Способы обогрева протяжённых трубопроводов. Четырёхжильный кабель DEVImulti™

 

    1. Введение
    2. Скин-обогрев трубопроводов
    3. Система обогрева LLS (Long Line System)
    4. Нагревательные кабели DEVImulti™
    5. Заключение

Введение

При обогреве промышленных трубопроводов встречаются задачи, где требуется обогреть достаточно длинные теплоизолированные магистральные трубопроводы, имеющие протяжённость несколько сотен метров, километров и даже десятки километров. Применение в этом случае резистивных и саморегулирующихся нагревательных кабелей из широко распространённой номенклатуры, как правило, неудобно по нескольким причинам:

  • Готовые к установке двухжильные резистивные нагревательные секции обычно имеют максимальную длину порядка 200 м, одножильные с малой линейной мощностью (~ 10 Вт/м) — 400 м; ограничение максимально допустимой длины саморегулируемых секций обычно составляет 150 м. Для многих задач этого недостаточно.
  • Немного лучше обстоит ситуация для резистивных кабелей, поставляемых «в нарезку» на бобинах: для заданной техническими условиями линейной мощности 10...13 Вт/м можно изготовить нагревательные секции длиной порядка 500 м, для 17...20 Вт/м — порядка 400 м. Однако для многих задач обогрева водо- и нефтепроводов, особенно в условиях Крайнего Севера, установка даже таких кабелей оказывается очень неудобной. Для подачи питания на резистивные и саморегулируемые нагревательные секции требуется сопроводительная электрическая сеть, по которой подается напряжение к каждой секции. Чем длиннее и разветвлённее трубопровод, тем более сложная сопроводительная сеть требуется системе обогрева, которая, помимо силовых кабелей, включает и распределительные коробки:
  • При относительно малой длине трубопровода (примерно до 150 м) величина сопроводительной сети минимальна, и мала её доля в общей стоимости системы.
  • Трубопроводы длиной 200...500 м также обычно обогреваются резистивными и саморегулируемыми кабелями, но в этом случае стоимость сопроводительной сети питания становится сопоставимой с затратами на нагревательные кабели.
  • Для трубопроводов длиной 500...3000 м экономически обоснованным становится применение специальных резистивных нагревательных кабелей последовательного сопротивления. Например, успешно применяются трехфазные кабели марки LLS (система «лонглайн»). Секция кабеля LLS, включающая 3 нагревательные жилы, подключается по схеме «звезда» и запитывается только с одной стороны трубопровода. Такой кабель удобен тем, что не требует установки промежуточных точек питания. Три медных проводника кабеля имеют электроизоляцию из кремнийорганической резины. Медная оплетка и наружная оболочка, также изготовленная из кремнийорганической резины, обеспечивают электрическую и механическую защиту нагревательного кабеля.
  • Минимальные затраты на обогрев трубопроводов длиной от 3 до 30 км обеспечивает СКИН-система, функционирующая без сопроводительной сети питания. Электропитание системы для трубопровода длиной до 15 км подается с одной стороны обогреваемого участка, для трубопроводов длиной 25–30 км — с двух сторон или из промежуточной точки (обычно в середине) трубопровода.

В настоящей статье будет проведён обзор СКИН-системы обогрева самых протяжённых трубопроводов (5...30 км), будет показано применение трехфазных кабелей в системе обогрева «лонглайн» для трубопроводов средней протяжённости (до 4 км). Подробно будет представлен новый подход к поставленной задаче обогрева протяжённых трубопроводов. Инженеры-разработчики компании DEVI создали резистивный нагревательный кабель нового поколения — DEVImulti™, имеющий четыре нагревательные жилы. Для изготовления нагревательной секции от бобины отматывается отрезок кабеля необходимой длины, нагревательные жилы на обоих концах этого отрезка коммутируются одним из 11-ти предложенных вариантов. В результате для трех выпускаемых разновидностей этого кабеля с линейным сопротивлением нагревательных жил 0,027 Ом/м, 0,22 Ом/м или 2,5 Ом/м и двух вариантов напряжения питания (230 В и 400 В) можно подобрать нагревательную секцию с точной необходимой длиной и практически с любыми техническими параметрами для большинства задач обогрева протяжённых трубопроводов:

  • Линейная мощность: от 10 Вт/м до 30 Вт/м;
  • Длина нагревательной секции: от 13,3 м до 1540 м;
  • Мощность нагревательной секции до 15 396 Вт.

На отдельных примерах продемонстрируем принцип выбора и конструирования нагревательной секции с требуемыми параметрами на основе четырехжильного нагревательного кабеля DEVImulti™. Разберём также все «плюсы» и «минусы» нового кабеля по сравнению со скин-системой.

Скин-обогрев трубопроводов

Скин-система обеспечивает рентабельную альтернативу традиционным резистивным системам теплообогрева длинных трубопроводов, которая в большинстве задач исключает необходимость громоздкой системы подводки и распределения электроэнергии. Один электрический ввод позволяет обогревать трубопровод длиной до 25...30 километров. Эта система идеально подходит для поддержания заданной температуры, защиты от замерзания и даже дополнительного нагрева трубопроводов.

Обычное джоулево тепло выделяется при прохождении переменного тока по внутренней поверхности стальной нагревательной трубки, приваренной или плотно прижатой ко внешней поверхности обогреваемой трубы. Система электро- и взрывобезопасна — на наружной поверхности ток отсутствует.

Основой системы обогрева с использованием скин-эффекта является специальный изолированный медный провод, установленный в трубке с внешним диаметром 32...40 мм, выполненной из ферромагнитного материала (см. рисунок).

Конструкция скин-системы обогрева

1 — Никелированная медная скрученная проволока

2 — Фторополимерная диэлектрическая изоляция

3 — Фторополимерная защитная оболочка

4 — Стальная нагревательная трубка

Индивидуально под конкретный проект поставляется никелированный медный проводник с диэлектрической изоляцией и защитной внешней оболочкой. В системах защиты от замерзания и низких температур используются медные луженые проводники с тефлоновой изоляцией. Медные никелированные проводники с полиолефиновой изоляцией обеспечивают наилучшие температурные характеристики, гибкость и прочность, необходимые для многих технологических задач электрокабельного обогрева трубопроводов.

Технические характеристики скин-системы

  • Варианты удельной мощности: до 165 Вт/м
  • Напряжение питания: до 3,5 кВ
  • Максимальная температура поддержания: 200 °C
  • Максимальная температура непрерывного воздействия:
    — для фторополимерной изоляции: 260 °C
    — для полиолефиновой изоляции: 125 °C
  • Минимальная температура окружающего воздуха при монтаже: −46 °C
  • Диаметр токового проводника: от 3,26 до 7,35 мм²
  • Номинальные размеры стальной трубки-«спутника»: от 1/2″ до 1½«
  • Т-класс: от Т6 до T2

Максимальная мощность ограничивается допустимой температурой, которую выдерживает токовый проводник. Электропроводники с тефлоновой изоляцией характеризуются максимальными значениями допустимой мощности, но проводники с полиэтиленовой изоляцией существенно дешевле. Поэтому, если не хватает мощности одной нагревательной трубки — устанавливается их необходимое количество.

Чем длиннее скин-система, тем необходимо большее напряжение для достижения требуемого тока. Рабочее напряжение (а, соответственно, и количество точек запитки системы) ограничено допустимым напряжением для изоляции проводника. Увеличение числа нагревательных трубок снижает требуемый ток в каждой и, соответственно, рабочее напряжение для каждой трубки. Следовательно, увеличивая количество трубок, мы уменьшаем и количество точек запитки. Напряжение питающей сети непринципиально для системы — трансформаторы могут быть изготовлены практически под любое напряжение.

Описание системы обогрева

Принцип действия скин-системы обогрева основывается на двух явлениях: эффекте близости встречных токов и скин-эффекте.

Нагревающим устройством является ферромагнитный трубопровод, называемый «нагревательной трубкой», через которую протягивается специальный токовый проводник. На одном конце нагревательная трубка и изолированный проводник соединены между собой. На другом конце они соединены через источник переменного тока (обычно 50 или 60 Гц).

Приложенное напряжение вызывает протекание по токовому медному проводнику переменного тока, который возвращается по внутренней поверхности стенки стальной 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 эффективную глубину, называемую «скин-слоем».

Благодаря описанному выше явлению на внешней поверхности трубки электроток практически отсутствует. Соответственно отсутствует и падение напряжения, что позволяет заземлять трубопровод. Тепловыделение происходит в тонком скин-слое на внутренней поверхности стальной нагревательной трубки. Под действием приложенного высокого напряжения от источника питания ток протекает до устройства концевой заделки.

Создаваемый тепловой поток передаётся путём теплопроводности к присоединённой обогреваемой магистральной трубе, что в итоге поддерживает температуру внутри трубопровода на заданном уровне. Система обогрева электро- и взрывобезопасна.

Схема системы обогрева трубопровода, основанной на скин-эффекте

  1. Нагревательная трубка (ферромагнитная труба-«спутник»):
  • Трубка изготавливается из обычной углеродистой стали
  • Типичный номинальный размер трубки: от 1/2″ до 1½«
  • Толщина стенки трубки должна быть больше глубины скин-слоя
  • С края трубки должна быть снята фаска
  • Соединение трубки с магистральной трубой трассы: сварное или закрепление бандажом
  1. Токовый проводник:
  • С полиэтиленовой или тефлоновой изоляцией
  • Напряжение до 4 кВ
  • Протягивается через стальную нагревательную трубку
  • Сращивается специальными муфтами
  • Комплектуется наконечниками для подключения
    1. Комплектная трансформаторная подстанция (КТП)

КТП спроектирована для удовлетворения требований каждого конкретного проекта в соответствии с подаваемым напряжением, требованиями к нагрузке, числом сетей и рабочей средой. КТП для скин-системы обычно состоит из водонепроницаемого сухого трансформатора и снабжена первичными отпайками в первичной обмотке и дополнительными отпайками во вторичной обмотке для регулирования энергии.

Вакуумные пускатели, рубильники и прочие защитные устройства также являются частью узла нагрузки. Индивидуальные трансформаторы с жидким диэлектриком используются в соответствии с пожеланиями заказчика. Если существует несколько цепей обогрева (с подачей питания из одной точки), то для балансировки трехфазного питания, подаваемого на различные цепи скин-системы, могут быть использованы трансформаторы, соединённые по схеме Скотта.

К панелям управления и контроля для системы скин-обогрева обычно подключаются цепи управления и контроля температуры, а также аварийной сигнализации достижения максимальной и минимальной температуры, предохранитель на дифференциальном токовом реле и система контроля наличия напряжения/тока. Управляющее и следящее оборудование заключено в водонепроницаемые кожухи (для наружного использования) или пыленепроницаемые кожухи (для использования в помещениях).

  1. Датчики температуры

Датчик температуры (на картинке показан один из датчиков — PTD-100) специально разработан для прецизионной передачи данных электронному контроллеру. Конструкция датчика позволяет не использовать дополнительные искрозащитные барьеры, даже когда он сам расположен во взрывоопасной зоне. Контроллер обычно устанавливается в невзрывоопасной зоне.

Датчик может быть подсоединен к соединительным коробкам с маркировкой взрывозащиты EExe или EExd и используется обычно с электронными контроллерами различного типа.

  1. Бандаж для крепления трубки

На рисунке представлена типичная конструкция бандажного хомута для закрепления стальной трубки-«спутника» с токопроводящим проводом.

  1. Коробки подвода питания, протяжки/соединения и концевой заделки являются неотъемлемыми частями системы обогрева, через которые передаётся ток по принципу скин-эффекта. Поэтому эти устройства изготавливаются из толстых ферромагнитных материалов и привариваются к нагревательной трубке для обеспечения непрерывности электроцепи системы со скин-эффектом. Конструкция коробок разрабатывается с учетом характеристик обогреваемого трубопровода и обеспечения водонепроницаемости с помощью закрепляемых на болтах крышек с уплотнением.

6.1. Коробка вводная расположена со стороны подачи силового питания цепи. Вводная коробка позволяет осуществить подвод питания и подключение нагревательной трубки. Внешний зажим на коробке предназначен для заземления системы.

6.2. Коробки протяжки/соединения. Расположенные периодически вдоль обогреваемого трубопровода, эти коробки обеспечивают доступ для установки токового проводника. Конструкция коробок предусматривает компенсацию возможных температурных растяжений/сжатий проводника, а отдельные разновидности этих коробок позволяют трубке-«спутнику» пересекать обогреваемый трубопровод, если это необходимо, в точках подъема или изменения направления.

6.3. Коробка концевой заделки. Конструкция коробки концевой заделки предусматривает соединение проводника и нагревательной трубки для обеспечения возврата электрического тока по внутренней поверхности стальной трубки. Внешний зажим на коробке предназначен для заземления металлических частей системы обогрева.

 

Система обогрева LLS (Long Line System)

Типичное применение системы обогрева LLS — поддержание температуры нефти или мазута в надземных или подземных нефтепроводах, предотвращение замерзания водоводов.

  • Кабели постоянной мощности ЛОНГЛАЙН предназначены для обогрева трубопроводов длиной до 3...4 км;
  • Высокотемпературная изоляция позволяет применять этот тип кабелей с линейной мощностью до 60 Вт/м;
  • Плоское сечение, аналогичное саморегулируемым кабелям, и гибкость обеспечивают высокую эффективность теплопередачи от кабеля к обогреваемому объекту;

Три нагревательные жилы, объединённые в одной конструкции кабеля, позволяют подключать его к трехфазной сети питания по схеме «звезда». При этом подключение происходит с одного конца достаточно протяжённой нагревательной секции. Применение системы минимизирует число необходимых точек подвода электропитания, что снижает затраты на оборудование силовых кабельных сетей.

Конструкция
Нагревательный кабель LLS представляет собой конструкцию из трех параллельных нагревательных жил из медной проволоки с изоляцией из кремнийорганической резины, поверх которой наложена оплетка из медной луженой проволоки и оболочка из кремнийорганической резины (см. рисунок).

1 — нагревательные жилы из медных проволок

2 — изоляция из кремнийорганической резины

3 — оплётка из медных лужёных проволок

4 — оболочка из кремнийорганической резины

Исполнение
Параметры нагревательных проводников (удельное и линейное сопротивления) выбираются такими, чтобы обеспечить желаемое тепловыделение для требуемой длины цепи. Нагревательные секции присоединяются непосредственно к трехфазной сети питания или, при необходимости, к специальному повышающему трансформатору.

Повышенная безопасность и эффективность

Большая поверхность нагрева нагревательного кабеля с широкой полосой, контактирующей с обогреваемой трубой, позволяет понизить рабочую «температуру поддержания» по сравнению с альтернативными кабелями круглого сечения, повышая, таким образом, эффективность, безопасность и срок службы нагревательного кабеля. Применение в качестве изоляции кремнийорганической резины, способной сохранять свои электрические и механические свойства в широком диапазоне температур, позволяет получить мощное тепловыделение, вплоть до 60 Вт/м.

Лонглайн — комплексная система

Поставка трехфазных кабелей LLS обычно предваряется проведением предварительных расчётов или проектных работ. В ряде случаев изготавливаются нагревательные секции, адаптированные к конкретным условиям применения на объекте заказчика. По согласованию с заказчиком поставляются: источник питания (при напряжении, отличном от 380 В), система управления питанием и контроля температуры, оборудование слежения/сигнализации за целостностью цепи, коробки подачи питания, сервисные коробки, соединительные заделки — все необходимые компоненты LLS системы обогрева.

Установка
Нагревательные кабели LLS можно укладывать на поверхности трубы линейно или спиралью. Для предварительно теплоизолированных трубопроводов нагревательные секции обычно помещаются в направляющие элементы, установленные на транспортной трубе внутри теплоизоляции. Номенклатура LLS кабелей представляет собой удобные для монтажа длины для последовательного соединения на месте проведения монтажных работ. Возможна также поставка готовых к установке нагревательных секций с присоединёнными монтажными проводами.

Технические характеристики:

Максимальная температура без нагрузки: 180 °C
Минимальная температура монтажа: −25 °C
Температурная группа: T2 — T6
Электропитание: трёхфазная сеть, до 600 В
Линейное тепловыделение: дo 60 Вт/м
Сечение нагревательной жилы: 1,5 мм², 3,0 мм², 6,0 мм²

 

Предприятие-изготовитель может по специальному заказу изменять физические и геометрические параметры нагревательных проводников, чтобы обеспечить необходимое линейное тепловыделение (Вт/м) для требуемой длины обогреваемой цепи.

Размеры и минимальный радиус изгиба:

Тип Номинальный размер, мм Минимальный радиус изгиба, мм
LLS 3×1,5 14,0×7,8 40
LLS 3×3,0 16,0×8,5 45
LLS 3×6,0 18,7×9,4 50

Максимальная «температура поддержания»

«Температура поддержания» — это значение технологической температуры, которое должно поддерживаться в пространстве обогреваемой трубы. Она же совпадает с температурой внешней оболочки нагревательного кабеля, установленного под слоем теплоизоляции на трубе. «Температура поддержания» контролируется терморегулятором с датчиком, устанавливаемым на внешней поверхности трубы в самой удалённой от нагревательного кабеля точке. Для наиболее неблагоприятных условий теплообмена температура трубопровода должна быть ограничена следующими значениями, безопасными для LLS-кабеля:

Линейное тепловыделение, Вт/м 10 20 30 40 50 60
Макс. температура поддержания, °С 192 178 165 127 93 57

Длина нагревательной секции

Длина нагревательной секции, изготовленной из LLS-кабеля, зависит от напряжения питания, сечения токопроводящей жилы и линейной мощности тепловыделения (Вт/м):

 

Длина нагревательной секции, м

Линейная мощность, Вт/м

60

50

40

30

20

Сечение, мм²

1,5

3,0

6,0

1,5

3,0

6,0

1,5

3,0

6,0

1,5

3,0

6,0

1,5

3,0

6,0

Линейное

напряж.,В

220

210

310

-

250

320

-

280

370

-

335

470

-

425

600

-

380

365

540

730

440

560

870

485

650

970

580

770

1170

740

1020

1490

500

485

710

970

570

730

1150

640

850

1290

7760

1020

1550

975

1350

1960

600

640

930

1280

750

970

1520

845

1130

1700

1015

1350

2040

1280

1800

2590

 

Нагревательные кабели DEVImulti

Назначение и описание

Четырёхжильный нагревательный кабель постоянного сопротивления (резистивный) DEVImulti™ предназначен для обогрева трубопроводов средней и большой протяжённости (до 1,5 км) и для предотвращения обледенения открытых площадок в зимнее время года.

Кабель выпускается в 3-х вариантах (артикулах), отличающихся линейным сопротивлением нагревательных жил. Все разновидности этого кабеля имеют четыре нагревательные жилы с одинаковым линейным электросопротивлением для одного артикула товара. Задачи электрокабельного обогрева, выполняемые этим многожильным кабелем, имеют свою специфику, которая определяется особенностями его конструкции:

DEVImulti™ PVC (старое обозначение DMIH) — очень гибкий кабель, удобен для установки на наружную поверхность обогреваемых труб; поставляется в трех вариантах линейного сопротивления нагревательных жил;

Ассортимент кабеля DEVImulti™ PVC:

Код товара

Тип кабеля

Линейное сопротивление одной жилы, Ом/м

Диаметр жилы, мм

89999140

DEVImulti™ PVC

4×2,5

0,96

89999142

DEVImulti™ PVC

4×0,220

0,771

89999144

DEVImulti™ PVC

4×0,027

1,02

Внешняя оболочка кабеля DEVImulti™ PVC изготовлена из поливинилхлорида и имеет красный цвет в соответствии со стандартами, принятыми в компании DEVI, для расцветки внешней оболочки нагревательных кабелей согласно их предназначению. Кабели DEVImulti™ PVC не предназначены для использования в контакте с пищевыми продуктами и питьевой водой (см. фото бобины с кабелем).

Технические характеристики кабеля DEVImulti™:

  • Тип кабеля Резистивный четырехжильный экранированный
  • Номинальное напряжение 230 В ~ или 400 В ~
  • Диаметр внешней оболочки 8 мм
  • Минимальный диаметр изгиба 50 мм
  • Экран Медь, 1 мм² (16×0,286 мм)
  • Внутренняя изоляция Поливинилхлорид PVC
  • Наружная изоляция Поливинилхлорид PVC, красный
  • Изоляция проводников Фторопласт FEP
  • Максимальная температура при включении 90 °С
  • Максимальная температура при выключении 90 °С
  • Минимальная температура воздуха при монтаже 0 °С
  • Сертифицирован EAC, IEC 60800, EN 50581

Конструкция четырехжильного кабеля в разрезе приведена на схематичном рисунке:

Основная особенность нагревательного кабеля DEVImulti™ — это четыре параллельно расположенные нагревательные жилы, имеющие высокотемпературную изоляцию из фторополимера FEP. Как уже упоминалось, параллельно-последовательная коммутация этих жил на обоих концах нагревательной секции, возможность питания от сети переменного тока 230 В~ или 400 В~, а также наличие различных вариантов кабеля, отличающихся линейной мощностью нагревательных жил (Px = 0,027 Ом/м или 0,22 Ом/м или 2,5 Ом/м), даёт возможность проектировщикам подобрать для кабеля DEVImulti™ PVC один из 132 вариантов длины нагревательной секции с линейной мощностью Pz = 10 Вт/м, столько же для Pz = 15 Вт/м, столько же для Pz = 20 Вт/м и ещё столько же для Pz = 30 Вт/м.

Чтобы облегчить работу проектировщикам кабельных электрических систем обогрева (КЭСО), приводим таблицу рекомендуемой мощности одного метра нагревательной секции для различных задач электрокабельного обогрева:

Тип установки

Максимальная линейная мощность нагревательной секции, Pz max (Вт/м)

Залит в бетонной или цементно-песчаной стяжке

30

Смонтирован на металлической трубе под изоляцией со сплошной проклейкой алюминиевой лентой

20

Установлен в дренажной трубе

15

Смонтирован на пластиковой трубе под изоляцией со сплошной проклейкой алюминиевой лентой

10

Для большей ясности приведём в качестве примера две схемы коммутации нагревательных жил: 10S и 11TY. Напомним, что у пользователя имеется возможность выбрать наиболее подходящую схему коммутации из существующих 11-ти, что позволяет подобрать точную требуемую длину L, а также линейную мощность Pz (Вт/м) нагревательной секции. Принципиальные схемы коммутации, получившееся линейное сопротивление нагревательной секции RΣ (Ом/м), её линейная мощность Pz (Вт/м), длина L (м) и общая мощность Р (Вт) при выбранном напряжении питания U (230 В или 400 В) приведены в прилагаемой к кабелю документации, а также в «Техническом каталоге» DEVI.

 

СХЕМА 10 S:

СХЕМА 11 TY:

Изготовление нагревательных секций из кабеля DEVImulti

Для изготовления нагревательных секций с требуемыми параметрами следует выбрать одну из одиннадцати схем коммутации, приведённых в «Техническом каталоге DEVI», подсоединить питающие кабели и установить муфты-заглушки при помощи одного из двух специальных «Ремонтных наборов для кабеля DEVImulti™», в состав которых входят обжимные медные гильзы и набор термоусадочных трубок:

Код товара 19805480 Ремонтный набор для кабеля DEVImulti™ (для одного подключения)

Код товара 19805712 Ремонтный набор для кабеля DEVImulti™ (для двух подключений)

Заключение

Подводя итог, отметим, что для решения задачи обогрева металлических и пластиковых протяжённых трубопроводов длиной до 1,5 км существует отличный вариант: четырехжильные нагревательные кабели DEVImulti™ PVC. Эти же кабели можно применить для обогрева дренажных систем и наружных площадок в холодное время года. Если длина трубопровода лежит в пределах 1,5...4 км, то существует проверенный временем вариант: Лонглайн система обогрева (LLS). СКИН-обогрев применяется для самых протяжённых металлических магистральных труб (от 3 до 30 км) любого диаметра.