石化管線集膚效應(yīng)電伴熱研究

楊 帆，姜文全，石 宇

(1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2. 遼寧石油化工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001； 3. 中國石油遼寧沈陽東陵油庫，遼寧 沈陽 110165 )

石油、石化和化工等行業(yè)由于管線、設(shè)備需要在維持溫度( 高于環(huán)境溫度 ， 在規(guī)定 的設(shè)計條件下介質(zhì)或工藝物料所達(dá)到的處 于平衡狀態(tài)的特定溫度 ) 下運行[1]。由于存在熱損失，如果管線或設(shè)備只采取保溫措施，其溫度最終都會降到環(huán)境溫度。為了補償在傳輸過程中的溫度損失 ( 熱損失)， 則需要在傳輸管道外壁上安裝伴熱管道或伴熱帶， 對其進(jìn)行熱損的彌補。伴熱可以利用電流的集膚效應(yīng)來實現(xiàn)，稱為集膚效應(yīng)伴熱或電伴熱[2-4]。

1 集膚效應(yīng)伴熱基本原理

根據(jù)管徑的大小、伴熱溫度的高低，集膚效應(yīng)伴熱分為單管、雙管和三管伴熱。耐熱電纜穿在伴熱鋼管內(nèi)，在電纜的一端通入交流電［5,6］。當(dāng)交變電流經(jīng)電纜通過伴熱管壁時，在集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的作用下，電流不是均勻沿著管壁走，而是集中在伴熱管內(nèi)表層流過，如圖1所示，管壁集膚層導(dǎo)電截面減小，交流阻抗顯著增加，在相同的電流作用下，管線得到較大的加熱功率，經(jīng)傳導(dǎo)使輸油管線升溫。管內(nèi)電流密度的幅值按指數(shù)（e-x）衰減，工程上通常把電流密度衰減到極值的1/e倍時，離電流集中的表面的深度稱為電流的透入深度，一般用s表示。在此深度內(nèi)發(fā)熱量與電流平方成正比，從發(fā)熱角度來度量，此發(fā)熱量約等于鋼管總發(fā)熱量的85%以上，所以電流透入深度說明集膚效應(yīng)的強弱。電流透入深度s的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：s —電流透入深度，cm；

ρ —電阻率，Ω·cm；

f —電源頻率Hz；

μ —鋼管相對導(dǎo)磁率。

由式⑴得知，電流透入深度s與鋼管電阻率ρ、相對導(dǎo)磁率μ、電源頻率f有關(guān)系。當(dāng)電源頻率為50 Hz時，s值很?。s1 mm），表現(xiàn)出較強的集膚效應(yīng)，當(dāng)電源頻率增高達(dá)到中頻（500～1 600 Hz）時，s值更小，表現(xiàn)出更強的集膚效應(yīng)的效果，同時管線獲得很大的加熱功率。而伴熱管外表面電壓、電流為零，自身形成絕緣結(jié)構(gòu)。集膚效應(yīng)伴熱原理見圖1。

2 理論計算

伴熱功率計算：

式中： D2—保溫層外徑, m;

D1—保溫層內(nèi)徑, m;

K1—在平均溫度下, 保溫層的導(dǎo)熱系數(shù), W/(m2·℃);

hc0—夾克內(nèi)部與保溫接觸的傳熱系數(shù), W/(m2·℃);

h0—夾克外部與空氣接觸的傳熱系數(shù) W/(m2·℃);

hi—管道外與保溫層空氣接觸的傳熱系數(shù) W/(m2·℃);

Tp—介質(zhì)和管道的最終溫度,℃;

Ta—環(huán)境溫度,℃;

qc:伴熱電纜輸出功率, W/m。

圖1 集膚效應(yīng)伴熱原理圖Fig.1 The principle of skin- effect heating system

3 實驗論證

3.1 實驗設(shè)計參數(shù)

環(huán)境溫度：0 ℃;

輸油管線:Φ406×7 ,長度30 km;

保溫層: 耐高溫硬質(zhì)聚氨脂; 厚度60 mm;

原油初始溫度：90 ℃、原油終點溫度：76.8 ℃。

3.2 實驗工藝過程

集膚效應(yīng)加熱主要由輸油管道、伴熱管和耐熱電纜、保溫層及保護外殼四部分組成［6］。輸油管道和伴熱管為鋼管，伴熱管采用直徑Φ27×3的無縫鋼管雙管伴熱，間斷地焊接在輸油管道上，耐熱電纜穿在伴熱管中，外面是保溫層和防水外殼(如圖1)。集膚效應(yīng)作為伴熱功能，管線運行溫度高于設(shè)定溫度時，自動停運；管線運行溫度低于設(shè)定溫度時，自動開啟為確保集膚效應(yīng)伴熱運行安全，伴熱管線端點各設(shè)接地極組、管線中點處設(shè)接地極組、管設(shè)接地極組，其接地電阻不大于4 Ω，其電流走向如圖2。在管上安上圖安裝8個溫度變送器（如圖4），分別測試并計錄溫度在加熱冷卻時的變化。溫度每隔7分鐘記錄1次。

圖2 集膚伴熱實驗電路圖Fig.2 The experiment circuit diagram of skin heat tracing

圖3 伴熱管電流示意圖Fig. 3 Heat tracing pipe current diagram

圖4 測溫點布置Fig.4 Temperature measuring point arrangement

3.3 實驗數(shù)據(jù)分析

圖5 電纜、伴熱管、油溫-時間曲線Fig.5 Cable, heating tube, temperature-time curve

由圖5可知原油溫度的升溫速率:

K1:0.364 7 ℃/h (從第1日8:30—第4日16:00)

K2:0 ℃/h (從第4日16:00—第5日2:00)

K3: 0.353 ℃/h (從第5日2:00-第6日6:20)

K4: 0 ℃/h (從第6日6:20—第7日10:40)

K5: 0.55 ℃/h (從第7日10:44—第8日7:56)

4 結(jié)束語

在東北寒冷季節(jié)，石化管線的蒸汽回水伴熱管可能會被凍壞；而集膚效應(yīng)電伴熱能為各種鋼質(zhì)輸送管道提供伴熱，其敷設(shè)方式更適合為復(fù)雜或遠(yuǎn)離裝置的管線伴熱，適用于任何場所直埋或架空敷設(shè)的管線。另外集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)的耐熱集膚電纜在伴熱熱管內(nèi)，伴熱熱管與工藝管道焊在一起， 外面加有保溫層和保護外殼， 加熱效率顯著提高。

［1］ 常瑞增. 集膚效應(yīng)電伴熱替代蒸汽伴熱的應(yīng)用[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2011(2):36-38.

［2］ Chang Ruizeng. Application of Skin Effect Electric Tracer Heating System in Wharf Crude Oil Pipeline [J]. Port Engineering Technology，2011，48（5）:47-49.

［3］ 嚴(yán)大凡,等: 輸油管道設(shè)計與管理[M].北京：石油工業(yè)出版社，1986.

［4］ 楊筱蘅，張國忠．輸油管道設(shè)計與管理[M].東營：石油大學(xué)出版社，1996.

［5］ 那維豐,王輝,才小麗．海底管線集膚效應(yīng)電伴熱裝置:中國，200820133292[P]． 2009-08-12.

［6］ 王照亮，梁金國，王彌康． 電伴熱采油和輸油工程設(shè)計[J]．石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1998(2)．