Глава 5

ПЕРЕКАЧКА С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОПОДОГРЕВА

Течение тока по проводнику сопровождается выделением тепла и это явление нашло применение в технологии трубопроводного транспорта нефти.

Использование электрообогрева позволяет разогреть нефть до температуры, необходимой для начала перекачки, поддерживать за­данный температурный режим течения и предотвратить остановку или «замерзание» трубопровода.

Системы электроподогрева используются на нефтебазах для обеспечения операций слива и налива нефти и нефтепродуктов и обогрева оборудования.

Применение таких устройств возможно для борьбы с гидрато- образованием в газовых и газожидкостных потоках. Последнее осо­бенно актуально при транспорте продукции скважин по подводным трубопроводам.

Устройства электроподогрева, в отличие от печей, можно мон­тировать не только на перекачивающих станциях, но также вдоль отдельных участков трубопровода там, где необходимо подогреть нефть и имеются источники тока.

Процесс регулирования температуры транспортируемого про­дукта может быть автоматизирован путём изменения мощности по­догрева в зависимости от температуры окружающей среды и других условий перекачки.

§ 1. Классификация электронагревательных устройств

По способу обогрева имеющиеся электронагревательные уст­ройства можно разделить на две группы. Устройства прямого обог­рева, в которых ток течёт по металлу трубы и устройства косвенного обогрева, в которых используется электронагреватель, монтирую­щийся на трубопроводе.

В устройствах прямого индукционного электрообогрева ток вы­сокой частоты, течёт в проводнике, намотанном на металл трубы. При этом достигается большая мощность тепловыделения на единице длины трубы, зависящая от числа витков, силы и частоты тока.

В устройствах прямого импендансного электрообогрева перемен­ное напряжение подводится к концам трубы («короткое замыкание»).

Электронагревательные кабели относятся к устройствам кос­венного обогрева. Кабель состоит из токопроводящих жил (про­водников тока). В качестве проводника тока используется медь, алюминий, нихром, медно-никелевый сплав.

В современных кабелях, способных менять мощность тепловы­деления в зависимости от температуры, проводники вмонтированы в греющий элемент.

Греющий элемент выполнен из токопроводящего полимерного материала, электрическое сопротивление которого изменяется в за­висимости от температуры.

Сопротивление увеличивается с ростом температуры и умень­шается с её падением. При этом меняется сила тока и мощность теп­ловыделения на единице длины трубы.

Греющий элемент находится в изоляции из фторполимера, ок­руженного медной оплеткой, и помещенного в защитную оболоч­ку. Кабели соединяются между собой с помощью специальных коннекторов.

Система использует в качестве тепловыделяющих элементов на­гревательные кабели, поскольку они наилучшим образом решают задачу обогрева разветвленных и длинных трубопроводов.

В отличие от обычных силовых кабелей, назначение которых передать электроэнергию к нагрузке с минимальными потерями, на­гревательные кабели сами являются нагрузкой, но нагрузкой рас­пределенной.

Все 100% напряжения, подаваемого на нагревательный кабель, падают в нем. Происходящее при этом выделение тепла не должно вызывать перегрева кабеля или обогреваемого объекта.

Используется три основных типа нагревательных кабелей: резистивные, зональные и саморегулирующиеся.

В резистивном кабеле выделение тепла происходит за счет омических потерь в нагревательной жиле кабеля. Кабель, помимо нагревательной, может содержать токопроводящую жилу, что уп­рощает схему его подключения.

Зональный кабель содержит две параллельные изолированные токопроводящие жилы. Поверх токопроводящих жил наложена спи­раль из проволоки с большим сопротивлением, которая через кон­тактные окна попеременно замыкается то с одной, то с другой токо- проводящей жилой, образуя параллельные нагревательные элементы - «зоны». Каждая зона представляет независимый нагре­ватель длиной около 1 м.

Тепловая мощность резистивных и зональных кабелей практи­чески не зависит от температуры. Для обеспечения длительной и на­дежной работы кабелей этих типов важно соблюдать расчетные ус­ловия теплоотдачи, чтобы не вызвать перегрева.

Саморегулирующийся кабель также как зональный имеет две параллельные токопроводящие жилы.

Отличие состоит в том, что токопроводящие жилы окружены проводящей пластмассой, в которой и происходит выделение тепла.

Пластмасса характеризуется существенной зависимостью прово­димости от температуры, а температурный коэффициент сопротивле­ния проводящих пластмасс на порядок больше, чем у меди или стали. Это обеспечивает саморегулирование тепловой мощности кабеля.

Саморегулирующийся кабель может изменять свою мощность локально, только в зоне перегрева. Это свойство позволяет создавать безопасные системы обогрева трубопроводов и резервуаров, в том числе с переменными по длине трубопровода условиями теплоотдачи.

Принцип саморегулирования представлен на Рис 5.1.

Рис. 5.1. Принцип саморегулирования мощности тепловыделения в зави­симости от температуры трубы

Основными характеристиками нагревательного кабеля являются линейная тепловая мощность, напряжение питания, минимальная и максимальная длина нагревательной секции при заданном напряже­нии, рабочая и максимально допустимая температуры.

Такой кабель или несколько кабелей могут быть прикреплены на внешней поверхности трубы вдоль её образующих или намотаны по спирали с некоторым шагом. Кабели крепятся к трубе хомутами ^и накрываются теплоизоляцией в защитном кожухе. Иногда кабель монтируется внутри трубы.

Кабель может быть смонтирован также на насосных агрегатах и арматуре технологической обвязки трубопровода.

Другой тип устройств косвенного обогрева, сходных с кабелем, - ленточные обогреватели. Можно выделить два типа этих устройств, отличающихся способом соединения греющих элементов.

Ленточные обогреватели с параллельным соединением тепло- генерирующих элементов. В таких обогревателях тепло выделяется в греющих элементах, расположенных вдоль ленты и соединенных между собой параллельно при помощи двух токопроводящих жил (проводников тока). Источник тока подключается в начале или в конце ленты.

Ленточные обогреватели с последовательно соединёнными теплогенерирующими элементами. К источнику тока подключает­ся начало и конец ленты.

Греющие элементы находятся в стекло волоконной основе. В ка­честве оболочки ленты используется кремний - органическая рези­на. Ленты крепятся вдоль образующей, либо наматываются на трубу с определённым шагом, от которого зависит мощность, выделенная на единицу длины. Благодаря гибкости лент, их можно использовать для обмотки арматуры и обогрева резервуаров.

В заводских условиях изготовляют трубный модуль с лентами. Разработаны ленты с саморегулирующейся мощностью тепловыде­ления в зависимости от температуры, при этом мощность, как в ка­белях, увеличивается с понижением температуры и уменьшается с понижением температуры. Механизм саморегуляции тепловыделе­ния в таких устройствах зависит от их сопротивления, которое, в свою очередь, зависит от температуры.

Для последовательного соединения друг с другом и подключе­ния к источнику питания нагревательные элементы оснащают кон­цевыми заделками и низкотемпературными выводами.

Параметры нагревательных лент рассчитывают из условия пря­мого включения их в сеть переменного тока стандартного напряже­ния 380 В и 220 В, 127 В.

Длина их активной части колеблется от 3 до 40 м. К каждому участку трубопровода, предназначенному для обогрева, подводят электрические провода, к которым непосредственно без каких-либо преобразующих устройств подключают нагревательные ленты.

Тепловая, мощность нагревателей на 1 м трубопровода диамет­ром 75, 100 и 150 мм обычно не превышает соответственно 80, 130 и 180 Вт.

Систему обогрева трубопроводов нагревательными лентами ос­нащают устройством позиционного регулирования температуры на­грева трубопровода. Причем датчики контроля температуры металла трубопровода монтируют непосредственно на внешней поверхности трубы.