液体硫磺的安全输送

脱 硫 ·硫 回收 硫酸工业，2010(1)：45—48 Sulphuric Acid Industry 液体硫磺的安全输送 J．BERES，F．CHAKKALAKAL (Tyco Thermal Controls公司，美国) 摘 要：探讨了硫磺的物理性质，论述了利用集肤效应伴热技术及分布式光纤温度传感技术安全输送液硫的 基本特点。这两种技术的结合为液硫管道提供了先进的伴热设计，大大改进了再熔融过程的安全性和可靠性。作 为一种热信息采集工具，光纤技术不仅能对正常运行期间液硫管道的热点和冷点进行实时识别，而且可大大增强 试车和开车阶段的故障排除能力。 关键词：液体；硫磺；管道 ；伴热 ；集肤效应；光纤；分布式温度传感系统 中图分类号：TQ111．14 文献标识码：B 文章编号：1002—1507(2010)01—0045—04 今天，对能量的需求驱使人们竭力寻找一切 品位和组成的石油。因为所发现的原油大部分都 是酸性的，所以硫磺产量大幅提高，远远超过硫磺 需求量，生产商不得不将硫磺输送到现场以外的 地点进行造粒、储存。 硫磺管道的伴热一直是业内的一项挑战，这 是因为熔融硫磺的温度操作窗口很窄，常常只有 30—40 cc。为了有效地进行泵送，硫磺的温度至 少应比其固化温度高 5 oC；但是如果温度过高，硫 磺又会变得过于粘稠而无法输送。另一个重要考 虑因素是管道内固化硫磺的重新熔融，这也是个 棘手的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。最近越来越多的人倾向于将硫磺管 道埋在地下，以防止恐怖分子的袭击，同时提高可 靠性和安全性。 1 硫磺的性质 硫磺是一种其物理性质随温度而显著变化的 元素。硫磺在常温下是固体，以斜方硫和单斜硫 两种结晶及无定形硫的形态存在。两种结晶均由 八原子环构成，但是各自的环排列及原子间距离 不相同。无定形硫是当液硫被加热到高温后迅速 冷却而形成的，在室温下会慢慢变成斜方硫结晶。 液硫的流动性随着温度的升高而增强，直到 温度达到 155～160 oC为止。此时液硫会通过八 原子硫环的互连而形成长链硫分子，黏度随之急 剧增加，以致泵送操作变得不可能。图 1 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示了 硫磺黏度与温度的关系。 皇 耦 93 149 204 260 316 3 71 427 482 温度／℃ 图1 硫磺黏度与温度的关系 液硫通常在 140～145 oC下由管道输送。管 道伴热系统将整个管长内的液硫平均温度保持在 135～140 oC。硫磺的最低输送温度 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 为 122～ 125℃，因此在正常操作期间有 13—15℃的安全 裕量。 当硫磺由于冷却而从液态变为固态时，其体 积将收缩约 10％，这是由于在相变期间八原子环 的排列和原子间的距离发生了变化。如果硫磺在 管道内固化，收缩时会沉降到下凹弯头内，从而在 管内留下部分空隙。在再熔融期间，通过沿整个 管长均匀地加热，膨胀的液体将再次充满所产生 的空隙。再熔融操作必须仔细地控制和监测，如 果一节管段再熔融时受到相邻实心管段的牵制， 则产生的过压条件可能导致管道破裂。为了限制 收稿 日期 ：2009—10—3l。 ※通信 联 系人：J．BERES，Vice President at Tyco Thermal Controls。 E·mial：info@ tycotherma1．corn； www．tycotherma1．com。 · 46· 硫 酸 工 业 2010年第 1期 空管段的过热，可采用分布式光纤温度传感系统 来监测整个管长的加热过程，以确保在此期间管 道或其保温层不被损坏。 2 集肤效应伴热系统 2．1 基本原理 集肤效应加热是一种串联电路加热技术 ，它 基于电磁理论 中两个已十分确定 的现象—— “集肤效应”和“邻近效应”。在承载交流电的导 体内，整个截面的电流密度并不是均匀的，而是 在靠近表面的地方更大些，由此表现出一种所 谓的“集肤效应”现象。这种现象导致导体的有 效载流截面减小，有效电阻相应增大。导体的 集肤效应是由于其内部电通量的变化建立的自 感电动势造成的，交流电源的频率越高，集肤效 应越强 。 由于返回电流的PR损失以及绝缘导体周围 交流磁场感应的滞环电流和涡电流，在铁磁伴热 管的内表面会产生热量。此外，绝缘导体的 损失也会产生少量的热量。在伴热管内安装具有 一 定耐热等级的绝缘导线并将其接到端子上，然 后在伴热管与绝缘导线之间接人交流电源。绝缘 导体的电流与伴热管的返回电流之间产生感应交 互作用，从而使伴热管的电流集中在其内表面上。 利用集肤效应伴热的管道截面如图2所示。 伴 绝 交流电 外表面接地 交流电 内表面接导体 图2 利用集肤效应伴热的管道截面 由于电流如此完全地集中在伴热管的内表 面，以致在伴热管的外壁几乎测量不到电压。由 于伴热管的外壁无电流流动，所以它将更加安全 而且可以接地。将伴热管固定在工艺管线上，让 热量传递给工艺管线。伴热管在工艺管线上的固 定方法对传热具有一定影响。集肤效应伴热系统 的布置如图3所示。 图3 集肤效应伴热系统的布置 集肤效应伴热系统是本质安全的，在输送管 道或伴热管的外壁均不存在电压。可用的热量在 极小的温差下直接传递给输送管道。 2．2 设计考虑因素 2．2。1维持温度 伴热系统的主要目的是补偿从管道散发到大 气的热量损失。为了使液硫具有最佳黏度，温度 宜维持在 135—145℃。一般来说，在正常操作模 式下，集肤效应伴热回路被设计为在远低于其最 大能力的条件下操作，以延长整个系统的使用寿 命。集肤效应伴热系统应根据具体装置定制设 计，其安全系数取25％ ～40％。 2．2．2 再熔融 判别硫磺管道伴热系统性能的一个重要标 准，是它对管内固体硫磺的再熔融能力。在不利 的条件下，伴热系统的电流可能会临时切断。如 果出现长时间停电，管道内的硫磺会发生固化。 如前所述，液硫冷却后会收缩，在任意位置产生空 隙和实心管段。再熔融过程可能导致在这些空隙 处产生热点(过热)，熔融硫磺产生的过高压力 (膨胀)可能使管道破裂。 过去的研究和经验表明，再熔融过程必须能 使已迁移到实心管段的硫分子沿原途返回，这样 才可无约束地回到空隙区。这个过程需要最大的 供热量，以在管内的顶部建立熔融硫磺的流动。 在 12点钟的位置附近铺设一根或多根伴热管，当 传递给硫磺的热量自然地建立起逐步的流动时， 再熔融过程便最佳地完成。使用分布式光纤温度 J．BERES等 ． 液体硫磺的安全输送 ·47· 监测技术，能确切地了解再熔融期间管道的温度 分布。 2．2．3 保温层 与所有伴热应用一样，正确地选择保温系统 及其质量对于被伴热管线能否获得令人满意的性 能非常重要。这一点在液硫管道的情况下尤为关 键，因为如果保温不良可能导致管道堵塞。 2．2．4 温度的传感和控制 集肤效应伴热系统需要实施闭路温度控制， 其间输送管的温度被连续监测并与所设置的参考 温度相比较。当管道冷却到设定值以下时，电伴 热系统激活。伴热回路的电源通过一个导体或断 路器连接。典型的装置包括一个一级中压断路器 (适当时也可用融断式隔离开关)、变送器，以及 一 个用于实际开关加热器控制的分立二级控制 器。二级控制器通常为融断式真空接触器，由温 度控制系统的输出控制。尽管可以利用传统的温 度控制器，但本文还是倾向于使用技术先进的光 纤技术对液硫管道进行监控。 3 光纤技术 3．1 测量 早期的光纤温度传感器利用磷光体元件产生 与温度相关的荧光。它们在需要进行点测量的场 合使用效果很好，在工业上用于半导体制造和医 疗设备，以及一些微波和高压场合。随着技术的 发展，对分布式温度测量系统的需求不断增长，致 使电时域反射仪(OTDR)的成本降低。但是，大 部分系统都同时测量应变和温度，这使得很难对 这两种作用进行解耦。 光纤温度监测系统较之热敏电阻和热电偶系 统具有特别的优势，因为光纤系统极为稳健，不受 电气噪音的影响。此外，光纤系统有利于以 1 m 为间隔测量沿整个管长某个纤维长度内的平均温 度，因而有利于识别管道的局部温度变化。 图4表示了各种供应商设备的背散射光谱。 对于分布式温度测量，一束脉冲激光通过一个定 向耦合器与光纤耦合。当脉冲通过光纤传输时， 由于密度和组成的变化及分子和整体的振动，光 发生背散射。在均匀的纤维中，背散射光的强度 随时间呈指数衰减。因为光在光纤中的传输速度 是已知的，所以可根据背散射光强度的衰减来确 定距离。因此，温度和距离可以同时被分辨。理 论分析和数据已证明，基于 自发拉曼 一布里渊散 射的全分布式光纤传感器可实现更长距离(60 km)的传输，并且温度精度很高。 1ons脉冲 激 光 图4 背散射光光谱 3．2 安装与操作 分布式光纤温度传感器为硫磺的远距离输送 提供了显著的操作优点。光纤温度测量所需的设 备包括激光脉冲传输单元、背散射光记录单元、用 于数据记录和分析的便携式计算机及光纤电缆本 身。关于如何确定光纤在集肤效应伴热液硫管线 上的位置，目前存在不同的看法。加热时间常数、 温度维持 一加热要求、防止伴热管内集肤效应加 热电力电缆过热，均对分布式温度传感器的定位 有一定的影响。 可将光纤布置在伴热管的外表面，通过与伴 热管的良好接触监测电力电缆而不是液硫管道本 身的温度。在光纤外松散地套上一个不锈钢护 套，以保护光纤。也可将光缆直接布置在输送管 道上，对硫磺温度进行 良好的估计。另一种可能 是将光纤盘绕在系统的不同部位，以对伴热管外 部、管道支撑及主输送管道本体进行定期检查。 通过这类系统，可借助于温度输出图上带标志的 位置“映像”对温度结果进行解读。纤维在管道 表面的连续分散还有一个优点，即它可作为管道 的泄漏检测系统。 在任何情况下，选择输送管道上的光纤安装 · 48· 硫 酸 工 业 2010年第 1期 方法时都应考虑具有最大的灵活性。所选择的方 法应能保护光纤不受到机械损坏，并能保证保温 层的顺利安装。 3．3 应用要点 分布式光纤温度监测系统作为一个有力的工 具，可用于排查保温系统在完整性和性能方面的 故障。它不仅可提供沿整个管长的基本温度数 据，而且能够在管道试运行期间提供有价值的 信息。 图5表示了集肤效应伴热液硫管道在接头处 保温不当的情况。两个半片的预制保温块之间安 装间隙过大，从而产生一个高热损失区。该图还 显示了冰的形成，这说明水已进入到保温层底下。 由于过多的热量损失，这些部位成为硫磺的最先 固化区，最终甚至可能造成管道开裂。 图5 现场有缺陷的保温 图6表示了从分布式光纤温度系统控制站获 得的温度分布曲线。从温度曲线很容易识别并定 位三个连续的有缺陷的现场接头，因为其温度读 数明显低于管道的其它部分。带光时域反射仪的 光纤系统不仅能够提供管道上较低的温度读数， 而且能够显示有缺陷区域的精确位置。 赠 图6 有缺陷保温接头的温度读数与位置 在最近完工的一个大型液硫管道项目的试车 期间，利用光纤监测系统查找出数百个有问题的 现场接头，由安装承包商在通入硫磺前采取了纠 正措施。为此，装置业主避免了对堵塞液硫管道 的处理，节约了因重大管道事故而产生的相关 费用 。 4 结论 集肤效应伴热技术与分布式光纤温度传感技 术的结合，代表了在液硫管道伴热设计、试车和操 作方面的重大进步。此外，在再熔融期间，这两种 技术的结合可通过提供关于空隙位置和实时温度 变化的有价值的信息，大大改进安全性和可靠性。 作为一种热信息采集工具，光纤技术不仅能对正 常运行期间液硫管道的热点或冷点进行实时识 别，而且可大大增强试车和开车阶段的故障排除 能力。◆ (瑾译 自Sulphur，2009，No．324，46—50) Safe piping of liquid sulphur J．BERES，F．CHAKKALALKAL (Tyco Thermal Controls，USA) Abstract：The physical properties of sulphur is explored and the basic features of safe pipeline transport of liquid sulphur employing skin effect heating with fibre optic distributed temperature sensing technology is presented．The combination of these technologies provides an advanced heating design for liquid sulphur pipeline and immensely improves the safety and reliability during re—melt．As a thermal intelligence gathering too]，fibre optic technology greatly enhances the troubleshooting efforts during pre-comminssioning and commissioning stages of sulphur pipe— line and provides real time identification of hot or cold spots during normal operation． Key words：liquid；sulphur；pipeline；heating；skin effect；optical fibre；distributed temperature sensing