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[向导]电伴热技术在原油输送中的应用与展望

作者:admin 2017-02-14 我要评论

电伴热是指用电能补充被伴热物体在输送工艺过程中的热损失,使流动介质温维持在一定的工艺温度范围内。本文介绍了在原油管输过程中各种电伴热技术结构、机理及应...

    电伴热是指用电能补充被伴热物体在输送工艺过程中的热损失,使流动介质温维持在一定的工艺温度范围内。本文介绍了在原油管输过程中各种电伴热技术结构、机理及应用现状,并指出自限式电伴热和集肤效应伴热有着较为广阔的发展前景。
 1、电伴热是指用电能补充被伴热物体在输送工艺过程中的热损失,使流动介质温度维持在一定的工艺温度范围内。管道电伴热有以下4种类型:
(1)阻抗伴热。阻抗伴热分直流电伴热和交流电伴热。它要求管道等径,并且在加热的管段上没有副管和阀门。
(2)电磁感应伴热。电磁感应伴热是一种利用电磁感应原理及感应电流通过导体时产生的热效应,使工件快速加热的方法。电磁感应伴热一般分为3类:工频电磁感应伴热、中频电磁感应伴热和高频电磁感应伴热。电磁感应伴热效率可达到80%以上,并且加热速度极高。
(3)柔性材料伴热。柔性材料伴热是靠导体通电时产生的焦耳热来加热管道,包括电缆伴热和电伴热。电伴热是用铜或铜合金制成芯线,芯线外面用具有良好的热稳定性和导热性的材料做成绝缘层,最外层用铜或不锈钢制成的封闭的铠装。电缆伴热有两种敷设方式:①管道内部敷设;②管道外部敷设。电伴热传热效果优于电缆伴热。电伴热外形扁平便于与管道接触,分为恒功率和变功率两大类。恒功率电伴热单位长度的发热功率基本恒定,不受温度的影响,可分为并联式电热带和串联式电热带。
    变功率电伴热又称自限式电伴热,是指电伴热的输出功率随被伴热介质温度的升高而下降,反之则增加。系统核心部分由两根平行母线和发热元件构成,发热元件的电阻率具有正温度系数(简称PTC)。将PTC材料均匀地挤塑在两根平行的金属线芯之间即可得到芯带。PTC材料一般由塑料加导电碳粒组成。在通电的电热带内,母线间的电路数量随温度的变化而变化:当电伴热周围的温度下降时,电路数量增加:当母线的温度升高时,电路数量减少。
(4)集肤效应伴热。当交流电通过铁磁性材料时,导体横截面上的电流分布是不相同的。在接近导体曲表皮部分电流比较集中,这种现象被称为集肤效应。管道集肤效应伴热(SECT)是利用集肤效应,使电能集中在一小口径碳钢管的内表面处转换为热能,并把热量传给管道。因电流集中在钢管的内表面,外表面几乎没有电流,所以自身能形成很好的绝缘结构。
2、国内外电伴热技术在原油管道输送中的应用
电伴热因具有效率高、温控准等优点,得到了快速的发展,但在原油管道输送中,各种电伴热技术发展并不均衡。
(1)阻抗伴热的应用。阻抗伴热耗资小,施工操作方便,但具有以下弊端:
①为保证工作人员的安全,需要安装变压器;
②接地极的总电阻要小于管体电阻值;
③伴热管道应与相邻的设备进行绝缘;
④地下使用该伴热系统时,会引起电流的大量流失。所以阻抗伴热技术常被用来对凝油管道进行电加热解凝。
(2)电磁感应伴热的应用。电磁感应伴热热流密度大,可自动控温,另外仅铁芯发热可消除设备发生火灾的危险。由于电磁感应伴热的热惯性小,所以断电后会马上断磁、停止加热,控温性能比较准确。但电磁感应伴热设备复杂,成本很高,一般用于对凝油管道进行电加热解凝。
(3)柔性材料伴热的应用。电缆伴热存在采用外部敷设时同管道的接触面积小,而内部敷设时又不便于清管等原因,所以电缆伴热较少应用于工程中。恒功率电热带热量稳定并且与长度成正比,使用的管道电伴热带越长,输出的总功率越大。当电热带交叉安装时局部管线温度有可能超过其最高承受温度,影响油质,而且电热带若有局部损坏,将影响其它部位的使用。
此外,恒功率电伴热还受节长的限制,利用率低。但其设计选型较为方便、一次投资较少,目前使用仍较为广泛。变功率电热带是整体发热,允许任意交叉重叠,并且在现场安装时可任意截其长度从而减少不必要的浪费。另外,电热带由无数并联结构组成,即使有局部损坏,也不影响其它部分的使用。自限式电热带伴热的性能是由制造它的PTC材料决定的,伴热温度受到限制,同时生产加工能力也制约了其长度(一般不到千米)。几年来,国内外短距离、伴热温度不高的原油输送多采用自限式管道电伴热带。
(4)集肤效应伴热的应用。集肤效应伴热技术与设备具有显著的优点:
①防爆功能,自身形成的绝缘结构成功地解决了电器装置和设备的绝缘问题;
②装置一体化,伴热管可实现工厂预制化,减少了工程量,缩短了工程周期;
③伴热温度高,有效维持温度可达0~230℃;
④热量利用率高,在输送管与加热管间的焊缝间隙内加入传热水泥后的热效率可与电缆伴热的内部敷设方式相比拟;
⑤伴热距离长,一个电源点的伴热距离最长可达24km;
⑥使用寿命长,耐热电缆具有十年的使用寿命。因此,在输送高凝原油、高含蜡原油时,国内外大企业多用该方法。
3、原油管道电伴热技术的发展前景展望
    理想的伴热技术要求伴热量能随温度的变化而变化,以保持原油温度的稳定。PTC材料完全符合这个要求,其功率随温度可调保证了它在技术上的先进性;最高的表面温度保证了它的安全性;整体发热和并联结构保证了它的可靠性。可以说,自限式电伴热是一种具有科研价值及市场推广价值的高技术产品,该项技术已取得令人瞩目的成就。
   自限式电热带今后的研发重点应在提高耐温等级和带体加长两方面寻求突破,以便占有更大的市场份额。原油管道输送工艺在伴热温度较高时常采用集肤效应伴热技术,其输出功率与电流频率有关,电流频率越高,集肤效应越明显,电流越趋于钢管表面,产生的焦耳热越多。
   目前集肤效应伴热的电源多为工频交流电源,集肤效应伴热的变频技术(工作频率可调)尚未完全成熟,是以后研发的重中之重。随着科技的进步,自限式电热带伴热技术与集肤效应伴热技术将有更为广阔发展空间。


摘自:王卫强 《油气田地面工程》

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