1. Обзор существующих систем электрического обогрева трубопроводов

1. Общие положения

В настоящее время в эксплуатации находится большое количество трубопроводов, выполняющих самые разнообразные функции и размещаемые по способу прокладки подземно, наземно и над землей [4]. Один из критериев правильной эксплуатации работающего трубопровода является качественная система обогрева труб и ее комплектующих. Особенно остро вопрос поддержания необходимого температурного режима труб при помощи современных технологий прогрева встает в зимний период. Из практики следует, что обогревать необходимо практически все известные типы трубопроводов – нефте и газопроводы, системы водоснабжения и канализационные системы.

Принцип действия систем электрического обогрева (ЭО), предназначенных для поддержания технологической температуры, состоит в компенсации тепловых потерь трубопровода. В отдельных случаях подобную систему используют для разогрева трубопроводов с целью повышения температуры содержащейся в них жидкости, одновременно с компенсацией тепловых потерь, имеющих место в данном процессе. Оба варианта могут иметь место как для трубопроводов в режиме останова, так и для трубопроводов с постоянной прокачкой продукта. Несмотря на то, что системы электрообогрева прочно заняли свое место в российской промышленности, вопросы проектирования систем электрообогрева, в частности, расчет тепловых потерь обогреваемого объекта, практически не освещен в нормативных документах, действующих на территории РФ [5].

В мировой практике широко используют системы ЭО трубопроводов на основе греющих кабелей, скин-систему, индукционно-резистивную, которые имеют ряд своих преимуществ и недостатков.

1.2. Описание системы электрического обогрева на основе греющего кабеля

Электрический нагревательный кабель представляет собой самый главный элемент любой системы обогрева. Принцип его работы заключается в преобразовании электрической энергии, при протекании через кабель электрического тока, в тепловую энергию. Главный параметр, который характеризует его – это удельное тепловыделение, то есть выделяемая мощность на единицу длины. Единица измерения удельного тепловыделения - Вт/м. Кабель конструктивно имеет внутреннюю жилу, изготовленную из специального сплава с высоким электрическим сопротивлением. Снаружи провод защищен надежным полимерным изоляционным материалом, с экранирующей сеткой из медной проволоки и помещен в прочную и надежную поливинилхлоридную оболочку, защищающую кабель от агрессивных внешних воздействий [6].

Кабель в зависимости от технологии изготовления и сферы использования бывает следующих типов: резистивный и саморегулирующийся.

Резистивный нагревательный кабель имеет постоянное сопротивление и представляет собой металлическую жилу, покрытую слоем изоляционного материала. Жила имеет заданное высокое омическое сопротивление и по этой причине нагревается одинаково по всей своей длине. Поэтому требуется очень внимательно следить за температурным режимом, в котором он работает. Сопротивление резистивного кабеля и его мощность обогрева практически неизменны при любых изменениях температуры окружающей среды. Такой кабель может выйти из строя в случае перегорания из-за чрезмерного перегрева, который может произойти в случаях ухудшения или нарушения теплоотдачи на каком-либо участке кабеля. Наиболее эффективная защита от перегрева заключается в подключении электропитания к резистивному кабелю через регулятор температуры. Кроме того, для нормальной работы системы обогрева с резистивным кабелем требуется установка датчиков температуры. Резистивный нагревательный кабель продается фиксированной длины. Максимальная мощность данного вида кабеля колеблется в пределах 20–30 Вт/м [7].

Саморегулирующийся нагревательный кабель, в отличие от резистивного кабеля, наделен уникальной способностью самостоятельно регулировать выделяемую мощность на участке любой длины.

Саморегулирующиеся кабели имеют следующую типовую конструкцию: две параллельные токопроводящие жилы покрыты слоем полупроводящего, наполненного углеродом полимера (обычно называемого матрицей). Поверх матрицы накладываются слои электрической изоляции, экранирующая оплетка и оболочка. Саморегулирующиеся ленты имеют овальную форму (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Общий вид и схема саморегулирующегося нагревательного кабеля

Полупроводящую матрицу можно условно представить в виде очень большого числа сопротивлений, подключенных параллельно к токопроводящим жилам. При подаче напряжения на разомкнутые токопроводящие жилы в полупроводящей матрице возникает ток, вызывающий выделение тепла. За счет тепла материал матрицы расширяется, и контакты между отдельными частицами углерода нарушаются. Растет сопротивление матрицы, уменьшается ток. Через некоторое время (не более 5 минут) ток и температура стабилизируются. Сопротивление матрицы, приведенное к одному метру, обычно составляет несколько сот Ом, максимальная мощность данного вида кабеля варьируется в пределах 10–110 Вт/м, благодаря этому саморегулирующиеся нагревательные ленты обладают следующими достоинствами [1,7]:

- могут использоваться при подключении на полное напряжение любыми длинами от минимальных (десятки сантиметров) до предельно допустимых, без специальных расчетов;

- способны изменять тепловыделение локально. Если на обогреваемом объекте в какой-либо зоне температура повышается, то тепловыделение саморегулирующейся ленты в этой зоне падает. Данное свойство значительно повышает безопасность системы обогрева и упрощает процесс монтажа саморегулирующихся лент, поскольку допускается сближение и пересечение лент друг с другом.

Резистивные и саморегулирующиеся нагревательные кабели плотно наматываются на трубопровод с определенным шагом. Для трубопроводов малого диаметра применяется их продольная укладка ленты. После монтажа нагревательных кабелей трубопровод теплоизолируется [8].

Исходя из описания типов греющих кабелей, выделим достоинства и недостатки систем на их основе и сведем в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Достоинства и недостатки систем ЭО на основе греющих кабелей

Резистивные кабели		Саморегулирующиеся кабели
Достоинства	Недостатки		Достоинства	Недостатки
Простота конструкции кабеля	Пониженная надежность		Высокая надежность	Значительный пусковой ток
Большая длина нагревательной секции (до 3000 м)	Сложность монтажа		Простота монтажа	Форсированный нагрев предмета
Высокие температурные характеристики	Сложность ремонта		Простота ремонта	Низкая строительная длина (до 150 м)
Повышенная прочность к механическим воздействиям	Значительные энергозатраты		Экономия энергозатрат	Высокая стоимость
Низкая стоимость по сравнению с сам. рег. кабелем	Низкая удельная мощность		Высокая удельная мощность

Лидерами по производству и поставкам нагревательных систем на основе нагревательных кабелей в нашей стране являются такие крупные компании: «Специальные системы и технологии», Raychem, Thermon, SAS «Eltrace», а также компания ООО НПК «Сим-Росс» являющаяся генеральным дистрибьютором фирмы «eltherm». Это говорит о непрекращающимся спросе на такие системы, который с каждым годом будет увеличиваться.