Промышленный обогрев протяженных трубопроводов с помощью СКИН-систем

Развитие рынка промышленного электрообогрева неразрывно связано с освоением новых нефтяных и газовых месторождений, строительством перерабатывающих комплексов и трубопроводных сетей в северных районах Российской Федерации. Инжиниринговые компании в последние годы предлагают все более надежные и экономичные системы промышленного электрообогрева. Именно таким решением является обогрев протяженных трубопроводов с помощью СКИН-систем. Применение СКИН-систем также решает задачи энергосбережения и повышения энергоэффективности, которые являются основными направлениями модернизации российской экономики.

Преимущества кабельных систем обогрева перед водяными и паровыми очевидны: они обладают малой материалоемкостью, их легче устанавливать, они не подвержены коррозии, не боятся разморозки, запитываются от общей системы электроснабжения предприятия, оснащаются автоматизированными системами управления, которые точно и по заданному алгоритму поддерживают выбранный режим, легко интегрируются с АСУ верхнего уровня и могут применяться на сложных и разветвленных сетях трубопроводов.

Применение кабельных систем обогрева трубопроводов успешно решает следующие задачи: полная или частичная компенсация тепловых потерь с целью обеспечения стабильного протекания технологического процесса; поддержание минимально допустимой температуры жидкости при остановке процесса; разогрев труб до заданной температуры при возобновления процесса после остановки (холодный пуск объекта).

Группа компаний «Специальные системы и технологии» начала свою деятельность на российском рынке систем промышленного обогрева в девяностых годах прошлого века. В 1998 году были реализованы первые проекты промышленного обогрева трубопроводов «Тепломаг», созданные на основе резистивных и саморегулирующихся кабелей. С самого начала работы на этом рынке Группа компаний «ССТ» обеспечивала заказчикам систем промышленного обогрева трубопроводов комплексные проектные решения: теплотехнические расчеты, проектирование, производство нагревательных кабелей и сопутствующих аксессуаров, поставку оборудования, монтаж, пусконаладку и сервисное обслуживание систем обогрева.

Для систем электрообогрева трубопроводов на основе резистивных и саморегулирующихся нагревательных кабелей требуется сопроводительная электрическая сеть, по которой подается напряжение к нагревательным секциям. При относительно малой длине трубопровода (примерно до 150 метров) величина сопроводительной сети минимальна, и мал ее «вклад» в стоимость системы в целом. Трубопроводы длиной 200 —500 м также могут обогреваться резистивными и саморегулирующимися кабелями, но в этом случае стоимость сопроводительной сети становится сопоставимой с затратами на нагревательные кабели. Для трубопроводов длиной 500–3000 м. оптимальным решением становится применение специальных трехжильных резистивных нагревательных кабелей серии «Лонглайн», подключаемых по схеме «звезды». Такой кабель одновременно выполняет функцию нагревательного элемента и питающей линии.

Промышленные системы обогрева на основе резистивных и саморегулирующихся кабелей успешно решали ранее и решают сегодня задачи обогрева трубопроводов длиной до 3 километров. Но развивающемуся нефтегазовому сектору российской экономики необходимо было надежное и экономичное инженерное решение для обогрева трубопроводов протяженностью от 3 километров и более. Группа ведущих инженеров ГК «ССТ» (в числе которых 10 кандидатов технических наук) в конце девяностых годов двадцатого века приступила к изучению вопроса создания промышленных систем электрообогрева протяженных трубопроводов на основе индукционно-резистивной системы нагрева, или СКИН-системы. На основании многолетних научных исследований и лабораторных испытаний специалисты ГК «ССТ» пришли к выводу, что единственным способом промышленного электрообогрева трубопроводов длиной до 30 километров, который не требует сопроводительной сети, является СКИН-система. Первая промышленная система обогрева протяженного трубопровода на основе СКИН-системы, спроектированная и произведенная в ГК «ССТ» была смонтирована в 2002 году. На сегодня Группа компаний «Специальные системы и технологии» является одним из мировых лидеров в области профессионального проектирования, производства, монтажа и обслуживания СКИН-систем.

СКИН-система, или индукционно-резистивная система нагрева (ИРСН), предназначена для разогрева, поддержания температуры и защиты от замерзания сверхдлинных трубопроводов. Основными объектами, на которые устанавливаются СКИН-системы являются: водоводы (при освоении и эксплуатации всех видов месторождений), выкидные линии (транспортируемые продукты — сырая нефть и нефтепродукты), серопроводы (транспорт жидкой серы), трубопроводы транспорта вязких химических веществ (внутризаводские межцеховые трубопроводы предприятий химии и нефтехимии).

Принцип работы СКИН-системы основан на применении специальных нагревательных элементов, использующих явление скин-эффекта и эффекта близости в проводниках из ферромагнитных материалов на переменном токе промышленной частоты (50 Гц). Нагревательный элемент представляет собой трубку из специальной низкоуглеродистой стали с наружным диаметром от 20 до 60 мм., внутри которой располагается специальный проводник из немагнитного материала (меди или алюминия) сечением от 8 до 40 кв. мм. Проводник в конце плеча обогрева надежно соединяется со стальной трубкой, а в начале плеча между трубкой и проводником подается переменное напряжение, величина которого рассчитывается исходя из необходимого тепловыделения и длины участка обогрева.

Питающее напряжение прикладывается таким образом, что по медному проводнику ток течет в одном направлении, а по стальной трубке возвращается. Переменный ток течет по всему сечению внутреннего проводника, поскольку на промышленной частоте в немагнитном материале с хорошей проводимостью заметного поверхностного эффекта не возникает. В ферромагнитном внешнем проводнике (стальной трубке) скин-эффект ярко выражен, т.е. ток протекает не по всей толще стенки трубки, а в тонком (около 1 мм.) поверхностном слое. Причем этот слой расположен у внутренней поверхности стальной трубки.

Принцип действия СКИН-системы

Как отмечено выше, ток протекает по внутренней поверхности трубки скин-нагревателя, а на внешней ее поверхности он практически отсутствует. Отсутствие электрических потенциалов делает систему безопасной для обслуживающего персонала. Этот эффект позволяет заземлять трубку в любом месте. На ближнем и дальнем концах системы обогрева трубка заземляется обязательно.

При протекании тока происходит выделение тепла в обоих проводниках. При правильном конструировании системы 60-80 % тепла выделяется в стальной трубке и только 20-40% — в проводнике с медной жилой. Электрически система строится так, чтобы обеспечить непрерывность как скин-проводника, так и трубки скин-нагревателя, представляющей собой обратный проводник.

Рабочий диапазон температур СКИН-систем составляет от -50 до +160°С. Напряжение питания — до 4,0 кВ, частота — 50 Гц. Удельное тепловыделение одного элемента — до 100 Вт/м.

Зависимость удельного тепловыделения одного элемента от длины обогреваемого участка.

В зависимости от рабочей и максимально возможной температуры трубопровода можно выделить три исполнения СКИН-системы. Низкотемпературный вариант СКИН-системы обеспечивает защиту от замерзания водоводов, поддерживая температуру от 3 до 5°С. Среднетемпературный вариант СКИН-системы, поддерживающий температуру до 60°С, предназначен для обогрева трубопроводов, по которым транспортируется сырая нефть и нефтепродукты. Высокотемпературный вариант СКИН-системы может поддерживать температуру до 160°С и используется для обогрева трубопроводов, по которым транспортируются вязкие нефтепродукты, сера, химические вещества.

Расчетное распределение температур на примере обогрева теплоизолированного трубопровода двумя нагревательными элементами СКИН-системы суммарной мощностью 120 Вт/м. Диаметр трубы 108 мм, температура окружающего воздуха −35°С.

В зависимости от схемы прокладки трубопровода, конструктивное исполнение СКИН-систем может быть трех типов: надземное, подземное и подводное. В рамках одной системы возможна комбинация нескольких исполнений, например, надземный трубопровод имеет участки прохода под дорогами (подземное исполнение) или под реками (подводное исполнение). Каждое из исполнений требует применения своих конструктивных решений и материалов.

Важную роль при монтаже СКИН-систем играет тип применяемой теплоизоляции. Возможен вариант монтажа систем на предварительно изолированные трубы, либо изоляция в виде скорлуп укладывается на месте.

В зависимости от необходимой мощности подогрева используются одно-, двух- или трехтрубные СКИН-системы.

Группа компаний «Специальные системы и технологии» обладает опытом проектирования, производства и монтажа практически всех описанных выше типов СКИН-систем, включая систему обогрева подводных трубопроводов. Производственная и научно-исследовательская база ГК «ССТ» позволяют предлагать заказчикам комплексные проекты обогрева трубопроводов на основе СКИН-систем с гарантией 5 лет с момента ввода в эксплуатацию. СКИН-системы, производимые ГК «ССТ» имеют российский сертификат соответствия, разрешение Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору, аттестацию Российского Морского регистра судоходства. СКИН-системы сертифицированы и аттестованы для использования на объектах ОАО «Газпром», АК «Транснефть».

В состав комплекта, поставляемого для монтажа СКИН-системы, входят следующие материалы и оборудование:

СКИН-проводник (индукционно-резистивный проводник — ИРП) — высоконадежный, изготавливаемый специально для СКИН-систем многожильный медный проводник, со сроком службы не менее 25 лет.

СКИН-нагреватель (индукционно-резистивный нагреватель — ИРН) или скин-трубка — металлическая ферромагнитная трубка с нормированным значением магнитной проницаемости со сроком службы не менее 25 лет. Скин-трубка поставляется в готовом для монтажа виде. Крепление скин-трубки к основной трубе производится либо точечной сваркой (если сварка разрешена), либо металлическими хомутами при помощи специального инструмента. Метод крепления определяется по согласованию с Заказчиком.

Соединительные коробки конструкции «ССТ» — используются для облегчения протяжки СКИН-проводника и для установки соединительных муфт между участками СКИН-проводника.

Соединители СКИН-проводника — многослойные высоконадежные высоковольтные соединители для СКИН-проводника.

Питающий трансформатор — в данной системе используются нестандартные трансформаторы, изготавливаемые специально для конкретного проекта, обеспечивающие подключение однофазной или двухфазной нагрузки при сохранении симметрии первичной сети.

Шкафы управления — предназначены для формирования сигналов включения — выключения системы электрообогрева и контроля параметров системы. Контроль температурных параметров осуществляется от датчиков температуры воздуха и обогреваемого трубопровода через многофункциональный контроллер PSTAB. Пульт дистанционного управления предусматривает возможность снятия параметров СКИН-системы, при необходимости их передачи на диспетчерский пункт. Система управления позволяет оптимизировать использование потребляемой электроэнергии в зависимости от температуры окружающего воздуха.

Комплектная трансформаторная подстанция (КТП) запитки системы (поставляется по дополнительному заказу) — предназначена для размещения понижающего трансформатора, устройств защиты и пуска системы со стороны высокого и низкого напряжений. Блок-бокс, в котором размещается КТП, представляет собой модульную закрытую конструкцию, внутри которой оборудование защищено от наружных атмосферных воздействий.

В состав поставки по дополнительному согласованию могут входить запасные части для системы электрообогрева и специальный монтажный инструмент.

Схема электропитания СКИН-системы

Из основных эксплуатационных преимуществ применения СКИН-систем для обогрева протяженных трубопроводов необходимо выделить следующие.

Установка СКИН-систем требует меньших капитальных затрат относительно других систем обогрева трубопроводов. Даже при длине трубопровода 2-3 километра стоимость СКИН-системы остается сравнимой с другими способами подогрева (с использованием резистивных или саморегулирующихся нагревательных кабелей).

Срок службы СКИН-системы составляет не менее 25 лет. Это связано с тем, что скин-проводник большого сечения разгружен от функции тепловыделения и выполняет фактически функцию встроенной сопроводительной сети электропитания. Металлическая трубка при правильной обработке и обустройстве заземления также весьма долговечна, поскольку находится под слоем теплоизоляции и защитной оболочкой трубопровода. Прочные тепловыделяющие элементы в виде стальных труб обеспечивают механическую прочность и защиту токонесущих проводников от повреждений.

СКИН-системы являются электро- и взрывобезопасными. Наружная поверхность тепловыделяющего элемента (скин-трубки) имеет нулевой потенциал относительно земли, кроме этого, она надежно заземлена, полностью экранирует и защищает находящийся внутри токонесущий скин-проводник. Соответствующее исполнение соединений и конструкции протяжных и соединительных коробок также обеспечивает электрическую и механическую безопасность.

СКИН-система обеспечивает хороший тепловой контакт. Металлический тепловыделяющий элемент (скин-трубка) непосредственно приваривается к магистральному трубопроводу или прикрепляется к нему с помощью стяжных хомутов. Для улучшения теплопередачи между обогреваемой трубой и скин-трубкой используется специальная теплопроводящая паста Silarm.

В системе питания СКИН-систем применяется запатентованное ООО «ССТ» устройство питания одно- и двухфазных индукционно-резистивных нагрузок, обеспечивающее симметрию в первичной трехфазной сети. Применение данных устройств позволяет решить проблему так называемого «перекоса фаз» (неравномерного распределения токов по фазам). «Перекос фаз» особенно нежелателен при питании системы от автономных дизель-генераторных установок.

СКИН-систему достаточно просто монтировать. Тепловыделяющие элементы системы не имеют наружной электрической изоляции, которую можно повредить при монтаже. Кроме того, специалистами ГК «ССТ» разработан комплект специальных приспособлений, ускоряющих монтаж СКИН-систем.

Компания «Специальные системы и технологии» является крупнейшим российским производителем бытовых и промышленных систем кабельного электрообогрева и одним из ведущих мировых производителей СКИН-систем. ГК «ССТ» обладает всеми необходимыми технологическими возможностями для производства СКИН-систем, применяемых на любых типах трубопроводов.

В процессе проектирования СКИН-систем специалистами ГК «Специальные системы и технологии» были разработаны научные основы расчетов характеристик систем, отработаны методы испытаний. Разработаны конструкции и освоено производство всех элементов СКИН-системы: высоковольтных кабелей, питающих, соединительных и концевых коробок, высоковольтных соединителей. Разработаны и запатентованы схемы специальных трансформаторов. Созданы конструкции автономных КТП, приспособленных к условиям эксплуатации в районах Крайнего Севера. Отработаны методы монтажа и пуско-наладки СКИН-систем.

Вся продукция, производимая ГК «ССТ», проходит до 14 ступеней контроля перед поставкой ее на объекты. Продукция ГК «ССТ» сертифицирована для использования во взрывоопасных зонах в России, Украине, Казахстане и Республике Беларусь.

Инжиниринговая компания «ССТэнергомонтаж», входящая в Группу компаний «ССТ» предоставляет заказчику комплексные решения в сфере промышленного обогрева, включая проектирование, поставку оборудования, монтаж, пуско-наладку и сервисное обслуживание СКИН-систем. На основании исходных тепловых расчетов определяется предварительная стоимость системы обогрева, выполняется моделирование наиболее ответственных узлов, разрабатывается проект, в соответствии с которым производится изготовление элементов системы обогрева, систем управления обогревом и вспомогательных элементов.

Инжиниринговой компанией «ССТэнергомонтаж» накоплен большой опыт проектно-сметных работ, установки, пуско-наладки и эксплуатационного обслуживания СКИН-систем на различных предприятиях нефтегазовой промышленности. «ССТэнергомонтаж» является членом саморегулирующихся организаций: НП «Гильдия архитекторов и проектировщиков» и Некоммерческое партнерство по строительству нефтегазовых объектов «Нефтегазстрой». В инжиниринговой компании «ССТэнергомонтаж» внедрена и сертифицирована система менеджмента качества по стандарту ISO9001:2000.

За 15 лет работы специалистами «ССТэнергомонтаж» спроектировано и смонтировано более 3,5 тысяч промышленных систем обогрева трубопроводов и резервуаров (включая СКИН-системы), которые работают на объектах РАО «Газпром», ОАО «НК Лукойл», ОАО «НК Роснефть», АНК «Башнефть», ОАО «Татнефть», ОАО «АК «Транснефть», АК «Алроса» и многих других российских и зарубежных компаний. (Приложение 1)

Приложение 1. Референс-лист ГК «ССТ». Проектирование и монтаж СКИН-систем

Специалисты инжиниринговой компании «ССТэнергомонтаж» проводят обучающие семинары и тренинги для инженеров компаний, эксплуатирующих промышленные системы обогрева. Инжиниринговая компания «ССТэнергомонтаж» постоянно работает в направлении совершенствования технологий и повышения эффективности устанавливаемых систем обогрева. «ССТэнергомонтаж» является инициатором и одним из организаторов международного Форума «Промышленный электрообогрев», который ежегодно становится одной из ведущих дискуссионных площадок профессионалов отрасли промышленного обогрева.

М.Л. Струпинский, генеральный директор ООО «Специальные системы и технологии», кандидат технических наук
Н.Н. Хренков, технический директор ООО «Специальные системы и технологии», кандидат технических наук
В.Д. Тюлюканов, директор ООО «ССТэнергомонтаж»