Кабель с термостойкостью 1000 °С и КПД 100% в системах электрообогрева

От парового обогрева к электротехнологиям

Одна из ключевых задач в современных промышленных процессах, особенно в нефтегазовой отрасли, - поддержание заданной температуры технологических жидкостей и газов в трубопроводах, резервуарах и другом оборудовании. При снижении температуры высоковязкие нефтепродукты теряют текучесть, вода в газе может замерзать, что приводит к остановкам, авариям и серьезным финансовым потерям.

До широкого внедрения электрических систем применялся паровой обогрев. Вдоль трубопроводов прокладывались паропроводы-спутники с непрерывной подачей горячего пара. Такой подход имел ряд существенных недостатков:
- высокие теплопотери;
- сложность и дороговизна (отдельная котельная, развитая сеть труб, постоянный контроль);
- низкая точность регулирования температуры по зонам обогрева;
- коррозия и риски утечек пара;
- вероятность замерзания воды в системе обогрева при остановке.

Для решения этих проблем были разработаны системы электрообогрева (СЭО), позволяющие точно и равномерно подвести тепло к конкретному объекту. Сегодня это золотой стандарт обогрева в нефтегазовой промышленности и ряде других отраслей, вплоть до бытового применения.

Когда потери превращаются в полезную работу

Чтобы понять принципиальное отличие нагревательного кабеля от силового или сигнального, достаточно вспомнить основы электротехники.

В силовом кабеле задача - передать ток и напряжение от точки А к точке Б с минимальными потерями. Нагрев жилы в этом случае - нежелательный эффект, вызванный сопротивлением материала. Он снижает КПД системы, ускоряет старение изоляции и может привести к выходу кабеля из строя. С ним борются, увеличивая сечение жилы, выбирая материалы с низким сопротивлением и учитывая условия прокладки, влияющие на теплоотдачу.

В кабеле для систем электрообогрева всё наоборот: вся потребляемая электрическая энергия целенаправленно превращается в тепло. Тот самый нагрев жилы, который для силового кабеля является недостатком, становится полезной работой. Потери в классическом понимании отсутствуют - электрическая мощность практически полностью превращается в полезное тепло и передается обогреваемому объекту.

Если рассматривать такой кабель именно как преобразователь электрической энергии в тепловую, его коэффициент полезного действия (КПД) стремится к 100%. Это управляемый, высокоэффективный нагревательный элемент, который можно точно рассчитать и разместить именно там, где требуется тепло.

На этом принципе строится работа современных систем электрообогрева. Особое место среди них занимает кабель с минеральной изоляцией (MI-кабель), способный выдерживать температуры до 1000 °С и работать в самых экстремальных условиях.

Кабель с минеральной изоляцией: решение для экстремальных условий

Главное преимущество греющего кабеля с минеральной изоляцией - возможность надежной работы при высоких температурах и в агрессивных средах, разрушительных для обычных типов изоляции.

 В зависимости от материала оболочки такой кабель выдерживает:
- температуру до 1000 °С;
- воздействие серной, азотной, плавиковой кислот, морской воды, хлоридов и других агрессивных сред.

Кроме работы в экстремальных условиях, кабели с минеральной изоляцией применяются там, где необходимо поддерживать высокие технологические температуры до 650 °С: подогрев труб водопровода и канализации, скважин, насосов, баков и резервуаров и тд. При этом продукция сертифицируется для применения во взрывоопасных зонах, что особенно важно для объектов нефтегазовой отрасли.

Единственным и действительно уникальным производителем такой продукции не только в России, но и по большинству позиций в мире является АО «Кирскабель» (входит в холдинг УНКОМТЕХ), которое с 1968 года выпускает широкий спектр кабелей с минеральной изоляцией.

Конструкция и производство

Кабели с минеральной изоляцией принципиально отличаются по конструкции и технологии производства от традиционной кабельной продукции. Они представляют собой:
- токопроводящую жилу (из меди, медно-никелевых сплавов, константана, нихрома и др. — в зависимости от требуемого удельного сопротивления);
- минеральную изоляцию из неорганического соединения (оксид магния);
- цельную металлическую оболочку (медь, медно-никелевые сплавы, нержавеющая сталь, жаропрочные сплавы Инконель 600, Инколой 825), защищающую жилу и изоляцию от внешней среды.

На этапе производства в трубу из материала будущей оболочки вставляют токопроводящий пруток, засыпают минеральную изоляцию, после чего заготовка многократно протягивается (волочится) с промежуточными отжигами. В результате диаметр оболочки и жилы уменьшается, длина кабеля увеличивается, а изоляция уплотняется.

Нагревательные секции

На объект кабель поставляется в виде готовых нагревательных секций, рассчитанных на конкретное напряжение питания. Нагревательная секция включает:
- кабель;
- соединение холодного ввода с греющим кабелем (муфта);
- холодный ввод с герметизированным уплотнением и кабельным вводом;
- гибкие установочные провода.

Соединения элементов секции выполняются лазерной сваркой. Это обеспечивает высокое качество, надежность и более высокий температурный класс по сравнению с традиционными паяными соединениями на основе серебряных припоев.

Системы электрообогрева на базе кабелей с минеральной изоляцией

Комплексное решение задач поддержания температуры или разогрева объекта - это система электрообогрева. В ее состав входят:
- нагревательные, силовые и контрольные кабели;
- датчики температуры;
- крепежные элементы;
- распределительные коробки;
- шкафы защиты и управления;
- теплоизоляция (ее материал и толщина напрямую влияют на требуемую мощность обогрева и дальнейшие затраты на электроэнергию).

Проектирование и теплотехнический расчет

Проектирование любой системы электрообогрева начинается с теплотехнических расчетов. Основная задача - определить необходимую мощность нагревательных элементов.

Для поддержания заданной технологической температуры продукта рассчитываются теплопотери с поверхности обогреваемого объекта с учетом:
- минимальной температуры окружающей среды;
- параметров теплоизоляции.

Мощность обогрева выбирается с запасом для компенсации тепловых потерь. Если требуется разогрев продукта от температуры Т1 до Т2 за определенное время t, суммарная мощность системы складывается из мощности на разогрев и мощности на компенсацию теплопотерь.

Для типовых объектов (трубопроводы, резервуары) теплотехнические расчеты выполняются в специализированных программных продуктах на основе аналитических методик. Для более сложных конструкций применяются программы компьютерного моделирования тепловых процессов.

Выбор кабеля и конфигурации системы

После определения требуемой мощности подбираются тип, марка и схема раскладки нагревательного кабеля по объекту. Для кабеля с минеральной изоляцией есть важная особенность: мощность секции напрямую зависит от ее длины. Поэтому сначала определяют длину нагревательной секции, а затем подбирают кабель с необходимым сопротивлением жилы.

В зависимости от требуемого сопротивления выбираются:
- материал и сечение жил;
- тип оболочки;
- электрическая конфигурация (одно- или двухжильный кабель, схема подключения).

Проектные параметры - тип кабеля и его сопротивление, длина цепи, напряжение и схема включения - напрямую определяют характеристики системы электрообогрева. Проектирование и выбор оборудования должны выполнять квалифицированные специалисты с использованием специализированных программ. Любые изменения этих параметров требуют пересмотра расчетов и проверки всего проекта, особенно при эксплуатации во взрывоопасных зонах, где критично соблюдение максимальных температур в контролируемых точках.