Способ отбора электроэнергии с линейной части индуктивно-резистивных, индуктивных и резистивных систем электрообогрева и узел для осуществления способа (варианты)
METHOD FOR SELECTING ELECTRICITY FROM LINEAR PART OF INDUCTIVE-RESISTIVE, INDUCTIVE AND RESISTIVE ELECTRIC HEATING SYSTEMS AND NODE FOR IMPLEMENTING METHOD (OPTIONS)

Изобретение предназначено для обогрева источников дополнительных тепловых потерь (задвижки, фильтры, клапаны, тройники - места ответвления трубопровода) промышленных объектов, таких как резервуары, цистерны, трубопроводы, для питания приводов исполнительных механизмов, а также элементов управления, контроля и прочего оборудования без построения сопроводительной сети.
Для обогрева промышленных трубопроводов большой протяженности общеизвестно применение резистивных, резистивно-индуктивных и индуктивных систем электрообогрева (например, система ИРСН – 15000 на основе скин-эффекта, Интернет-страница https://sstprom.ru/products/skin_system/). Все они работают на переменном токе и, как правило, на высоком напряжении (выше 1000 В). Основным преимуществом таких систем является то, что они могут обогреть участки трубопроводов большой длины с одной точки запитки. Однако эти системы имеют существенный недостаток – это невозможность обогрева источников дополнительных тепловых потерь, таких как задвижки, фильтры, клапаны, тройники (места ответвления трубопровода), которые могут встречаться на протяжении всей линейной части обогреваемого объекта. Данные элементы имеют большую металлоемкость, нежели линейная часть трубопровода, поэтому им требуется большая компенсация тепловых потерь. Указанные системы электрообогрева при проектировании рассчитываются на компенсацию тепловых потерь только линейной части.
Известна система электрического обогрева трубопровода (патент RU2727717, МПК F16L 53/35, опубл. 23.07.2020 г.), содержащего трубу и теплоизоляцию вокруг нее, включает питающий трансформатор, питающие коробки, концевые коробки, сервисные коробки, расположенные между питающими и концевыми коробками, соединительные и концевые муфты среднего напряжения, систему контроля и мониторинга параметров, три нагревательных резистивных кабеля, соединенных с тремя фазами трехфазной системы питания. Каждый резистивный кабель размещен внутри отдельно расположенного направляющего элемента, закрепленного непосредственно на внешней стороне трубы под ее теплоизоляцией. Экраны каждого резистивного кабеля имеют промежуточные и концевые заземления, а также соединены между собой на концах трубопровода.
Известная система не предназначена для обогрева источников дополнительных тепловых потерь (задвижки, фильтры, клапаны, тройники - места ответвления трубопровода).
Технической проблемой, решаемой изобретением, является обогрев источников дополнительных тепловых потерь промышленных объектов, а также обеспечение питанием элементов управления, контроля и прочего оборудования, без построения сопроводительной сети.
Технический результат – обеспечение питанием нагревательных элементов источников дополнительных тепловых потерь промышленных объектов или исполнительных механизмов, элементов управления, контроля и прочего оборудования, без построения сопроводительной сети.
Проблема решается, а технический результат достигается способом отбора электроэнергии с линейной части системы электрообогрева промышленного объекта, который осуществляют в двух вариантах.
По первому варианту способ отбора электроэнергии с линейной части системы электрообогрева промышленного объекта заключается в том, что на нагревательном проводнике системы электрообогрева на определенном расстоянии друг от друга устанавливают два соединительных элемента, в каждом из которых сращивают нагревательный проводник через разветвительный соединитель, а к разветвленному концу соединителя подключают изолированный электрический провод соответствующего класса напряжения, посредством которого снимают электрический потенциал и заводят в устройство питания и управления нагревательным элементом источника тепловых потерь или приводом исполнительного механизма через ввод, соответствующий зоне установки источника тепловых потерь или исполнительного механизма, а нагревательный элемент источника тепловых потерь или привод исполнительного механизма также подключают к устройству питания и управления.
Согласно изобретению:
- в качестве системы электрообогрева применяют индуктивно-резистивную или индуктивную, или резистивную систему;
- в качестве соединительного элемента использована соединительная коробка;
- в качестве разветвительного соединителя использована разветвительная муфта, которая состоит из разветвительной гильзы и изоляционного материала с соответствующим классом изоляции и обеспечением герметичности;
- в качестве устройства питания и управления используют коробку или шкаф управления, содержащий повышающий трансформатор, блок питания, устройство защитного отключения, пускозащитные автоматические выключатели, ограничители перенапряжения.
По второму варианту способ отбора электроэнергии с линейной части системы электрообогрева промышленного объекта заключается в том, что в конце линии обогрева устанавливают устройство питания и управления модулями связи с приборами мониторинга и/или контроля, и/или управления обогреваемого промышленного объекта, на определенном расстоянии от которого на нагревательном проводнике системы электрообогрева устанавливают соединительный элемент, в котором сращивают нагревательный проводник через разветвительный соединитель, а к разветвленному концу соединителя подключают изолированный электрический провод соответствующего класса напряжения, посредством которого снимают электрический потенциал и заводят в устройство питания и управления через ввод, соответствующий зоне его установки, при этом другой потенциал снимают непосредственно в устройстве питания и управления в точке соединения фазного проводника с заземленной греющей трубкой, имеющей нулевой потенциал, в случае индуктивно-резистивной системы, или в точке соединения трехфазных проводников в одной точке в случае резистивной системы.
Согласно изобретению:
- в качестве системы электрообогрева применяют индуктивно-резистивную или индуктивную, или резистивную систему;
- в качестве соединительного элемента использована соединительная коробка;
- в качестве разветвительного соединителя использована разветвительная муфта, которая состоит из разветвительной гильзы и изоляционного материала с соответствующим классом изоляции и обеспечением герметичности;
- в качестве устройства питания и управления используют коробку или шкаф управления, содержащий стабилизатор напряжения, пускозащитные автоматические выключатели, устройство защитного отключения, ограничители перенапряжения, модуль контроля и управления, модем для приема/передачи данных с приборов мониторинга, контроля и управления обогреваемого промышленного объекта.
Технический результат достигается за счет заявленной совокупности действий ввиду следующего.
Так как с изменением длины линии обогрева напряжение изменяется, т.е. происходит падение напряжения, то будет и разное падение напряжения, т.е. возникает разность потенциалов. Поэтому с соединительных элементов (например, муфт), установленных на обогревающем элементе системы электрообогрева (резистивных, резистивно-индуктивных, индуктивных) на определенном расстоянии друг от друга, можно снять потенциал и завести в устройство управления нагревательным элементом источника тепловых потерь для питания этого элемента. Также потенциал может сниматься с соединительного элемента (соединительная коробка с разветвительной муфтой), расположенного на определенном расстоянии от устройства питания и управления, и в самом устройстве (например, в виде шкафа управления), установленного в конце линии обогрева, в котором потенциал стремится к нулю. Между этими точками также будет возникать разность потенциалов.
Сущность изобретения поясняют иллюстрации, где показано:
На фиг.1 - схема применения заявляемого способа с установкой оборудования условно в середине линии обогрева индукционно-резистивной системы электрообогрева (для питания нагревательного элемента источника тепловых потерь в виде трубопроводной арматуры, например, фильтров, клапанов, задвижек и пр., встречающихся на обогреваемом трубопроводе);
На фиг.2 – график падения напряжения в проводнике индуктивно-резистивной системы с обозначением условного места снятия потенциалов - в середине линии электрообогрева;
На фиг.3 - принципиальная схема устройства питания и управления нагревательным элементом источника тепловых потерь или исполнительным механизмом;
На фиг. 4 – типовая схема обогрева трубопроводной арматуры (фильтры, клапаны, задвижки и пр.), встречающейся на ответвленных трубопроводах;
На фиг.5 - типовая схема обогрева ответвленных трубопроводов от основного обогреваемого трубопровода;
На фиг.6 - типовая схема управления исполнительным механизмом – приводом задвижки;
На фиг.7 – типовая схема питания модулей мониторинга, контроля и управления обогреваемого объекта в случае применения способа и узла в конце линии обогрева (второй вариант изобретения);
На фиг.8 – устройство питания и управления модулями мониторинга, контроля и управления обогреваемого промышленного объекта в увеличенном масштабе (второй вариант осуществления изобретения);
На фиг.9 - график падения напряжения в проводнике индуктивно-резистивной системы с обозначением условного места снятия потенциалов - в конце линии электрообогрева;
На фиг.10 - принципиальная схема устройства питания и управления модулями мониторинга, контроля и управления обогреваемого промышленного объекта по второму варианту осуществления способа.
На фигурах обозначено:
1 – устройство питания и управления (нагревательным элементом источника тепловых потерь или приводом исполнительных механизмов, или модулями связи с приборами мониторинга, контроля и управления обогреваемого промышленного объекта) – шкаф управления;
2 –  соединительный элемент (коробка);
3 – разветвительный соединитель (муфта);
4 – провод для снятия потенциала;
5 – нагревательный проводник системы электрообогрева;
6 – обогреваемый промышленный объект;
7 – источник тепловых потерь;
8 – нагревательный элемент источника тепловых потерь (например, саморегулирующиеся греющие кабели, или кабели постоянной мощности, самоограничивающиеся кабели, зональные кабели, резистивные и индуктивные элементы и нагревательные элементы на основе скин-эффекта);
9 – электропривод задвижки на трубопроводе;
10 – провод, которым снимают нулевой потенциал (по второму варианту способа);
11 – провода, питающиеся в результате снятия потенциалов (по второму варианту способа);
12 – блок питания (БП);
13 - модем для приема/передачи данных (например, мониторинга и управления);
14 – модуль ввода данных (МВД) с внешних приборов (например, мониторинга и контроля);
15 – аккумуляторная батарея (АКБ);
ОПН — ограничитель перенапряжения;
QF — автоматический выключатель (силовые цепи);
SF1 и  SF2 — автоматические выключатели (цепи управления);
Т — трансформатор напряжения;
НШУ — нагреватель шкафа управления;
А0 — термостат;
БП — блок питания;
АКБ — аккумуляторная батарея;
А1 — регулятор температуры (программируемый логический контроллер);
А2 — модем передачи данных;
FD — устройство защитного отключения (УЗО);
КМ — силовой контактор;
KL — промежуточное реле.
Сущность изобретения поясняют примеры конкретного осуществления способа.
Пример 1. Применение способа по первому варианту для обогрева источников дополнительных тепловых потерь - фильтры, клапаны, задвижки и прочая арматура.
На участке обогреваемого скин-системой трубопровода (например, в соответствии с фиг. 1, 4 и 5), необходимо запитать нагрузку мощностью 4,5 кВА.
Расчет тепловых потерь с обогреваемого трубопровода производится согласно ГОСТ 31610.30-2-2017 Приложение Е, СП 41-103-2000 с определенными условиями.
Принимаем, что требуемая температура поддержания +5°С на обогреваемого трубопровода, трубопровод расположен на открытом воздухе. Расчетом не учитываются дополнительные тепловые потери с трубной арматуры (задвижки, фланцы, опоры и т.д.). Климатические параметры для определенной местности берутся согласно СП 131.13330.2018.
В примере рассмотрен стальной надземный трубопровод с наружным диаметром 325мм с толщиной стенки 7мм. Данный трубопровод находится в регионе с температурой воздуха наиболее холодной пятидневки, минус 39°С, обеспеченностью 0,92. Толщина теплоизоляционного слоя 75мм с коэффициентом теплопроводности 0,045 Вт/м°С. Температура поддержания обогреваемого трубопровода не менее +5°С.
В соответствии с расчетами, выполненными по ГОСТ 31610.30-2-2017 Приложение Е по выше приведенным данным, тепловые потери с обогреваемого трубопровода составляют 32,27 Вт/м. К данным тепловым потерям прибавляется коэффициент запаса по мощности в размере 10% (данный запас определяется нормативными документами заказчика, либо внутренними документами организации, занимающейся расчетами). Итого тепловые потери с обогреваемого трубопровода с коэффициентом запаса составляют 35,5 Вт/м. Выделяемая системой электрообогрева погонная активная мощность должна быть не менее 35,5 Вт/м, для того, чтобы обеспечить температуру обогреваемого трубопровода не менее +5°С. Учитывая, что линейная часть индуктивно-резистивной системы имеет коэффициент мощности не менее 0,92, определяем полную погонную мощность (Cosφ = Руд/Sуд. → Sуд.=Руд./Cosφ = 35,5/0,92= 38,6 ВА/м). Для отбора дополнительной мощности для питания дополнительных нагрузок с существующей системы электрообогрева и для поддержания температуры на трубопроводе не ниже +5°С, необходимо к общей мощности добавить мощность дополнительной нагрузки.
Предположим, что мощность дополнительной нагрузки, которую необходимо запитать от существующей системы, составляет 4500ВА. Отбор дополнительной мощности с существующей системы будем производить на участке в 260 метров (данное расстояние определяется проектной документацией и может изменяться в зависимости от мощности системы и от мощности нагрузки). Разделив мощность дополнительной нагрузки на длину участка,  получим значение погонной мощности, которую необходимо добавить к мощности системы (S/L=Sуд. 4500/260=17,3 ВА/м). Итак, общая мощность системы с учетом дополнительной нагрузки будет 38,6+17,3=55,9 ВА/м.
2
Зная необходимую погонную мощность системы 55,9 ВА/м, сечение токоведущего проводника 15 мм, параметры нагревателя труба 32х3 ГОСТ 8734-75, ГОСТ 8733-74, рассчитываются основные электрические параметры системы, такие как ток и напряжение (в соответствии с учебником «Проектирование и эксплуатация систем электрического обогрева в нефтегазовой отрасли»/М.Л. Струпинский, Н.Н. Хренков, А.Б. Кувалдин. Глава 6. Системы электрообогрева на основе индукционно-резистивного нагрева (скин-системы)). Ток составит 113 А. Зная ток, определяем падение напряжения (В/м):
Sуд.=Uуд.I→Uуд.=Sуд./I =55,9/113=0,494 В/м
На участке в 260 метров при падении напряжения в проводнике 0,494 В/м  разница потенциалов составит 260*0,494=128,4В. Данное напряжение заводится в шкаф управления 1, для повышения напряжения до стандартного значения 220В в шкафу управления устанавливается повышающий трансформатор.
С данного шкафа управления возможно запитать дополнительную нагрузку мощностью 4500ВА без вреда обогрева основного трубопровода.
Таким образом, на расстоянии 260 метров друг от друга устанавливаются соединительные коробки 2 с разветвительными муфтами 3, при помощи которых выполняется ответвление проводами 4. Соединительный элемент 2 устанавливают на обогреваемой трубе 6, в которую заходит нагревательный проводник 5. В данной соединительной коробке происходит сращивание нагревательного проводника через разветвительный соединитель (муфта) 3. К разветвленному концу соединителя 3 подключается проводник для снятия потенциала 4, который через специальное уплотнительное отверстие коробки 2 выходит и заводится в устройство питания и управления 1. Сам разветвленный соединитель при этом изолирован диэлектрическим материалом. Разветвительная муфта 3 состоит из разветвительной гильзы (обжимная, либо со срывными болтами) и изоляционного материала (термоусаживаемая муфта, либо набор из специальных изоляционных лент и термоусаживаемой муфты) с соответствующим классом изоляции и обеспечением герметичности.
Все необходимое электрическое оборудование размещается в шкаф управления 1 согласно принципиальной схеме (фиг. 3) для обогрева источника тепловых потерь 7 нагревательным элементом 8. Для преобразования в стандартные напряжения 220 В или 380 В шкаф управления содержит преобразующий (повышающий) трансформатор.
Пример 2. Применение способа для питания и управления приводом задвижки.
На обогреваемом трубопроводе находится задвижка с электроприводом (фиг.6), которую необходимо запитать от индуктивно-резистивной системы электрообогрева. Потребляемая мощность задвижки, допустим, 400ВА. Расчетные тепловые потери с предполагаемого обогреваемого трубопровода принимаем 50 ВА/м (согласно ГОСТ 31610.30-2-2017 Приложение Е, СП 41-103-2000 аналогично примеру 1) с учетом 10% запаса по мощности при температуре поддержания +30° С и учетом коэффициента мощности 0,92.
Ток определяется в соответствии с учебником «Проектирование и эксплуатация систем электрического обогрева в нефтегазовой отрасли»//М.Л. Струпинский, Н.Н. Хренков, А.Б. Кувалдин. Глава 6. Системы электрообогрева на основе индукционно-резистивного нагрева (скин-системы) и составит 107 А. Зная ток, определяем падение напряжения (В/м):
Sуд.=Uуд.I→Uуд.=Sуд./I =50/107=0,467 В/м
Учитывая небольшую мощность для питания задвижки, возможно использовать 10% запас по мощности, то есть не более 5 ВА/м без ущерба обогрева основного трубопровода (50 ВА/м*10%=5ВА/м), на участке не менее 400/5=80 метров (где 400 – мощность задвижки, ВА; 5 – мощность с погонного метра, которую можно использовать без ущерба для обогрева участка основного трубопровода (между двумя точками снятия потенциала, ВА/м. На 80 метрах, при падении напряжении 0,467 В/м, разница потенциалов составит 37,36 В (80м*0,467В/м=37,36В). Данное напряжение необходимо привести к стандартному 48 В за счет увеличения расстояния между соединительными коробками, (48В/0,467В/м=103м). Соединительные коробки 2 необходимо разместить на расстоянии 103 метра, при этом разница потенциала на проводнике составит порядка 48 В, максимальная подключаемая полная мощность нагрузки не должна превышать более 400 ВА (максимальная полная мощность в данном случае, которую можно снять с участка обогрева индуктивно-резистивной системой без ущерба (риска замерзания) между точками снятия потенциалов (103 м).
Таким образом, на расстоянии 103 метра друг от друга устанавливается соединительные коробки 2 с разветвительными муфтами 3, при помощи которых выполняется ответвление. Все необходимое электрическое оборудование размещается в шкафу управления 1 согласно принципиальной схеме на фиг. 3.
Пример 3. Применение заявляемого способа для питания приборов мониторинга, контроля и управления обогреваемого трубопровода согласно второму варианту способа (фиг 7).
Возьмем для примера длину обогреваемого трубопровода 2500 метров, принимаем температуру поддержания обогреваемого трубопровода не ниже +5 °С, тепловые потери с обогреваемого трубопровода, при заданной толщине и коэффициенте теплопроводности теплоизоляции, составляют 40 ВА/м (согласно ГОСТ 31610.30-2-2017 Приложение Е, СП 41-103-2000 аналогично примеру 1). Зная погонную мощность (ВА/м), рассчитываются основные электрические параметры системы по книге «Проектирование и эксплуатация систем электрического обогрева в нефтегазовой отрасли», М.Л. Струпинский, Н.Н. Хренков, А.Б. Кувалдин. Глава 6. Системы электрообогрева на основе индукционно-резистивного нагрева (скин-системы). В данном случае для компенсации расчетных тепловых потерь (40 Вт/м) ток будет составлять 94,7 А. Зная ток, определяем падение напряжения (Uуд.=Pуд./I, Uуд.=40/94,7=0,422В/м).
Для получения разницы потенциалов в 12 В (минимальное стандартное напряжения для питания электронного оборудования, чтобы по возможности  избежать нестандартного оборудования) на проводнике расстояние будет соответствовать 12/0,42=28,6 метров (L=U/Uпог).
Таким образом, на расстоянии 29 метров от шкафа управления 1, расположенного в конце линии электрообогрева, на нагревательном проводнике 5 системы электрообогрева устанавливается соединительная коробка 2 с разветвительной муфтой 3 (фиг.7), при помощи которой выполняется ответвление проводника 4 для снятия потенциала. Съем другого потенциала происходит непосредственно в шкафу 1 в точке N (фиг.7 и 8).
Точка «N» -  наличие нулевого потенциала в конце линии обогрева:
- это место соединение фазного проводника с заземленной греющей трубкой, имеющей нулевой потенциал, в случае с индуктивно-резистивной системой;
- это место соединения трех фазных проводников в одной точке (в «звезду») в соответствии с первым законом Кирхгофа, в случае резистивной системой.
Позицией 10 показан провод, которым снимают нулевой потенциал в шкафу 1.
11 – провода, питающиеся в результате снятия потенциалов.
Данные с приборов мониторинга, контроля и управления заводятся напрямую в модем 13, если небольшое количество сигналов, либо через модуль ввода данных 14. Приборы мониторинга и контроля устанавливаются на контролируемых объектах (датчики температуры, тока, давления и пр.) вне устройства питания и управления 1. Некоторые приборы контроля могут размещаться внутри устройства питания и управления 1 (например, измерительные трансформаторы). Питающими проводами 11 запитывается блок питания 12 (в частных случаях может устанавливаться повышающий трансформатор). Блок питания, в свою очередь запитывает модем 13 и модуль ввода данных 14. В модуль ввода данных 14 заводится информация с внешних приборов мониторинга и контроля. Данная информация через модем 13 передается далее, например, с использованием технологии GSM или другой. Также может устанавливаться аккумуляторная батарея 15 для обеспечения автономной работы в случае отключения системы по температурному режиму или аварийным сигналам.
Все необходимое электрическое оборудование размещается в шкафу 1 согласно принципиальной схеме (фиг.10). Преобразование заведенных сигналов может происходить в частных случаях при помощи применения повышающего трансформатора. В основном же напряжения для питания приборов расчетное. Блок питания 12 выполняет роль стабилизатора, но в отдельных случаях может преобразовывать напряжение в стандартное, например, в 220 В.
Таким образом, изобретение обеспечивает питание нагревательных элементов источников дополнительных тепловых потерь промышленных объектов, ответвленных трубопроводов от основного обогреваемого объекта, встречающихся на трубопроводах большой протяженности, обогреваемых системами электрообогрева, а также для питания элементов управления и контроля и прочего оборудования собственных нужд без построения сопроводительной сети.