一种分段变功率的集肤效应电伴热装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种分段变功率的集肤效应电伴热装置，属于电伴热装置技术领域。


背景技术：

2.集肤效应电伴热系统基本结构是：一根铁磁性钢管道沿被加热的物体(通常是管件)平行连续架设，管道内部贯穿一根和管道等长的单芯结构的绝缘电缆，电缆末端的芯线和钢管末端牢固压接、电缆首端芯线和管道首端接负载交流电压，通电时，二相交流电从电缆首端流到末端、再从末端沿钢管回到首端，由于钢管材质为铁磁性的无缝钢管，根据交流电的临近效应和管道集肤效应作用，流经钢管的电流集中在钢管内壁而形成涡流发热，同时因钢管外壁和大地是等电位的，所以钢管外层无需做绝缘层而涡流热量却可以透过外壁和外界发生热量交换，从而达到加热/伴热作用。
3.常规集肤电伴热系统是根据管线长度和加热功率定制设计的，由于设计计算的复杂性，电伴热系统一般按统一规格的集热管道和加热电缆进行均一性设计。在统一规格的集热管道、集热加热电缆回路长度下，集肤电伴热系统的加热回路阻抗沿管路是均匀的，当给定电压下，因加热回路的电流值恒定，所以常规的集肤电伴热回路沿管路的加热功率输出是均匀的。
4.在石油化工领域或消防领域，液体介质单一长输管道有时长达数公里至数十公里，管道实际根据工艺流程和路由会发生变化，比如工艺介质管道远端变径(通常主管变支管后管径变细)、工艺管道局部埋地或穿越涵洞、或者工艺管道因标段不同采用不同材质或不同厚度的保温层。在上述这些情况下，每个工艺管段实际的散热量会不均匀，换言之：同一个管道路由中，孔径粗的管段比孔径细的管段因散热量大需要更多的补偿加热量、保温效果差的管段也比保温效果好的管段需要更多的补偿加热量。
5.常规集肤电伴热是整体工艺管道设计，给予工艺管道各部位均一的发热材料和均一的补偿热量。常规集肤电伴热系统设计将出现以下情况：电伴热首端加热功率不足以反映整体工艺管道的需要伴热功率，有可能局部伴热功率偏高，造成不必要的能耗变大；也有可能局部伴热功率不够，可能会造成该部位管内介质温度下降或冷凝。
6.但是，目前的集肤电伴热系统的设计是按管路均一性考虑的，加热功率是单一的，往往跟不上工艺管道实际路由变化(如工艺管道变径、如工艺管道埋地或穿越涵洞和架空同时出现在一个流程中)。因此，目前的集肤效应电伴热系统设计控制存在一定的局限性。


技术实现要素：

7.本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种分段变功率的集肤效应电伴热装置，能够依据不同部位进行特定电热功率的输出，避免因电热回路各处恒定不变的输出功率造成局部过渡补偿或欠补偿，适用范围广。
8.本实用新型解决上述问题所采用的技术方案为：一种分段变功率的集肤效应电伴
热装置，包括多段集肤加热电缆，任一所述集肤加热电缆分别设于集热钢管内，相邻所述集热钢管之间设有中间接线盒，所述中间接线盒连接相邻布置的集肤加热电缆的芯线；首个所述集热钢管与电源接线盒连接，且首个所述集肤加热电缆的芯线与电源控制柜的相线a压接，所述电源控制柜的相线b与电源接线盒内的接地螺丝压接；末个所述集热钢管尾端设有尾部接线盒，末个所述集肤加热电缆的芯线与尾部接线盒内的接地螺丝压接，形成一个串联回路。
9.还设有温度传感器，所述温度传感器设于集肤钢管外的工艺管道上，且所述温度传感器与集肤控制柜电连接，所述温度传感器对将各段集热钢管上的温度进行监测并反馈于集肤控制柜。
10.与现有技术相比，本实用新型的优点在于：一种分段变功率的集肤效应电伴热装置，通过改变各段发热材料结构从而来调整阻抗，实现不同部位进行特定电热功率输出，避免了因电热回路各处恒定不变的输出功率而造成局部过渡补偿或欠补偿，扩大了适用范围；可以推广到主管、支管、分支管路串联型集肤电伴热系统，也可以推广到同一管路不同工作标段(如同一管径下，不同工况如埋地标段和架空标段；或同一管径下，不同保温材料和保温厚度情况)串联型集肤电伴热系统。
附图说明
11.图1为本实用新型实施例一种分段变功率的集肤效应电伴热装置的设计框图；
12.图2为本实用新型实施例一种分段变功率的集肤效应电伴热装置的系统图；
13.图3为本实用新型实施例一种分段变功率的集肤效应电伴热装置的负载回路等效示意图；
14.图4为本实用新型实施例一种分段变功率的集肤效应电伴热装置的分段阻抗示意图；
15.图5为本实用新型实施例一种分段变功率的集肤效应电伴热装置的负载回路管路分压示意图；
16.图中1电源控制柜、2接地螺丝、3电源接线盒、4第一集肤加热电缆、5第一集热钢管、6中间接线盒、7第二集肤加热电缆、8第二集热钢管、9尾部接线盒。
具体实施方式
17.以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
18.如图1、2所示，本实施例中的一种分段变功率的集肤效应电伴热装置，包括两段集肤加热电缆：第一集肤加热电缆4和第二集肤加热电缆7，第一集肤加热电缆4设于第一集热钢管5内，第二集肤加热电缆7设于第二集热钢管8内。第一集热钢管5和第二集热钢管8之间设有中间接线盒6，第一集肤加热电缆4一端的芯线和第二集肤加热电缆7的芯线通过铜管压接，且压接处设于中间接线盒6内。第一集热钢管5前端与电源接线盒3连接，第一集肤加热电缆4另一端的芯线通过铜管与电源控制柜1的相线a压接，电源控制柜1的相线b与焊接在电源接线盒3内的接地螺丝2通过螺母紧密压紧。第二集热钢管8尾端设有尾部接线盒9，第二集肤加热电缆7另一端的芯线通过接线鼻和焊接在尾部接线盒9内的接地螺丝通过螺母紧密压接，形成一个串联式加热回路。
19.集热钢管外的被保温的工艺管道上还分别设有温度传感器，温度传感器可为热电阻或热电偶。温度传感器与集肤控制柜的测温仪表电连接，温度传感器对将各段集热钢管的温度进行监测并反馈于集肤控制柜，通过测温仪表的设定温度，实现自动启停。
20.上述这样形成一个完整的集肤效应负载加热回路装置，当电源控制柜的二根相线施加二相交流电uac时，回路将在第一集热钢管和第二集热钢管内壁感应产生涡流，电流经相线a沿第一集肤加热电缆、第二集肤加热电缆，并经尾端接线盒内壁后继续沿第二集热钢管、中间接线盒内壁、第一集热钢管和电源接线盒内壁后回到电源控制柜的相线b。
21.上述集肤效应电伴热装置设计，包括以下步骤：
22.步骤一、
23.确认管路参数，比如管路总长为第一集热钢管的长度与第二集热钢管的长度之和，其中第一集热钢管段的管径为φ1，保温材料m1厚度为δ1；第二集热钢管段的管径为φ2，保温材料m2厚度为δ2。
24.步骤二、
25.根据工艺要求计算第一集热钢管段和第二集热钢管段各自最大和平均散热量和可能的管内介质升温所需热量，从而确定第一集热钢管段和第二集热钢管段分别需要补偿伴热功率的允许值变动范围，作为集肤电伴热系统有功功率参考。
26.步骤三、
27.根据基尔霍夫定律，交流电的串联回路流经负载阻抗阻的电压降随阻抗值也为线性变化，在确定整个管路的集肤电伴热系统所需总有功功率后，再分段确定第一集热钢管段和第二集热钢管段所需功率。
28.步骤四、
29.如图4、5所示，给定集肤电伴热回路载总电压u,设计出上述该分段管段各自所需的阻抗值，以及回路总阻抗值z(z＝z11+z12+z21+z22)，确定串联负载系统分压比例(u＝{[u11+u12]+[u21+u22]})。
[0030]
步骤五、
[0031]
根据负载回路各段所需阻抗值，优选不同规格尺寸的集热钢管和集肤加热电缆，进行计算匹配，达到理想数据组合。
[0032]
一种分段变功率的集肤效应电伴热装置的原理如下：
[0033]
如图3所示，其中r11和r21代表第一集热钢管和第二集热钢管的交流阻抗，l11、和l21代表第一集热钢管和第二集热钢管的等效电感量，r12和r22代表第一集肤加热电缆和第二集肤加热电缆的交流阻抗，l12和l22代表第一集肤加热电缆和第二集肤加热电缆7的等效电感量；上述4个等效阻抗和4个感抗元件组成一个串联回路，由于所有接线盒和集热钢管采用高导磁材料，在电源控制柜的两相线间施加交流电压，当集肤加热电缆串接在集热钢管和接线盒内部时，因交流电的趋肤效应和相反电流的临近效应，即使频率为50hz工频情况下，感应电流就会沿相线a流出到集肤加热电缆芯线、并流经尾端盒内部接地螺丝、集热钢管和接线盒内壁有限的壁厚内流回另一相线b。
[0034]
因集热钢管和集肤加热电缆的芯线具有一定的电阻r，根据焦耳定律p＝i2·
r，电流流过时将在集热钢管和集肤加热电缆芯线上产生热量，只要精心设计控制该部位的电抗(阻抗+感抗)，那么就可以根据各段的电抗值算出分压比例，当设计该部位需要多少伴热功
率，就可以算出总电压，从而给各段工艺管道部位进行精确匹配发热功率。各部位的电抗(阻抗+感抗)可以根据集热钢管和集肤加热电缆的材料和尺寸计算得出，从而可以最终完成集热钢管和集肤加热电缆规格和数量匹配。
[0035]
主要公式应用：
[0036]
设定回路工作电压uac下：
[0037]
(1)等效回路总电抗z：
[0038]
z＝z11+z12+z21+z22
[0039]
(2)等效回路电流i：
[0040]
i＝uac/|z|(电抗的模去除电压)
[0041]
(3)第一集热钢管和第二集热钢管的电抗z11、z21:
[0042]
z11＝r11+j 2πf
·
l11(f频率下交流阻抗+感抗，j2＝-1下同)
[0043]
z21＝r21+j 2πf
·
l21
[0044]
(4)第一集肤加热电缆和第二集肤加热电缆的电抗z12、z22:
[0045]
z12＝r12+j 2πf
·
l12
[0046]
z22＝r22+j 2πf
·
l22
[0047]
(5)等效电路发热功率p为交流电路的各单元有功功率代数和：
[0048]
p＝[p11+p12]+[p21+p22](l1和l2段的发热功率)
[0049] ＝i2·
{[r11+r12]+[r21+r22]}
[0050]
(6)第一集热钢管段和第二集热钢管段的每单位长度发热有功功率p01和p02:
[0051]
p01＝p1/(l1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
p02＝p2/(l2)
[0052]
ꢀꢀꢀ
＝{[p11+p12]/(l1)}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
＝{[p21+p22]}/(l2)
[0053]
ꢀꢀꢀ
＝i2·
{[r11+r12]}/(l1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
＝i2{[r21+r22]}/(l2)
[0054]
(7)回路运行视在功率s为有功功率p与无功功率q之和。
[0055]
根据p0要求，可以分别求得p11、p12、p21、p22下电流i值。而r11和l11、r21和l21、r12和l12、r22和l22均可根据一定温度和交流电频率f下的钢管磁导率和电阻率、钢管内径和外径、电缆芯线电阻率和截面积下求得，也即各部位电抗可定(z可定)；从而求得设定的电压uac。
[0056]
通过2个集热钢管段功率分配、分压要求得到的r11和l11、r21和l21、r12和l12、r22和l22值，在给定长度下，我们可以通过对确定钢管材料下组合不同内外径、对满足电流密度下的集肤加热电缆芯线选择不同导线材质和截面，就可精确地对第一集热钢管段和第二集热钢管段进行功率匹配。
[0057]
本技术通过改变各段发热材料结构从而来调整阻抗，实现不同部位进行特定电热功率输出，避免了因电热回路各处恒定不变的输出功率而造成局部过渡补偿或欠补偿，扩大了适用范围；可以推广到主管、支管、分支管路串联型集肤电伴热系统，也可以推广到同一管路不同工作标段(如同一管径下，不同工况如埋地标段和架空标段；或同一管径下，不同保温材料和保温厚度情况)串联型集肤电伴热系统。
[0058]
除上述实施例外，本实用新型还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本实用新型权利要求的保护范围之内。