УДК 621.36

Способ увеличения длины обогреваемого плеча индукционно-резистивной системы нагрева путём использования градированной изоляции

Федин Максим Андреевич – доктор технических наук, профессор кафедры Электроснабжения промышленных предприятий и электротехнологий Национального исследовательского университета МЭИ

Кошкин Дмитрий Петрович – генеральной директор Производственной компании "Тепловые системы полюс"

Демидов Юрий Анатольевич – советник генерального директора Производственной компании «Тепловые системы Полюс»

Василенко Александра Ильинична – студент кафедры Электроснабжения промышленных предприятий и электротехнологий Национального исследовательского университета МЭИ

Аннотация: В статье рассматривается индукционно-резистивная система нагрева для промышленных трубопроводов. Описывается принцип действия и приводятся технические характеристики современных индукционно-резистивных систем нагрева. Выявлены факторы, определяющие предельную длину плеча обогрева при использовании индукционно-резистивных систем нагрева, а также способы увеличения длины плеча обогрева. Предложен способ увеличения длины электрических систем обогрева промышленных нефтяных трубопроводов и скважин на основе индукционно-резистивных систем нагрева путём использования градированной изоляции индукционно-резистивного проводника. Приводится конструкция градированной индукционно-резистивной системы нагрева.

Ключевые слова: индукционно-резистивная система нагрева, электроизоляционные материалы, промышленный нефтепровод, градированная изоляция, система электрического обогрева. Частичные разряды.

В Российской Федерации в настоящее время активно осуществляются открытие новых нефтяных месторождений и модернизация существующих. Большинство крупных мест добычи и нефтепроводов находятся в суровых климатических условиях северных широт. Поэтому одной из важных задач является поддержание стабильной температуры нефти и газа во время транспортировки, хранения и переработки. Из-за значительной длины изолированных трубопроводов, решение этой задачи становится сложным и требует создания энергоэффективной системы электрообогрева (СЭО), которая должна быть простой и надежной, особенно при отрицательных температурах. 

На сегодняшний день наиболее оптимизированы под задачи электрообогрева промышленных трубопроводов индукционно-резистивные системы нагрева (ИРСН), получившие название скин-систем, основанные на использовании поверхностного эффекта (скин-эффекта) и эффекта близости. Данная система предназначена для начального разогрева, обогрева, поддержания температуры, а также является защитой от замерзания протяжённых трубопроводов [1].

ИРСН представляет собой коаксиальное электрическое нагревательное устройство, в состав которого входит кабель, укладываемый в трубу из ферромагнитной стали, монтируемую вдоль поверхности трубопровода и обеспечивающую его нагрев.

Индукционно-резистивный нагреватель (ИРН) состоит из низкоуглеродистой стальной трубки (1), внутри которой размещается индукционно-резистивный проводник (ИРП) (2) из немагнитного материала, такого как медь или алюминий, покрытый электроизоляцией (3). Проводник соединяется с трубкой на конце обогреваемого участка, а переменное напряжение подается на начало участка, рассчитанное с учетом требуемого тепловыделения и длины обогреваемого участка. При протекании тока происходит выделение тепла в обоих проводниках: в ИРП из-за омических потерь и в ИРН из-за омических потерь, а также индукционного нагрева, вызванного индуцированными токами и перемагничиванием ИРН в электромагнитном поле ИРП [2].

Рисунок 1. Индукционно-резистивная система нагрева: 1 – индукционно-резистивный нагреватель, 2 – индукционно-резистивный проводник, 3 – электроизоляция.

На данный момент ИРСН имеют следующие технические характеристики: удельная мощность до 165 Вт/м, рабочее напряжение системы до 3-5 кВ, диапазон температур от -60 до 200 °C, напряжение на поверхности проводника примерно 0,05 В/м. Также система имеет внушительный ряд особенностей: единственный метод подогрева труб, не нуждающийся в сопроводительной сети с протяженностью до 15-20 км, наиболее эффективный метод обогрева трубопроводов большой протяженности, обладает высокой надежностью и прочностью нагревателей, также имеет возможность применения во взрывоопасных зонах, поскольку наружные поверхности нагревателей заземлены и не требуют изоляции [2].

Состояние нефтегазовой отрасли в России и за рубежом требует увеличения длины обогреваемых участков трубопроводов и скважин. Однако, постоянное увеличение генерируемых мощностей и потребляемых электроэнергии предъявляет все более высокие требования к энергетической эффективности систем обогрева. Существующие индукционно-резистивные системы нагрева (ИРСН) не могут реализовать длину до 100 км из-за линейного падения напряжения на проводнике, что превышает пределы электрической прочности электроизоляции ИРСН. Это может привести к частичным разрядам и повреждению изоляционных материалов. В результате, электрические свойства ИРСН при обогреве сверхдлинных трубопроводов ограничены и не соответствуют требованиям.

Длина плеча обогрева, помимо питающего напряжения, зависит от нескольких факторов, включая линейные тепловые потери и сечение жилы проводника. Увеличение сечения жилы позволяет только незначительно увеличить длину плеча. При работе ИРСН изоляция ИРП подвергается воздействию электрического тока частотой 50 Гц, который приложен между многопроволочной жилой ИРП и внешней стальной трубой ИРН.

Появление частичных разрядов на любом участке электрической изоляции ограничивает срок службы нагревателя ИРСН. Распределение напряженности электрического поля, определяющее появление частичных разрядов, зависит от конфигурации проводников, их взаимного расположения и диэлектрических свойств изоляции.

Для решения проблемы увеличения длины обогреваемого плеча необходимо обеспечить улучшение электрических характеристик ИРСН за счет расширения диапазона электрической прочности используемых электроизоляционных материалов.

Один из наиболее простых в теоретическом плане, но в то же время весьма трудный в практической реализации, вариант заключается в том, чтобы разместить ИРП в центре трубы. В отличие от описанной ранее классической конструкции скин-систем, в которой кабель находится свободно в воздушном пространстве внутри трубы, центрирование ИРП может снизить напряженность поля на центральной жиле почти в 2 раза, а на поверхности изоляции более чем в 3 раза. Однако такой метод существенно увеличивает время монтажа СЭО, что также является важным фактором.

На сегодняшний день наиболее оптимальным способом расширения диапазона электрической прочности электроизоляции ИРП для увеличения длины обогреваемого плеча ИРСН является использование градированной изоляции ИРП [2].

Данный способ, предлагаемый авторами, способствует снижению неравномерности распределения напряженности в толщине изоляции ИРП путем использования материала с более высоким значением диэлектрической проницаемости возле поверхности жилы и материала с более низким значением диэлектрической проницаемости на внешней границе кабеля. Каждый слой изоляции проводника уменьшает напряженность электрического поля до безопасных значений на границе следующего слоя.

Рисунок 2. 3D модель градированной ИРСН.

Эскиз ИРСН с градированной изоляцией ИРП представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. Эскиз градированной ИРСН: 1 – индуктор, 2 – полупроводящий слой, 3 – облученный полиэтилен, 4 – пористый слой, 5 – сплошной полиэтилен, 6 – ИРН.

В предложенной градированной ИРСН электроизоляция ИРП состоит из четырех слоев: полупроводящего слоя по жиле из пероксидно-сшиваемого полиэтилена, первого слоя изоляции из облученного полиэтилена, второго слоя изоляции из пористого полиэтилена и слоя из сплошного полиэтилена для защиты пористого слоя от влаги и механических воздействий. Каждый слой электроизоляции помогает уменьшить напряженность электрического поля, что, в свою очередь, позволяет увеличить напряжение возникновения коронных частичных разрядов.

Для создания ИРСН с градированной изоляцией необходима математическая модель для исследования ее электрических характеристик, которые, в свою очередь, позволят выбрать оптимальные геометрические и электрические параметры ИРСН.

Список литературы

1. Струпинский М.Л., Кувалдин А.Б. Индукционно-резистивная система обогрева трубопровода.// «Электрика», № 11, 2008. С.21-24.
2. Струпинский М. Л., Хренков Н. Н., Кувалдин А.Б., Проектирование и эксплуатация систем электрического обогрева в нефтегазовой отрасли / Инфра-Инженерия, 2023 г.
3. Кувалдин А.Б., Струпинский М.Л., Хренков Н.Н., Федин М.А. Моделирование электромагнитного поля в ферромагнитной стали при индукционном, электроконтактном и комбинированном нагреве // Индукционный нагрев, 2010. № 13. С. 15–19.
4. Кувалдин А.Б., Струпинский М.Л., Хренков Н.Н., Федин М.А. Индукционно-резистивная система нагрева с биметаллическим внешним проводником // Электричество. – 2011. – № 2 – С. 58-63.
5. Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических системах: Учебник для вузов/В.В. Базуткин, В.П. Ларионов, Ю.С. Пинталь; Под общ. Ред. В.П. Ларионова. – 3-е изд., перераб. И доп. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 464 с.: ил.