運(yùn)行4～6個(gè)小時(shí)后，檢查電伴熱帶運(yùn)行狀況，并記錄運(yùn)行電流，與以前的運(yùn)行電流進(jìn)行比較，判斷電伴熱運(yùn)行是否正常。

b)根據(jù)物料的凝點(diǎn)合理設(shè)定運(yùn)行溫度，并根據(jù)氣溫變化及時(shí)調(diào)整。如果溫度設(shè)定過(guò)高，縮短電伴熱帶使用壽命，浪費(fèi)電能。

4.4 伴熱帶故障處理

4.4.1故障查找方法

并聯(lián)型電伴熱帶的故障大多由電阻絲損壞造成的，此時(shí)電伴熱帶整體仍能運(yùn)行，只能通過(guò)分析運(yùn)行電流大小變化來(lái)判斷是否出現(xiàn)故障，拆除保溫后沿電伴熱帶測(cè)試是否發(fā)熱來(lái)查找故障位置。而串聯(lián)型電伴熱帶故障主要有斷線故障、接地短路故障、相間短路故障等。一般的查找方法主要有3種。

a)斷線查找法。將電伴熱帶從中間斷開，再?gòu)臄嚅_處測(cè)量對(duì)地或相間電阻，判定故障點(diǎn)在斷點(diǎn)的前后區(qū)域，確認(rèn)區(qū)域范圍后再將故障段從中間斷開，以此類推直至將故障確認(rèn)在20 m之內(nèi)，該方法對(duì)電伴熱帶損傷較大。

b)破絕緣層查找法。主要用于查找斷線故障，將電伴熱帶中間絕緣層割開，將一端接地，用萬(wàn)用表測(cè)量伴熱帶對(duì)地的通斷情況，判定故障點(diǎn)在前半段還是后半段，確認(rèn)后再將故障段中間的絕緣層割開，以此類推直至找到故障[1]。

c)電纜故障探測(cè)器查找法。該方法能查找電伴熱帶的各種故障。利用電伴熱帶結(jié)構(gòu)和電纜結(jié)構(gòu)相似，用電纜故障儀探測(cè)器確定故障點(diǎn)的范圍，再采用聲測(cè)法、音頻法等不同的定點(diǎn)方法進(jìn)行精確定點(diǎn)，提高故障查找效率，減少對(duì)電伴熱帶損傷，查找故障時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用[2]。

4.4.2常見故障及處理

表2列出幾種常見的故障現(xiàn)象及處理措施。

4.5 應(yīng)急管理

單就電伴熱系統(tǒng)對(duì)化工儲(chǔ)運(yùn)生產(chǎn)安穩(wěn)運(yùn)行的影響，應(yīng)急管理側(cè)重于電伴熱系統(tǒng)故障狀態(tài)下，如何盡快恢復(fù)伴熱，避免影響物料進(jìn)出廠。由此，除了做好預(yù)知性維修、運(yùn)行監(jiān)測(cè)、完善搶修技術(shù)方案外，根據(jù)情況做好以下工作。

表2 常見故障現(xiàn)象及處理措施

a)運(yùn)行溫度的設(shè)置要為巡檢發(fā)現(xiàn)故障、簡(jiǎn)單故障排除留下一定的反應(yīng)時(shí)間，一般要比物料凝點(diǎn)高5 ℃以上，在凝線前將伴熱帶問題處理完畢。

b)在滿足工藝條件的情況下，制定工藝預(yù)案，故障時(shí)進(jìn)行物料循環(huán)加熱。

c)準(zhǔn)備好頂線儲(chǔ)罐或槽車，緊急情況下掃線處理。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著電伴熱帶加工技術(shù)的提高，越來(lái)越多的化工物料管線采用電伴熱。儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)如何結(jié)合自身的工藝狀況，針對(duì)同行業(yè)發(fā)現(xiàn)的使用風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)驗(yàn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上完善監(jiān)測(cè)控制措施，在運(yùn)行和維修上控制風(fēng)險(xiǎn)度，保證生產(chǎn)安穩(wěn)運(yùn)行，還需要進(jìn)一步探討和實(shí)踐。