Предисловие

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании», а правила применения национальных стандартов Российской Федерации — ГОСТ Р 1.0-2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения»

Сведения о стандарте

1    ПОДГОТОВЛЕН Автономной некоммерческой национальной организацией «Ex-стандарт» (АННО «Ех-стандарт»)

2    ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК403 «Взрывозащищенное и рудничное электрооборудование»

3    УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 30 декабря 2005 г. № 564-ст

4    Настоящий стандарт идентичен международному стандарту МЭК 62086-2:2006 «Электрооборудование для взрывоопасных газовых сред. Нагреватели сетевые электрические резистивные.Часть 2. Тре-бования по проектированию, установке и обслуживанию» (IEC 62086-2:2006 «Electrical apparatus for explosive gas atmospheres — Electrical resistance trace heating — Part 2: Application guide for design, installation and maintenance»)

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в указателе «Национальные стандарты», а текст изменений и поправок — в ежемесячно издаваемых информационных указателях «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомления и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования—на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет

© Стандартинформ, 2006

Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

6 Проектирование системы

6.1    Введение

При любом применении электронагревательной системы предъявляются особые требования к проектировщику, поскольку необходимо обеспечить требуемую температуру и поддерживать ее в заданных условиях. Резистивные нагреватели всегда взаимодействуют с другими элементами оборудования, например, теплоизоляцией и источником питания системы. Чтобы проектируемая система функционировала в указанном режиме, необходимо знать эксплуатационные характеристики взаимодействующих элементов системы, объединенных в единое целое, и контролировать их.

Конструкция любой электронагревательной системы должна отвечать всем требованиям стандартов МЭК по использованию электрического оборудования и требованиям данного стандарта. При проектировании необходимо рассматривать техобслуживание систем и технологического оборудования, энергетическую отдачу и испытание установленных систем с точки зрения эксплуатационных показателей и безопасности.

При проектировании электрообогревательных систем, предназначенных для использования в потенциально взрывоопасных средах, необходимо учитывать дополнительные ограничения, связанные с требованиями для конкретной зоны и ее классом.

6.2    Назначение электронагревателей и основные требования к ним

Электронагреватели следует выбирать и устанавливать таким образом, чтобы обеспечить достаточное количество энергии для:

a)    компенсации потерь тепла при поддержании указанной температуры объекта при указанной минимальной температуре окружающей среды (см. метод расчета в. 6.3) или

b)    повышения температуры объекта и его содержимого, когда это указано, в течение заданного периода времени (см. метод расчета в 6.4) или

c)    одновременно, указанное в перечислениях а) и Ь).

Затем необходимое количество тепла для системы должно быть умножено на коэффициент безопасности, определенный в 6.5.

При выборе резистивного электронагревателя необходимо принимать во внимание определение максимально возможной температуры системы в самых худших условиях, как определено в МЭК 62086-1. Температура может быть снижена, например, с помощью регулировки параметров системы, использования нескольких электронагревателей для снижения мощности на единицу длины или с помощью выбора системы регулирования температуры. Избыток установленной мощности по сравнению с необходимой мощностью и способ применения, монтажа и эксплуатации электронагревателей не должны быть причиной, даже в самых неблагоприятных условиях, недопустимого риска во взрывоопасных газовых средах.

6.3    Расчеты потерь тепла

Потери тепла объекта можно рассчитать по упрощенной формуле

q = кАТ,    (1)

где q — потери тепла на единицу длины трубы, Вт/м;

к — коэффициент теплопроводности системы, который для упрощения можно рассматривать как

постоянную величину, Вт/м-К;

АТ — разница температур между желаемой температурой Т_р и минимальной расчетной температурой окружающей среды Т_а ,°С.

Коэффициент к зависит от толщины, размера и типа слоя (слоев) теплоизоляции, средней температуры теплоизоляции и коэффициентов конвективного равновесия содержимого трубопровода (объекта) и внешней среды. Поэтому степень точности расчета зависит от степени определения параметров системы.

На основе этих параметров потерю тепла для трубопроводов и труб можно определить с помощью более сложных вычислений. Уравнение, приведенное в формуле (1), принимает следующий вид, если учитываются параметры теплопроводности:

где q — потери тепла на единицу длины трубы, Вт/м;

К— коэффициент теплопроводности внутреннего слоя изоляции, измеренный при средней температуре, Вт/м-К;

6

ГОСТ Р МЭК 62086-2-2005

Т_р—температура, которую необходимо поддерживать, °С;

Т_а — минимальная расчетная температура окружающей среды, °С;

D-I — внутренний диаметр внутреннего слоя изоляции, м;

D₂ — внешний диаметр внутреннего слоя изоляции, м.

Более высокую точность расчета потери тепла по уравнению можно получить дифференцированием характеристик разных слоев системы и добавлением конвективных параметров, как показано в следующем уравнении:

In In (°з) 1 IaJ

-!--1--Ь —-| Ь—fiZ-|--!--1--!- TiDfy 2nKj    2 пК2    7iD3/7C0 nD^h0

где D₂ — внешний диаметр внутреннего слоя изоляции (внутренний диаметр внешнего слоя изоляции, если он имеется), м;

D₃ — внешний диаметр внешнего слоя изоляции при его наличии, м;

К! — коэффициент теплопроводности внутреннего слоя изоляции, измеренный при средней температуре, Вт/м-К;

К₂ — коэффициент теплопроводности внешнего слоя изоляции (если он имеется), измеренный при средней температуре, Вт/м-К;

Л»-, — коэффициент внутреннего воздушного контакта трубопровода с внутренней поверхностью изоляции, если она имеется, Вт/м² -К;

/7_Ю — коэффициент внутреннего воздушного контакта внешней поверхности изоляции с климатическим барьером, если она имеется, Вт/м² -К;

h₀— коэффициент контакта внешней воздушной пленки климатического барьера с окружающей средой (типичные значения колеблются в пределах от 5 до 50 Вт/м-К для применения при температуре ниже 50 °С), Вт/м² -К.

Потери тепла у резервуаров часто требуют комплексного анализа для определения общей потери тепла. Поэтому необходима консультация поставщика электронагревателя.

Для облегчения выбора изделия большинство поставщиков электронагревателей предоставляет простые диаграммы и графики, отображающие потери тепла при различных типах изоляции и разных температурах, которые обычно включают коэффициент безопасности.

6.4 Нагрев

Для некоторых установок необходимо указывать, что сетевая нагревательная система способна повысить температуру неподвижного продукта за определенный период времени. Например, потребность в выработке тепла для нагревательной системы на трубопроводе может быть рассчитана по формуле

„₌_(ZpzZ*)_■

1«{%) Inj^n    /₅)

1 ! I /^PlJ , V /P2J j 1 _t 1    w/

nDfy    2nK-\    2kK₂ nD₃h_C0 nD₃h₀

H—тепловая постоянная времени, которая является общим количеством энергии, содержащимся в массе трубопровода, жидкости и изоляции на 1 °С температуры, разделенным на потери тепла на единицу длины на 1 °С разницы температур:

4—1557

PiC_p1\/_c1 + P₂C_p2V_C2 +0,5P₃C_p3\/_C3

н=-JJ-’    (6)

где t —желаемое время нагрева, с;

Н — тепловая постоянная времени, с;

q_c —мощность сетевого нагревателя, Вт/м;

U —потеря тепла на единицу длины трубы на 1°С температуры, Вт/м-К;

7] — начальная температура трубы, °С;

Т_а —температура окружающей среды, °С;

T_f — конечная температура трубы, °С;

Р■, — плотность продукта в трубопроводе, кг/м³;

V_c1 — внутренний объем трубы, м³/м;

h f —латентная теплота плавления продукта, Дж/кг;

Гзс — температура, при которой происходит смена фаз, °С;

С_р1 — удельная теплоемкость продукта, Дж/кг-К;

Р₂ — плотность трубы, кг/м³;

С_р2— удельная теплоемкость трубы, Дж/кг-К;

V_c2 — объем стенок трубы, м³/м;

Р₃ — плотность изоляции, кг/м³;

С_рз — удельная теплоемкость изоляции, Дж/кг-К;

Цз — объем стенок изоляции, м³/м.

Приведенные выше зависимости также предполагают, что значения плотности, объема, теплопроводности и потери тепла системы остаются постоянными в данном температурном диапазоне. Следует учитывать, что у некоторых продуктов нет фазового перехода при нагревании. Хотя рассмотренная модель является представительной для прямого трубопровода, она не учитывает такое оборудование, как насосы и трубопроводная арматура.

Изоляция для трубопроводной арматуры, фланцев, насосов, измерительных приборов и другого оборудования неправильной формы может быть создана для конкретной конструкции. Она может быть изготовлена из блоков, изоляционных сегментов или гибких съемных оберток.

Неизолированные или частично изолированные трубодержатели или оборудование требуют дополнительного подвода тепла для компенсации более высоких его потерь. Для уплотнения трещин и стыков необходимо использовать изолирующий цемент или волокнистый материал. Если для полной изоляции неровной поверхности используется изолирующий цемент, то для обеспечения желаемых изоляционных свойств можно укладывать более толстый слой этого цемента.

6.5    Коэффициент безопасности при расчете потерь тепла

При расчете потерь тепла на основе теоретических величин не учитываются недостатки, связанные с установкой системы на фактическом месте работы, поэтому к рассчитанным значениям необходимо применять коэффициент безопасности. Коэффициент безопасности, учитывающий требования пользователя, диапазон которых обычно составляет от 10 % до 25 %, используется для компенсации допусков в сетевой нагревательной системе.

Коэффициенты безопасности должны использоваться в связи со следующими факторами, влияющими на потерю тепла:

a)    разрушение теплоизоляции;

b)    колебания напряжения питания;

c)    падение напряжения в разветвлениях проводки;

d)    падение напряжения в электронагревателе;

e)    повышенное излучение и конвекция в высокотемпературных применениях;

f)    качество монтажа теплоизоляции.

6.6    Выбор сетевого электронагревателя

Выбор сетевого электронагревателя для конкретного применения определяется следующими основными требованиями:

а) максимально допустимая температура для сетевых электронагревателей должна быть выше макси-

8

ГОСТ Р МЭК 62086-2-2005

мально возможной температуры объекта (которая может быть выше нормальной рабочей температуры);

b)    сетевые электронагреватели должны быть пригодны для работы в указанных условиях окружающей среды, например, в коррозионно-активной атмосфере или при низкой температуре окружающей среды;

c)    сетевые электронагреватели должны быть сертифицированы для использования в данной взрывоопасной среде.

Для любого применения существует максимально допустимая удельная мощность, при которой сетевой электронагреватель может использоваться, не повреждая объект или его содержимое. В некоторых случаях значение удельной мощности особенно важно, например, когда речь идет о футерованных трубах, резервуарах, содержащих каустическую соду, или термочувствительных материалах. Максимально допустимая удельная мощность должна быть указана в документации к системе. Может потребоваться параллельная трассировка или укладка спиралью одного сетевого нагревателя.

Допускается применение изготовленных на месте электронагревателей, если выполняются следующие условия:

a)    персонал, выполняющий установку, имеет необходимую квалификацию в области специальных методов монтажа;

b)    сетевой электронагреватель прошел полевые (эксплуатационные) испытания, указанные в 8.5.2;

c)    сетевые электронагреватели маркированы в соответствии с 6.3 МЭК 62086-1.

Сетевые электронагреватели, не запрещенные для применения в связи с указанными выше требованиями, технически пригодны для применения, однако необходимо определить максимально допустимую удельную мощность для каждого из них. Это зависит от конструкции, максимальной температуры, которую они выдерживают, требуемого температурного класса электронагревателей, максимальной рабочей температуры, максимально допустимой температуры объекта и термоизоляции.

Для каждого конкретного электронагревателя максимально допустимая удельная мощность должна определяться по данным производителя, основанным на испытаниях, указанных в разделе 5 МЭК 62086 -1. Используемая величина должна быть выбрана таким образом, чтобы не превышать ни максимальную температуру, выдерживаемую нагревателем, ни требуемый класс температуры. Предельное значение максимально допустимой удельной мощности для каждого электронагревателя должно быть либо выбрано по данным производителя, либо быть равным значению, определенному для данного процесса, в зависимости от того, какое значение ниже. Однако удельная мощность может быть еще более ограничена при необходимости использования параллельной трассировки.

Разработчик может выбрать тип, длину или размер и нагрузку сетевого электронагревателя. Фактическая установленная нагрузка должна быть не меньше, чем проектная, а фактическая удельная мощность не должна быть выше указанной ранее. Тип электронагревателя и значения установленной нагрузки и удельной мощности должны быть указаны в документации к системе.

6.6.1 Специальные типы сетевых электронагревателей

Существуют два основных класса сетевых электронагревателей — последовательные и параллельные.

В последовательных резистивных нагревателях в качестве нагревательного элемента обычно используют электрический провод, поэтому источник напряжения и длина цепи становятся основными параметрами в конструкции каждой цепи.

Последовательные сетевые электронагреватели с полимерной изоляцией особенно подходят для установок с длинной цепью. Последовательные электронагреватели с минеральной изоляцией и металлическими кожухами подходят для под держания очень высокой температуры процесса.

Параллельные электронагреватели обычно состоят из двух параллельных проводов с отдельным полимерным или металлическим нагревательным элементом, который получает напряжение от проводников. Они обычно используются для защиты от замерзания и поддержания температуры процесса в сложных трубопроводах. В электронагревателе постоянной мощности обычно используется спиральный металлический нагревательный элемент. Тип ПТК (с положительным температурным коэффициентом) (см. 6.7.1) обычно состоит из полимерного нагревательного элемента, вытянутого между проводниками.

9

Тип электронагревателя с ограничением мощности обычно располагается между предыдущими типами и имеет более высокую выходную мощность при более высокой рабочей температуре, чем тип ПТК, и при более низкой рабочей температуре, чем тип электронагревателя постоянной мощности.

6.6.2 Производительность сетевого электронагревателя и условия равновесия В зависимости от применения и типа сетевого электронагревателя может потребоваться оценка системы в условиях равновесия. Типичными примерами могут являться системы без регулирующих устройств, системы с внешними регулирующими устройствами и системы, предназначенные для использования во взрывоопасных газовых средах (см. раздел 7). На рисунке 3 приведены примеры кривых выходной мощности для электронагревателей постоянной мощности и для электронагревателей с положительным температурным коэффициентом (ПТК) с разными характеристиками наклона кривой. Линия потери тепла показывает условия при самой низкой температуре окружающей среды. На рисунке 3 показано, что электронагреватель постоянной мощности будет поддерживать самую высокую температуру объекта (80 °С), но поскольку он также имеет самую высокую выходную мощность (32 Вт/м), у него также самая высокая рабочая температура. Электронагреватель ПТК с самой крутой кривой поддерживает самую низкую температуру объекта (50 °С), но также имеет самую низкую выходную мощность (23 Вт/м) и поэтому самую низкую рабочую температуру.

Выходная мощность, Вт/м

Температура трубопровода, °С —Электронагреватель постоянной мощности —О— ПТК-2 ПТК-1 Потеря тепла

Рисунок 3 — Условия равновесия для поддержания температуры в трубопроводе

На рисунке 4 приведен тот же пример, но с точки зрения оценки верхних пределов. В этом случае линия потери тепла сдвигается в сторону самой высокой возможной температуры окружающей среды, и точки пересечения показывают поддерживаемую температуру и относительные выходные мощности в этих условиях. Например, электронагреватель ПТК-1 в данном случае имеет более высокую поддерживаемую температуру, чем раньше (78 °С), но уровень выходной мощности снизился (18 Вт/м), о чем говорит

ГОСТ Р МЭК 62086-2-2005

уменьшение наклона кривой выходной мощности. Тот же подход можно применить при оценке верхнего предела рабочих условий для стабилизированной конструкции.

Выходная мощность, Вт/м

Температура трубопровода, °С —Электронагреватель постоянной мощности

■    ПТК-2

■    ПТК-1

— Потеря тепла

Рисунок 4 — Условия равновесия для оценки верхнего предела

Уровни выходной мощности разных изделий обычно указываются изготовителем в документах к изделиям и/или в программе расчета. В большинстве случаев кривые выходной мощности для сетевых электронагревателей типа ПТК определяются на основе эмпирических данных, полученных с помощью испытательной аппаратуры, используемой в испытании 5.1.10 по МЭК62086-1.

Выходная мощность сетевых электронагревателей Q, Вт/м, последовательного типа обычно определяется по их электрическим параметрам по следующей формуле

0=4-    (7)

г/

где V— напряжение системы, В;

r_s — удельное сопротивление каждого проводника, Ом/м;

/ — длина каждого проводника, м.

Сопротивление проводника зависит от температуры проводника в соответствии с формулой

r_s=r(1+aAT),    (8)

где г—сопротивление проводника при 20 °С, Ом/м;

а — коэффициент для типа материала проводника, 1/°С;

АТ — разница температур проводника в рабочем состоянии и при 20 °С,°С.

Для успешной работы система резистивного нагрева должна иметь следующие характеристики:

a)    выходная мощность электронагревателя(ей) должна быть больше, чем потеря тепла системой, включая соответствующий коэффициент безопасности. Этого можно достичь при установке одного сетевого электронагревателя с соответствующей выходной мощностью укладкой его в несколько рядов или по спирали, если необходимо поддерживать выходную мощность на как можно более низком уровне;

b)    потенциальные отклонения напряжения или другие изменения в параметрах системы со временем должны быть определены и компенсированы коэффициентом безопасности;

11

с) верхний предел системы должен быть оценен для применений, в которых точность температуры процесса очень важна, или которые имеют широкий диапазон температур окружающей среды, или для систем, не имеющих регулирования или имеющих датчики контроля окружающей среды.

6.7 Определение максимальной температуры

Важно, чтобы максимальная рабочая температура электронагревателя была определена для всех применений во взрывоопасных газовых средах. Некоторые примеры применений приведены ниже:

a)    неметаллический трубопровод, для которого максимальная температура электронагревателя может приближаться к максимальной выдерживаемой температуре объекта, теплоизоляции или других компонентов системы;

b)    установки, которые не имеют устройств управления или датчиков контроля окружающей среды и имеют потенциально высокие температуры оболочки в состоянии равновесия;

c)    установки, в которых применение сетевых электронагревателей имеет очень важное значение, необходима высокая степень точности температуры процесса;

d)    установки во взрывоопасных газовых средах, для которых предполагается, что регулирующий термостат не работает, при условии что температура оболочки электронагревателя не может превышать номинальное значение Тдля данного участка (см. раздел 7).

Возможны три способа защиты электронагревательной системы от превышения предельной температуры — положительный температурный коэффициент электронагревателя, использование ограничителя температуры или регулирующего устройства, расчет стабилизированной конструкции.

6.7.1    Положительный температурный коэффициент (ПТК)

Электронагревателям, мощность которых значительно снижается с увеличением температуры, температурный класс может быть присвоен путем испытаний (как указано в МЭК 62086-1). Во многих применениях дополнительные меры регулирования для ограничения температуры не требуются, если класс температуры электронагревателя ниже, чем указано для данного применения. Однако можно применять ограничитель температуры и стабилизированную конструкцию, чтобы эксплуатировать систему в более узком диапазоне температур технологического процесса.

6.7.2    Использование ограничителя температуры (регулирующего устройства)

Ограничитель температуры (регулирующее устройство) должен предотвратить превышение электронагревателем температуры, в основном за счет определения:

a)    температуры на поверхности электронагревателя;

b)    температуры трубопровода или других компонентов установки;

c)    параметров, кроме температуры, например, тока.

Специальные требования для регулируемых конструкций приведены в МЭК 62086-1,4.4.3.

6.7.3    Расчет стабилизированной конструкции

В основе стабилизированной конструкции лежит принцип определения максимальной температуры объекта и поверхности электронагревателя в худших условиях эксплуатации. Это расчет условий равновесия, которые возникают, когда количество подводимого тепла равно потере тепла системой. Набор худших условий включает:

a)    максимальную температуру окружающей среды, которая обычно принимается на уровне 40 °С, если не указано иное;

b)    отсутствие ветра (неподвижный воздух);

c)    использование умеренного или минимального значения коэффициента теплопроводности теплоизоляции;

d)    отсутствие температурного регулирования по проекту или для того, чтобы смоделировать отказ температурного реле;

e)    электронагреватель работает при напряжении, превышающем установленное рабочее напряжение на 10 %;

f)    предполагается, что электронагреватель работает на верхнем пределе производственного допуска или при минимальном удельном сопротивлении для последовательно подключаемых электронагревателей.

Этот набор условий графически проиллюстрирован на рисунке 4. Испытания для стабилизированной конструкции определены в МЭК 62086-1. Обычно максимальная температура поверхности электронагревателя рассчитывается по формулам, выведенным на основе оценки эмпирических данных, или теоретическим методом, описанным ниже. Многие изготовители имеют конструкторские программы, которые рассчитывают максимальную температуру поверхности на основе этих самых неблагоприятных параметров.

12

L — толщина стенок трубопровода, м;

/с_р— коэффициент теплопроводности материала стенок трубопровода, Вт/м² -К.

Из-за дополнительной термостойкости стенок неметаллического трубопровода возникнет разница температур с внешней и внутренней стороны стенки трубопровода; т.е. температура с внешней стороны стенки трубы и температура жидкости будут не одинаковыми в отличие от металлического трубопровода. Поэтому необходимо учитывать температуру жидкости.

Для неметаллического трубопровода

- _ W

^sh и_рс

где T_f — температура жидкости, °С.

Формула (12) — умеренное упрощение сложной задачи, включающей критерии, выходящие за пределы области настоящего стандарта. Производители всех сетевых электронагревателей должны предоставлять данные о температуре оболочки для конкретных применений.

Выходная мощность выбранного сетевого электронагревателя должна обеспечивать устойчивость конструкции и не превышать класс температуры или любые другие ограничения максимальной температуры.

6.8 Сведения о конструкции

6.8.1    Проектно-конструкторская документация

Для создания работоспособной конструкции электронагревателя при проектировании необходимо использовать современные данные о трубопроводах и вносить в конструкцию изменения при любых пересмотрах спецификаций и чертежей, имеющих отношение к электронагревательной системе.

При создании конструкции электронагревателя применяются любые (или все) следующие элементы:

-    температурные параметры конструкции;

-    блок-схема системы;

-чертежи размещения оборудования (схемы, разрезы);

-    чертежи трубопровода (схемы, изометрические чертежи, перечни линий);

-    спецификации трубопроводов;

-    спецификации теплоизоляции;

-    детальные чертежи оборудования (насосы, клапаны, фильтры и т.д.);

-    электрические схемы (линии, элементы);

-    ведомость объемов работ;

-    спецификации электрического оборудования;

-    руководства по монтажу и эксплуатации;

-    информация об оборудовании;

-    планы установки теплоизоляции;

-    документация о классификации зон;

-    температура возгорания газа или пара, выделяющегося в процессе;

-    процессы, способные вызвать повышение температуры трубопровода, например, выход пара или экзотермические реакции.

6.8.2    Перечни изометрических видов или конфигураций нагревателя и диаграммы распределения нагрузки

Каждая цепь накала должна быть показана на чертеже, отображающем ее местоположение, конфигурацию и соответствующие данные для системы обогрева трубопровода и самого трубопровода. Данные для чертежа или данные для расчета должны включать следующую информацию:

a)    обозначение трубопроводной системы;

b)    размер и материал трубопровода;

c)    местонахождение трубопровода или номер линии;

d)    обозначение электронагревателя или номер цепи;

e)    номер электронагревателя;

f)    данные для расчета, включающие:

1)    температуру, которую необходимо поддерживать;

2)    максимальную температуру процесса;

3)    минимальную температуру окружающей среды;

4)    максимальную воздействующую температуру (если применяется);

14

ГОСТ Р МЭК 62086-2-2005

5)    максимальную температуру обшивки (если требуется);

6)    параметры нагрева (если требуется);

7)    длину трубопровода;

8)    отношение трассы нагревателя к длине трубы;

9)    дополнительную длину электронагревателя, применяемую для клапанов, трубодержателей и

других систем теплоотвода;

10)    длину электронагревателя;

11)    рабочее напряжение;

12)    мощность, Вт на единицу длины электронагревателя, для поддержания желаемой

температуры;

13)    потери тепла при желаемой температуре на единицу длины трубопровода;

14)    общую мощность, Вт;

15)    пусковой ток в цепи и ток в установившемся режиме;

16)    тип, номинальный размер, толщину и коэффициент теплоизоляции /с;

17)    классификацию зон, включая низшую температуру воспламенения для каждой зоны (если

применяется);

18)    ведомость объемов работ.

На чертеже также должны быть указаны номер или обозначение панели распределения энергии, обозначение аппаратуры аварийной сигнализации и управления, а также уставки.

6.9    Энергосистема

Защита параллельной цепи электронагревателя должна быть способна отключать утечки тока на землю и токи короткого замыкания (см. 4.4 МЭК 62086-1). Отключение проводится устройством для защиты оборудования от замыкания на землю с номинальным током срабатывания 30 мА или аппаратом защиты, способным прервать замыкание на землю, используемым вместе с соответствующей защитой цепи. Устанавливаемый уровень прерывания для настраиваемых устройств обычно на 30 мА выше уровня емкостных утечек электронагревателя, указанных поставщиком электронагревателя. Если установленные системы обслуживаются и контролируются высококвалифицированным персоналом, а постоянная работа цепи необходима для безопасной работы оборудования или процессов, то при срабатывании аварийной сигнализации для обеспечения принятия соответствующих мер допускается обнаружение замыканий на землю без прерывания работы.

6.10    Пуск при низкой температуре окружающей среды

Если электронагревательные системы запускают при очень низких температурах окружающей среды, сначала могут иметь место броски начального тока, вызывающие отключение устройств токовой защиты. Уставки срабатывания и характеристики устройств токовой защиты должны соответствовать электронагревательным системам, если возможен их пуск при низких температурах окружающей среды. Дополнительная информация и рекомендации для подобных случаев содержатся в инструкциях поставщика электронагревателя.

6.11    Длинные трассы кабеля

Если используются электронагреватели с параллельными цепями в длинных трассах, удельная мощность в конце трассы может быть меньше тепловой мощности в начале трассы из-за падения напряжения. Это необходимо принимать во внимание при определении выходной мощности электронагревателя и размещении температурных датчиков.

6.12    Анализ модели циркуляции

Если необходим контроль критической температуры, все возможные режимы потока в сети трубопроводов должны учитываться при определении сегментов цепи электронагревателя. Это проиллюстрировано на примере обогреваемого резервуара, показанного на рисунке 5. Все три цепи электронагревателя с раздельными регуляторами необходимы для поддержания в трубопроводной системе желаемой температуры. Когда подогреваемый продукт вытекает из бака через трубу А, цепи № 1 и № 2 отключены и цепь № 3, прогревающая трубу, по которой продукт не течет, остается подключенной. Если все три цепи объединить в одну с использованием одного регулятора, нагреватель труб без протекающего потока А или В обесточивается и температура падает ниже желаемой.

Обводная труба вокруг регулирующего клапана — другой распространенный случай, когда необходимо использовать дополнительные цепи, как показано на рисунке 6.

На рисунках 5 и 6 приведены примеры трубопроводных систем, схема которых заслуживает повышенного внимания. Тупики и коллекторные трубопроводы требуют аккуратной установки системных электронагревательных устройств и устройств управления ими.

15

ГОСТ Р МЭК 62086-2-2005

Содержание

1    Область применения ............................. 1

2    Нормативные ссылки ............................. 1

3    Определения................................. 1

4    Применение.................................. 2

4.1    Общие положения.............................. 2

4.2    Коррозийные зоны.............................. 2

4.3    Точность задания температуры процесса..................... 2

4.3.1    Тип I................................. 2

4.3.2    Тип II................................. 2

4.3.3    Тип III................................ 2

4.4    Правила установки............................. 2

5    Теплоизоляция................................. 3

5.1    Общие сведения.............................. 3

5.2    Выбор изоляционного материала........................ 3

5.3    Выбор климатического барьера (оболочки).................... 4

5.4    Выбор экономичной толщины изоляции...................... 5

5.5    Двойная изоляция.............................. 5

6    Проектирование системы............................. 6

6.1    Введение................................. 6

6.2    Назначение электронагревателей и основные требования    к ним............ 6

6.3    Расчеты потерь тепла............................ 6

6.4    Нагрев.................................. 7

6.5    Коэффициент безопасности при расчете потерь тепла................ 8

6.6    Выбор сетевого электронагревателя....................... 8

6.6.1    Специальные типы сетевых электронагревателей................ 9

6.6.2    Производительность сетевого электронагревателя и    условия равновесия......10

6.7    Определение максимальной температуры.....................12

6.7.1    Положительный температурный коэффициент (ПТК)...............12

6.7.2    Использование ограничителя температуры (регулирующего устройства).......12

6.7.3    Расчет стабилизированной конструкции....................12

6.7.4    Теоретические расчеты температуры оболочки — Металлические установки......13

6.7.5    Теоретические расчеты температуры оболочки — Неметаллические трубопроводы ... 13

6.8    Сведения о конструкции............................14

6.8.1    Проектно-конструкторская документация...................14

6.8.2    Перечни изометрических видов или конфигураций нагревателя и диаграммы распределения нагрузки................................14

6.9    Энергосистема ..............................15

6.10    Пуск при низкой температуре окружающей среды.................15

6.11    Длинные трассы кабеля...........................15

6.12    Анализ модели циркуляции..........................15

6.13    Метод контроля тупиков...........................16

6.14    Вертикальные трубопроводы.........................17

7    Аппаратура управления и контроля.........................17

7.1    Общие положения..............................17

7.2    Механические контроллеры..........................17

7.3    Электронные контроллеры...........................17

7.4    Пригодность для применения.........................17

7.5    Местонахождение контроллеров........................18

7.6    Местонахождение датчиков..........................18

7.7    Аварийная сигнализация...........................18

7.7.1    Общие положения...........................18

7.7.2    Аварийная сигнализация цепи электронагревателя...............18

7.7.3    Сигнализатор перегрева.........................19

7.7.4    Другие аварийные сигнальные устройства..................19

7.7.5    Интегрированное управление.......................19

1—1557

1    4    5    А

6.13 Метод контроля тупиков

Этот метод может использоваться для контроля температуры в сложных трубопроводных сетях и коллекторных системах. Метод также можно использовать, когда необходимо поддерживать минимальное общее количество датчиков температуры даже в ущерб экономии энергии. Метод заключается в определении местоположения или изготовлении секции трубопровода, которая:

a)    имеет статический режим потока в любой момент времени;

b)    имеет такие же тепловые потери, как и остальная часть контролируемой трубопроводной системы. Независимо от параметров потока все секции должны быть нагреты. Все секции со статическими

условиями потока будут иметь необходимое количество тепла в условиях изменения температуры окружающей среды. Секции, по которым проходят потоки, могут быть излишне нагреты. Преимущество этого

8    Рекомендации по установке, испытаниям и техобслуживанию...............19

8.1    Введение.................................19

8.2    Подготовительная работа...........................19

8.2.1    Общие сведения............................20

8.2.2    Разработка графика установки и координация.................20

8.2.3    Подтверждение оборудования.......................20

8.2.4    Приемка материалов..........................20

8.2.5    Складирование и транспортировка.....................20

8.2.6    Персонал..............................20

8.3. Установка электронагревательных цепей ....................20

8.3.1    Координация монтажных работ и проверка оборудования............20

8.3.2    Предмонтажные проверки........................20

8.3.3    Осмотр...............................21

8.3.4    Испытание сопротивления изоляции....................21

8.3.5    Замена компонентов..........................21

8.3.6    Определение местоположения источника питания...............21

8.3.7    Установка электронагревателей .....................22

8.3.8    Соединения и концевая заделка.....................23

8.4    Установка аппаратуры управления и контроля ..................25

8.4.1    Общие положения ..........................25

8.4.2    Проверка соответствия оборудования ...................25

8.4.3    Термореле и контрольные устройства...................25

8.4.4    Датчики..............................25

8.4.5    Эксплуатация, калибровка и доступ к регулятору температуры..........28

8.4.6    Необходимые изменения........................28

8.5    Установка теплоизоляции (см. раздел 5 настоящего стандарта)............28

8.5.1    Общие положения...........................28

8.5.2    Подготовительная работа........................28

8.5.3    Установка теплоизоляционных материалов .................28

8.5.4    Оболочка..............................29

8.5.5    Испытание сопротивления изоляции цепи в условиях эксплуатации........29

8.5.6    Визуальный контроль.........................29

8.5.7    Документация ............................29

8.6    Подключение электропитания ........................30

8.6.1    Координирование распределительной цепи с параллельной цепью........30

8.6.2    Защитное устройство .........................30

8.6.3    Маркировка/идентификация.......................30

8.7    Ввод в эксплуатацию............................30

8.7.1    Предпусковое испытание........................30

8.7.2    Функциональная проверка и окончательный вариант документации........30

9    Техническое обслуживание...........................31

9.1    Общие положения.............................31

9.2    Нахождение неисправностей.........................31

9.3    Устранение неисправностей.........................31

10    Ремонт ..................................32

10.1    Общие положения ............................32

10.2    Выполнение ремонта электронагревательных систем ...............32

10.2.1    Механические повреждения ......................32

10.2.2    Повреждение из-за коррозии ......................32

10.2.3    Повреждение из-за перегрева......................32

10.3    Методы ремонта электронагревателей.....................32

10.3.1    Общие положения..........................32

10.3.2    Линейное сращивание.........................32

10.3.3    Соединение через распределительную коробку...............33

10.4    Заземление...............................33

10.5    Испытания ...............................33

Приложение А (справочное) Сведения о соответствии национальных стандартов

Российской Федерации ссылочным международным стандартам........ 37

ГОСТ Р МЭК 62086-2-2005

Введение

Настоящий стандарт является основополагающим для электрооборудования, применяемого во взрывоопасных средах. Установленные в стандарте требования вместе с требованиями стандартов по видам взрывозащиты обеспечивают безопасность применения электрооборудования на опасных производственных объектах в угольной, газовой, нефтяной, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.

Стандарт предназначен для нормативного обеспечения обязательной сертификации и испытаний.

2—1557

ГОСТ Р МЭК 62086-2-2005

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Электрооборудование для взрывоопасных газовых сред

НАГРЕВАТЕЛИ СЕТЕВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЕЗИСТИВНЫЕ

Часть 2

Требования по проектированию, установке и обслуживанию

Electrical apparatus for explosive gas atmospheres. Electrical resistance trace heaters. Part 2. Application guide for

design, installation and maintenance

Дата введения — 2007— 01 — 01

1    Область применения

Настоящий стандарт распространяется на резистивные электронагревательные устройства в зонах, где потенциально могут присутствовать взрывоопасные среды, за исключением зоны 0, и является руководством по их применению.

В стандарте даны рекомендации по проектированию, установке и техобслуживанию сетевого электронагревательного оборудования и связанных с ним устройств управления и контроля.

Стандарт не распространяется на устройства, которые используют индукционный нагрев, нагрев с помощью поверхностного эффекта или прямой нагрев трубопровода, а также устройства для снятия напряжений.

Стандарт дополняет требования, указанные в МЭК 62086-1.

2    Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

МЭК 60050-426 Международный электротехнический словарь — Часть 426: Электрооборудование для взрывоопасных сред

МЭК 60079-0:2004 Электрооборудование для газовых взрывоопасных сред — Часть 0: Общие требования

МЭК 60079-7:2001 Электрооборудование для взрывоопасных газовых сред — Часть 7: Повышенная защита вида «е»

МЭК 60079-10:2002 Электрооборудование для взрывоопасных газовых сред — Часть 10: Классификация взрывоопасных зон

МЭК 60079-14:2002 Электрооборудование для взрывоопасных газовых сред — Часть 14: Электроустановки во взрывоопасных зонах (кроме шахт)

МЭК 60079-17:2002 Электрооборудование для взрывоопасных газовых сред — Часть 17: Проверка и техобслуживание электроустановок в опасных зонах (кроме шахт)

МЭК 62086-1:2006 Электрооборудование для взрывоопасных газовых сред — Нагреватели сетевые электрические резистивные — Часть 1: Общие требования и требования к испытаниям.

Для датированных ссылок применяется только указанное издание. В отношении ссылок без указания даты применяется последнее издание указанного документа (включая любые поправки).

3    Определения

В настоящем стандарте применяют термины и соответствующие определения по МЭК 62086-1, МЭК 60050-426, МЭК 60079-0 и МЭК 60079-7.

Издание официальное

4 Применение

4.1    Общие положения

Данный стандарт дополняет требования МЭК60079-14 и МЭК 60079-17.

При применении резистивных электронагревательных систем в потенциально взрывоопасных средах необходимо указать полные характеристики опасной зоны: опасную зону (1 или 2), группу газа (IIA, ИВ или IIC) в соответствии с МЭК 60079-10 и класс температуры в соответствии с МЭК 60079 - 0. Если на месте применения резистивных электронагревательных систем существуют специальные или особенные условия, данные условия должны быть подробно описаны в инструкции к сетевому электронагревательному оборудованию.

В случае установки электронагревательных систем на подвижном оборудовании или сменных салазках они должны быть спроектированы для работы в самых тяжелых условиях, в каких может работать сетевая нагревательная система.

Если какие-либо части электронагревательного оборудования могут подвергнуться действию ультрафиолетового излучения, то они должны быть пригодны для применения в таких условиях.

4.2    Коррозийные зоны

Все компоненты сетевых электронагревательных систем должны быть проверены на совместимость с коррозийными материалами, с которыми они могут соприкасаться на протяжении срока службы. Электронагревательные системы, используемые в агрессивной среде, имеют более высокую вероятность отказа, чем в неагрессивной среде. Нарушение системы теплоизоляции может усугубиться коррозией защитного барьера и возможным намоканием теплоизоляции в продуктах утечки из трубопроводов и резервуаров. Особое внимание необходимо уделять материалам, используемым для изготовления трубопроводных и электронагревательных систем, так как от этого зависит эффективный путь утечки тока на землю. Особое внимание следует обратить на неметаллические или гибридные трубопроводы, так как их использование может еще более усложнить пути утечки тока на землю. Пути утечки тока при замыкании на землю, установленные во время монтажа, могут ухудшиться из-за коррозии в процессе эксплуатации установки.

4.3    Точность задания температуры процесса

4.3.1    Тип I

Для осуществления процесса типа I необходимо поддерживать температуру выше минимальной точки. Можно применять датчики контроля окружающей среды. Управление большими энергетическими блоками может осуществляться одним устройством управления и распределительным щитом. Временами теплоприток может быть излишним, и резкий рост температуры допустим. Энергетическую эффективность можно повысить с помощью методов контроля тупиков (см. 6.13).

4.3.2    Тип II

Процесс типа II — это процесс, для которого температуру необходимо поддерживать в среднем диапазоне. Для регулирования температуры в трубопроводах обычно используют механические термореле.

4.3.3    Тип III

Для процесса типа III необходимо поддерживать температуру в узком диапазоне. Электронные контроллеры трубопроводов с использованием термопары или резистивные датчики температуры облегчают поверку в полевых условиях (на рабочей площадке) и обеспечивают максимальную гибкость в выборе функций сигнализатора перегрева и контроля. Может быть предусмотрен подвод тепла для подогрева пустой трубы или повышения температуры жидкости (или для того и другого) в указанном диапазоне и с установленным временным интервалом. Процессы типа III требуют строгого соответствия режиму потока и системам теплоизоляции.

4.4 Правила установки

Если отказ какой-либо части электронагревательной системы может привести к снижению безопасности или затруднить осуществление технологического процесса, электронагревательную систему можно считать важнейшим (критическим) компонентом всего процесса. Требования к точности регулирования температуры (таблица 1) и контролю цепи для конкретного применения могут быть определены в соответствии с типами регулирования температуры (4.3) с учетом критичности контроля цепи.

2

Таблица 1-Типы процессов

Значение сетевого электронагрева для процесса Требуемая точность регулирования температуры для типа процесса Выше минимальной точки Тип 1 В умеренном диапазоне Тип II В узком диапазоне Тип III Критическое(С-) С-1 С-11 C-III Обычное (NC-) NC-I NC-II NC-III

С— критическое; NC — обычное

Если электронагревательная система является критической для процесса, необходимо предусмотреть контроль цепи и сигнализацию о ее неисправности или отказе. Следует предусмотреть установку дублирующих (резервных) нагревательных систем. Контроллеры резервной или дублирующей нагревательной системы могут быть настроены на автоматическое включение при обнаружении неисправности основного электронагревателя системой контроля/аварийной сигнализации. Иногда это называют «резервированием». Резервные сетевые электронагреватели позволяют выполнять техобслуживание и ремонт без остановки процесса.

5 Теплоизоляция

5.1    Общие сведения

Выбор, установка и обслуживание теплоизоляции должны рассматриваться как основной элемент функционирования сетевой электронагревательной системы. Система теплоизоляции предназначается для предупреждения большей части тепловых потерь, а остальные потери компенсирует нагревательная система. Поэтому проблемы с теплоизоляцией прямо отразятся на рабочих характеристиках всей системы.

Основная функция теплоизоляции - снижать уровень теплопередачи с поверхности, температура которой отличается от температуры окружающей среды. Снижение потерь энергии позволяет:

-    уменьшить эксплуатационные расходы;

-    улучшить характеристики системы;

-    повысить нагрузочную способность системы.

Перед тем, как анализировать потери энергии для трубопровода, резервуара или другого механического оборудования с электронагревом, рекомендуется рассмотреть различные варианты систем теплоизоляции, включая:

-    выбор изоляционного материала;

-    выбор климатического барьера (оболочки);

-    выбор экономичной толщины изоляции;

-    выбор соответствующего размера изоляции.

5.2    Выбор изоляционного материала

При выборе изоляционного материала следует учитывать следующие важные факторы:

-    температурные характеристики;

-    теплопроводность изоляции X]

-    механические свойства;

-    химическую совместимость и коррозионную стойкость;

-    влагостойкость;

-    характеристики безопасности для персонала;

-    огнестойкость;

-токсичность при горении;

-стоимость.

Общедоступными изоляционными материалами являются:

-    вспененная двуокись кремния;

-    минеральное волокно;

-    пеностекло;

-уретан;

-    стекловолокно;

-    силикат кальция;

-    изоцианурат;

-    перлитовый силикат.

3—1557

При использовании мягких изоляционных материалов (минеральное волокно, стекловолокно и т.д.) изоляция по диаметру трубы может быть получена во многих случаях путем плотной намотки материала. Необходимо принять меры к тому, чтобы нагреватель не был помещен внутри изоляции, так как это может повредить нагреватель или ограничить теплообмен. В качестве альтернативы можно использовать круговую изоляцию большего размера, которая легко закроет трубу и электрический сетевой нагреватель. Твер-дые изоляционные материалы (силикат кальция, вспененная двуокись кремния, пеностекло и т.д.) могут быть использованы для круговой изоляции трубы, если применяются щитовые секции, соответствующие продольным швам. Этот метод монтажа часто называют монтажом с выдвижной опорой. В качестве альтернативы может быть выбрана изоляция следующего большего по размеру диаметра, чтобы установить сетевой электронагреватель. Во всех случаях размер и толщина изоляции должны быть четко указаны.

5.3 Выбор климатического барьера (оболочки)

Нормальное функционирование сетевой электронагревательной системы зависит от того, насколько изоляция сухая. Обычно тепловой энергии системы электрообогрева трубопровода недостаточно, чтобы высушить намокшую теплоизоляцию. Некоторые изоляционные материалы, однажды промокнув, навсегда теряют свои первоначальные качества, даже если их снять с трубопровода и высушить обдувом.

Прямые трубопроводы могут быть защищены от погодного влияния металлической обшивкой, полимерами или мастикой. Если используется металлическая обшивка, она должна быть гладкой с продольными швами, сформированными в виде измененной буквы «S».

Периферические концевые швы должны быть герметизированы бандажами и поставляться с герметиком по наружному краю или в местах нахлеста (см. рисунок 1).

Обшивка, соединяемая внахлест или другим способом без герметика, неэффективна в качестве защитного барьера против влаги. Даже через один негерметизированный шов значительное количество воды может проникнуть в изоляцию во время ливня.

1 — металлическая обшивка; 2 — изоляция; 3 — изолированная металлической обшивкой труба; 4 — герметизирующая мастика; 5 — герметизирующий бандаж; 6 — изолирующая лента; 7 — направление движения; 8 — труба

Рисунок 1 —Теплоизоляция: установка климатического барьера

4

ГОСТ Р МЭК 62086-2-2005

При выборе климатического барьера необходимо учитывать:

-    эффективность защиты от влаги;

-    коррозийные свойства химических веществ в зоне;

-требования пожарной безопасности;

-    прочность при неправильной эксплуатации;

-стоимость.

5.4    Выбор экономичной толщины изоляции

При выборе изоляции по экономическим соображениям как минимум сравнивают первоначальную стоимость материалов и установки со стоимостью энергии, сохраненной за срок службы изоляции. Фактическая толщина изоляции не всегда точно соответствует ее номинальной толщине. При выборе диаметра изоляции нужно учитывать, позволяет ли фактическая изоляция трубы закрыть трубу вместе с электронагревателем.

5.5    Двойная изоляция

При температуре трубы, превышающей максимально допустимое значение, для электронагревателя может быть использована двойная изоляция. Типичным применением метода двойной изоляции является предупреждение замерзания конденсата в паропроводах для перегретого пара, когда они не используются по назначению. Для этого электронагреватель размещают между двумя слоями изоляции, покрывающей трубу (рисунок 2). Суть метода двойной изоляции состоит в определении правильного сочетания типов и толщины внутренней и внешней изоляции, позволяющего получить приемлемую температуру поверхности контактного взаимодействия электронагревателя. При определении сочетания типов и толщины внутренней и внешней изоляции необходимо учитывать максимальную температуру окружающей среды.

1 — труба; 2 — внутренний слой изоляции; 3 — обогреватель трубопровода;

4 — внешний слой изоляции; 5 — металлическая фольга (алюминиевая); 6 — труба с максимальной температурой; 7 — температура поверхности контакта; 8 — температура поверхности внешней изоляции; 9 — температура окружающей среды; 10 — радиус (r_p , г_:, г₀)

Рисунок 2 —Типичный температурный профиль

3*