電伴熱是指用電能補(bǔ)充被伴熱物體在輸送工藝過程中的熱損失，使流動(dòng)介質(zhì)溫維持在一定的工藝溫度范圍內(nèi)。本文介紹了在原油管輸過程中各種電伴熱技術(shù)結(jié)構(gòu)、機(jī)理及應(yīng)用現(xiàn)狀，并指出自限式電伴熱和集膚效應(yīng)伴熱有著較為廣闊的發(fā)展前景。
 1、電伴熱是指用電能補(bǔ)充被伴熱物體在輸送工藝過程中的熱損失，使流動(dòng)介質(zhì)溫度維持在一定的工藝溫度范圍內(nèi)。管道電伴熱有以下4種類型：
（1）阻抗伴熱。阻抗伴熱分直流電伴熱和交流電伴熱。它要求管道等徑，并且在加熱的管段上沒有副管和閥門。
（2）電磁感應(yīng)伴熱。電磁感應(yīng)伴熱是一種利用電磁感應(yīng)原理及感應(yīng)電流通過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使工件快速加熱的方法。電磁感應(yīng)伴熱一般分為3類：工頻電磁感應(yīng)伴熱、中頻電磁感應(yīng)伴熱和高頻電磁感應(yīng)伴熱。電磁感應(yīng)伴熱效率可達(dá)到80%以上，并且加熱速度極高。
（3）柔性材料伴熱。柔性材料伴熱是靠導(dǎo)體通電時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱來加熱管道，包括電纜伴熱和電伴熱。電伴熱是用銅或銅合金制成芯線，芯線外面用具有良好的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性的材料做成絕緣層，最外層用銅或不銹鋼制成的封閉的鎧裝。電纜伴熱有兩種敷設(shè)方式：①管道內(nèi)部敷設(shè)；②管道外部敷設(shè)。電伴熱傳熱效果優(yōu)于電纜伴熱。電伴熱外形扁平便于與管道接觸，分為恒功率和變功率兩大類。恒功率電伴熱單位長(zhǎng)度的發(fā)熱功率基本恒定，不受溫度的影響，可分為并聯(lián)式電熱帶和串聯(lián)式電熱帶。
    變功率電伴熱又稱自限式電伴熱，是指電伴熱的輸出功率隨被伴熱介質(zhì)溫度的升高而下降，反之則增加。系統(tǒng)核心部分由兩根平行母線和發(fā)熱元件構(gòu)成，發(fā)熱元件的電阻率具有正溫度系數(shù)（簡(jiǎn)稱PTC）。將PTC材料均勻地?cái)D塑在兩根平行的金屬線芯之間即可得到芯帶。PTC材料一般由塑料加導(dǎo)電碳粒組成。在通電的電熱帶內(nèi)，母線間的電路數(shù)量隨溫度的變化而變化：當(dāng)電伴熱周圍的溫度下降時(shí)，電路數(shù)量增加：當(dāng)母線的溫度升高時(shí)，電路數(shù)量減少。
（4）集膚效應(yīng)伴熱。當(dāng)交流電通過鐵磁性材料時(shí)，導(dǎo)體橫截面上的電流分布是不相同的。在接近導(dǎo)體曲表皮部分電流比較集中，這種現(xiàn)象被稱為集膚效應(yīng)。管道集膚效應(yīng)伴熱(SECT)是利用集膚效應(yīng)，使電能集中在一小口徑碳鋼管的內(nèi)表面處轉(zhuǎn)換為熱能，并把熱量傳給管道。因電流集中在鋼管的內(nèi)表面，外表面幾乎沒有電流，所以自身能形成很好的絕緣結(jié)構(gòu)。
2、國(guó)內(nèi)外電伴熱技術(shù)在原油管道輸送中的應(yīng)用
電伴熱因具有效率高、溫控準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，得到了快速的發(fā)展，但在原油管道輸送中，各種電伴熱技術(shù)發(fā)展并不均衡。
（1）阻抗伴熱的應(yīng)用。阻抗伴熱耗資小，施工操作方便,但具有以下弊端：
①為保證工作人員的安全,需要安裝變壓器；
②接地極的總電阻要小于管體電阻值；
③伴熱管道應(yīng)與相鄰的設(shè)備進(jìn)行絕緣；
④地下使用該伴熱系統(tǒng)時(shí)，會(huì)引起電流的大量流失。所以阻抗伴熱技術(shù)常被用來對(duì)凝油管道進(jìn)行電加熱解凝。
（2）電磁感應(yīng)伴熱的應(yīng)用。電磁感應(yīng)伴熱熱流密度大，可自動(dòng)控溫，另外僅鐵芯發(fā)熱可消除設(shè)備發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)。由于電磁感應(yīng)伴熱的熱慣性小，所以斷電后會(huì)馬上斷磁、停止加熱，控溫性能比較準(zhǔn)確。但電磁感應(yīng)伴熱設(shè)備復(fù)雜，成本很高，一般用于對(duì)凝油管道進(jìn)行電加熱解凝。
（3）柔性材料伴熱的應(yīng)用。電纜伴熱存在采用外部敷設(shè)時(shí)同管道的接觸面積小，而內(nèi)部敷設(shè)時(shí)又不便于清管等原因，所以電纜伴熱較少應(yīng)用于工程中。恒功率電熱帶熱量穩(wěn)定并且與長(zhǎng)度成正比，使用的電伴熱帶越長(zhǎng)，輸出的總功率越大。當(dāng)電熱帶交叉安裝時(shí)局部管線溫度有可能超過其最高承受溫度，影響油質(zhì)，而且電熱帶若有局部損壞，將影響其它部位的使用。
此外，恒功率電伴熱還受節(jié)長(zhǎng)的限制，利用率低。但其設(shè)計(jì)選型較為方便、一次投資較少，目前使用仍較為廣泛。變功率電熱帶是整體發(fā)熱，允許任意交叉重疊，并且在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)可任意截其長(zhǎng)度從而減少不必要的浪費(fèi)。另外，電熱帶由無數(shù)并聯(lián)結(jié)構(gòu)組成，即使有局部損壞，也不影響其它部分的使用。自限式電熱帶伴熱的性能是由制造它的PTC材料決定的，伴熱溫度受到限制，同時(shí)生產(chǎn)加工能力也制約了其長(zhǎng)度（一般不到千米）。幾年來，國(guó)內(nèi)外短距離、伴熱溫度不高的原油輸送多采用自限式電伴熱帶。
（4）集膚效應(yīng)伴熱的應(yīng)用。集膚效應(yīng)伴熱技術(shù)與設(shè)備具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：
①防爆功能，自身形成的絕緣結(jié)構(gòu)成功地解決了電器裝置和設(shè)備的絕緣問題；
②裝置一體化，伴熱管可實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制化，減少了工程量，縮短了工程周期；
③伴熱溫度高，有效維持溫度可達(dá)0～230℃；
④熱量利用率高，在輸送管與加熱管間的焊縫間隙內(nèi)加入傳熱水泥后的熱效率可與電纜伴熱的內(nèi)部敷設(shè)方式相比擬；
⑤伴熱距離長(zhǎng)，一個(gè)電源點(diǎn)的伴熱距離最長(zhǎng)可達(dá)24km；
⑥使用壽命長(zhǎng)，耐熱電纜具有十年的使用壽命。因此，在輸送高凝原油、高含蠟原油時(shí)，國(guó)內(nèi)外大公司多用該方法。
3、原油管道電伴熱技術(shù)的發(fā)展前景展望
    理想的伴熱技術(shù)要求伴熱量能隨溫度的變化而變化，以保持原油溫度的穩(wěn)定。PTC材料完全符合這個(gè)要求，其功率隨溫度可調(diào)保證了它在技術(shù)上的先進(jìn)性；最高的表面溫度保證了它的安全性；整體發(fā)熱和并聯(lián)結(jié)構(gòu)保證了它的可靠性。可以說，自限式電伴熱是一種具有科研價(jià)值及市場(chǎng)推廣價(jià)值的高技術(shù)產(chǎn)品，該項(xiàng)技術(shù)已取得令人矚目的成就。
   自限式電熱帶今后的研發(fā)重點(diǎn)應(yīng)在提高耐溫等級(jí)和帶體加長(zhǎng)兩方面尋求突破，以便占有更大的市場(chǎng)份額。原油管道輸送工藝在伴熱溫度較高時(shí)常采用集膚效應(yīng)伴熱技術(shù)，其輸出功率與電流頻率有關(guān)，電流頻率越高，集膚效應(yīng)越明顯，電流越趨于鋼管表面，產(chǎn)生的焦耳熱越多。
   目前集膚效應(yīng)伴熱的電源多為工頻交流電源，集膚效應(yīng)伴熱的變頻技術(shù)（工作頻率可調(diào)）尚未完全成熟，是以后研發(fā)的重中之重。隨著科技的進(jìn)步，自限式電熱帶伴熱技術(shù)與集膚效應(yīng)伴熱技術(shù)將有更為廣闊發(fā)展空間。

摘自：王衛(wèi)強(qiáng) 《油氣田地面工程》