Для трубопроводов с маслами, нефтепродуктами, битумными составами, концентрированными растворами, жирами и другими температурно-чувствительными продуктами недостаточно просто не допустить замерзания. Ещё до полного застывания среда может стать настолько вязкой, что насос перестанет обеспечивать расчётный расход, а при дальнейшем охлаждении возможны кристаллизация, выпадение компонентов в осадок или образование плотной пробки. Поэтому электрообогрев таких трубопроводов проектируют под конкретный технологический температурный диапазон с обязательным контролем как недогрева, так и локального перегрева.
Материал подготовлен
Инженерным отделом «ПромОбогрев»
Расчёт и комплектация систем электрообогрева технологических трубопроводов, резервуаров и промышленного оборудования
Что должно быть изображено: промышленный теплоизолированный трубопровод на нефтехимическом или производственном объекте. Часть теплоизоляции снята, под ней видны две продольные нитки греющего кабеля и датчик температуры. В отдельной небольшой вставке показать вязкий нефтепродукт или масло внутри трубы. Без огня и бытовых элементов.
Почему «продукт не замёрз» ещё не означает, что трубопровод работает
В обычном водопроводе наиболее очевидная граница — переход воды в твёрдое состояние. Для технологических продуктов ситуация сложнее.
Между нормальным рабочим состоянием и полным застыванием может существовать широкий температурный диапазон, в котором продукт постепенно теряет необходимые эксплуатационные свойства.
Продукт имеет требуемую вязкость, свободно транспортируется, проходит через фильтры и нормально дозируется.
Вязкость начинает увеличиваться, растёт гидравлическое сопротивление трубопровода.
Для некоторых продуктов начинается кристаллизация, выпадение компонентов или образование отложений.
Насос уже не способен обеспечить нормальный расход, появляются застойные зоны.
Образуется плотная неподвижная масса или локальная пробка, требующая отдельной процедуры разогрева.
Главное: для технологического трубопровода критической часто является не температура полного застывания, а значительно более высокая температура, ниже которой продукт уже невозможно нормально перекачивать или использовать.
Какие продукты особенно чувствительны к снижению температуры
Электрообогрев применяется во множестве процессов, где физические свойства продукта сильно зависят от температуры.
| Группа продуктов | Что может происходить при охлаждении | Основная задача обогрева |
|---|---|---|
| Мазут и тяжёлые нефтепродукты | Существенное увеличение вязкости, ухудшение перекачиваемости и возможное образование отложений. | Сохранять рабочую вязкость и возможность транспортировки. |
| Нефть и нефтесодержащие продукты | Изменение вязкости и возможное выпадение отдельных компонентов в зависимости от состава продукта. | Поддерживать предусмотренный технологией температурный режим. |
| Минеральные и технологические масла | Рост вязкости, увеличение нагрузки на насосное оборудование. | Обеспечивать расчётный расход и нормальную работу насосов. |
| Битумные и битумосодержащие составы | Резкое повышение вязкости и последующий переход в практически неподвижное состояние. | Поддерживать продукт в технологически пригодном состоянии. |
| Парафиносодержащие продукты | Возможна кристаллизация отдельных компонентов и образование отложений на стенках трубопровода. | Исключать температурные условия, при которых нарушается стабильность продукта. |
| Солевые и химические растворы | Кристаллизация растворённых веществ или выпадение осадка. | Сохранять раствор в требуемом фазовом состоянии. |
| Смолы, клеи, полимерные составы | Рост вязкости и ухудшение дозирования. | Поддерживать свойства, необходимые для технологической подачи. |
| Растительные масла и животные жиры | Загустевание и частичная кристаллизация жировой фазы. | Сохранять текучесть при транспортировке по производственной линии. |
| Патока, меласса, сиропы | Сильное увеличение вязкости. | Стабилизировать условия перекачивания и дозирования. |
| Шоколадные и кондитерские массы | Изменение реологических и технологических свойств. | Поддерживать предусмотренный рецептурой температурный диапазон. |
В таблице указаны типичные механизмы, а не универсальные температуры. Конкретные значения должны браться из технологической документации на фактически транспортируемый продукт.
Что должно быть изображено: техническая инфографика с четырьмя видами среды: густое промышленное масло, тяжёлый нефтепродукт или мазут, химический раствор с начинающимися кристаллами и вязкая пищевая масса. Каждый продукт связан со своим теплоизолированным трубопроводом.
Рост вязкости: главная проблема многих масел и нефтепродуктов
Для большого количества жидких продуктов снижение температуры сопровождается увеличением вязкости.
Чем более вязкой становится среда, тем сложнее перемещать её по трубопроводу. При неизменной геометрии линии могут изменяться:
- гидравлическое сопротивление;
- перепад давления;
- фактический расход;
- нагрузка на насос;
- условия работы регулирующих клапанов;
- скорость заполнения или опорожнения оборудования;
- точность дозирования.
Поэтому рабочую температуру выбирают так, чтобы продукт сохранял требуемые технологией свойства, а не просто оставался в жидком состоянии.
Если система рассчитана только на температуру застывания, она может быть формально работоспособной с теплотехнической точки зрения, но непригодной для эксплуатации из-за слишком высокой вязкости продукта.
Кристаллизация и выпадение осадка — отдельная проблема
Не все продукты переходят из рабочего состояния непосредственно в полностью твёрдое. У некоторых многокомпонентных сред при охлаждении сначала выделяется одна из составляющих.
В зависимости от технологического продукта это может проявляться как:
- образование кристаллов;
- выпадение солей;
- выделение парафиновой фазы;
- образование хлопьев или осадка;
- формирование отложений на стенках трубы;
- зарастание фильтров и узких проходов арматуры.
Даже после последующего повышения температуры первоначальное состояние системы не всегда восстанавливается мгновенно: отложения могут остаться на стенках, в фильтрах или в застойных зонах.
Почему особенно опасны холодные точки
Средняя температура трубопровода может быть нормальной, но если один фланец, фильтр или участок возле опоры охлаждается сильнее остальных, именно там может начаться локальное образование твёрдой фазы.
После появления первоначального отложения проходное сечение уменьшается, условия потока изменяются, и процесс может развиваться дальше.
Что должно быть изображено: продольный разрез трубы с жидкостью. В первой зоне продукт однородный. Далее холодный участок возле фланца, где на внутренней стенке начинают появляться кристаллы или отложения. В последней зоне показать частично уменьшенное проходное сечение.
Полное застывание — уже аварийный сценарий
Если продукт дошёл до состояния плотной неподвижной массы, задача электрообогрева резко усложняется.
Система должна уже не просто компенсировать текущие теплопотери, а передать дополнительное количество энергии трубе и находящейся внутри среде.
Особенно сложно разогреть:
- трубопровод большого диаметра;
- длинную заполненную линию;
- массивные задвижки;
- фильтры;
- насосные корпуса;
- участки с толстой застывшей массой;
- системы с недостаточной установленной мощностью.
Система, рассчитанная на поддержание температуры, не обязана обеспечивать быстрый разогрев полностью остывшего трубопровода. Если такой сценарий требуется технологией, его рассчитывают отдельно.
Как определить правильную температуру поддержания
Температура поддержания должна задаваться технологическими требованиями к продукту.
Для инженерного расчёта полезно определить несколько температурных уровней.
| Температурный параметр | Что он означает |
|---|---|
| Нормальная рабочая температура | Температура, при которой продукт имеет требуемые технологические свойства. |
| Минимально допустимая технологическая температура | Ниже неё уже нарушается перекачиваемость, стабильность или другой параметр процесса. |
| Температура начала нежелательных фазовых изменений | Возможное начало кристаллизации, выпадения компонентов или интенсивного загустевания. |
| Температура полного застывания | Предельное состояние, которого система в нормальной эксплуатации вообще не должна достигать. |
| Максимально допустимая температура продукта | Верхняя граница, выше которой могут изменяться свойства среды или нарушаться требования технологического процесса. |
| Максимальная температура оборудования | Ограничение для трубы, уплотнений, кабеля, датчиков и других компонентов системы. |
Между минимально и максимально допустимыми значениями формируется рабочее температурное окно системы управления.
Температуру поддержания нельзя выбирать по каталогу греющего кабеля. Сначала технолог определяет необходимый режим продукта, затем инженер подбирает систему, способную этот режим обеспечить.
Почему нельзя подобрать систему просто по мощности 30 или 40 Вт/м
Линейная мощность кабеля — только одна характеристика нагревательной системы. До выбора кабеля необходимо определить расчётные теплопотери трубопровода.
На них влияют:
- требуемая температура продукта;
- минимальная температура окружающей среды;
- наружный диаметр трубы;
- материал трубопровода;
- толщина теплоизоляции;
- коэффициент теплопроводности теплоизоляции;
- наружная или внутренняя установка;
- ветровое воздействие;
- арматура;
- фланцы;
- опоры;
- фильтры;
- насосное оборудование.
Мощность системы должна компенсировать расчётные теплопотери при выбранной температуре поддержания и наиболее неблагоприятных предусмотренных проектом внешних условиях.
После этого определяется:
- тип кабеля;
- необходимая удельная мощность;
- одна или несколько ниток;
- коэффициент укладки;
- дополнительный кабель на арматуре;
- длины электрических контуров;
- количество температурных зон.
Особенно важно учитывать, что тепловыделение саморегулирующегося кабеля изменяется с температурой. Его номинальные Вт/м нельзя автоматически считать фактической мощностью при любой технологической температуре.
Какой греющий кабель использовать
Выбор зависит не столько от того, является продукт маслом или битумом, сколько от конкретных расчётных температур, теплопотерь, длины трассы и условий эксплуатации.
Саморегулирующийся кабель
Может быть удобен для разветвлённых технологических линий со сложной арматурой и неоднородными температурными условиями. По мере нагрева его тепловыделение уменьшается.
Но при повышенных температурах поддержания необходимо обязательно проверить температурно-мощностную характеристику: кабель должен обеспечивать необходимую мощность именно в расчётном рабочем режиме.
Резистивные системы
Используются в том числе на протяжённых промышленных трассах и в более высокотемпературных задачах. Конкретная нагревательная секция рассчитывается по мощности, длине и температурному режиму.
Минерально-изолированные нагреватели
Применяются для особенно высоких температур и тяжёлых промышленных условий, когда температурных возможностей полимерных конструкций недостаточно.
Выбор между саморегулирующимся и резистивным кабелем следует делать после теплотехнического расчёта, а не по принципу «саморег современнее».
Наружная оболочка кабеля: почему для нефтехимии это критично
При стандартном наружном монтаже греющий кабель не контактирует непосредственно с продуктом внутри трубы. Но это не означает, что химическую стойкость оболочки можно игнорировать.
На промышленной площадке на наружную поверхность могут воздействовать:
- нефтепродукты;
- технологические масла;
- топливо;
- растворители;
- кислотные или щелочные реагенты;
- промывочные составы;
- пары химических веществ;
- атмосферная влага;
- ультрафиолет при наружной установке.
Если существует вероятность таких воздействий, материал наружной оболочки выбирают с соответствующей химической стойкостью.
Полиолефиновая оболочка
Может применяться в обычных промышленных и атмосферных условиях, если окружающая среда соответствует характеристикам конкретной серии.
Фторполимерная оболочка
Для ряда промышленных кабелей используется там, где требуется повышенная устойчивость к химически агрессивной среде, нефтепродуктам или другим технологическим воздействиям.
Нельзя выбирать оболочку только по общему названию материала. Химическую стойкость проверяют по документации конкретного кабеля относительно веществ, реально присутствующих на объекте.
Что должно быть изображено: технический разрез промышленного греющего кабеля. Подписать нагревательный элемент, электрическую изоляцию, металлическую оплётку и наружную химически стойкую оболочку. Рядом условными пиктограммами показать масло, нефтепродукт и химический реагент.
Без правильной теплоизоляции технологический обогрев становится неэффективным
Для вязких и застывающих сред трубопровод часто поддерживается при температуре значительно выше окружающего воздуха. Чем больше этот температурный перепад, тем сильнее влияние теплоизоляции на требуемую электрическую мощность.
Необходимо учитывать
- материал теплоизоляции;
- коэффициент теплопроводности;
- расчётную толщину;
- температурный диапазон применения материала;
- защиту от влаги;
- реальную толщину на арматуре;
- состояние изоляции после ремонта;
- тепловые мосты.
Намокшая или смятая теплоизоляция способна сделать фактические теплопотери значительно выше проектных. При этом шкаф управления будет включать обогрев всё чаще, но установленной мощности всё равно может быть недостаточно для удержания требуемой температуры.
Для высокотемпературного поддержания особенно важно, чтобы проектная толщина теплоизоляции соблюдалась не только на прямой трубе, но и на фланцах, клапанах, фильтрах и других массивных элементах.
Почему фланцы, задвижки и фильтры особенно опасны для вязких продуктов
На прямом участке движение среды помогает выравнивать температуру. В арматуре появляются массивные металлические корпуса, сложная геометрия и локальные зоны с меньшей скоростью потока.
Поэтому именно здесь комбинация повышенных теплопотерь и особенностей движения продукта может стать критичной.
Большая металлическая масса и увеличенная наружная поверхность.
Сложная геометрия корпуса и дополнительные пути отвода тепла.
При появлении кристаллов или осадка именно фильтрующий элемент может начать забиваться первым.
После остановки в них может оставаться значительный объём продукта, который необходимо сохранить в рабочем состоянии.
Все такие элементы учитывают в расчёте отдельно и предусматривают дополнительную длину греющего кабеля.
Что должно быть изображено: промышленная задвижка, фильтр и два фланца на одном трубопроводе. Теплоизоляция частично снята. Показать дополнительный греющий кабель на корпусах и стрелками отметить зоны повышенных теплопотерь.
Датчики температуры: измерять нужно не там, где удобнее
Чем уже рабочий температурный диапазон продукта, тем выше значение правильного расположения датчиков.
Система должна контролировать реальное температурное состояние технологической линии, а не случайную точку, находящуюся рядом со шкафом управления.
Датчики могут использоваться для контроля:
- температуры поверхности трубы;
- температуры продукта;
- наиболее холодной зоны;
- отдельного наружного участка;
- арматурного узла;
- предельной температуры поверхности;
- температуры технологического оборудования.
Типичная ошибка — датчик рядом с нагревателем
Если датчик температуры поверхности установлен непосредственно возле кабеля, он реагирует на локально нагретую полосу трубы. Регулятор может отключить кабель, хотя противоположная сторона трубопровода и продукт внутри ещё не достигли требуемой температуры.
Для ответственных технологических линий может быть рационально разделять трассу на несколько температурных зон, а не пытаться управлять сотнями метров трубы по одному датчику.
Локальный перегрев: почему «больше мощности» не всегда лучше
При работе с вязкими продуктами легко сосредоточиться только на опасности недогрева. Но чрезмерная температура также способна нарушить технологический процесс.
Локальный перегрев может появиться, если:
- установлено слишком много кабеля на небольшой площади;
- резистивные нагреватели пересекаются или расположены слишком близко;
- кабель имеет плохой тепловой контакт с трубой;
- датчик расположен в нерепрезентативной зоне;
- терморегулятор настроен неправильно;
- используется чрезмерная удельная мощность;
- пропал продукт или изменился режим теплоотвода;
- часть трубопровода оказалась без предусмотренного теплоотвода;
- отказала управляющая аппаратура.
Что может произойти с продуктом
В зависимости от его состава чрезмерный нагрев способен вызвать:
- изменение вязкости за допустимые пределы;
- термическое старение;
- разложение отдельных компонентов;
- образование нежелательных отложений;
- испарение летучих фракций;
- ухудшение качества продукта;
- изменение технологических характеристик.
Что может произойти с системой
- повреждение уплотнений;
- превышение допустимой температуры полимерной трубы;
- повреждение оболочки греющего кабеля;
- ускоренное старение теплоизоляционных материалов;
- выход оборудования за допустимый температурный класс.
Саморегулирующийся кабель снижает тепловыделение по мере нагрева, но это не означает абсолютную защиту технологического процесса от перегрева. Для ответственных систем необходимы правильно расположенные датчики и предусмотренное проектом управление.
Что должно быть изображено: тепловая карта участка трубопровода. Основная поверхность имеет равномерную рабочую температуру. В одном месте возле неправильно уложенного кабеля показать красную локальную горячую точку, а возле плохо утеплённого фланца — синюю холодную точку. Визуально показать опасность обоих отклонений.
Как защитить продукт одновременно от недогрева и перегрева
Решение строится не вокруг одного мощного греющего кабеля, а вокруг управляемой системы.
| Элемент системы | Какую задачу решает |
|---|---|
| Теплотехнический расчёт | Определяет необходимую, а не произвольную установленную мощность. |
| Правильно выбранный кабель | Обеспечивает требуемое тепловыделение в рабочем температурном диапазоне. |
| Теплоизоляция | Снижает потери и позволяет равномернее поддерживать температуру. |
| Рабочий датчик | Передаёт регулятору информацию о температуре контролируемого участка. |
| Терморегулятор | Управляет нагревом относительно заданной уставки. |
| Ограничитель температуры | При необходимости выполняет независимую защиту от превышения допустимой температуры. |
| Шкаф управления | Объединяет регулирование, защиту, коммутацию и сигнализацию. |
| Зонирование | Позволяет отдельно управлять участками с разными тепловыми условиями. |
| АСУЭ / диспетчеризация | Позволяет контролировать состояние большого количества цепей и своевременно обнаруживать отклонения. |
Что происходит после остановки технологического процесса
Один из наиболее опасных сценариев — остановка движения продукта при сохранении его в трубопроводе.
Пока продукт движется, он может приносить тепло с предыдущего технологического участка. После остановки этот перенос прекращается, и температура определяется уже локальным тепловым балансом.
При проектировании нужно ответить на вопросы:
- остаётся ли трубопровод заполненным после остановки;
- сколько времени продукт может находиться без движения;
- должен ли электрообогрев работать постоянно;
- какую температуру необходимо поддерживать в режиме ожидания;
- что произойдёт при аварийном отключении электроснабжения;
- за какое время продукт охлаждается до критического состояния;
- можно ли полностью опорожнить линию;
- требуется ли резервное электроснабжение;
- необходим ли последующий режим разогрева.
Для некоторых производств именно режим остановки, а не нормальное движение продукта, является определяющим при расчёте электрообогрева.
Если застывшая среда способна полностью заблокировать дорогостоящий технологический трубопровод, сценарий аварийного отключения питания должен рассматриваться как часть проекта, а не как исключительная ситуация.
Алгоритм проектирования электрообогрева вязкого продукта
Рабочая температура, зависимость вязкости от температуры, условия кристаллизации, застывания и допустимого перегрева.
Определить минимальную и максимально допустимую технологические температуры.
Диаметры, длины, фланцы, клапаны, фильтры, насосы, опоры и переходы.
Материал, теплопроводность, толщина и температурная стойкость.
Определить необходимую мощность каждого участка при наиболее неблагоприятных условиях.
Саморегулирующийся, резистивный или другой тип промышленного нагревателя.
Химическая стойкость к веществам, которые присутствуют на объекте.
Количество ниток, шаг укладки, арматура и дополнительные петли.
Разместить датчики в соответствии с реальными температурными зонами трассы.
Уставки, аварии, ограничение температуры, шкаф управления и диспетчеризация.
Рассмотреть заполненную неподвижную линию и возможное отключение питания.
Отдельно проверить возможность выхода полностью остывшей системы на рабочий режим.
Типовые ошибки при обогреве вязких и застывающих продуктов
Продукт остаётся жидким, но уже слишком вязким для нормальной работы оборудования.
Линия ещё работает, но внутри уже начинают образовываться отложения.
Не учитываются реальные теплопотери и тепловыделение кабеля при рабочей температуре.
Оболочка кабеля не рассчитана на нефтепродукты или реагенты конкретной площадки.
Именно в нём начинают накапливаться кристаллы и загустевший продукт.
Трубы прогреты, но продукт в технологической части насосного узла охлаждается.
Локальная холодная зона остаётся незамеченной системой управления.
Возникает риск локального перегрева продукта или элементов трубопровода.
Реальная потребность в тепле становится выше, чем было предусмотрено расчётом.
При прекращении движения продукт остывает, хотя в нормальном режиме система работала стабильно.
После полного застывания установленной мощности недостаточно для быстрого восстановления линии.
Отказ датчика или аппарата управления способен вывести процесс за допустимый диапазон.
Вопросы и ответы
Почему нефтепродукт нужно обогревать, если он ещё не застыл?
При снижении температуры вязкость многих нефтепродуктов увеличивается задолго до полного застывания. Это может привести к росту гидравлического сопротивления, снижению расхода и повышенной нагрузке на насосы. Рабочую температуру задают по свойствам конкретного продукта.
Чем кристаллизация отличается от полного застывания?
При кристаллизации из жидкой среды начинает выделяться твёрдая фаза, при этом остальная часть продукта ещё может двигаться. При дальнейшем охлаждении количество твёрдой фазы может увеличиваться вплоть до существенного ограничения или полной остановки потока.
Как определить температуру, которую нужно поддерживать?
Она должна определяться технологическими свойствами продукта: требуемой вязкостью, условиями перекачки, началом нежелательных фазовых изменений и максимально допустимой температурой.
Какой кабель лучше для мазута или масла?
Тип кабеля выбирается после расчёта. Необходимо знать требуемую температуру, теплопотери, длину трассы, максимальную температуру воздействия, условия объекта и требования к химической стойкости оболочки. В зависимости от задачи применяются как саморегулирующиеся, так и резистивные системы.
Нужна ли фторполимерная оболочка для нефтепродуктов?
Она часто применяется там, где требуется повышенная химическая стойкость, но необходимость определяется фактическими веществами на объекте и документацией конкретной марки кабеля.
Саморегулирующийся кабель исключает перегрев продукта?
Нет. Он уменьшает собственное тепловыделение по мере повышения температуры, но технологически чувствительный продукт всё равно требует корректного выбора мощности и системы температурного контроля.
Почему особенно важно обогревать фильтры?
В фильтре уже существует сопротивление потоку, а при образовании кристаллов или загустевании продукта его пропускная способность может дополнительно снижаться. Кроме того, корпус фильтра имеет собственные теплопотери.
Можно ли увеличить температуру уставки с большим запасом?
Не следует делать это без технологического обоснования. У продукта, трубопровода, уплотнений и самого нагревателя существуют верхние температурные ограничения. Излишняя температура также увеличивает энергопотребление.
Что произойдёт, если остановить насос, но оставить продукт в трубе?
Прекратится перенос тепла движущимся продуктом, и температурный режим будет определяться локальными теплопотерями и работой электрообогрева. Такой режим необходимо учитывать при проектировании системы.
Сможет ли система растопить полностью застывший продукт?
Не обязательно за приемлемое время. Для гарантированного разогрева необходимо отдельно учитывать массу продукта и трубопровода, теплоёмкость, требуемое изменение температуры, теплопотери и допустимое время выхода на режим.
- Промышленные греющие кабели
- Саморегулирующиеся греющие кабели
- Резистивные греющие кабели
- Обогрев технологических трубопроводов пищевых производств
- Промышленные терморегуляторы и термостаты
- Шкафы управления электрообогревом
- Автоматизированные системы управления электрообогревом
- Контакты «ПромОбогрев»
Пришлите информацию о транспортируемой среде, требуемую рабочую температуру, длину и диаметры трубопроводов, минимальную температуру окружающей среды, материал и толщину теплоизоляции, а также сведения о фланцах, задвижках, фильтрах, насосах и режиме остановки линии. Специалисты «ПромОбогрев» помогут рассчитать теплопотери, определить требуемую мощность, подобрать тип греющего кабеля и химически стойкое исполнение оболочки, разработать температурные зоны и систему управления.