STS – Ogrzewanie naskórkowe

Z tym zagadnieniem spotkałem się kilka lat temu pracując w PGNiG na jednym ze swoich obiektów postanowiono wykorzystać tą technologię. Z powodzeniem nadaje się do ” podgrzewania” długich odcinków. Z uwagi na politykę bezpieczeństwa PGNiG i bezpieczeństwo energetyczne naszego pięknego kraju nie podam nazwy obiektu. Artykół ten jest częścią jednego z moich opracowań. Nie zmienię więc oznaczeń rysunków.

System STS (Skin-effect Heat-Tracing Systems for long transfer lines), czyli potocznie zwane ogrzewaniem naskórkowym jest wykorzystywany od ogrzewania rurociągów
z wykorzystaniem rur preizolowanych. System ten łączy w sobie dwa zjawiska z Teorii Pola Elektromagnetycznego:

  • Zjawisko naskórkowości,
  • Zjawisko zbliżania.

Zjawisko naskórkowości ma swoje uzasadnienie w wypieraniu prądu płynącego
w przewodniku w kierunku zewnętrznych warstw przewodnika. Inaczej gęstość prądu
w środku przewodu jest mniejsza niż w jego zewnętrznej warstwie.

Rysunek 3.10. Poglądowe wyjaśnienie zjawiska naskórkowości.

Źródło: Piątek Z., Jabłoński P.: Podstawy teorii pola elektromagnetycznego, WNT Warszawa 2010; s. 269.

Zjawisko naskórkowości można wyjaśnić poglądowo w następujący sposób: „Rozpatrzmy przewód, w którym zewnętrzne źródło wymusza przepływ prądu zmiennego I. Możemy sobie chwilowo wyobrazić, że prąd ten płynie równomiernie całym przekrojem poprzecznym i ma gęstość J0 (rys 3.10.). Wytwarza on zmienne pole magnetyczne H0, które indukuje pole elektryczne Eind. To zaindukowane pole elektryczne powoduje przepływ prądów wirowych o gęstości Jind, skierowanych zgodnie z reguła Lenza tak, aby wytworzyć pole magnetyczne Hind przeciwdziałające polu H0. Prądy te mają kierunek zgodny z kierunkiem J0 w warstwach powierzchniowych, a przeciwny w warstwach wewnętrznych. Wypadkowa gęstość prądu J jest sumą algebraiczną J0 i Jind. Stąd wniosek, że na skutek zmienności pola w czasie, rozkład gęstości prądu w przekroju poprzecznym przewodu nie jest równomierny – następuje wzrost gęstości prądu w miarę zbliżania się do powierzchni zewnętrznej przewodu ”.

Zjawisko zbliżania można zaobserwować dla przewodów (płyt), gdzie prądy w obu przewodach płyną w przeciwnym kierunku. Przy prądach płynących przeciwnie powinno na logikę następować odpychanie prądów, jednakże zjawisko to działa odwrotnie przyciąga prądy płynące w przeciwnych kierunkach ma to swoje uzasadnienie w indukcji elektromagnetycznej, lub jako wnikanie fali elektromagnetycznej z przestrzeni pomiędzy przewodami. Zjawisko to jest bardzo skomplikowane do analizy, dlatego przedstawiono je jedynie poglądowo.

System STS łączy oba zjawiska, czyli zjawisko naskórkowości i zjawisko zbliżenia.

Rysunek 3.11. Działanie rurki STS.

Źródło: Materiały firm Raycham i Tracer .

Rura grzejna systemu STS składa się z elektrycznie izolowanych przewodów wewnątrz ferromagnetycznych rurkach. Zaizolowany przewód jest w punkcie końcowym zwarty na końcu rurociągu. Zasilanie prądem przemiennym podłącza się bezpośrednio
z transformatora podnoszącego napięcie (w tym konkretnym przykładzie było to 11 kV) do początku do rozwartych końcówek rurki ferromagnetycznej i przewodu grzejnego. Prąd przepływa wzdłuż przewodu i wraca wewnętrzną powierzchnią rurki.

Rysunek 3.12. Działanie rurki STS, przepływ energii cieplnej elektrycznej.

Źródło: Materiały firm Raycham i Tracer .

System STS jest elektrycznie bezpieczny i generuje ciepło w rurze ferromagnetycznej w skutek dwóch znanych zjawisk elektrycznych efektowi naskórkowości oraz efektowi zbliżenia. Zjawiska te powodują, że prąd płynący rurą cieplną koncentruje się na wewnętrznej powierzchni tak, że na zewnętrznej ściance rurki grzejnej nie występuje potencjał elektryczny. Ciepło powstaje dzięki przepływowi prądu przez przewód STS oraz rurkę o określonej rezystancji elektrycznej. Ponieważ rurka cieplna jest przymocowana do rury procesowej, a ta jest dobrze izolowana termicznie od otoczenia, ciepło jest efektywnie przekazywane do rury procesowej. Z powodu niskiej impedancji obwodu grzejnego, jak również wysokiego napięcia przewodów, system STS doskonale nadaje się do ogrzewania długich odcinków jakimi są rurociągi. W zależności od potrzeb i konfiguracji system STS można zasilać z jednego źródła.

Rysunek 3.13. Przykładowa aplikacja systemu STS.

Źródło: Materiały firm Raycham i Tracer .

Jak widać na rysunku system STS wymaga zmiennego źródła zasilania. Rurę cieplną przytwierdza się do rury transmisyjnej, która jest dobrze izolowana termicznie od środowiska. Rurę cieplną na początku łączy się przewodami o wysokiej wytrzymałości termicznej ze źródłem zasilania poprzez panel sterowniczo-kontrolny. W miejscach końcowym i łączeniowym rury grzejnej stosuje się specjalne puszki do tych celów. Do dopełnienia systemu co pewien odcinek stosuje się rezystancyjny pomiar temperatury. Ferromagnetyczna rurka grzewcza powinna być uziemiona na obu końcach. Nie stosuje się uziemień pośrednich na długości całej instalacji.

System grzejny z którym ja osobiście się spotkałem składa się z dwóch obwodów po ok 715 m oraz dwóch obwodów po ok. 6878 m. Zadanie Systemu STS to utrzymanie w rurociągach temperatury na poziomie 40o C. Przy rozruchu instalacji moc szczytowa pobrana przez system STS to 128 kW, obecnie do utrzymania temperatury w okresie „ciepłym” to ok 14 kW, a w okresie „zimnym” to ok 52 kW.