УСТАНОВКА ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ТРУБОПРОВОДОВ
DEVICE FOR PIPELINE INDUCTION HEATING

Изобретение относится к области электротермии и может быть использовано для поддержания температуры трубопроводов в рабочем диапазоне, а также для защиты от замораживания трубопроводов и стартового разогрева трубопроводов до рабочей температуры.
Известны устройства для подогрева технологического оборудования нефтехимических производств, трубопроводов и резервуаров, основным компонентом которых, осуществляющим нагрев, является греющий кабель (лента) /1/. Данные системы кабельного электрообогрева весьма эффективны по сравнению с паровым обогревом, однако максимальные температуры, которые могут поддерживать электрические резистивные кабели с полимерной изоляцией, равны +150…+180°С для саморегулируемых кабелей и 200°С для кабелей с постоянной мощностью. Использование, для обеспечения более высоких температур, кабелей постоянной мощности с минеральной изоляцией и металлической оболочкой существенно повышает цену системы обогрева. Кроме того, для увеличения погонной мощности используется такой способ укладки кабеля, как навивание кабеля на трубопровод, что значительно снижает технологичность монтажных работ. Помимо этого при обогреве кабель нагревает не только трубопровод, но и греется сам и выделяет тепло в окружающую среду.
Таким образом, к основным недостаткам систем кабельного электрообогрева можно отнести: ограничение температурных режимов работы, и следовательно, ограничение функциональных возможностей данных систем, нетехнологичность монтажа, тепловое воздействие на окружающую среду, невысокий кпд (в пределах 60%).
Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому являются системы, называемые «СКИН-системы», в которых помимо резистивного нагрева используется и индукционный способ нагрева трубопровода /2, 3, 4/. В отличие от электрорезистивных систем СКИН-системы обогрева имеют такие преимущества, как более высокий коэффициент КПД (до 90-95%) и возможность поддерживать безопасную выработку мощности за счет низкой температуры греющего кабеля. СКИН-система содержит нагревательный элемент, представляющий собой трубу из углеродистой стали с наружным диаметром 20-60 мм и толщиной стенки не менее 2- мм, внутри которой располагается проводник из немагнитного материала (меди или алюминия) сечением 25-50 кв.мм, причем проводник с одного конца надежно соединяется со стальной трубой, а с другого конца между трубой и проводником подается переменное напряжение, величина которого рассчитывается исходя из необходимого тепловыделения и длины участка обогрева.
К недостаткам данных систем относятся небольшая вырабатываемая погонная мощность (в пределах 150 Вт/м) и невысокая поддерживаемая рабочая температура (до 200°С), плохая управляемость процессами тепловыделения и теплопередачи, низкая ремонтопригодность, большие масса и габариты трансформаторно-преобразовательных устройств.
Технической задачей изобретения являются расширение функциональных возможностей формирования теплового поля системы обогрева, улучшение ремонтопригодности, повышение управляемости процессами тепловыделения, уменьшение массы и габаритов устройства.
Поставленная задача достигается тем, что в известной установке индукционного нагрева трубопроводов, состоящей из устройства преобразования и управления, нагревательного элемента, отличающейся тем, что устройство преобразования и управления выполнено на основе автономного инвертора тока с квазирезонансной коммутацией, а нагревательный элемент представляет собой проводник с многопроволочной токопроводящей жилой высокой проводимости в термостойкой изоляции, расположенный вдоль оси трубопровода, либо под углом к этой оси, одним витком, образующим контур, причем при производственной необходимости обогрева сразу нескольких трубопроводов нагревательный элемент может быть выполнен из нескольких секций, включенных параллельно.
На фиг.1 представлена предлагаемая установка индукционного нагрева трубопровода, содержащая устройство преобразования и управления 1, нагревательный контур 2, нагревательный элемент 3, трубопровод 4. Показано исполнение монтажа нагревательного элемента для основных конструкционных особенностей технологических трубопроводов: прямой участок трубы (фиг.1а), изгиб трубопровода (фиг.1б), задвижка (фиг.1в), фланцевое соединение (фиг.1г).
На фиг.2 показана установка индукционного нагрева трубопровода, содержащая устройство преобразования и управления 1, нагревательный контур 2, нагревательный элемент 3, трубопровод 4, причем температурное поле равномерно распределяется по всему сечению трубопровода 4 и имеет максимальное значение в случае, когда прямой 5 и обратный 6 многожильный медный проводник нагревательного контура 2 расположены относительно друг друга на максимальном расстоянии, равном диаметру трубопровода 4 (фиг.2а), по мере сближения прямого 5 и обратного 6 проводников по сечению трубопровода уменьшается площадь воздействия температурного поля (фиг.2б), когда прямой и обратный проводник расположены вплотную друг к другу, то за счет влияния магнитных полей друг на друга они взаимнокомпенсируются и нагрева практически не происходит (фиг.2в).
На фиг.3 показана установка индукционного нагрева, осуществляющая обогрев сразу трех трубопроводов, содержащая устройство преобразования и управления 1, нагревательные контуры 2, 5, 6, нагревательные элементы 3, 7, 8, участки трубопроводов 4.
Установка работает следующим образом (фиг.1). От устройства преобразования и управления с автономным инвертором тока 1 импульсами подается переменное синусоидальное напряжение на проводник 3 с многопроволочной токопроводящей жилой высокой проводимости в термостойкой изоляции, образующий нагревательный контур 2. Под воздействием вихревых токов, возникающих в металлической трубе 4, происходит разогрев и тепло передается от стенок трубы к разогреваемой текучей жидкости. Площадь температурного воздействия зависит от площади контура, количества нагревательных контуров (фиг.3), а так же от расположения и расстояния между прямым 5 и обратным 6 проводником. Регулирование температурного поля возможно за счет перемещения проводника одного контура по сечению трубопровода, при расположении проводника прямого направления относительно обратного на максимальном расстоянии, равном диаметру трубы, передача тепла будет максимальной, по всему сечению трубопровода, по мере сближения прямого и обратного провода по сечению трубопровода уменьшается и температурное поле воздействия.
В случае превышения заданных параметров значений температуры нагреваемой жидкости происходит автоматическое снижение мощности или отключение системой управления 1 кабеля 3.
Выполнение устройства преобразования и управления на основе автономного инвертора тока с квазирезонансной коммутацией обеспечивает высокое выходное напряжение и улучшает качество энергетических показателей системы.
Исполнение установки без согласующего трансформатора значительно улучшает его весогабаритные характеристики.
Реализация и внедрение предлагаемой установки на промышленном предприятии показали, что исполнение нагревательного элемента на основе проводника с многопроволочной токопроводящей жилой позволяет легко монтировать проводник на трубе с помощью крепежных муфт или клейких термостойких лент, а предлагаемое расположение нагревательного элемента вдоль оси трубопровода, либо под углом к этой оси, одним витком, образующим контур, позволяет снизить затраты на частичный демонтаж нагревательного элемента при врезке трубопровода или при иных работах на самом трубопроводе /5/.
Источники информации
1. Транспорт и хранение высоковязких нефтей и нефтепродуктов. Применение электроподогрева. / Бахтизин Р.Н., Галлямов А.К., Мастобаев Б.Н. и др. - М.: Изд-во «Химия», 2004. - 196 с.: илл.
2. А.Б.Кувалдин. Индукционный нагрев магнитной стали на промышленной частоте./ Итоги науки и техники. Электротехнологии. Том 2. М.: ВИНИТИ, 1976.
3. www.raychem.biz
4. www.mir-m.ru
5. С.Г.Конесев. Система индукционного ВЧ-обогрева трубопроводов установки по производству битума. Межвузовский сборник научных статей «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» УГНТУ. Уфа, 2005 г., стр.69-74.