极寒地区某LNG模块工厂电伴热系统设计

张万期，张 磊，唐 松，陈金帅，蒋玉峰

(天津修船技术研究所 天津300456)

本文介绍的 LNG模块工厂处于北极地区，环境温度最低为-50,℃，操作温度最高要求达到 290,℃，严酷的低温环境必须大量使用电伴热以保证生产和工艺要求。

1 电伴热介绍

为了防止石油和天然气开发工程中工艺生产设施和生活设施的各种管线、阀门、仪表及容器等冻结而设计了电伴热系统。电伴热装置简单，发热均匀，温度准确，启动快速，可实现远控及遥控，具有防爆、防火性能，使用寿命长，可靠性高，运行成本低等优点，越来越多地被海洋石油和天然气行业所认可。

2 电伴热设计

本项目使用的电伴热材料涵盖瑞侃 RAYCHEM(国际知名电伴热供货商滨特尔 PENTRAIR旗下)所有系列产品。

2.1 电伴热带类型

电伴热带包括自调控电伴热(SR)、高温限功率电伴热(VPL)、恒功率聚合物绝缘电伴热带(XPI)、矿物绝缘电伴热(MI)、集肤效应电伴热(STS)等。自调控和矿物绝缘电伴热带安装如图1、2所示。

图1 自调控电伴热带安装图Fig.1 Installation picture of self-regulating heating cable(MI)heating

图2 矿物绝缘电伴热带安装图Fig.2 Installation picture of mineral insulated cable

2.2 电伴热设计原则

为确保电伴热系统的可靠性，电伴热设计遵循以下原则：

2.2.1 应急回路由应急电伴热盘供电。所有应急电伴热有备用回路(n+1运行设计)，主回路与备用回路由不同断路器保护。

2.2.2 管线电伴热主加热回路与备用加热回路电伴热带布置严格一致。

2.2.3 仪表电伴热冗余设计将取决于相关临界状态。正常类型仪表(2类)将采用单独电伴热带或固定在单独加热器盒中，并都由单独一路正常电源供电。应急类型仪表(1类)或关键类型仪表(1A类)将由至少两路电伴热带或固定在有两个独立加热器的盒中，并都由两路独立应急系统电源供电。

2.2.4 正常回路由正常现场盘供电。由应急现场盘供电的正常回路除外(某个远离正常现场盘的孤立正常回路电伴热)。此例不适用于应急回路，应急回路始终由应急现场盘供电。

2.2.5 主设备(泵、仪表等)的电伴热与其备用设备不能由同一电伴热盘以及同一回路供电。

2.3 电伴热回路配电典型图设计

2.3.1 典型图图例(见图3)

2.3.2 配电典型电路图1

描述：电伴热电缆直接连接到动力接线箱、配电盘、中间接线箱。

电气控制：监测盘柜所有开关的状态。

温度控制：温度和监测仅通过PACS监测允许最小的功率消耗，不监测电伴热系统温度。

冗余设计：无。

切负荷：在回路无指定的切负荷功能。

典型电路如图4所示。

图3 典型图图例Fig.3 Typical drawing legend

图4 典型电路图1Fig.4 Typical circuit diagram 1

2.3.3 配电典型电路图2

描述：电伴热电缆直接连接到动力接线箱、配电盘、中间接线箱。

电气控制：监测盘柜每个开关的状态。

温度控制：无温度控制，由第三方负荷系统管理。

冗余设计：无或由第三方提供冗余。

切负荷：在回路无指定的切负荷功能。

典型电路如图5所示。

图5 典型电路图2Fig.5 Typical circuit diagram 2

2.3.4 配电典型电路图3

描述：一个正常回路和一个冗余回路电伴热电缆连接到现场手动转换开关，开关连接到中间接线箱，中间接线箱再到电伴热盘。

电气控制：控制和监测盘柜每个开关。

温度控制：通过 PACS监测功率消耗，不监测温度。

冗余设计：现场维修时手动激活冗余回路。

切负荷：回路无指定的切负荷功能。

典型电路如图6所示。

图6 典型电路图3Fig.6 Typical circuit diagram 3

2.3.5 配电典型电路图4

描述：一个正常回路和一个冗余回路电伴热电缆连接到现场手动转换开关，转换开关连接到温度控制器，温度控制器连接到中间接线箱，中间接线箱最终连接到电伴热盘。

电气控制：控制和监测盘柜每个开关，配置多功能控制器。

温度控制：温度控制和监测测量工艺系统的温度，两个探针连接到温度控制器，当一个探针监测到损坏，通过自动开孔转换到冗余回路。

冗余设计：现场维修时手动激活冗余回路。

切负荷：高级切换负荷功能。

典型电路如图7所示。

图7 典型电路图4Fig.7 Typical circuit diagram 4

2.3.6 配电典型电路图5A

描述：正常回路和冗余回路电伴热电缆分别连接到温度控制器，温度控制器连接到中间接线箱，中间接线箱连接到电伴热盘。

电气控制：控制监测每个回路的电压、工作电流。

温度控制：温度控制和监测测量工艺系统的温度。

冗余设计：完全冗余自动激活。

切负荷：回路无指定的切负荷功能。

典型电路如图8所示。

图8 典型电路图5AFig.8 Typical circuit diagram 5A

2.3.7 配电典型电路图5B

描述：正常回路和冗余回路电伴热电缆分别连接到温度控制器，温度控制器连接到中间接线箱，中间接线箱再连接到电伴热盘。

图9 典型电路图5BFig.9 Typical circuit diagram 5B

电气控制：控制监测每个回路的电压，工作电流。

温度控制：温度控制和监测测量工艺系统的温度。

冗余设计：完全冗余自动激活。切负荷：高级切换负荷功能。

典型电路如图9所示。

2.3.8 配电典型电路图6A描述：集肤效应系统用于大于500,m的单管线。电气控制：监测电压、工作电流(当为 IT系统时无漏电)。

温度控制：温度控制和监测测量工艺系统的温度。

冗余设计：无。切负荷：无负荷切换。典型电路如图10所示。

图10 典型电路图6AFig.10 Typical circuit diagram 6A

2.3.9 配电典型电路图6B

描述：集肤效应系统用于大于 500,m的双管线，正常工况每个回路各带 50%,负荷，当一个回路出现问题，另一个回路带100%,负荷。

电气控制：监测电压、工作电流(当为 IT系统时无漏电)。

温度控制：温度控制和监测测量工艺系统的温度。

冗余设计：完全冗余自动激活。

切负荷：当应急柴油发电大增益时，切换到高级负荷功能。

典型电路如图11所示。

2.4 集肤效应电伴热

集肤效应电伴热系统是一种基于电流的集肤效应及邻近效应原理的电伴热系统，在应用中电流由耐温电缆将电流送到发热钢管的尾端，电流通过发热钢管返回时，仅沿着钢管很薄的内表面流动并发热，而钢管的外表面不带电，常用于长度比较长的钢管。电伴热安装图如图12所示。

图11 典型电路图6BFig.11 Typical circuit diagram 6B

图12 集肤效应电伴热典型图Fig.12 Typical diagram of Skin effect heat Tracing System(STS)

2.5 热系统控制网络图(见图13)

3 电伴热设备集中放置设计

图13 电伴热系统控制网络图Fig.13 The control network of Heat Tracing System(STS)

根据电伴热系统配电典型图，电伴热盘柜与电伴热带电源盒之间通常存在3种设备，分别为中间接线箱、转换开关和温度控制器。如果每个回路设备制作1个支架安装，每个模块将需要预制安装200多个电伴热设备支架，相应的电伴热电缆托架设计工作量也会增加很多，占用空间较大。通过分析，对上述 3类设备位置进行了集中放置设计及建模，根据每层甲板电伴热回路中间设备的数量来设计集中支架，采用就近原则定位，方便控制监测。该设计节省了大量模块空间和人力投入，节省项目成本，是实现“降本增效”的有效措施，值得类似项目推广。

3.1 电伴热设备集中放置

电伴热集中放置设计包括设备安装图、详细信息表和建模，典型图如图14所示。

3.2 电伴热中间设备集中放置的优点

3.2.1 节省设备支架安装成本和模块安装空间。每个模块设备安装支架由二百多缩减到十几个，大大节省了安装空间和施工工作量。

3.2.2 降低次级路径设计成本和托架安装成本。本项目要求所有电缆敷设于电缆托架和穿线管内，由于电伴热回路设备定位比较分散，若是按照原设计位置规划电缆路径，需要投入大量人力设计电缆托架和支架路径及建模，托架和托架支架材料成本较高，且占用空间较大，后期安装投入成本高。中间设备集中放置后，可以大大节省设计安装成本，设计更为合理。

表1 详细信息表Tab.1 Detailed information

图14 集中放置典型图Fig.14 Typical diagram of centralization relocation

3.2.3 方便施工更改。由于在施工工程中电伴热系统图纸屡次升版，电伴热回路设备不断调整，中间设备有增减。若是单回路设计，电伴热支架需要重新预制定位安装或报废割除。集中支架放置电伴热回路较多，设备较多，调整容易，可直接更换设备编号或重新打孔安装，利用支架空间，节省修改工作量。

3.2.4 布局更人性化。电伴热设备集中放置后，此区

域的电伴热回路工作状态集中监测，方便操作，比单回路定位安装布局合理，减少巡视点，更加人性化。

集中放置典型安装图如图15所示。

图15 集中放置典型安装图Fig15 Typical installation of centralized relocation

3.3 电伴热中间设备集中放置的问题

3.3.1 由于单个供配电回路从电伴热盘柜出来后一般分三级，电缆分别为1根、2根、4或6根，越是末端电缆根数越多。若是中间设备集中放置，电伴热系统总电缆长度相对于设备单独布置会增加。

3.3.2 由于极寒地区，每个模块电伴热供电回路较多，中间设备也较多，前期设备集中放置定位、电缆路径规划及建模工作量大，需设计投入大量人力。

综合考虑还是采用集中放置能够降本增效，提高项目质量。

4 结 语

本项目地处北极严寒地区，目前是全球首个北极圈天然气开发项目，严酷的低温环境必须大量使用电伴热以保证生产正常运行。本项目是截至目前电伴热系统设计最复杂、最完善，电伴热设备种类最多、最全，可靠性最高，程控化最大的LNG项目。电伴热系统典型配电回路及集中放置设计成果值得借鉴。

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