Интегральные характеристики резистивного, индукционного и поверхностного электрообогрева трубопроводов

Abstract

Представлены результаты экспериментальных исследований интегральных характеристик электрообогрева трубопроводов с применением резистивного (Джоулев нагрев), индукционного (нагрев за счёт токов Фуко) и поверхностного (нагрев, обусловленный скин-эффектом) способов. Исследование выполнено в лабораторных условиях на стальной трубе фиксированной геометрии при сопоставимых режимах электропитания, что обеспечивает корректное сравнение различных способов электрообогрева по их тепловому воздействию и эксплуатационным ограничениям. Определены зависимости удельной линейной мощности электрообогрева от первоначального напряжения питания сети, а также температурные режимы нагревательных элементов и стенки трубопровода. Показано, что при резистивном нагреве удельная линейная мощность имеет степенную зависимость от напряжения питания, что связано с локализацией тепловыделения в токопроводящей жиле. Для поверхностного нагрева выявлена аналогичная по форме зависимость, отличающаяся динамикой изменения вследствие перераспределения электрических потерь между проводником и приповерхностным слоем трубы. Установлено, что при индукционном нагреве температура жилы греющего кабеля минимальна по сравнению с резистивным и поверхностным способами при сопоставимой линейной мощности системы, что обусловлено более распределённым характером тепловыделения в стенке трубопровода и снижением локальных температурных перегревов. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и эксплуатации систем электрообогрева нефтяных и газовых трубопроводов для выбора способа обогрева, допустимой удельной линейной мощности и параметров нагревательных элементов. Практическая значимость работы особенно актуальна для протяжённых трубопроводов, эксплуатируемых в условиях повышенных теплопотерь, где требуется обеспечение надёжности и энергоэффективности систем электрообогрева

The paper presents the results of experimental studies on the integral characteristics of pipeline electric heating using resistive (Joule heating), induction (eddy-current heating), and surface (skin-effect heating) methods. The study was carried out under laboratory conditions on a steel pipe with fixed geometry under comparable power supply regimes, which ensures a consistent comparison of different electric heating methods in terms of their thermal impact and operational limitations. The dependences of the specific linear electric heating power on the initial mains supply voltage were determined, along with the temperature regimes of the heating elements and the pipe wall. It is shown that for resistive heating, the specific linear power exhibits a power-law dependence on the supply voltage, which is associated with the localization of heat generation in the currentcarrying conductor core. For surface heating, a dependence of similar shape is revealed; however, it differs in its dynamics due to the redistribution of electrical losses between the conductor and the near-surface layer of the pipe. It is established that, under induction heating, the temperature of the heating cable core is minimal compared to resistive and surface methods at a comparable system linear power level. This effect is attributed to a more spatially distributed heat generation pattern in the pipe wall and a reduction in local overheating. The obtained results can be used in the design and operation of electric heating systems for oil and gas pipelines to select the heating method, permissible specific linear power, and parameters of the heating elements. The practical relevance of the study is particularly high for long-distance pipelines operated under conditions of increased heat losses, where ensuring the reliability and energy efficiency of electric heating systems is critical