СИСТЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОБОГРЕВА ТРУБОПРОВОДОВ
ELECTRICAL HEATING SYSTEM FOR PIPELINES

Область техники
Настоящее техническое решение относится к системам электрического обогрева, используемым для транспортных трубопроводов в нефтегазовой промышленности.
Уровень техники
На сегодняшний день, обогрев транспортных трубопроводов на большом расстоянии (более 10 км) требует установки сопутствующей сети питания, причем запитывающие подстанции необходимо располагать, в зависимости от используемой системы электрического обогрева, через каждые 1-10 километров.
Наличие сопутствующей сети питания делает систему электрического обогрева более сложной, более экономически затратной, кроме того, отсутствует возможность осуществлять электрический обогрев трубопроводов в тем местах, где нельзя разместить сопутствующую сеть, например, по морскому дну.
Наиболее эффективной системой электрообогрева на расстоянии до 25 км является система электрического обогрева, использующая «СКИН-эффект». Нагревающим устройством подобных систем электрообогрева является ферромагнитный трубопровод, называемый «нагревательной трубкой», через которую протягивается проводник. На одном конце нагревательная трубка и изолированный проводник соединены между собой. На другом конце они соединены через источник переменного тока.
Приложенное напряжение переменного тока вызывает в проводнике генерацию тока, который возвращается по внутренней поверхности трубки. Концентрация обратного тока на внутренней поверхности трубки происходит благодаря магнитному потокосцеплению, создаваемому токами в изолированном проводнике и ферромагнитном трубопроводе. Этот ток проникает в трубку на расстояние, называемое «толщиной скин-слоя» (M.L. Strupinskiy, Analysis of the self-adjusted cable properties at low temperatures / Analytical scientific technical journal // M.L. Strupinskiy, N.N. Khrenkov, 2011: Industrial electric heating: Hager: 2011. - P. 6-11).
Благодаря описанному выше явлению, на внешней поверхности трубки измеримое напряжение фактически отсутствует, что позволяет заземлять трубопровод. Пока электрический ток концентрируется на внутренней поверхности нагревательной трубки, создаваемое тепло будет рассеиваться на присоединенном обогреваемом трубопроводе, увеличивая температуру поверхности трубы и ее содержимого до требуемого уровня.
Из уровня техники известен нагревательный кабель на основе СКИН - эффекта, содержащий центральный проводник, внутренний изоляционный слой и расположенный коаксиально поверх них ферромагнитный внешний проводник, при этом внутренний изоляционный слой выполнен из полимерного материала, а внешний проводник выполнен в виде гофрированной стальной трубы с толщиной стенки менее трех толщин СКИН - слоя на рабочей частоте напряжения питания (см. RU 2589553 С1, 10.07.2016).
Из уровня техники также известна система электрического обогрева, использующая нагревательные кабеля с трехфазной системой питания. Нагревательный кабель содержит изолированные термостойкой оболочкой токопроводящие жилы, уложенные поверх жил подушку под броню. С одного конца, жилы свободны для подключения к источнику питания, а на другом конце, соединены между собой для образования замкнутой электрической цепи (см. RU 127273 U1, 07.06.2012).
Общим недостатком известных систем и резистивных кабелей, является недостаточное расстояние электрического обогрева с одной точкой питания и ограничено 25 км, а также малая эффективность выделения и использования тепла для путевого нагрева продукта в транспортной трубе.
Раскрытие сущности
Задачей завяленного технического решения является создание системы электрического обогрева трубопроводов, способной выделять нормированное количество тепла на значительном расстоянии (до 200 км) без сопроводительной сети и с одной точкой запитки.
Техническим результатом от использования заявленного технического решения является повышение эффективности выделения и использования нормированного количества тепла для путевого нагрева продукта в транспортной трубе на значительном расстоянии (до 200 км). Другим техническим результатом является повышение технологичности системы, удобство эксплуатации, а также упрощение системы электрического обогрева.
Заявленный технический результат достигается за счет использования следующей совокупности существенных признаков: система электрического обогрева трубопровода, содержащего трубу и теплоизоляцию вокруг нее, включающая 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, при этом каждый вышеуказанный резистивный кабель размещен внутри отдельно расположенного направляющего элемента, закрепленного непосредственно на внешней стороне трубы под ее теплоизоляцией, при этом экраны каждого резистивного кабеля имеют промежуточные и концевые заземления, а также соединены между собой на концах трубопровода.
В другом варианте системы, соседние направляющие элементы разделены расстоянием (L).
В другом варианте системы, резистивный кабель среднего напряжения содержит экран и изоляцию.
В другом варианте системы, направляющий элемент каждого резистивного кабеля представляет собой продольный короб коробчатого или трапециевидного сечения, или закругленного поперечного сечения.
В другом варианте системы, направляющий элемент каждого резистивного кабеля герметично прикреплен к трубе, своей открытой стороной.
В другом варианте системы, расстояние (L) между соседними направляющими элементами является одинаковым.
В другом варианте системы, направляющие элементы, с расположенными внутри резистивными кабелями, размещены в верхней части трубы.
В другом варианте системы, направляющие элементы выполнены из полимера или алюминия.
В другом варианте системы, резистивные кабели соединены по схеме «звезда».
В другом варианте системы, жилы резистивных кабелей выполнены плоскими или уплощенными.
В другом варианте системы, система контроля и мониторинга параметров содержит датчики температуры, тока и напряжения нагрузки.
В другом варианте системы, система контроля и мониторинга параметров электрического обогрева трубопровода выполнена с возможностью, по сигналам датчиков, дистанционно контролировать температуру окружающего воздуха, резистивных кабелей, трубопровода, а также токи нагрузки и напряжение в каждом резистивном кабеле, а также целостность электрической цепи.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 схематически иллюстрирует общий вид системы электрического обогрева в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
На фиг. 2 схематично показан вид трубопровода, содержащего систему электрического отопления в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
Фиг. 3 иллюстрирует резистивный кабель для системы электрического обогрева в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
На фиг. 4а схематично показано поперечное сечение трубопровода с системой электрического обогрева в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
Фиг. 4b - подробный увеличенный вид верхней части фиг. 4а;
Фиг. 5 - подробный вид, аналогичный фиг. 4b, но другого варианта осуществления;
Фиг. 6 представляет собой схематическое представление системы электрического обогрева в соответствии с вариантом осуществления изобретения, иллюстрирующее транспозицию экрана.
Осуществление технического решения
Заявленная система электрического обогрева позволяет обогревать трубопроводы, расположенные на опорах над землей, подземной прокладки, а также подводной прокладки.
В основе заявленной системы лежит особая комбинация, состав и расположение ее элементов, позволяющих обогревать трубопроводы на расстоянии 150-200 км, что особо актуально на сегодняшний день для объектов транспортировки нефтяных и газовых продуктов.
Как лучше всего видно на фиг. 1 и 2, инфраструктура трубопровода 10, содержащая трубопровод 12 для транспортировки нефти или газа и систему электрического обогрева в соответствии с вариантами осуществления изобретения.
Функционирование: трансформатор питания 18, питающая коробка 22, концевая коробка 24 и, по меньшей мере, одна сервисная коробка 26. Система электрического обогрева трубопровода в соответствии с вариантами осуществления изобретения включает в себя устройство 28 нагревательного кабеля, содержащее множество нагревательных резистивных кабелей 8, соединительные и концевые муфты 30, систему контроля и мониторинга параметров линии (не показана), включающая, по меньшей мере, один датчик температуры 20, установленный на транспортной трубе 14, а также крепежные элементы 32 для размещения резистивных кабелей 8 на транспортной трубе 14.
Питание для системы обогрева в соответствии с вариантами осуществления изобретения подается от специального питающего трансформатора 18, содержащего переключатель с широким диапазоном регулировок для напряжения вторичной обмотки. В зависимости от требований электрического обогрева, трансформаторы могут быть с воздушно-барьерной изоляцией или литой изоляцией, или масляной изоляцией.
Компоновка нагревательных кабелей может преимущественно содержать три резистивных кабеля 8а, 8b, 8с, которые могут преимущественно нести три соответствующие фазы трехфазной системы электропитания. Каждый резистивный кабель 8а, 8b, 8с предпочтительно установлен внутри соответствующего кабельного направляющего элемента 9а, 9b, 9с, установленного на поверхности трубы 14 (обычно изготовленной из стали или другого металла) транспортного трубопровода. Каждый из трех резистивных кабелей 8, таким образом, расположен внутри отдельного кабельного направляющего элемента 9, установленного непосредственно на внешней стороне металлической трубы 14 под теплоизоляцией 7 транспортного трубопровода. Для изолированных трубопроводов резистивные кабели 8 могут быть предварительно установлены внутри кабельных направляющих элементов 9 на заводе изготовления транспортного трубопровода. Кабельные направляющие элементы 9 способствуют эффективности передачи тепла, генерируемого резистивными кабелями, для проникновения в металлическую трубу, далее в нефть или газ 16, протекающие внутри трубы.
Фазы трехфазной системы электропитания установлены отдельно, каждая из которых окружена теплоизоляцией 7. Такая компоновка позволяет размещать кабели 8 большого поперечного сечения в очень компактной области, что увеличивает межфазное напряжение на каждой фазе и, таким образом, увеличивает длину обогрева трубопровода. Поперечное сечение кабелей 8 может быть дополнительно увеличено с помощью использования плоских или сплющенных проводов.
Резистивные кабели 8а, 8b, 8с предпочтительно соединены звездой в концевой коробке 24.
Преимущественно, отдельное расположение фаз в отдельных кабельных направляющих элементах передает произведенное тепло в трубу 14 и содержащуюся в ней жидкость более эффективно благодаря уменьшению передачи тепла между кабелями 8, что также способствует увеличению межфазного напряжения и, следовательно, увеличению длины нагрева трубопровода.
Кабельные направляющие элементы 9 гарантируют разделение фаз и имеют такую конструкцию, гарантирующую предотвращение соприкосновения теплоизоляции 7 с резистивными кабелями 8. Кабельные направляющие элементы установлены непосредственно на поверхности трубы 14 и позволяют размещать нагревательные кабели 8а, 8b, 8с эффективно и с наименьшими повреждениями при установке системы обогрева.
В варианте осуществления, кабельные направляющие элементы 9а, 9b, 9с для каждого резистивного кабеля 8а, 8b, 8с могут преимущественно содержать продольный короб по существу квадратного, трапециевидного или закругленного (например, U-образного) поперечного сечения. Кабельный направляющий элемент 9 для резистивных кабелей может быть изготовлен из единого элемента с соединенными между собой частями 9а, 9b, 9с или может быть выполнен из множества отдельных направляющих элементов, установленных независимо на трубе 14.
Кабельные направляющие 9а, 9b, 9с с резистивными кабелями 8а, 8b, 8с внутри могут быть разнесены практически на одинаковом расстоянии L на трубе 14, что способствует лучшему распределению и применению генерируемого тепла. Кабельные направляющие элементы 9 с резистивными кабелями 8 внутри предпочтительно монтируется в верхней части трубопровода, что является наиболее эффективным с точки зрения термодинамики для передачи генерируемого тепла продукту, транспортируемому по трубопроводу, с учетом того, что грунт, на котором установлен трубопровод, обычно холоднее трубы и окружающего воздуха.
Кабельный направляющий элемент 9 может быть изготовлен из полимера, алюминия или другого материала с аналогичными физическими свойствами. Выбор материала для кабельного направляющего элемента 9 также определяется необходимой теплопроводностью от нагревательных фаз к транспортируемой нефти или газу.
Погонные длины резистивных кабелей 8 могут быть соединены соединительными муфтами 30 среднего напряжения, сконфигурированными для того же напряжения, что и фазы кабеля. Кроме того, на концах резистивных кабелей предусмотрены концевые муфты (не показаны).
Для регулярного технического обслуживания и контроля параметров линии обогрева, включая сопротивление изоляции нагревательного кабеля 8, а также поиск дефектов, может осуществляться с помощью сервисных, концевых и питающих коробок 26, 24, 22, наличие которых направлено на повышение технологичности заявленной системы электрического обогрева, а также удобства эксплуатации.
Отсутствие сопроводительной электрической сети, а также множества запитывающих трансформаторных подстанций обеспечивает значительное упрощения заявленной системы электрического обогрева на расстоянии 150-200 км.
Резистивный кабель 8 согласно предпочтительным вариантам осуществления изобретения, содержит однопроводный фазный кабель среднего напряжения. Кабель 8 выбран так, чтобы генерируемое тепло соответствовало требуемому теплу для трубопровода с учетом потерь в защитных экранах, например, 10 или 18 Вт/м. Фиг. З иллюстрирует элементы резистивного кабеля 8 в соответствии с вариантами осуществления изобретения, где 1 - токопроводящая жила (алюминий/медь); 2 - слой полупроводящего материала типа КЭП; 3 - изоляция из сшитого полиэтилена; 4 - слой полупроводящего материала типа КЭП; 5 - экран из медных проволок; 6 - внешняя оболочка из термопластичного эластомера.
Направление тока в металлическом кабельном экране 5 является отличительной чертой отдельно расположенных фаз 8а, 8b, 8с. Экраны 5 каждого резистивного кабеля 8 имеют промежуточные и концевые заземления, а также соединены на концах трубопровода.
В соответствии с предпочтительным аспектом изобретения экраны трех фаз перемещаются по длине кабелей в промежуточных положениях, которые расположены в сервисных коробках 26, как схематично показано на фиг. 6. Например, если есть две сервисных коробки 26, расположенные между питающей коробкой 22 и концевой коробкой 24, экранирование кабеля может быть двойное, так что каждый экран проходит вдоль всех трех фаз по своим сечениям. Транспонирование экрана само по себе известно для подземных силовых кабелей среднего (MV) и высокого напряжения (HV) для снижения потерь мощности за счет устранения направления индуцированных токов в экранах. Можно отметить, что транспонирование является относительным и могут быть транспонированы экраны трехфазных кабелей или провода кабелей.
В настоящем изобретении транспонирование уменьшает потери в кабельных экранах 6 для лучшего распределения тепла по большей длине кабеля системы электрического обогрева трубопровода. Выделение тепла в некоторых элементах системы за счет соединений транспонирования не влияет на хорошую работу системы, но должно учитываться при расчетах и проектировании системы электрического отопления.
Транспозиция преимущественно позволяет регулировать степень тепловыделения (провод или экран) и величину выделяемого тепла. Отсутствие транспозиции значительно увеличивает потери в экране 6, что приводит к сокращению максимальной длины зоны нагрева. Более того, отсутствие транспонирования увеличивает токи в экранах 5 на значительных длинах, что снижает безопасность и увеличивает вероятность повреждения, а также сокращает срок полезного использования кабелей.
Резистивные кабели 8 могут быть многожильными.
В приведенной ниже таблице 1 приведены примеры предпочтительных спецификаций для нагревательных кабелей в соответствии с вариантами осуществления системы электрического нагрева в соответствии с изобретением.
Система контроля и мониторинга параметров системы электрического обогрева обеспечивает энергоэффективную и безопасную работы системы. Система контроля и мониторинга параметров содержит датчики температуры, тока и напряжения нагрузки. Используя уникальные алгоритмы управления, система дистанционно контролирует параметры обогреваемого объекта, а именно температурный режим объекта, температуру окружающего воздуха, резистивных кабелей, транспортного трубопровода. Также системой контролируются электрические параметры, а именно токи нагрузки в каждой фазе, напряжение и целостность цепи.
В системе контроля и мониторинга параметров цепи используются программируемые логические контроллеры (ПЛК), модули ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, панель оператора и модуль последовательного интерфейса. Система контроля и мониторинга параметров цепи позволяет передавать параметры состояния объекта на верхний уровень АСУТП, используя любые промышленные протоколы передачи данных (ModBus RTU, Ethernet, CAN, HART, PROFIBUS).
Токи короткого замыкания требуют непосредственного отдельного измерения тока в фазах 8а, 8b, 8 с и анализа состояния линии. Этот же механизм может быть использован для локализации зоны повреждения и ускорения ремонтных работ.
Система контроля и мониторинга параметров цепи должна обеспечивать в ряде случаев режим работы с одной и двумя фазами вместо трех, поскольку сохранение системой электрического обогрева хотя бы ограниченной работоспособности может являться критичным для обогреваемого трубопровода. Система контроля и мониторинга параметров также должна обеспечивать регулирование выделяемой мощности как путем безопасного включения и отключения, так и путем изменения питающего напряжения (переключение обмотки трансформатора).
Система в соответствии с вариантами осуществления изобретения может функционировать следующим образом:
От источника питания, через питающий трансформатор подается требуемое напряжение (линейное) в питающую коробку, распределяющую напряжение по трем фазам (фазное напряжение). Питание подается от одной подстанции запитки. Заявленная система электрического обогрева позволяет поддерживать заданные электрические параметры в греющей цепи на расстоянии до 100 км. Таким образом, если разместить питающую подстанцию в середине обогреваемого участка трубопровода, то от одной подстанции можно обеспечить обогрев трубопровода до 100 км в одну сторону и до 100 км в другую. Таким образом, можно обеспечить обогрев трубопровода на расстоянии до 200 км в совокупности от одной подстанции. Дистанционный контроль и управление заявленной системой полностью обеспечивается системой контроля и мониторинга параметров.
Каждая фаза представляет собой резистивный кабель 8, выделяющий тепло в направляющий элемент 9 и трубопровод. За счет раздельного размещение греющих фаз (8a, 8b, 8c) достигается возможность увеличить проходное фазное напряжение в каждой фазе в условиях строго регламентированного пространства теплоизоляции 7. Увеличение проходного фазного напряжения позволяет увеличить длину плеча обогрева. Изготовление жил кабелей плоскими или уплощенными, также позволяет увеличить проходное сечение греющих фаз (8а, 8b, 8с) в неизменном ограниченном пространстве теплоизоляции 7. Кроме того, отдельное разделение греющих фаз (8а, 8b, 8с) исключает взаимный нагрев фаз друг другом, что также способствует увеличению проходного фазного напряжения.
Пример расчета и применения системы электрообогрева трубопровода в соответствии с вариантами осуществления изобретения описан ниже.
2
окр
Расчет тепловых потерь и температурных параметров проводился в программе Elcut Professional. При расчете тепловых потерь в качестве граничных условий на поверхности земли задавались условия конвективного теплообмена: α=30 Вт/(м*К), Т=18°С. На глубине 10 метров задавалась температура грунта: +21°С. На внутренней стенке трубопровода задавалась температура продукта: +50°С.
Были приняты следующие параметры кабеля:
2
• Жила: алюминий, 70 мм (АС-70)
• Мощность обогрева: 30 Вт/м
• Число ниток обогрева: 3
• Длина плеча обогрева: 100 км
• Напряжение питания (линейное): 8899 В
• Напряжение питания (фазное): 5138 В
• Величина тепловых потерь с коэффициентом запаса 1,07 составила 25,3 Вт/м.
Предполагается, что три линии обогрева будут проложены в алюминиевых направляющих размером 55×40 мм и толщиной стенки 2,5 мм (ГОСТ 18475).
Температурные параметры системы в пассивном и отключенном режимах приведены в таблице 2:
Расчет электрических параметров системы с жилой АС-70/11.
Исходные данные:
• Три нитки обогрева;
• Требуемая мощность обогрева одной нитки: 10 Вт/м;
• Длина плеча обогрева: L=100 км;
• Токопроводящая жила: АС-70/11 по ГОСТ 839-80;
• Материал токопроводящей жилы: алюминий;
• Электрическое сопротивление 1 км провода постоянному току при 20°С: 0,4218 Ом;
• Расчет линейной мощности кабеля при температуре жилы 64°С
-3
• Температурный коэффициент сопротивления: α=4,3⋅10 1/°С.
• Сопротивление участка длиной 100 км при температуре жилы 64°С:
64
20
-3
R=R⋅(l+α⋅ΔT)=25,308⋅(1+4,3⋅10⋅44)=30,096 Ом
Полная мощность обогрева при температуре жилы 64°С:
Отсюда получаем значение питающего напряжения на фазу
U=5485 В.
Линейная мощность одной нитки обогрева при температуре жилы 64°С:
Расчет резистивного кабеля представлен в табл. 3
Особое размещение и увеличение проходного сечения греющих фаз способствует увеличению длины обогреваемого участка трубопровода до 200 км без изменения объема и величины теплоизоляции 7 обогреваемого трубопровода, а также способствует распределению тепла по трубе, что способствует эффективности выделения и использования нормированного количества тепла для путевого нагрева продукта в транспортной трубе на расстоянии до 200 км.
Наличие направляющих элементов 9, установленных непосредственно на трубе, способствует также более эффективному распределению выделяемого тепла греющими фазами.
Таким образом, достигается создание системы электрического обогрева трубопроводов, способной выделять нормированное количество тепла на значительном расстоянии до 200 км без сопроводительной сети и с одной точкой запитки (одной подстанцией).
В целом, отсутствие сопроводительной питающей сети способствует упрощению заявленной системы электрического обогрева.