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 ISO 9001:2008.
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 ОАО «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)

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.

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