KR830001381B1 - 표피 전류 가열 파이프 라인 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

표피 전류 가열 파이프 라인

제1도는 본 발명의 파이프 라인의 길이 방향에 따른 개략적인 종단면도.

제2도는 제1도의 Ⅱ-Ⅱ선에 따라 취한 단면도.

본 발명은 표피 전류 발열관에 의해서 가열보온되는 수송관으로 구성된 파이프 라인이 장거리로 되어서 발열관에 가해지는 교류 전압이 높게되고(예를들면, 5kV) 이것에 사용하는(발열관내로 통과함) 절연 케이블이 높은 전압에 견디지 않으면 아니되므로 비경제적인 경우, 특히 땅속이나 해저의 장거리 가열 파이프 라인과 같이 도중급전이 불가능한 경우에, 경제적이며 실시가능한 가열파이프 라인을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 사용하는 표피 전류 발열관은 강자성관과 그안으로 통과되는 절연전선으로 구성되며, 상기 전선에 교류 전류를 통했을때 이에 대응하여 역방향의 교류전류가 상기 강자성관의 내표면부근에 집중되어 흐르도록 된 회로를 갖는다. 이와같은 표피 전류 발열관을 갖는 회로에는 크게 나누어 두 종류가 있다. 제1종류의 것은 상기 강자성관과 그 가운데로 통과되는 절연전선의 각각의 일단이 그 전원이 전기적으로 접속되고, 타단은 서로 전기적으로 접속된 것이다. 이와같은 회로를 갖는 표피전류 발열관의 예는 일본특허 제460224호(또는 미국특허 제3293407호) 명세서에 기재되어 있다. 단, 상기 특허 명세서에 의한 표피 전류 발열관에 있어서는 강자성관의 두께에 일정한 한정을 할 필요가 있으나, 본 발명에 있어서는 이와같은 한정을 완화할수가 있다. 제3종류의 것은 상기 절연전선의 양단이 교류전원에 전기적으로 접속되어서 폐회로를 형성하고, 상기 강자성관의 양단은 서로 가능한한 임피던스가 낮게되도록 전기적으로 접속되어서 폐회로를 형성하는 것이다. 이와같은 회로를 갖는 표피 전류 발열관의 예는 일본 특허 제612750호(또는 미국특허 제3515837호) 명세서에 기재되어 있다. 단, 상기 특허 명세서에 의한 표피 전류 발열관에 있어서는 강자성관의 두께에 일정한 한정을 할 필요가 있으나, 본 발명에 있어서는 이와같은 한정을 완화할 수 있다.

어느 종류의 표피전류 발열관에 있어서도 강자성관은 그 횡단면 형상에 있어서 원형에 한하지 않고, 예를들면 삼각형 또는 초승달형이라도 좋다. 상기 강자성관의 관벽일부는 가열될 강자성재료의 수송관의 관벽으로 구성되어도 좋다. 상기 강자성관은 도중에서 절단된 형태로 되어있어서 이 형태로 형성되어 있는 이웃한 각단이 서로 전기적으로 접속되어 있어도 좋다. 또한 상기 강자성관의 횡단면 형상은 완전히 폐쇄된 형태로 되어있지 않고, 미소한 간격이 있어도 좋다. 이와같은 것의 예로서는 횡단면 원형의 강자성관에 길이 방향으로 틈을 둔것이 있다(이것에 의해서 틈을 둔 길이에 상당하는 상기 강자성관 부분의 발열량을 작게할수가 있다). 또한, 다른 예로서는 강자성 재료의 수송관에 횡단면이 L자형의 강자성 재료를 그 凹부가 수송관에 면하도록 올려놓고, 그 부재의 하부에 해당하는 두 단부와 상기 수송관과의 사이를 지그재그식으로 용접하여 구성된 강자성관이 있다.

이하에 종래의 기술과 본 발명의 목적 및 구성을 도면을 참조하여 설명한다.

여기서 공지의 표피전류 발열관의 하나의 원리를 제1도에 의해서 다음에 상세히 설명한다. 제1도에 있어서 1은 예를들면 강관과 같은 강자성관, 2는 이 관의 가운데로 통과되는 절연전선 또는 케이블로서 접속전선(3)과 더불어 교류전원(4)의 양단과 강자성관(1)의 양단(8, 9)을 접속(결선)하여 교류회로를 형성한다.

이와같은 회로를 갖는 표피 전류 발열관에 있어서 교류전류는 상기 강자성관의 내표면 부근에 집중되어 흐른다. 즉, 그 내표면에 가까운 곳일수록 전류밀도가 크고, 먼곳일수록 전류밀도가 작아진다. 그리고 강자성관 재료의 비저항율ρ(Ωcm), 비투자율을 μ로 하고 전원 주파수를 f(Hz)로 하였을 때, 교류 전류의 흐르는 범위를 나타내는 지수가되는 표피의 깊이 S(cm)는

로 표시되며, 또한 상기 강자성관의 벽두께를 t(cm), 길이를 ℓ(cm), 내측경을 d(cm)로 하였을때, 이들 사이에

인 관계가 있을 때에는, 절연전선 또는 케이블(2)을 흐르는 전류(5)는 강자성관(1) 내에서 관의 단면에 균일하게 흐르지 않고 거의(a)식으로 표시되는 깊이의 내측 표피 부분에 집중하여 흐른다. 따라서, 관의 외부를 금속과 같은 양도체로 단락하여도 전류(5)는 이 단락 도체에 실용상 유출하지 않게되며, 강자성관 내표피를 흐르는 전류(5')는 이것과 거의같다. 이와같은 표피전류 발열관은 제1도에 도시한 바와같이 금속제 수송관(12)을 그 전길이에 용접 접속하여도 수송관(12)으로 유출하는 전류(7)는 극히 작다.

지금 전원으로서 상용주파수(60Hz 또는 50Hz)를 사용하고 강자성관으로서 보통의 강관을 사용하였을 때, (a)식으로 표시된 표피의 길이는 약 1mm이므로 강관(1)의 벽두께가 3mm 내지 5mm이면 (b)식을 만족시킬수 있으며, 전류는 강관(1)의 얇은 내표피 부분에 집중하여 흐르고 이 부분에서 발열하여 실질적으로 외부에 전류가 유출하는 것이 없이 안전하게 될수가 있다.

이와같은 표피 전류 발열관에서는 그 내경이 10mm 내지 50mm의 경우, 통상적으로 50A 내지 250A의 전류가 채용되며 1km당 전압이 500V 정도되므로서, 길이 10km 정도의 파이프라인에서는 전원전압이 평균 5kV가 된다. 따라서, 수송관의 양단으로부터만 급전하는 경우에 가열가능한 파이프라인의 전 길이는 상기 10km의 두배인 20km가 된다.

따라서, 이 급전 간격을 20km 이상되게 하려면은 5kV 이상에 견디는 절연케이블(2)이 필요하게 된다. 이 절연케이블(2)은 동시에 수송관의 유지온도에도 견딜 필요가 있다. 더우기, 이 유지온도는 대기온도보다 당연히 높으므로 통상의 절연케이블을 사용할수 없으며, 특수한 내열 절연재를 사용해야되므로서 고가이며 비경제적이 된다.

최근 이 표피전류 발열관을 사용하여 온도유지를 하는 파이프 라인의 길이는 점점 길어지고, 100km를 초과하는 것도 적지 않다. 이와같이 긴 파이프 라인이 육지에 시설되어 있는 경우에는 파이프 라인의 중도에서 급전하여 상기 비경제적인면을 해결할수 있으나, 해저에 부설되어 있는 경우는 중도에서 급전이 불가능하므로 고전압 케이블에 의존할수 밖에 없어 극히 비경제적이며 또한 기술적으로도 불가능하게 된다.

본 발명의 목적은 이와같은 경우의 어려움을 해결하는데 있다. 즉, 본 발명에 따른 표피 전류 가열 파이프 라인은 강자성관과 그 가운데로 통과되는 절연 전선으로 구성되며 상기 전선에 교류전류가 통했을때 이에 대응하여 역 방향의 교류 전류가 상기 강자성관의 내표피부근에 집중되어 흐르도록한 회로를 갖는 표피전류 발열관을 가열원으로 하여 유체 수송관에 연하여 설치하고, 이들의 외주에 강자성재료의 외장관을 마련하여 상기 강자성관의 적어도 양단 부분을 이 외장관에 전기적으로 접속하고, 이 외장관의 벽두께를 상기 표피전류 발열관으로부터 유출한 교류 전류가 외장관 밖으로 유출되지 않고 그 내표피에만 흐르도록 선정한 것이다.

따라서, 본 발명의 신규한 점은 상기 유체 수송관과 그에 따라서 설치한 표피전류 발열관의 외주에 강자성 재료의 외장관을 설치하고, 상기 표피전류 발열관을 구성하는 강자성관의 적어도 양단부분을 그 외장관에 전기적으로 접속하여, 상기 표피전류 발열관으로부터 유출한 교류전류가 외장관 밖으로 실질적으로 유출하지 않고 그 내표피만을 흐르도록 외장관의 벽 두께를 선정한것에 있다.

제1도 및 제2도에 있어서 파이프 라인의 주요구성 재료인 수송관(12)은 그 전길이에 걸쳐 발열관인 강자성관(1)에 연해 설치되어 있으며, 그 외측은 보온층(13)에 의해서 보온되어 있다. 또한, 이 보온층(13)은 강자성 외장관(예를들면, 강관)(14)에 의해서 내수보호 되어있다. 15는 수송관(12)내를 흐르는 유체이다. 파이프라인은 전체가 이와같이 구성되어 있으며, 지면(16)아래에 매설되거나 또는 수면(17) 아래에 부설되어 있다.

그리고, 이와같은 파이프 라인의 전 길이가 100km라하고 그 양단에서만 급전할수 있다고 하면 급전거리는 50km가 되며, 전원 전압은 상술한 바와같이 km당 500V라 하면 25kV가 된다. 이와같은 고전압 내열 케이블은 제조가 불가능하지는 않지만 매우 고가여서 비경제적이다. 그래서 이와같은 고전압을 피하기 위하여 이 파이프 라인에 대한 입력을 감소시키거나, 입력이 입정할때는 그 표피전립 발열관을 낮은 저항 즉 저전압, 대전류로할 필요가 있다. 그러나 수송관(12)의 유지온도는 일정하므로, 이경우에는 후자 즉 표피전류 발열관을 낮은 저항으로 할수밖에 없다. 교류전류의 흐르는 범위를 나타내는 표피의 깊이는 (a)식으로 표시한 S가 되므로 강자성관(1)의 저항 R(Ω)은

이지만, 이 경우 R을 낮게하기 위해서는 강자성관(1)의 길이 ℓ, 즉 파이프라인의 길이 ℓ가 일정하고, 강자성관(1)의 재질을 일정하게 하는한 전원 주파수 f를 낮게 하든가 강자성관(1)의 내경 d를 크게하는 수 밖에 없다. 내경 d를 크게하는 것은 물론 가능하나, 너무 크게하는 것은 제2도에서도 알수있듯이 보온층(13)의 두께를 크게할 필요가 생겨 외장관(14)의 직경도 크게되므로 비경제적이되어 한계가 있음을 알수가 있다. 따라서 남은 방법은 전원 주파수 f를 작게하는 것이다.

그러나 (a)식이 가리키는 바와같이 f를 작게하면 S가 크게 되어서 (b)식의 관계로부터 강자성관(1)의 벽두께 t₁을 크게할 필요가 생긴다. 벽두께 t₁을 크게하는 것은 강자성관(1)을 고가의 것으로 하는 것이되어 이점에서 일정한 한계가 있게된다. 본 발명의 목적을 보다 상세히 말하자면 이와같은 어려움을 극복하는데 있다고 할수있다.

제 1도 및 2도에 도시된 바와같이 통상의 가열보온 파이프 라인에서는 보온층(13)의 외상 방지와 방수를 위하여 외장관(14)은 통상 플라스틱 또는 강관이 사용되나 본 발명에 있어서는 강자성관을 사용할 필요가 있다. 그리고 발열제인 강자성관(1)은 적어도 그 양단부분(8,9)이 외장관 (14)에 전기적으로 접속되어 있을 필요가 있다. 이 경우 외장관의 접속점은 양단부분(8,9)의 각각에 근접한 점(10,11)이 바람직하다. 8,9의 사이 및 10,11의 사이에 있는 각점이 전기적으로 접속되어도 좋다.

그리고 전원(4)의 주파수를 상용주파수, 예를들어 60Hz보다 낮게 하여 15Hz 정도로 되게하면 (d)식으로 부터 강자성관(1)의 저항 R은 1/2이 됨을 알수 있으나 (a)식으로 부터 표피의 깊이 S가 2배가 되므로, 60Hz의 경우와 같은 벽두께 t₁의 강자성관(1)을 사용하면 15Hz의 경우에 강자성관 밖으로의 유출전류는 당연히 접속(강자성과(1)과의)을 유지하는 외장관(14)으로의 유출전류(6)는 증가한다.

그러나 만약 외장관(14)의 벽두께 t₂가 예를들어 f=15Hz로 하여 (a)식으로 계산된 표피의 깊이 S와 비교하여 (b)식의 관계에 있을 때에는, 유출전류(6)는 다시 외장관(14)의 밖, 예를들어 대체로 실제 유출하는 일은 없다.

일반적으로 외장관(14)의 벽두께 t₂는 유출전류 방지의 의미로서만 아니라 오히려 의상이나 의압 및 부식 방지면에서 상당한 벽두께를 요구하게 되므로, 15Hz 정도의 저주파의 경우에서도 (b)식의 관계는 그다지 벽두께의 증가없이 성립한다.

더우기 수송관(12)으로의 유출전류(7)는 비록 유출하여도 그대로 가열에 도움이 되나, 외장관으로의 유출전류(6)는 열손실의 원인이 된다. 그러나 가령 전류 i가 10% 유출하였다하여도,외장관(14)의 내경 d₂는 강자성관(1)의 내경 d₁과 비교하여

가 되므로, (d)식을 참조하면 외장관(14)의 저항은 현저하게 작으며, 따라서 손실전력 i²R는 1%보다 훨씬 작게된다는 것도 이해될 것이다.

이상 설명한바와 같이 본 발명의 구조에 있어서, 전원 주파수를 낮게하므로서 양단 급전을 하는 100km길이의 파이프 라인에부 그 전원 전압을 통상의 25kV에서 10kV 이하로 하는것은 매우 용이하며, 가열능률의 저하도 거의 없게된다.

다만 전원으로서 상용주파수가 아니고 통상의 특별한 저주파·전원을 필요로 하지만, 예를들면 100km길이의 가열보온 파이프 라인에서는 수송관의 직경, 파이프라인의 유지온도에도 관계되나 통상 6MVA 내지 10MVA의 가열전력이므로, 특별히 발전기나 주파수 변환기를 준비하여도 파이프 라인의 전체 건설비에서 보면 수 %밖에 되지 않고, 내열고전압용 케이블이 10% 내지 수 10%가 되는것을 감안할때 훨씬경제적이다.

이상은 수송관(12)이 강관과 같은 양도체인 경우에 대하여 설명하였으나, 수송관(12)이 이와같은 양도체일 경우에는 강자성관(1)과 수송관(12)이 전기적으로 일체로 접속되어 있음으로 인하여 약간의 유출전류(7)가 발생하는 대신에 강자성관(1)의 의표피의 잔류전압은 거의 0으로 감소하여 안정성에 도움이 된다는 것이 실제 사용해본 결과 판명되었다.그런데, 만약 수송관(12)이 플라스틱과 같은 절연물인 경우에는 유출전류(7)도 존재하지 않으며, 따라서 강자성관(1)의 외표피의 잔류전압도 감소하지 않는다. 그러나 본 발명과 같은 조치에 의해서 강자성재의 외장관(14)이 강자성관(1)의 외표피의 잔류전압을 감소시켜 안정성에 기여한다. 이것은 여기에 예시한 100km의 장거리 파이프라인에서는 잔류전압도 높아지므로 특히 효과가 크다.

본 발명에 적용할 전원 주파수는 통상의 경우 3Hz 내지 30Hz 정도가 바람직하다.

이상에 있어서는 수송관(12)에 부착된 강자성관이 하나인 경우, 즉 단상회로의 경우에 대하여 설명했지만, 2상 또는 3상 회로의 경우에 있어서도 본 발명에 의한 장치를 구성할수가 있으며, 이것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 용이하게 실시할수 있다. 참고로 기술하면, 표피전류 발열관의 2상 또는 3상의 것에 대한 예는 미국특허 제 3515837호 및 제 3665154호 명세서에 기재되어 있다.

Claims (1)

1. 적어도 한개의 강자성관과 그 안으로 통과되는 절연전선으로 이루어지며 상기 전선에 교류전류가 통할때 이에 대응하여 역방향의 교류전류가 상기 강자성관의 내표면 부근에 집중되어 흐르도록한 회로를 갖는 표피 전류 발열관을 가열원으로하여 유체수송관에 연하여 설치한 표피 전류 가열 파이프 라인에 있어서, 상기 유체 수송관(12)과 표피전류 발열관의 외주에 강자성재료의 외장관(14)을 설치하고, 상기 강자성관(1)의 적어도 양단부분(8,9)을 그 외장관(14)에 전기적으로 접속하고, 상기 표피 전류 발열관으로부터 유출한 교류 전류가 외장관(14)밖으로 유출하지 않고 그 내표피만을 흐르도록 외장관(14)의 벽두께를 선정한것을 특징으로 하는 표피 전류 가열 파이프 라인.

Images