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长输油管集肤效应伴热应用技术
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摘要:在工业项目中,特别是在化工、医药、煤炭、石油等行业的工业项目中,伴热技术被广泛应用。集肤效应电伴热系统具有适用性强、安全可靠、安装维护简单、加热效率高、易于控制等特点,成为成为伴热系统的发展方向。
关键词:长输油管;码头;集肤伴热;
1.工程概况
由本公司总承包的海南省洋浦港油品码头及配套储运设施工程项目,位于洋浦经济开发区神头港区,建设30万吨级原油泊位和5万吨级成品油泊位各1个、原油储罐120万立方米、成品油储罐12万立方米,陆域占地800.25亩,年设计通过能力2400万吨。码头吞吐量为2160万t/a,其中原油2000万t/a,成品油160万t/a。
1.1施工主要工作内容
其中两根42"和两根36"原油管线上应用集肤伴热技术。集肤伴热主要工程量见下表1。
集肤伴热主要工程量表表1
1.2设计要求
(1)要求介质极限温度工作温度70℃,介质操作温度范围在49~51℃,原油管道最高维持50℃。
(2)电伴热系统要求:电源电压:10KV/380V、50Hz
(3)自然条件:
年平均气温:24.7℃
最低月平均气温:18.9℃
极端低气温:7.3℃
最大风速:SW向32.3m/s
气象条件:高温、高盐、高湿,台风多发。
(4)管道保温材料:高温玻璃棉(导热系数最大0.04w/m.℃),绝热厚度120mm。
(5)设备防爆防腐要求:防爆2区,温度组别T3,爆炸性气体组别IIB,室外防护等级IP65。
(6)控制要求:
控制室内实现电伴热系统回路的温度显示和温度超限报警,温控器采用数字温控、配电柜具有声光报警、采用遵守MODBUS协议、通讯RS-485接口、集肤电伴热配电柜设手自动切换开关、电热带配电箱内预留1个出线回路、所有配电箱设短路、过流过热和漏电保护功能。
(7)集肤效应变压器采用干式SCOTT变压器、分别安置于罐区防火墙外的1#和2#配电所内。
1.3工程难点与特点
(1)本项目处于高温、高盐、高湿,台风多发地区,海洋盐雾效应及台风季雨等极易腐蚀电伴热套管,如何确保电伴热套管的施工质量及使用年限。
(2)根据现场使用环境和要求,如何选择最合适、最经济的集肤效应伴热系统。
(3)本项目管道较长,单回路管道敷设长度为3Km多,总长22Km,温度控制误差在液体流动过程中将会沿着流动方向进行积累,最终造成温度误差较大,如何监控过程温度,减少温度误差。
(4)在确保保温效果的基础上,如何将控制系统的效率最大化,从而将无用损耗降到最低是系统应用中的长远问题。
2.技术原理及流程
2.1集肤伴热原理
(1)当交流电通过导体时,在导体截面上的电流密度是不一样的,接近导体表皮部分的电流密度较内部的要集中,并且随着交流电频率和导体材料的磁导率的增加,在导线截面上的电流越向导体表面集中。这种现象在电磁学上被称作“趋肤效应”。
(2)趋肤效应(skineffect)的本质是电磁波在导体内衰减,通过电磁感应过程将大部分电能以涡流形式转化为热效应,另一部分电能在交流电路中以无功功率形式存在。
(3)集肤电伴热系统应用“趋肤效应”原理,简单表述为:一根绝缘导体(集肤电缆)穿在一铁磁体钢管里边,电缆一端(末端)与钢管末端(远端)连接,电缆始端和钢管始端之间通以交流电,电流经电缆始端到末端,再从钢管末端返回钢管始端。穿管的电缆由于其周围交变磁场在钢管内感应,带来磁滞损耗产生的热量W1,以及闭合回路电流在钢管上产生涡流W2,附加产生的热量是电缆芯线自身的电阻热W3。
所以总耗散热量计算可表达为:
W=W1+W2+W3
=∫H·dB+I2·RFe++I2·RCu
上式中:∫H·dB为对磁路一个磁滞回线的环积分;
I为回路线电流;
RFe为回路阻抗,以涡流形式进行能量耗散;
RCu为集肤电缆线芯电阻。
在电缆和钢管返回电流的交叉作用下,电流集中在钢管的内表面,这种现象从接近效果上讲,被称为集肤效应,故以该现象设计的电伴热系统被命名为集肤效应电伴热。
集肤电伴热系统结构示意见图如下:
1、交流电源2、集肤电缆3、伴热管4、接线盒5、集肤电流层
图1集肤电伴热系统结构示意图
2.2伴热形式的确定
针对本项目42”、36”原油管道是采用单伴热还是双伴热,在确定时,应用了伴热系统热学有限元仿真技术对伴热温度场进行计算机仿真。具体如下:
2.2.1单根伴热
第一种情况是单根伴热管对石油管道进行伴热,建立模型如图2.1所示。在建立模型之后,进行材料属性的设置,然后进行网格划分,划分示意见图2.2。
(2.1)模型建立(2.2)网格划分
图2石油管道单根伴热管伴热模型及网格划分
在加载了相应的激励源和边界条件之后,得到单根伴热管情况下的温度场分布图和热流
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