Проектирование и эксплуатация систем электрического обогрева в нефтегазовой отрасли. Настольная книга специалиста по электрообогреву

М. Л. Струпинский, Н. Н. Хренков, А. Б. Кувалдин







ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОБОГРЕВА В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

Настольная книга специалиста по электрообогреву

2-е издание, переработанное и дополненное











Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 622.323
ББК 33.361
      С87

Рецензенты:
д. т. н., профессор, зав. кафедрой физики и технологии электротехнических материалов и компонентов НИУ МЭИ Серебрянников Сергей Владимирович;
к. т. н., главный специалист отдела комплексной экспертизы проектов ПАО Гипротюменнефтегаз Фрайштетер Виталий Петрович






      Струпинский, М. Л.
С87 Проектирование и эксплуатация систем электрического обогрева в нефтегазовой отрасли. Настольная книга специалиста по электрообогреву : справочник / М. Л. Струпинский, Н. Н. Хренков, А. Б. Кувалдин. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 524 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1208-7

           Рассмотрены этапы становления и состояние систем распределенного электрообогрева в России; методы тепловых и электрических расчетов и основ проектирования систем электрообогрева. Излагаются основы классификации и терминология нагревательных кабелей и изделий из них. Рассмотрены основные характеристики и отличительные особенности саморегулирующихся кабелей и лент. Показаны конструктивные решения, обеспечивающие безопасность эксплуатации резистивных нагревательных кабелей. Подробно рассмотрено устройство, состав и возможности комплекса контрольно-управляющей аппаратуры СопТгасе. Показаны особенности взрывозащищенной аппаратуры для систем электрообогрева. Дается описание взрывозащищенной аппаратуры, производимой в ГК «ССТ». Приводятся подробные указания о выполнении работ по монтажу нагревательных элементов, соединительных и питающих коробок, силовых шкафов и шкафов управления для систем электрообогрева трубопроводов и резервуаров.
           Для специалистов проектных, строительно-монтажных и эксплуатационных организаций, связанных с системами электрообогрева. Может быть полезно для студентов электротехнических и нефтегазовых специальностей.

УДК 622.323
ББК 33.361











ISBN 978-5-9729-1208-7

             © Струпинский М. Л., Хренков Н. Н., Кувалдин А. Б., 2023
             © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                                    © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                ОГЛАВЛЕНИЕ





Предисловие.......................................................................8

Глава 1. Электрообогрев в нефтегазовой отрасли...................................13
1.1. Развитие нефтегазовой промышленности........................................13
1.2. Использование электрообогрева на объектах нефтегазовой отрасли..............16
1.3. Преимущества электрообогрева по сравнению с другими видами обогрева.........18
1.4. Проблемы и перспективы развития систем электрообогрева для нефтегазовой отрасли.20
1.5. Перспективы развития топливно-энергетического комплекса России..................24
Список источников к главе 1..........................................................26

Глава 2. Теплопередача при низкотемпературном обогреве...........................28
2.1. Основные теоретические положения................................................28
2.1.1. Теплопроводность..........................................................29
2.1.2. Конвективный теплообмен...................................................32
2.1.3. Тепловое излучение........................................................40
2.1.4. Сложный теплообмен и теплопередача........................................43
2.2. Тепловая изоляция и ее роль в системах обогрева.............................44
Список источников к главе 2......................................................48

Глава 3. Расчет мощности и тепловых режимов систем обогрева......................49
3.1. Нормативные документы по расчету мощности систем обогрева...................49
3.2. Методы расчета мощности систем обогрева.....................................50
3.2.1. Расчет суммарного термического сопротивления..............................51
3.2.2. О коэффициенте теплоотдачи с поверхности трубы............................54
3.2.3. Процесс передачи тепла через зазор........................................56
3.2.4. Мощность обогрева трубок малого диаметра..................................57
3.2.5. Тепловой режим при максимальной температуре окружающей среды..............57
3.2.6. Определение характеристик тепловой изоляции, предупреждающей конденсацию влаги на поверхности трубы.......................................................58
3.3. Остывание и разогрев трубопроводов..........................................60
3.3.1. Охлаждение водяных трубопроводов..........................................62
3.3.2. Разогрев движущейся жидкости..............................................65
3.4. Компьютерное моделирование тепловых процессов...............................66
3.5. Расчет мощности обогрева трубопроводов, проложенных в разных средах.........70
3.6. Задание температуры окружающего воздуха при расчете мощности обогрева трубопроводов...........................................................78
3.7. Учет потерь тепла на фитингах...............................................85
3.8. Расчет мощности систем обогрева резервуаров.....................................93
3.9. Расчет мощности систем обогрева шкафов управления и шкафов КИП..............99
3.10. Расчет мощности противообледенительных систем для поверхностей на открытом воздухе, в том числе для полов открытых насосных станций...........100
3.10.1. Общие характеристики снега и снегоотложений.............................100
3.10.2. Определение мощности противообледенительной системы.....................101
3.10.3. Мощность систем обогрева открытых площадок..............................102
3.10.4. Обогрев вертолетных площадок.................................................103
3.11. Автоматизация расчетов тепловой изоляции с помощью ТгасеХРго...................104
Список источников к главе 3..........................................................109

3

Глава 4. Системы обогрева скважин..............................................111
4.1. Введение..................................................................111
4.2. Способы предотвращения образования АСПО...................................111
4.3. Задачи, которые надо решить, чтобы реализовать систему обогрева скважины, предотвращающую образование АСПО...............................................112
4.4. Профиль температуры грунта около скважины.................................113
4.5. Распределение давления по глубине скважины................................117
4.5.1. Определение давления в забое и на выкиде насоса.........................118
4.5.2. Расчет распределения давления по глубине скважины.......................119
4.6. Методы расчета свойств скважинной жидкости................................121
4.6.1. Зависимость свойств нефти и воды от температуры.........................121
4.6.2. Зависимость свойств метана от температуры и давления....................122
4.6.3. Определение свойств скважинного флюида..................................123
4.7. Оценка потерь тепла флюидом, поднимающимся по скважине....................127
4.7.1. Учет влияния погружного насоса на температурный профиль скважины........128
4.8. Расчет распределения температуры и температуры образования АСПО по глубине нефтяных и нефтегазовых скважин.....................................129
4.8.1. Расчет газосодержания и температуры насыщения нефти парафином.............129
4.8.2. Расчет распределения температуры флюида по стволу скважины................131
4.9. Тепловые процессы в скважине и расчет мощности систем обогрева..............133
4.9.1. Расчеттермическихсопротивлений..........................................135
4.9.2. Степень охлаждения пластовой жидкости при движении по НКТ...............140
4.10. Тепловые процессы в скважине при наличии обогрева и его реализация.......143
4.10.1. О применяемых системах обогрева скважин................................143
4.10.2. Расчет требуемой мощности нагревателя..................................144
4.10.3. Опыт использования системы Stream Tracer при обогреве скважин..........147
Список источников к главе 4....................................................151

Глава 5. Нагревательные кабели и нагреватели на их основе. Общие положения.......153
5.1. Нагревательные кабели и ленты. Нагревательные кабельные секции..............153
5.2. Классификация нагревательных кабелей и лент...............................154
5.3. Терминология нагревательных кабелей и нагревателей на их основе.............155
5.4. Стандартизация в области нагревательных кабелей и нагревателей на их основе.157
5.5. Испытания нагревательных кабелей и нагревателей на их основе..............165
5.5.1. Стандартные испытания кабельных изделий и распределенных нагревателей.....166
5.5.2. Специальные виды испытаний нагревательных кабелей и изделий на их основе..174
Список источников к главе 5....................................................187

Глава 6. Характеристики и особенности саморегулирующихся нагревательных кабелей..188
6.1. Введения понятия о саморегулировании........................................188
6.2. Основные характеристики и отличительные особенности саморегулирующихся кабелей и лент..................................................................190
6.2.1. Метод определения критической длины саморегулирующегося нагревателя.....193
6.2.2. Влияние низких температур на характеристики саморегулирующихся кабелей....196
6.2.3. Влияние величины питающего напряжения на характеристики саморегулирующихся кабелей.....................................................199
6.3. Номенклатура и основные этапы производства саморегулирующихся кабелей, выпускаемых ГК «ССТ»...........................................................200
6.4. Саморегулирующийся кабель в металлической броне...........................203
Список источников к главе 6....................................................205

Глава 7. Резистивные нагревательные кабели и ленты. Современный подход...........206
7.1. Виды и конструктивные исполнения резистивных нагревательных кабелей и лент. Нагревательные секции...........................................................206
7.2. Области применения резистивных нагревательных кабелей.......................211

4

7.2.1. Обогрев жилых помещений с помощью электрических «теплых полов»...........211
7.2.2. Обогрев производственных помещений с помощью электрических «теплых полов»...213
7.2.3. Антиобледенительный обогрев открытых площадей нагревательными кабелями......214
7.2.4. Обогрев нагревательными кабелями в строительстве и сельском хозяйстве.......217
7.2.5. Обогрев кровли и трубопроводов нагревательными кабелями..................219
7.3. Особенности расчета характеристик резистивных нагревательных кабелей и секций последовательной схемы.................................................219
7.3.1. Определение длины и мощности резистивной секции..........................219
7.3.2. Примеры расчета параметров резистивных нагревательных кабелей...............221
Список источников к главе 7.....................................................231

Глава 8. Типовые проектные расчеты систем кабельного электрообогрева...............232
8.1. Состав систем обогрева........................................................232
8.2. Системы обогрева трубопроводов и резервуаров..................................233
8.3. Обогрев трубопроводов нагревательными кабелями................................236
8.4. Обогрев разветвленной трубопроводной системы саморегулирующимися кабелями.....237
8.5. Обогрев трубопроводов резистивными кабелями................................246
8.6. Обогрев линейного трубопровода трехжильными резистивными кабелями.............252
8.7. Обогрев высокотемпературного трубопровода кабелем MOIC-F......................255
8.8. Обогрев горизонтального резервуара............................................256
8.9. Обогрев вертикального резервуара..............................................262
8.10. Обогрев измерительных приборов и шкафов управления...........................270
8.11. Обогрев транспорта и инфраструктуры Арктической зоны.........................272
Список источников к главе 8........................................................279

Глава 9. Системы электрообогрева длинных и сверхдлинных трубопроводов..............280
9.1. Введение...................................................................280
9.2. Скин-системы обогрева......................................................281
9.3. Технические особенности скин-систем........................................285
9.4. Возможность увеличения длины плеча скин-системы обогрева...................294
9.5. Трехжильные и многокабельные системы обогрева..............................296
9.6. VELL - система обогрева сверхдлинных трубопроводов.........................299
9.7. Электрофизические свойства конструкционной стали...........................301
9.8. Описание конструкции индукционно-резистивной скин-системы..................303
9.9. Описание ряда действующих систем ИРСН-15000................................309
9.10. Монтаж, пусконаладка и эксплуатация скин-систем электрообогрева..............314
Список источников к главе 9.....................................................324

Глава 10. Подсистемы управления электрообогревом и специализированные подсистемы питания..............................................................326
10.1. Принципы управления обогревом.............................................326
10.2. Аппаратная составляющая системы управления...................................330
10.2.1. Общее описание системы ConTrace.........................................333
10.2.2. Описание устройств, входящих в состав системы ConTrace и схемы подключения.335
       Модуль контроля и управления ConTrace MS1/MS3............................335
       Блок удаленного измерения температур ConTrace AS-xxx-Ex.....................342
       Модуль измерения температур ConTrace AS..................................347
       Модуль коммутации питания и интерфейса ConTrace IPS......................349
       Устройство снижения стартовых токов ConTrace SSH.........................353
10.2.3. Терморегуляторы для систем электрообогрева..............................355
10.2.4. Датчики температуры и осадков...........................................362
10.3. Типовые схемы управления в системах электрообогрева.......................364
10.4. Основные схемы электроснабжения, применяемые в системах электрообогрева......370
10.5. Комплектная трансформаторная подстанция......................................381


5

10.6. Автономные источники электроснабжения в системах электрообогрева...........384
Список источников к главе 10.....................................................387

Глава 11. Монтаж, пусконаладка и эксплуатация систем электрообогрева.............388
11.1. Общие правила монтажа систем электрообогрева...............................388
11.2. Монтаж нагревательных элементов и датчиков на трубопроводах................390
11.3. Особенности монтажа систем обогрева линейного трубопровода трехжильными резистивными кабелями............................................................398
11.4. Прокладка и крепление нагревательного кабеля (ленты) на резервуарах........404
11.5. Монтаж тепловой изоляции...................................................411
11.6. Монтаж силовых кабелей и кабелей управления................................411
11.7. Монтаж КТП, шкафов управления, силовых коробок и коробок системы управления...............................................................413
11.8. Заземление.................................................................414
11.9. Пусконаладочные работы.....................................................415
11.10. Настройка и испытания.....................................................417
11.11. Комплексное опробование системы...........................................420
11.12. Обслуживание..............................................................420
Список источников к главе 11.....................................................424

Глава 12. Взрывобезопасность систем электрообогрева и взрывозащищенное оборудование.....................................................................425
12.1. Введение...................................................................425
12.2. Классификация и терминология...............................................425
12.3. Классификация взрывобезопасного оборудования...............................429
12.4. Виды взрывозащиты оборудования.............................................433
12.4.1. Повышенная защита вида «е»...............................................434
12.4.2. Взрывозащита вида «d» - «взрывонепроницаемая оболочка»...................439
12.4.3. Взрывозащита вида «i» - «искробезопасная электрическая цепь».............441
12.4.4. Специальный вид взрывозащиты «s».........................................445
12.4.5. Защита от воспламенения пыли оболочками «t»..............................447
12.5. Требования к проектированию, выбору и монтажу электроустановок во взрывоопасных зонах...........................................................448
12.6. Руководство по проектированию, установке и техобслуживанию сетевых электрических резистивных нагревателей во взрывоопасных зонах....................458
12.7. Взрывозащищенное оборудование, производимое ГК «ССТ».......................461
Список источников к главе 12.....................................................468

Глава 13. Надежность систем электрообогрева......................................469
13.1. Оценка надежности систем электрообогрева...................................469
13.2. Надежность и безопасность технических систем...............................469
13.3. Надежность сложных систем..................................................471
13.4. Надежность кабельных нагревательных элементов..............................472
13.5. Основы надежности и безопасности систем электрообогрева....................478
Список источников к главе 13.....................................................483

Приложения.......................................................................484
1. Состав таблиц свойств материалов и веществ....................................485
  Металлы: механические свойства.................................................486
  Металлы: электрические свойства................................................487
  Металлы: тепловые свойства.....................................................488
  Диэлектрики: механические свойства.............................................489
  Диэлектрики: электрические свойства............................................490
  Диэлектрики: тепловые свойства.................................................491
  Теплофизические свойства конструкционных материалов............................492

6

  Свойства воздуха................................................................493
  Свойства метана.................................................................494
  Свойства газов..................................................................495
  Свойства воды...................................................................496
  Свойства трансформаторного масла................................................497
  Свойства нефтей и газовых конденсатов...........................................498
Свойства жидких нефтепродуктов..................................................500
2.  Описания алгоритмов расчета процессов охлаждения и разогрева трубопроводов....501
3. Описания программных комплексов по расчету систем электрообогрева..............508

                ПРЕДИСЛОВИЕ





      В 2015 году была издана справочная книга «Проектирование и эксплуатация систем электрического обогрева в нефтегазовой отрасли», в которой был собран материал, основанный на опыте работы Группы компаний «Специальные системы и технологии» (ГК «ССТ») по созданию систем электрообогрева. Книга нашла признание у специалистов, поскольку комплексно освещала все стороны создания систем электрообогрева в нефтегазовой отрасли.
      Однако жизнь не стоит на месте. Разработаны и внедрены новые изделия и системы, накоплены знания по методам расчета систем обогрева скважин, сверхдлинных трубопроводов, построению систем управления.
      В данном 2-м издании книги существенно расширен круг рассматриваемых вопросов, углублена проработка деталей, описаны характеристики и возможности новых изделий, выведенных на рынок. Следует отметить, что представленные в книге материалы по проектированию, производству, монтажу и эксплуатации систем электрообогрева основаны не только на опыте сотрудников ГК «ССТ», но также на опыте и знаниях специалистов ПАО «Газпром», ПАО «Лукойл», «Новатэк», «Итера», «Тоталь», их дочерних и сервисных предприятий. Многие вопросы поставлены и решены совместно с работниками профильных проектных институтов, таких как «Гипротрубопровод», «Газпроектинжиниринг», «ГазпромВНИИгаз», «ЛукойлНижегородНИИнефтепроект», «Самаранефтегазпроект», «ЛенморНИИпроект», «Гипротюменнефтегаз», ЦКБ «Коралл», «СахалинНИПИморнефть», «ЯкутНИИпромалмаз», РН-УфаНИПИнефть.
      В книге нашли отражение материалы, публиковавшиеся в издаваемом с 2011 года журнале «Промышленный электрообогрев и электроотопление», в котором много места уделяется характеристикам вновь разработанных нагревателей, приборов для систем управления, а также вопросам проектирования, монтажа и эксплуатации систем электрического обогрева.
      Электрообогрев в настоящее время применяется все шире и не только в нефтегазовой отрасли. Показателем развития систем электрообогрева может служить активная работа как международных, так и отечественных организаций по стандартизации и нормативной документации. В последние 5-7 лет активно идет переработка и развитие международных стандартов, касающихся электрических нагревательных систем и нагревательных кабелей для взрывоопасных зон, методов расчетов и испытаний. В России на основе международных стандартов разработан комплекс русифицированных стандартов, создающих серьезную методическую базу.
      К настоящему времени в стране сложилась целая когорта специалистов в области применения систем электрообогрева трубопроводов, резервуаров, инфраструктурных объектов, появилась многолетняя практика эксплуатации. Разработана и освоена в производстве широкая номенклатура нагревательных кабелей различных типов, нагревательных секций, нагревательных элементов, терморегулирующей аппаратуры и систем подачи питания и управления. Уточнены методы проектирования систем обогрева в комплексе с тепловой изоляцией. Отработаны методы монтажа и сервисного обслуживания систем электрообогрева в условиях эксплуатации, соответствующих различным климатическим зонам РФ.
      Книга «Проектирование и эксплуатация систем электрического обогрева в нефтегазовой отрасли» сразу после выхода из печати получила положительные отзывы у специалистов и помогает им в решении текущих проблем, но при этом неоднократно высказывались пожелания об обновленном издании, в котором бы нашли отражения достижения последних лет.
      Группа компаний «Специальные системы и технологии» вышла в лидеры среди мировых производителей систем электрообогрева. Значительно расширила номенклатуру производимых кабелей и приборов, в том числе организовала первое в России полномасштабное производство саморегулирующихся кабелей. Ряд разработанных в последнее время изделий и си

8

стем еще не нашли должного отражения в литературе, и мы постарались их представить в книге. Надеемся, что данный труд будет способствовать дальнейшему развитию и совершенствованию систем распределенного электрического обогрева.
      Книга состоит из13 глав и приложений.
      Глава 1. Дается краткий очерк истории развития трубопроводного транспорта, в первую очередь, обогреваемого. Перечисляются основные направления использования электрообогрева на объектах нефтегазовой отрасли. Обсуждаются перспективы развития топливно-энергетического комплекса России.
      Глава 2. Рассмотрены вопросы теплопередачи при низкотемпературном обогреве. Суммированы расчетные алгоритмы, используемые при определении характеристик всех видов теплопередачи.
      Глава 3. Приводятся методы расчета мощности, справедливые для любых систем обогрева. Большое внимание уделено методам поддержания стабильной температуры, остыванию и разогреву трубопроводов при наличии нагревательного элемента. Рассмотрены основные приемы компьютерного моделирования тепловых полей в обогреваемых трубопроводах. Подробно рассмотрены вопросы выбора мощности систем обогрева в связи с диаметром трубопровода. Показано, что мощность обогрева трубопроводов малого диаметра (100 мм и менее) должна рассчитываться по абсолютной минимальной температуре среды.
      Уточнены алгоритмы расчета тепловых потерь от трубопроводов, проложенных в грунте, а также трубопроводов, обогреваемых «спутниками». Показан метод расчета тепловой изоляции, предупреждающей выпадение конденсата на холодных трубах. Приводится справочная информация по глубинам промерзания грунта по регионам России. Данные подходы внедрены в практику проектирования для организаций, входящих в группу компаний «ССТ». Описаны методы расчета тепловых потерь резервуаров в зависимости от их конструкции. Уточнены справочные данные по дополнительным длинам нагревательного кабеля в случае наличия в трубопроводе фитингов.
      На реальном примере показаны возможности программного комплекса ТгасеХРго, разработанного в ГК «ССТ» и внедренного в практику проектирования систем обогрева трубопроводов.
      Глава 4. Посвящена методам расчета характеристик нефтяных и газовых скважин и систем их обогрева, препятствующих появлению парафиновых и смолистых отложений. В представленном материале изложены накопленные в «ССТ» знания о свойствах скважин и методы расчетов температурных полей скважин и мощностей обогрева.
      Перечислены способы предотвращения образования АСПО и сформулирована постановка задачи на обогрев скважин. На примерах проиллюстрирован расчет температуры грунта и давления вдоль скважины. Необходимым условием успешности систем обогрева являются методы расчета свойств скважинной жидкости и ее составляющих в зависимости от давления, температуры, газосодержания, в привязке к координате по глубине. Оценка потерь тепла флюидом, поднимающимся по скважине, расчет распределения температуры по глубине скважины и температуры образования АСПО представлены на примере изогнутой скважины Харьягин-ского месторождения. Метод расчета мощности систем обогрева показан на основе полученного графика потерь.
      В заключительной части главы приведены описание и опыт использования системы обогрева нефтяных скважин «Stream Tracer™ 1Т», разработанной в ГК «ССТ» и показавшей высокую энергетическую эффективность.
      Глава 5. В главе дается описание конструкций и характеристик нагревательных кабельных изделий. Излагаются основы классификации и терминология нагревательных кабелей и изделий из них. В связи с большими изменениями в области стандартизации по распределенным нагревательным системам дается представление о всех действующих стандартах на нагревательные кабели и нагреватели на их основе. Наиболее полно рассмотрены стандарты ГОСТ 31610.30-1-2017 и ГОСТ 31610.30-2-2017, так как они лучше других стандартов описывают все требования, предъявляемые к распределенным (кабельным) нагревателям, в том

9

числе для взрывоопасных зон. Достаточно подробно описаны методы испытаний, причем они разделены на два раздела: стандартные и специальные испытания. В разделе стандартных испытаний показаны обычные для кабельных изделий методы электрических, механических и климатических испытаний. Специальные испытания предназначены для проверки качества и надежности нагревательных кабелей и нагревателей на их основе. При этом проверяются такие показатели как: номинальная выходная мощность, пусковой ток, предельные тепловые характеристики. Дается описание методов и испытательных установок.
      Глава 6. Рассмотрены основные характеристики и отличительные особенности саморегулирующихся кабелей и лент. Введено понятия о саморегулировании. Показан метод определения максимально допустимой длины саморегулирующегося кабеля. Метод использован для определения критической длины саморегулирующегося кабеля при низких температурах. Приводится информация по номенклатуре и основным характеристикам саморегулирующихся кабелей, выпускаемых ГК «ССТ».
      Глава 7. Описаны виды и конструктивные исполнения резистивных нагревательных кабелей и лент. Приводятся алгоритмы расчета длины и мощности резистивной нагревательной секции, которые показывают, как увязать электрические и тепловые параметры. Рассмотрены зависимости этих параметров от условий прокладки нагревательного кабеля в воздухе, на трубе, в бетонном полу. Показаны конструктивные решения, обеспечивающие безопасность эксплуатации резистивных нагревательных кабелей.
      В разделе «Области применения резистивных нагревательных кабелей» введен параграф «Обогрев жилых помещений с помощью электрических «теплых полов», в котором дается характеристика кабелей серии «Теплолюкс»: Профи, ТЛБЭ, Нацкомфорт, нагревательных матов. Резистивные кабели широко применяются для антиобледенительного обогрева открытых площадей. Приводятся характеристики кабелей МНТ, НСКТ, ТМФ, НТ, используемых в этих системах. Дается краткая характеристика секций КДБС для прогрева бетона и системы «Грин Бокс Агро» для обогрева теплиц. В связи с расширением применения пластиковых трубопроводов показаны особенности функционирования саморегулирующихся и резистивных кабелей при обогреве пластиковых труб.
      Глава 8. Посвящена системам электрообогрева на основе нагревательных кабелей. Конкретные примеры, показывающие построение систем обогрева трубопроводов с использованием саморегулирующихся и резистивных кабелей, показывают основы проектирования соответствующих систем. Приводятся примеры расчетов с использованием программного комплекса ТгасеХРго. Отдельно рассмотрен пример обогрева трубопровода средней длины трехжильным кабелем LLS. Показаны возможные схемы подключения резистивных кабелей при питании только с одной стороны. Дается характеристика кабелей MOIC-F, предназначенных для обогрева высокотемпературных трубопроводов и технологического оборудования.
      Системы обогрева резервуаров требуют учета конструктивных особенностей как самих резервуаров, так и опор, на которых они монтируются. В главе даются конкретные приемы и алгоритмы определения необходимой мощности обогрева. Для обеспечения стабильной работы систем управления при низких температурах показаны примеры обогрева измерительных приборов и специальные нагреватели шкафов управления.
      В связи с освоением шельфа возникла задача обогрева вертолетных площадок и других элементов инфраструктуры на морских буровых платформах и судах. В разделе «Обогрев транспорта и инфраструктуры Арктической зоны» показаны последние достижения ГК «ССТ» в нагревателях и системах для арктического транспорта, открытых площадок и систем ЖКХ.
      Глава 9. В данной главе рассмотрены вопросы построения систем электрообогрева сверхдлинных трубопроводов на основе нескольких видов скин-систем, а также с использованием трехжильных и многокабельных систем обогрева. Дается описание принципов действия и методов приближенных расчетов характеристик. Показана взаимосвязь длины плеча обогрева с линейной мощностью, питающим напряжением и конструкцией нагревательной подсистемы. Поскольку существенное значение имеют электромагнитные свойства используемых в данных системах стальных труб, приводятся как справочные, так и полученные экспе

10

риментально значения. Рассмотрены возможности обогрева сверхдлинных трубопроводов при питании только из головной точки. Дается описание всех элементов скин-системы, в том числе на примере ряда действующих систем, выполненных по проектам ГК «ССТ». Значительная часть главы отведена монтажу, пусконаладке и эксплуатации скин-систем обогрева.
      Глава 10. Здесь приводятся принципы управления обогревом с учетом температуры окружающей среды. Подробно рассмотрено устройство, состав и возможности комплекса аппаратуры СопТгасе, разработанной и выпускающейся в ГК «ССТ». Система СопТгасе переводит на новый уровень функциональность, информативность и надежность систем управления электрообогревом. Данная система в первую очередь ориентирована на применение для управления оборудованием, установленным во взрывоопасной зоне. Описаны несколько типов более простой терморегулирующей аппаратуры и возможные алгоритмы управления обогревом.
      Под конкретную схему системы электрообогрева следует применять специализированную подсистему питания, чтобы обеспечить требуемый технологический режим работы объекта обогрева и рациональное использование электроэнергии. Приводятся схемы наиболее часто используемых подсистем питания, рекомендуемых для того или иного вида системы обогрева. Более подробно рассмотрены возможные решения подсистем питания скин-систем обогрева, поскольку каждый обогреваемый скин-системой трубопровод требует индивидуального решения.
      Глава 11. Успешное функционирование системы электрообогрева во многом зависит от правильно выполненных монтажа и пусконаладки, а также от последующей квалифицированной эксплуатации. В главе приводятся подробные указания о выполнении работ по монтажу нагревательных элементов, соединительных и питающих коробок, силовых шкафов и шкафов управления для систем электрообогрева трубопроводами и резервуарами. Заключительный этап, связанный с проведением пусконаладочных работ, описан достаточно подробно. Приводится апробированная программа испытаний, выполняемых при пусконаладке, и указания по методикам испытаний. Даются рекомендации по работам, связанным с обслуживанием и ремонтом систем электрообогрева.
      Глава 12. Взрывобезопасность систем электрообогрева базируется на общих принципах, но требует применения специализированного взрывозащищенного оборудования. Рассмотрены основные виды и характеристики взрывозащищенного оборудования, применяемого в системах электрообогрева Даны рекомендации, выполнение которых обеспечивает взрывобезопасность кабельных нагревательных элементов, дается описание взрывозащищенных коробок и правил построения искробезопасных электрических цепей.
      Представлена информация по взрывозащищенному оборудованию, выпускаемому в ГК «ССТ»: соединительным коробкам, шкафам и постам управления, взрывозащищенным соединителям.
      Глава 13. Специальные вопросы, такие как надежность систем электрообогрева, рассмотрены в данной главе. Поскольку в качестве нагревательных элементов используются кабельные изделия, то вопросы оценки надежности базируются на соответствующих подходах, принятых в кабельной промышленности. Даны рекомендации по обеспечению надежности и безопасности систем электрообогрева.
      Приложения. Справочная книга снабжена справочными материалами, которые наиболее часто используются при расчетах характеристик систем электрообогрева. Здесь собраны справочные таблицы механических, электрических и тепловых свойств металлов, диэлектрических изоляционных материалов. Свойства воды, воздуха, метана, трансформаторного масла, нефтей и газовых конденсатов приводятся как в виде таблиц, показывающих зависимость свойств от температуры, так и в виде алгоритмических зависимостей, что позволяет упростить построение расчетных программ.
      В приложении также приводятся подробные описания алгоритмов для расчета процессов охлаждения и разогрева теплоизолированных трубопроводов, наполненных жидкостью.
      Краткие описания программных комплексов ТгасеХРго и DeiceXPro, разработанных в ГК «ССТ» и внедренных в практику проектирования систем обогрева трубопроводов и


11

антиобледенительных систем жилых и общественных зданий, показывают большие возможности указанных комплексов, базирующихся на совокупности знаний и опыта специалистов группы компаний.

      Книга создана коллективом авторов, принимавшим непосредственное участие во всех этапах создания данного направления техники, и представляющим союз специалистов-практиков и представителей академической науки. Книга насыщена богатым фактическим и справочным материалом и будет полезна проектировщикам и эксплуатационникам систем электрообогрева.
      Авторы надеются, что рассмотренные в книге вопросы расчета, проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатации как отдельных элементов, так и систем электрообогрева в целом, будут способствовать дальнейшему прогрессу в этой области техники.
      Авторы выражают признательность и благодарность сотрудникам Группы компаний «Специальные системы и технологии» за предоставленные первичные материалы, полезные замечания, высказанные в процессе написания книги, и помощь в ее оформлении.
      Сотрудники ГК «ССТ», предоставившие свои материалы и помогавшие при работе над книгой: Бардин В. А., Покусаев В. П., Дегтярева Е. О., Лукина А. А., Есехин В. М., Греч-ков В. И., Синяков Н. А., Красеньков С. В., Филиппов С. А., Кривошей Е. С., Шелудяк А. Ю., Мирзоян А. В., Жукова Е. А., Палиенко О. Ю., Круглов А. Л., Ворожайкин М. Н., Мамонтов И. В.
      Авторы будут благодарны читателям за предложения и замечания и просят направлять их по адресу publish@e-heating.ru.

Глава 1




                ЭЛЕКТРООБОГРЕВ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ




        1.1. Развитие нефтегазовой промышленности

     Добыча и использование нефти ведется человечеством с древних времен (Вавилон, Индия, Египет, Греция). Тогда нефть и нефтепродукты использовались в качестве вяжущего материала в строительстве (битум), для лечения больных, а также в качестве зажигательной смеси и топлива. До начала XVIII века нефть преимущественно использовалась в натуральном, т. е. непереработанном и неочищенном виде.
     Широкое использование нефти и продуктов ее переработки в промышленности и в быту началось со второй половины XIX столетия и было связано с развитием керосинового освещения. При этом следует отметить изобретение И. Лукасевичем и Я. Зехом безопасной керосиновой лампы в 1853 году во Львове. Тогда же был открыт способ получения керосина из нефти, и для получения керосина стали строиться нефтеперерабатывающие заводы.
     Повышение спроса на нефть привело к развитию способа ее добычи - вместо рытья колодцев стали бурить скважины. Первая нефтяная скважина в мире была пробурена на Биби-Айбатском месторождении вблизи Баку в 1846 году, а в 1859 году в США началось использование механического бурения скважин.
     С увеличением объема добычи нефти и числа потребителей возникла проблема транспортировки нефти и нефтепродуктов. Если когда-то нефть перевозилась в бочках и бурдюках, то начались перевозки нефти от месторождений до нефтеперерабатывающих заводов в металлических цистернах по железной дороге и на специальных судах-танкерах - по воде. Следующим шагом в развитии транспортировки нефти стало строительство нефтепроводов, которые способны работать при любой погоде и в любое время года [1.1-1.3].
     Большой вклад в развитие техники добычи нефти, трубопроводного транспорта и переработки в России внесли Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) и Владимир Григорьевич Шухов (1853-1939).
     Д. И. Менделеев много сделал для совершенствования добычи и переработки отечественной нефти. Он предложил использовать особые трубы для проведения нефти от нефтяных колодцев к заводу и от завода к морю, определил на научной основе комплексную модель нефтеперерабатывающего завода со всей его инфраструктурой, предложил принципы рационального размещения НПЗ. В 1877 году в России вышла в свет его книга «Нефтяная промышленность в Североамериканском штате Пенсильвания и на Кавказе», в которой был обобщен опыт США и даны рекомендации, способствующие развитию нефтяной промышленности в России [1.4].
     Гениальный русский инженер В. Г. Шухов очень много сделал для развития в России нефтедобычи, транспортировки и хранения нефти, а также в металлургии, строительстве и водоснабжении. Так, в 1879 году под руководством В. Г. Шухова построен первый в России промысловый нефтепровод длиной 11 км для доставки нефти с Балаханского месторождения на нефтеперерабатывающие заводы Баку. Он изобрел первую в мире промышленную установку термического крекинга нефти (1891). В 1907 году также по его проекту построили первый магистральный нефтепровод Баку - Батуми длиной 813 км [1.5].
     Одновременно в России шло интенсивное строительство нефтеперерабатывающих заводов (рис. 1.1).
     В США в 1865 г. закончилось строительство нефтепровода длиной около 8 км с пропускной способностью 2500 баррелей в сутки от нефтепромысла Ойл-Крик в Пенсильвании к железнодорожной станции Миллер Фарм Стэйшн. К 1875 году протяженность нефтепроводов в США, доставляющих нефть от промысла до железнодорожных станций, составляла уже бо


13

лее 3000 километров. С 1879 года было начато сооружение нефтепроводов, доставляющих сырье сразу на перерабатывающие предприятия Нью-Йорка и Филадельфии, минуя железнодорожную перевозку. Это были 6-дюймовые трубопроводы протяженностью более 500 км.


Рис. 1.1. Чаны и мешалки строящегося нефтеперерабатывающего завода. Баку, 1888 г. [1.6]

      В начале XX века Россия занимала первое место по добычи нефти. В 1901-1913 гг. страна добывала приблизительно 11 млн тонн нефти.
      Развитие добычи, транспортировки и переработки нефти и нефтепродуктов выявило большую потребность в подогреве, прежде всего, трубопроводов для стабилизации условий транспортировки и достижения проектных параметров трубопроводов.
      В конце XIX века по проекту Шухова и под его руководством в Баку строится первый в мире трубопровод для транспортировки нефтяных остатков с подогревом паром перед поступлением его в трубу для уменьшения сопротивления при движении.
      В СССР первые примеры использования трубопроводов с подогревом известны с 30-х годов XX столетия. Например, по заказу МОГЭС был построен мазутопровод диаметром 8 дюймов и длиной 5 км. При этом часть трубопровода была подводной и пересекала Москву-реку под Устьинским мостом. Перекачивался мазут марки 80, подогретый до температуры 50 °С под давлением около 15 атм. Внутри был смонтирован трубопровод диаметром 2 дюйма, по которому качалось дизельное топливо, предварительно разогретое до 100-120 °С. Основной являлась задача предотвращения застывания мазута при останове прокачки. Трубопровод успешно эксплуатировался с 1933 по 1939 гг. [1.7].
      С развитием нефтяной отрасли количество объектов, требующих применения обогрева, постоянно возрастало. В частности, использование заводнения, т. е. закачки в пласт воды, потребовало обогрева водоводов. Проблема обогрева объектов стала особенно актуальна после начала активного освоения нефтяных запасов в районах Севера Европейской части России, Западной Сибири, Башкирии и Татарстана.
      Исторически сложилось так, что первые системы обогрева основывались на использовании в качестве теплоносителей дымовых газов, горячей воды (90 °С) и пара (130-140 °С). Позднее стали применяться масла и высокотемпературные органические теплоносители -ВОТ (с температурой свыше 170 °С). Наибольшее применение получил водяной пар, легко транспортируемый и не представляющий пожарной опасности. Обычно используют насыщенный пар давлением 0,3-0,4 МПа, обеспечивая нагрев нефтепродукта до 80-100 °С.


14

      В зависимости от вида (конструкции) обогреваемого объекта используются различные способы организации подогрева (подачи теплоносителя), в том числе:
        • обогрев дымовыми газами трубчатых подогревателей и цистерн с нефтепродуктами;
        • обогрев «острым» (открытым) паром, т. е. подача насыщенного пара в нефтепродукт;
        • обогрев путем подачи теплоносителя («глухой» пар, горячая вода, масло, жидкости ВОТ) в «рубашку» цистерны, трубопровода или резервуара;
        • обогрев трубопроводов с помощью проложенных вдоль них трубчатых «спутников», по которым прокачивается пар или горячая вода;
        • использование встроенных подогревателей (секционных или змеевиков), в которые подается теплоноситель.
      Пар являлся основным техническим решением для подогрева трубопроводов и резервуаров. В состав практически всех предприятий входило паросиловое хозяйство, основной задачей которого была генерация и распределение пара по всем потребителям. Фактически пара пар - мазут являлась технически связанной - для генерации пара основным источником энергии был мазут, а для обеспечения слива-налива мазута применялся пар. Развитие и повсеместное использование этого технического решения связано с именем заведующего кафедрой Московского нефтяного института им. И. М. Губкина, д. т. н., проф. В. И. Чернышева.
      Положительными сторонами такого технического решения являются следующие:
        • огромная теплоемкость, позволявшая быстро передать нагреваемой среде требуемое количество теплоты;
        • возможность направленной передачи и подвода свежего пара по паропроводам на заметные расстояния;
        • простота генерации пара при наличии мазута, который в то время имелся повсеместно.
      Нельзя не отметить и недостатки:
        • пар при постоянной работе доставляет много проблем, связанных с коррозией и необходимостью отвода конденсата;
        • достаточно высокая стоимость эксплуатации из-за короткого срока службы труб и заметного количества персонала, обслуживающего всю систему;
        • относительно короткие «плечи» подогрева трубопроводов (до 500 м);
        • заметное падение температуры пара по длине трубопровода и, как следствие, его перерасход;
        • заметная стоимость генерации самого пара;
        • невозможность сколько-нибудь серьезной автоматизации процессов, кроме контроля температуры и расхода пара на каждое «плечо»;
        • значительные материальные и капитальные затраты, особенно в случае обогрева с помощью рубашек, и связанные с необходимостью организации замкнутого контура для циркуляции теплоносителя;
        • в случае остановки прокачки пара пароспутники могут выйти из строя вследствие замерзания конденсата;
        • из-за негерметичности соединений пар вырывается наружу, приводя к обледенению трубопроводов в зимнее время.
      К этому необходимо добавить и существенные затраты по поддержанию паросилового хозяйства, поскольку требовалось содержание постоянного персонала, материально-технического обеспечения и т. д. Фактически оно требовало постоянного ремонта и трудоемкой реконструкции.
      Нужно отметить, что из-за отсутствия высококачественных и долговечных материалов для теплоизоляции и задач, преимущественно связанных с работой в режиме «останова», потребные мощности составляли 300-1000 Вт/м трубопровода, что, в свою очередь, могло быть достигнуто только применением «острого» пара.

15