Перспективным направлением в области электрообогрева трубопроводов является применение индуктивно-резистивной системы нагрева, основное назначение которой — компенсация тепловых потерь нефтепроводов и их предпусковой разогрев. Система индуктивно-резистивного нагрева является самой рентабельной по сравнению с системами электрообогрева сопротивлением и индукционными системами.
Ключевые слова: трубопровод, индукционно-резистивная система, нагревательный проводник, скин-эффект
A promising directionin the field ofelectrical heatingof pipelinesis the use ofthe inductive-coil heating system, the main purpose of which iscompensation of heatlossesin pipelinesand theirpre-startheating. Inductive-coil heating system is themost cost-effectivein comparison with theresistanceheating systems andinduction heating systems.
Keywords:pipeline, inductive- resistive system of heating conductor, skin effect
В зимнее время нефтепроводы различного назначения и диаметра часто дают сбои из-за реологических особенностей транспортируемых нефтепродуктов. Высокая вязкость перекачиваемых продуктов служит причиной перегрузки насосных агрегатов и перерасхода электроэнергии. В связи с этими особенностями применение в нефтяной промышленности обогрева нефтепроводов необходимо для поддержания технологически заданной температуры транспортируемых жидкостей, обеспечения необходимою вязкость нефтепродуктов и необходимой производительности трубопроводов.
Принцип действия ИРСН заключается в использовании специальных нагревательных элементов, использующих явление скин-эффекта и эффекта близости в проводниках на переменном токе [1].
Произведем исследование распределения температур в обогреваемом нефтепроводе.
Исходные данные:
‒ Материал трубопровода — сталь марки «Ст-35»;
‒ Площадь поперечного сечения трубы S = 32,34·10–6 м2
‒ Индукционно-резистивный проводник (ИРП) выполнен из меди
‒ Индукционно-резистивный нагреватель (ИРН) выполнен из никеля
‒ Жидкость в трубе — нефть
‒ Температура окружающей среды -35оС.
К рассмотрению примем ток частотой 50, 500 и 1000 Гц.
Глубина проникновения тока (толщина скин-слоя) определяется выражением [2]:
,(1)
И при рассматриваемых частотах будет равна δ1= 1527 мкм, δ2= 483 мкм и δ3= 341 мкм соответственно.
Плотность тока j убывает с глубиной проникновения в проводник
, (2)
где δ — толщина скин-слоя, м; j0 — плотность тока в скин-слое, А/м2; μ — магнитная проницаемость материала проводника, Гн/м; μ0 — магнитная постоянная, Гн/м; σ– удельная электрическая проводимость материала проводника, См/м; τ — время, с; ω — круговая частота переменного тока, Гц.
Картина температурного поля зависит от объемной плотности тепловыделения, вычисляемой по формуле
,(3)
Так же 
, поэтому конечная температура нефти в трубопроводе определяется выбором параметров I и f источника питания.
Передача тепла от индукционно-резистивного нагревателя нефтепроводу осуществляется теплопроводностью в месте контакта нагревателя и нефтепровода. Распределение тепла в индукционно-резистивном нагревателе определяется следующим выражением
, (3)
Распределение тепла в нефтепроводе
, (4)
Распределение тепла в движущейся нефти
, (5)
где с1, с2, с3 — удельная теплоемкость материала индукционно-резистивном нагревателя, материала нефтепровода и нефти соответственно, Дж/(кг·К); ρ1, ρ2, ρ3 — плотность материала индукционно-резистивного нагревателя, материала нефтепровода и нефти соответственно, кг/м3; Т1, Т2, Т3 — абсолютная температура индукционно-резистивного нагревателя, нефтепровода и нефти соответственно, К; λ1,λ2,λ3–коэффициент теплопроводности материала индукционно-резистивного нагревателя, материала нефтепровода и нефти соответственно, Вт/(м·К); 
— оператор Гамильтона; v — скорость транспортируемой нефти, м/с.
Расчет распределения температурных полей произведен в программе ELCUT.
- Пример решения (Жидкость в трубе — нефть. Температура окружающей среды -35оС. Ток источника I = 60 A. Частота тока f1=50 Гц):
Рис.1. Распределение температурного поля в трубе при нагреве с помощью системы ИРСН при частоте тока f1=50 Гц. Время нагрева τ=1800 с.
Рис. 2. Увеличенное изображение распределения температур и тепловых потоков вблизи стенки трубы.
- Пример решения (Жидкость в трубе — нефть. Температура окружающей среды -35оС. Ток источника I = 50 A. Частота тока f2=500 Гц)
Рис. 3. Распределение температурного поля в трубе при нагреве с помощью системы ИРСН при частоте тока f2=500 Гц. Время нагрева τ=1800 с.
Рис. 4. Увеличенное изображение распределения температур и тепловых потоков вблизи стенки трубы.
- Пример решения (Жидкость в трубе — нефть. Температура окружающей среды -35оС. Ток источника I = 60 A. Частота тока f3=1000 Гц)
Рис. 5. Распределение температурного поля в трубе при нагреве с помощью системы ИРСН при частоте тока f3=1000 Гц. Время нагрева τ=1800 с.
Рис. 6. Увеличенное изображение распределения температур и тепловых потоков вблизи стенки трубы.
Вывод: Произведен расчет распределения температурного поля в нефтепроводе с учетом физических свойств материалов и факторов среды. Решения представлены графически в виде распределения температурных полей, шкал температур, так же приведено распределение тепловых потоков от нагревателя.
Как видно из решений, нефть в трубе нагревается до 16 оС, что в принципе делает решение задачи верным, поскольку получен функционирующий обогреваемый нефтепровод в тяжелых температурных условиях окружающей среды. Индукционно-резистивная системы нагрева нефтепровода позволяет поддерживать заданную температуру нефтепродукта в предусмотренных технологическим процессом пределах, что способствует увеличению скорости транспортировки, предотвращению образования твердых фракций и пробок в нефтепроводах, а также сохранению необходимой кинематической вязкости транспортируемого продукта.
Литература:
- Нефтеперекачивающие станции / А. А. Коршак. — Ростов н/Д: Феникс, 2015. — 269 с.
- Вайнштейн, Л. А. Электромагнитные волны / Л. А. Вайнштейн. — 2.изд.,перераб.и доп. — М.: Радио и связь, 1988. — 440 с.
- Бычков, Ю. А. Расчет математических моделей динамических систем аналитически-численным методом. Модели с сосредоточенными и распределенными параметрами. Переходные и периодические режимы. / Ю. А. Бычков, С. В. Щербаков; Санкт-Петербургский гос. электротехн. ун-т «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина). — 2-е изд., перераб., доп. и расш. — СПб.: Изд-во «Технолит», 2010. — 380 с.
