热工仪表导管电伴热系统的设计与应用

一、概述
    伴热作为一种有效的仪表取样管路保温及防冻方案在电厂中一直被广泛应用。其工作原理是通过伴热介质散发一定的热量，利用直接或间接的热交换补充被伴热管的热损失，以达到升温、保温和防冻的正常工作要求。在绝大多数电厂中，蒸汽伴热、防冻液及电伴热始终是主要的保温防冻方式。蒸汽伴热的工作原理是通过蒸汽伴热管道散热以补充被保温管道的热损失，但是其热能是不稳定的，属于不调节伴热方式，温度波动较大，整个管路伴热不均匀，可能造成被测介质汽化的可能，而且耗能较大。防冻液的工作原理是利用防冻液（一般为乙二醇型）冰点较低的物理性质，防止导压管路因低温凝固。电厂中需要伴热的仪表取样管路比较复杂，敷设伴热管道十分不便。另外，在冬季运行时，蒸汽伴热管道及防冻液经常会出现“泡、冒、滴、漏”现象，每年冬季电厂维修部门都不得不在管线保温上花费大量的人力和物力来确保电厂的冬季运行安全。故火电厂热工仪表导管采用电伴热作为首选的保温防冻方式。
二、电伴热原理
    电伴热原理是在绝热层和被伴热管道之间安装发热元件，在发出电热补充管路输储过程中散失的热量，以维持被伴热介质在一定的温度范围内。
    自控温电伴热方案主要通过自控温电拌热线完成。自控温电伴热线由导电塑料和两根平行母线加绝缘层、金属屏蔽网、防腐外套构成，其中由塑料加导电碳粒经特殊加工而成的导电塑料是发热主要部件。当伴热线周围温度较低时，导电塑料产生微分子收缩，碳粒连接形成电路使电流通过，伴热线开始发热；而温度较高时，导电塑料产生微分子膨胀，碳粒逐渐分开，导致电路中断，电阻上升，伴热线自动减少功率输出，发热量降低。当周围温度变冷时，塑料又恢复到微分子收缩状态，碳粒相应连接起来形成电路，伴热线发热功率又自动上升。由于整个温度控制过程是由材料本身自动调节完成的，其控制温度不会过高也不会过低。
    高温流体管道的伴热采用Mineral Insulation（MI）伴热电缆。MI伴热电缆属于恒功率电热带，俗称矿物绝缘电缆，使用合金保护层，中间是紧密氧化镁绝缘层，内层是固体合金或铜导线，这种高含量的镍/铬合金非常适合高温条件，最高耐温达593℃，其单位长度的发热量恒定，且不因外界环境、保温材料的变化而变化，通常只因温度传感器放置位置不同而变化。恒功率电热带的通断由温控器控制，能较准确地控制介质温度。但由于温控器检测的是某点的温度，不能准确反映整条被伴热管线的温度情况，因而具有一定的局限性。
           
三、电伴热设计规范
    作为防爆电气和电阻加热设备，涉及电伴热应用方面的标准规范包括：《危险环境用防爆电气设备标准》（GB3836.1-2000）；《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》（GB50058-92）；《火力发电厂热工自动化就地设备安装、管路及电缆设计技术规定》（DL/T 5182-2004）。
四、电伴热系统的设计
4.1 与热力计算有关的几个因素
4.1.1保温层厚度
    不同的保温材料在不同条件下的保温层厚度变化范围很大。我国仪表保温层厚度一般为10~30mm。仪表管线标注为“30/25”表示内保温厚度为30mm、外保温厚度为25mm；仪表管线标注为“25”表示外保温厚度为25mm（无需内保温）。具体计算管线散热量时，保温层厚度通常取25mm。
4.1.2 管线内介质温度
    根据电厂工艺流程的特点，仪表管道内介质可按高、中、低温3种情况考虑。高温介质主要包括过热蒸汽、再热蒸汽、省煤器进口给水及过热器减温水等；中温介质主要包括凝结水、除氧水等；低温介质为常温水。根据不同仪表管内的流体温度范围采用不同的伴热带产品，即能满足保温要求，又可降低工程造价。所以，高温介质（温度>200℃）的测量管道采用MI电伴热带；中温（65℃~200℃）和低温（最高承受温度为65℃）的测量管道采用自控温电伴热带。
4.1.2 保温材料的导热系数
    对仪表保温来说，当保温层厚度一定时，为了提高保温效果，应选用导热系数小的保温材料。设计一般选用硅酸铝保温材料，保温系数为0.044W/m.℃。
4.2 计算选型示例
    一根15m长的蒸汽压力测量管道，外径d为14mm，管线内介质温度(t1)为90℃，最低环境温度(t2)为-25℃，保温材料选用硅酸铝保温材料，保温系数λ为0.044W/m.℃，保温厚度δ为25mm，管道散热量计算如下：
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   电热带的敷设方式可采用平行法或卷绕法。如计算出的单位长度热损失小于电热带单位长度的额定发热值，一般采用平行法，即用铝胶带将电热带直接粘贴在管道上，并每隔0.5m用耐热胶带沿径向将电热带包扎即可。如计算出的单位长度热损失大于电热带单位长度的额定发热值，一般采用卷绕法。卷绕法电热带长度的确定是先计算出缠绕螺距S，然后根据缠绕螺距的大小计算出电热带的长度L。
                           
           
     以选用CWH2 -20W电热带、Q为示例中所算出的21W/m为例，计算出得S=137.38mm，则L=17.3m。
    施工现场用卷绕法敷设时，电伴热带长度通常是估算，即通常取被保温管线长度的1.5~2倍。若选取1.5倍系数，上例中15m长的被保温管线电伴热带的长度就需要22.5m，比计算所需的电伴热带长度多5.2m，造成了材料的浪费。施工中，仪表保护箱取样管出口上方设伴热电源接线盒安装导管，并设电源电缆密闭式线槽用以安装至电源接线盒的电缆。
4.3 电伴热的供电系统
    电伴热带需要220VAC供电。通常设计中，电伴热电源柜电源来自电气专业2路380VAC，分别是锅炉运转层MCC A段、锅炉运转层MCC B段。然后通过总电源开关（ATS 电源自动切换装置）、盘内小母线、熔断器分配给若干仪表保护箱供电回路。在上例选型示例中，按长度15m保温管线、管线内介质温度(t1)为90℃、米功率为20W/m的电热带；保护箱内配置1000W的电加热器、60W的白炽灯，电伴热的供电电流为1.37A，可选支路微型断路器容量为2A、保护箱主回路微型断路器容量为10A。
五、结论
    实践证明，按照本文所述的方法进行热工仪表导管电伴热的设计，使用效果良好，同时为投资方避免了浪费，节约了投资造价。