WO2015183121A1 - Устройство нагрева локальных участков трубопровода - Google Patents

Устройство нагрева локальных участков трубопровода Download PDF

Info

Publication number
WO2015183121A1
WO2015183121A1 PCT/RU2014/000378 RU2014000378W WO2015183121A1 WO 2015183121 A1 WO2015183121 A1 WO 2015183121A1 RU 2014000378 W RU2014000378 W RU 2014000378W WO 2015183121 A1 WO2015183121 A1 WO 2015183121A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pipe
heating
fuel
heat
section
Prior art date
Application number
PCT/RU2014/000378
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Александр Владимирович КУЛИКОВ
Владимир Николаевич РОГОЖНИКОВ
Андрей Викторович ПОРСИН
Бехарано Эмилио ДИАЗ
Сандро МАКИЕТТО
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Уникат"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Уникат" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Уникат"
Publication of WO2015183121A1 publication Critical patent/WO2015183121A1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L53/00—Heating of pipes or pipe systems; Cooling of pipes or pipe systems
    • F16L53/30—Heating of pipes or pipe systems
    • F16L53/32—Heating of pipes or pipe systems using hot fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L53/00—Heating of pipes or pipe systems; Cooling of pipes or pipe systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/12—Radiant burners
    • F23D14/18—Radiant burners using catalysis for flameless combustion

Definitions

  • the device for heating local areas includes
  • Pipeline The present invention relates to a technology and apparatus for heating sections of a pipeline and liquid therein, using radiation heaters operating on the catalytic combustion of gaseous hydrocarbon fuel, as well as for heating individual sections of other extended objects, such as rails and beams.
  • Radiation heat sources are widely used for heating various objects, materials, heat carrier in heat exchangers, during cooking, as heaters of indoor premises. Radiation heating is also used to heat separate sections of extended objects in order to ensure uniform heating and controlled cooling during technological operations such as welding, applying a polymer coating at low temperatures, heating a liquid or gaseous heat carrier supplied through a pipeline, to heat individual mechanisms and devices in order to prevent them from freezing, to heat the fluid transported through the pipeline, for example, to reduce viscosity and sweat pumping.
  • Heat in these devices is obtained by electric heating or burning fuel.
  • the cost of heat produced by electric heating is several times higher than the cost of heat generated by burning hydrocarbons.
  • this requires a current source, which can be a problem in remote places.
  • Flaring fuel gives a high temperature (up to 1100-1300 ° C), which leads to the formation of harmful nitrogen oxides.
  • With such combustion it is difficult to achieve a directed heat flow. In order to avoid overheating of the heated object, it is necessary to increase the distance between the surface of the radiation and the heated object. This inevitably leads to an increase in the dimensions of the device.
  • Heaters based on flameless catalytic combustion of gaseous hydrocarbons are an environmentally friendly alternative for heating pipelines with the possibility of achieving high energy efficiency and minimizing the negative impact on transport infrastructure.
  • the diffusion mode of combustion during catalytic combustion is safe, since there is no formation of explosive gas mixtures.
  • fuel and air are supplied to the catalyst, on which the oxidation of hydrocarbon fuel occurs, from different sides (directions).
  • the temperature of the emitted surface can be controlled by changing the amount of fuel supplied in the range of 200-450 ° C, while ensuring complete combustion and the absence of nitrogen oxides. Lower temperatures of the emitted surface in comparison with flaring allow avoiding overheating of heated objects and create heating devices of smaller dimensions.
  • the maximum load of heaters for this type of fuel combustion is limited by the rate of diffusion of oxygen to the catalyst. Exceeding maximum loads leads to incomplete combustion of fuel and the release of unburned hydrocarbons and carbon monoxide.
  • the catalytic heating devices have a cylindrical heating element in which fuel is supplied into the internal cavity and the radiation heat flux is radially radiated in the direction perpendicular to the axis of the cylinder in the external environment.
  • US 6971380, F23D14 / 18, December 6, 2005 uses a movable reflector to change the direction of the heat flux. The reflector allows you to form a heat flux in the form of a wide sectors. These devices are intended for heating the environment, and their use for heating such objects as, for example, pipelines is inefficient due to high heat losses to the environment.
  • 3,731,668 and US Pat. No. 4,319,125 offer tube-shaped radial-type catalytic heaters in which longitudinal reflectors are used.
  • the first uses a pair of adjustable flat-shaped reflectors, and the second uses a V-shaped.
  • US 7,066,730 proposes a heating device for heating a gas or liquid stream in a pipeline.
  • the heating device consists of box-shaped catalytic heaters located in the form of a rhombus in the cross section of the pipe.
  • the invention includes a closed housing, with heaters and pipes inside in the form of a coil, multiple crossing the heating zone.
  • a disadvantage of the known device is the uneven heating of the pipe surface.
  • the heat flux acts to the maximum extent on the pipe parts closest to the radiating surface of the heating element, and to a lesser extent on the remote pipe parts, which leads to local uneven heating of the pipe surface.
  • Significant lengths of the input sections inside the box and the “U” shaped turn are not equipped with catalytic heaters, therefore, they are not heated, which reduces the efficiency of the heating system.
  • the heating devices described above comprise rectangular box-type catalytic heaters similar to the known device in US Pat. US 6932593, which consists of a rectangular box-shaped case, at the bottom equipped with inlet pipes, a gas distribution panel with holes that form the gas distribution system cavity, a metal grid on which the catalyst is laid in the form of a thin-fiber coating with an active component deposited, a cover fastening frame and a metal grid.
  • the disadvantages of such a catalytic heater, and as a consequence of a heating device made from such heaters, include large sizes and the resulting complexity of the design.
  • US Pat. No. 5,205,732 describes an annular heating device with similar characteristics.
  • the present invention also proposes the use of longitudinal flat heaters located around the pipe and connected with mechanical support.
  • the main application of the described heating devices is the application of heat-shrinkable sleeves on unprotected surfaces of pipelines after welding.
  • a heating device is presented, which consists of two semi-cylindrical parts, which allows you to mount the device around the pipe, as well as open and close it.
  • infrared radiation is mentioned.
  • the device has a special shape with a narrower middle part, designed to install a shrink sleeve.
  • US 5,037,293 discloses a semi-cylindrical heater.
  • an air-gas mixture is used, which is supplied under pressure and is introduced into the heater in several places to achieve a good distribution. In this case, a more uniform heating is achieved than when using multiple flat rectangular heaters.
  • the closest set of essential features to the present invention is a heating device based on the catalytic heaters described in application US 20120037297, A1, B32D37 / 04, F27D1 1/00, 02.16.2012, containing rectangular box-shaped catalytic heaters assembled on two movable semi-ring platforms.
  • This type of heating device has such advantages as ease of transportation and installation using a bracket in the form of a bracket surrounding the pipe, and minimal or zero mechanical impact on the pipe.
  • rectangular box-type catalytic heaters have a significant volume and weight, which leads to an increase in the size and weight of the entire device.
  • the invention solves the problem of developing an easy, easy to use, mobile, highly efficient heating device for local sections of the pipeline or other linear objects.
  • the invention relates to a technology and device for heating individual sections of the pipeline and the fluid in it in the field, also applicable to other extended objects, such as pipes, rails or beams.
  • the device is designed to heat a liquid or gas transported through a pipeline using radiation heaters based on the catalytic combustion of gaseous hydrocarbon fuels.
  • a device for heating local sections of a pipeline or other linear objects in the form of a pipe-in-pipe construction coated heat-insulating material to reduce heat loss to the environment and prevent cold air from entering the device which consists of a radiation section in which heat is produced by catalytic combustion of gaseous fuels and a convection section in which the heat of the exhaust gases is used for additional heating.
  • the device is designed as a fixing device, which covers the pipe sector, requiring minimal transportation facilities and having minimal impact on the structure of the pipe.
  • the radiation section contains at least two heating elements, a fuel distribution system, an air supply system and a start-up system, while a large number of radial-type tubular heating elements are located around the pipe and are fixed to at least two semi-ring collectors connected to the supply pipes located coaxial to the pipe in an annular section between the pipe and the reflector.
  • the reflector consists of two internal half shells equipped with thermal insulation, and a casing.
  • An alternative design for the radiation section is a design that includes two radial-type ring heaters that completely surround the pipe, providing uniform heating of the outer surface of the pipe.
  • the convection section is a two-pipe heat exchanger in which the exhaust gases move through an annular opening between the pipe and the housing of the device, preferably in one direction to increase heat transfer.
  • the device uses various types of fuel, including, but not limited to, a propane-butane mixture or natural gas.
  • a device may be a module consisting of several devices.
  • the device is equipped with sensors and a system for monitoring the operation of the device and regulating each heater, both in combination and independently, when regulating one or more parameters such as fuel consumption, fuel-to-air ratio, based on signals from sensors installed in the device and optionally installed on other devices operating on the pipe and / or installed on the pipe to determine the operating conditions of the liquid transported through the pipe
  • the device is a safe system in which fuel and air are supplied separately, while fuel is supplied through the fuel supply system and directly to the catalyst through the device’s internal cavity, air is supplied through the air supply system to the vicinity of the catalyst from the outside, and the oxygen contained in the air flows to catalyst due to diffusion.
  • the device of this invention is a closed pipe-in-pipe system that completely surrounds a pipeline or other extended object, and installation and disassembly are quick and easy.
  • the device is coated with a layer of insulating material to minimize heat loss, and is equipped with an external metal sheath to provide mechanical support and stability.
  • the shell consists of two semi-cylindrical valves connected by a hinge, locked by a lock on the opposite side.
  • the device consists of two sections.
  • heat is generated by flameless catalytic combustion of gaseous fuel as it passes through the catalyst bed.
  • infrared radiation evenly heats the outer surface of the pipe and the fluid flow inside.
  • the radiation section contains one or more catalytic heating elements, a gas distribution system, an air supply system and an ignition system.
  • the second section is an additional convection section, which is presented in the form of a two-pipe heat exchanger, where the high temperature of the combustion products or vapors is used to provide additional heating.
  • the gas flow inside the device is driven by a slight excess pressure at the inlet of the air and fuel flows. Exhaust gases at a pressure close to atmospheric pressure are removed from the device through the exhaust system at the end of the convection section.
  • the main or preferred design of the radiation section includes several heating elements in the form of radial-type tubular catalytic heaters, the heat flux of which is directed radially outward from the heater (from the imaginary axis of the tubular heater) located around the pipeline, connected at least to two semi-ring collectors through inlet pipes.
  • Tubular catalytic heaters are located along the pipe in parallel and at the same distance from the pipe.
  • the heaters are covered by a casing, which consists of two internal half-shells that act as reflectors, a heat-insulating layer and an external casing.
  • Alternative modifications with several semi-ring collectors and various semi-ring reflectors are also contemplated by the invention. This device is designed for heating medium and large diameter pipelines.
  • An alternative design of the radiation section contains two heating elements in the form of semi-cylindrical, or semi-ring, catalytic heaters, the heat flux of which is directed radially to the inside, or towards the imaginary axis of the heater. This design is offered for pipes of small diameters.
  • the invention includes a control system and sensors supplying signals to the control system for monitoring the operation of the device and controlling the power or heat flow of the device by controlling one or more parameters, such as fuel consumption, fuel composition, fuel to air ratio.
  • the control unit can also receive external signals from other heaters in the pipeline and / or from other sensors that record the parameters of the fluid flow or environmental conditions. If the pipeline is heated by several devices or heating modules formed by one or more of the devices described in this invention, the control system can be centralized to monitor, control and optimize the operation of the entire pipeline heating system as a whole.
  • the device of this invention has a high efficiency due to the fact that it has two sections and structures of the type "pipe in pipe". The design can be installed with minimal impact on the pipeline infrastructure.
  • the device can be adapted to various types of fuel, propane-butane mixture and natural gas are preferred.
  • Catalytic heating elements have a wide range of power control (the possibility of increasing from minimum power to maximum by 400%).
  • the control system allows you to optimize the operation of the device for a particular catalyst and fuel and provide a low level of emissions of nitrogen oxides and unburned hydrocarbons.
  • a number of known methods can be used to start the device, which expands the possibilities of using and operating the device in terms of the range of operating conditions or the type of available gas fuel.
  • tubular catalytic heaters solves the problem of simplifying the design, reducing its weight and dimensions, which simplifies the operation and maintenance of the device.
  • EFFECT device for heating sections of a pipeline based on tubular catalytic heaters has a small weight and overall dimensions, which allows the device to be serviced without the use of special expensive equipment and with a smaller number of operators, even for pipes with a large diameter.
  • the low weight of the structure does not require the use of a hydraulic unlock-lock system. If necessary, this device can be supplemented with tubular heaters to increase the power of the device.
  • Semi-ring catalytic heaters in the modification for pipes of small diameters and each of the tubular catalytic heaters in the modification for pipes of large diameters can potentially be used independently from each other in order to control the heating power supplied to the pipe.
  • the design of semi-ring catalytic heaters is simpler and eliminates the need for reflectors, but its use is limited to use for pipes of small diameters.
  • the design of semi-ring catalytic heaters allows you to get the same advantages in size, weight and ease of installation as in the main structure.
  • the device can be used as a stationary or mobile stand-alone heater, which is easily transported by road or other means.
  • the device can be used to ensure fluid flow, preventing the formation of plugs in pipes or eliminating plugs formed as a result of an unexpected decrease in temperature in a certain section of the pipeline (for example, but not limited to this example, when the pipeline is depressurized or depressurized, resulting in a decrease in flow rate ), or preventing the formation of hydrate plugs.
  • the design of the device allows you to install a number of such devices sequentially one after another, creating the structural modules of thermal stations.
  • FIG. 1-7 The invention is illustrated in FIG. 1-7.
  • FIG. 1 shows a view of a preferred modification of a device in a longitudinal section passing through an axial line of a pipeline.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of the device along line 1.1-1.2 indicated in FIG. 1, in a preferred embodiment in which the shell is used as reflectors.
  • FIG. 3 shows a cross section of the device shown in
  • FIG. 2 for an alternative modification comprising two rows of tubular heating elements.
  • FIG. 4 shows a cross section of the device shown in fig. 2, for an alternative modification of the radiation section with individual reflectors for each tubular heating element.
  • FIG. 5 shows a device in longitudinal section passing through the axial line of a pipeline for an alternative modification of the radiation section for pipes of small diameter.
  • FIG. 6 shows a cross-sectional view of the device along the line 1.1-1.2 indicated in FIG. 5, for an alternative modification of the radiation section for small diameter pipes.
  • FIG. 7 shows a longitudinal sectional view of a device, including sensors and a control system.
  • FIG. 1 and FIG. 2 A preferred modification of the device is shown in FIG. 1 and FIG. 2.
  • a device in the form of a pipe-in-pipe type system completely surrounds pipeline 2 in order to ensure uniform heating on its outer surface. From the heated metal wall of the pipe, heat is then transferred to the fluid flow 3.
  • the device consists of two semi-ring elements 4.1, 4.2, connected by a hinge 5, with a lock 6 on the opposite side, which allows you to open and close the device during installation and removal.
  • Semicircular elements 4.1, 4.2 have an insulator layer 8 to minimize heat loss, and a metal casing (outer casing) 9, which protects the internal elements from external influences and provides mechanical strength.
  • the device is closed at the edges using the side walls 7.1, 7.2.
  • the device consists of two sections, each of which is named according to the type of heat transfer that predominates in them: a radiation section 10, where heat is generated by catalytic combustion of gas fuel, and a convection section 11, where the hot combustion products provide additional heating.
  • a preferred modification of the radiation section 10 comprises a plurality of tubular catalytic heaters of radial type 12, the heat flux from which is directed radially outward from the heating element.
  • Tubular heating elements may be used in apparatus as described in patents RU JV »JVa 2315908, 2334169. 2379589 Tubular heating elements are mounted on two semicircular reservoirs 13.1, 13.2, which are intended for a gas feed and connected with inlet connections 15.1 and 15.2.
  • the radiation is reflected using reflectors 14.1 and 14.2, representing the inner half shells, corresponding in shape to the semicircular elements 4.1, 4.2.
  • Semicircular collectors 13.1 and 13.2 are located coaxially to the pipe 2 in an annular section between the reflectors 14.1, 14.2 and the pipe 2. The presence of a detachable connection 5 allows you to disconnect and use both semi-ring elements 4.1 and 4.2 independently independently of each other.
  • FIG. 3 shows a modification of the radiation section using tubular heating elements; an alternative to the modification shown in FIG. 2.
  • This modification also has two semi-ring collectors 13.1, 13.2 with the corresponding supply pipes 15.1, 15.2 and is equipped with two additional semi-ring collectors 16.1, 16.2 with the corresponding additional supply pipes 17.1, 17.2.
  • Another alternative modification based on the modifications shown in FIG. 2 and FIG. 3, instead of having an internal reflective shell 18, has curved reflectors, as shown in FIG. 4, individual for each tubular heater along its entire length.
  • FIG. 5 and FIG. 6 An alternative modification of the radiation section with a heat flux directed radially to the inside (or towards the imaginary axis of the heating element) shown in FIG. 5 and FIG. 6, uses two semi-ring (semi-cylindrical) catalytic heating elements 19.1 and 19.2 located coaxially with the pipeline. Fuel is supplied through the supply pipes 15.1 and 15.2 and burns out when passing through the layers. Hot exhaust gases are discharged through a slit 20 between the catalyst and the pipe towards the convection section (the direction of flow is indicated by arrows in Fig. 5). In a preferred and alternative embodiment, off-gases are removed from the catalyst at a high temperature close to the temperature of the catalyst bed.
  • the convection section is a pipe-in-pipe system in which hot off-gas flows through the annular space between the pipe and the casing 21 parallel to the pipe.
  • a one-sided convection section when the convection section is located on one side of the radiation section, as shown in FIG. 1 and FIG. 5.
  • the exhaust gases after the catalyst move in only one direction.
  • a small gap of 20, i.e. a small cross section preferably in order to increase the speed of the exhaust gases and heat transfer.
  • the direction of the exhaust gas flow opposite the direction of the liquid flow is also preferable to increase heat transfer, since in this case a higher temperature difference between the exhaust gas and the liquid is achieved.
  • the excess pressure of air and fuel at the inlet is sufficient for the passage of gases through the catalytic layers and the convection section and exit through the outlet 22.
  • An alternative modification may include a double-sided convection section when the convection sections of the tube-in-tube type are located on each side of the radiation section.
  • the exhaust gases in this case after the catalyst are divided into two streams moving in opposite directions. This design is preferred if it is necessary to provide heating of large areas of the pipe.
  • An alternative modification of the device may include a convection section of a very small size or not include a convection section at all in cases where the efficiency energy use is not so important, for example, in cases where heating a part of the pipe in a short period of time is important to ensure flow.
  • Fuel is supplied through a gas distribution system, including inlet pipes 15.1, 15.2 and manifolds 13.1, 13.2, through the internal cavity of the heating element directly to the catalyst layer.
  • the air supply is carried out using the air supply system 23 from the outside, in order to avoid the formation of explosive mixtures.
  • Heat is generated as a result of flameless catalytic combustion of gaseous fuel on a catalyst to which fuel and air are supplied. To ensure complete combustion, the air to fuel ratio is higher than stoichiometric.
  • gas fuel and air are supplied at ambient temperature.
  • the reaction products, or exhaust gases are heated on a catalyst with a developed surface to a high temperature as a result of efficient heat transfer.
  • the device and its modifications, considered in the invention, can be adapted to various types of fuel gases.
  • the main differences when using different types of gas are: the heat of combustion of the fuel gas, the active component of the catalyst and the ignition temperature of the fuel gas on the catalyst (i.e., the minimum temperature to which the catalyst must be preheated to activate the catalytic oxidation of hydrocarbons).
  • a propane-butane mixture having an ignition temperature of about 200 ° C can be used, for which platinum is preferable to use as an active component, and natural gas (mainly consisting of methane) having an ignition temperature of about 450 ° C, for which is preferable to use palladium as an active ingredient.
  • the launch mode can be performed in four ways: 1) heating during flame combustion of fuel; 2) heating during catalytic combustion of hydrogen using a starting gas mixture containing hydrogen; 3) heating using electric heating; 4) heating with hot air heated by an external source.
  • the device is installed on the pipeline, while the semi-ring elements are initially in the open position, i.e. divorced.
  • Gaseous fuel is supplied through pipes 15.1 and 15.2 to the manifold 13.1 and 13.2 with a flow rate of 2-3 times more than the nominal flow rate.
  • Combustion occurs in the open flame mode, and the position of the semicircular elements in the open (diluted) state prevents exposure to the flame with the surface of the pipe.
  • Burning in open flame continues until the transition to catalytic combustion; tentatively, the starting time is 3-5 minutes at an ambient temperature of 20 ° C.
  • the nominal gas flow rate is set, and the device closes, after which the device is ready for use in normal mode.
  • Starting heating with an electric heater can be performed in two ways: a) when the electric heater is built into the internal cavity of the catalytic heaters; b) when the electric heater is mounted on / near the surface of the catalytic heater.
  • the built-in electric heater has electrical connectors on the end surface of the catalytic heater.
  • Starting heating with hot air heated from an external source can be carried out by supplying hot air through an annular hole (slot) between the device and the pipe or through the internal cavity of the heating elements using the collectors and inlet pipes described above. Hot air fed until the temperature of the catalyst reaches the required temperature. After heating the catalyst to the required temperature, fuel gas is supplied. At the same time, the supply of hot air is interrupted. After starting the device, the temperature of the catalyst is maintained by an exothermic reaction.
  • the ignition temperature of the fuel corresponds to the minimum operating temperature on the surface of the catalyst.
  • the temperature of the catalyst can vary from the ignition temperature (lower limit) to 700 ° C and above, which corresponds to the maximum heat flux of this technology (upper limit).
  • the invention includes sensors for monitoring the operation parameters of the device and control units for regulating the supply of air and / or fuel and / or fuel composition.
  • the control system can include temperature sensors 24.1, 24.2, 25.1, 25.2 and 26, respectively, for measuring the temperature of the heating element, the temperature of the pipe wall in the radiation section and the temperature of the exhaust gases at one or more points exit the device.
  • the device is also equipped with control valves 27.1 and 27.2 to control the flow rate and composition of the fuel supplied to the device, and may also include temperature, flow and / or pressure sensors.
  • the fuel supply to each heating element can be controlled independently of each other.
  • device 28 includes a valve for controlling the flow rate of air supplied to the system, and may include temperature, flow, and / or pressure sensors.
  • the sensor signals are transmitted to the control system 29, where they are converted to digital data and processed using appropriate equipment, and transmitted to the control unit.
  • the control system can be used to monitor operating conditions and control the device.
  • the controller can perform normal parameter control, control based on a prediction model or other algorithms, make adjustments based on the data received.
  • the system can control the flow rate and composition of the fuel or air flow rate by actuating the respective valves in order to control the power of the device or the heat flow.
  • the power of the device and the temperature of the outer surface of the pipe are controlled by controlling either the flow rate and the composition of the fuel or air flow by actuating the corresponding valves.
  • the supply of fuel gas and air to the device is controlled in such a range that the temperature of the catalytic layer, on the one hand, is higher than the ignition temperature, in order to prevent the attenuation of catalytic combustion.
  • the maximum allowable temperature of the catalyst is limited by the maximum temperature of the pipe surface, above which overheating is possible, leading to damage to the pipe or an undesirable change in the properties of the liquid.
  • the device can operate within these two temperature values while controlling the amount of heat generated.
  • other signals may be supplied to the control system 30. These signals may include information on the state of the transported liquid obtained in the flow above and below the device, for example, temperature, flow rate and / or pressure, parameters of other heaters installed in the pipeline. This provides centralized control of the entire heating system.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)

Abstract

Изобретение относится к устройству для нагрева участка трубопровода и жидкости нем в полевых условиях, также применимо для других протяженных объектов, таких как рельсы или балки. Устройство состоит из одной или двух отдельных секций: радиационной секции, где тепло генерируется путем каталитического сжигания газообразного топлива, и, при необходимости, конвекционной секции, где горячие отходящие газы обеспечивают дополнительное нагрев. Радиационная секция содержит один или несколько нагревательных элементов, газораспределительную систему, систему подачи воздуха и систему запуска. Конвекционная секция представляет двухтрубную конструкцию типа «труба в трубе». Устройство имеет малый вес, широкий диапазон регулирования и высокую эффективность использования энергии, что может быть использовано при получении тепла в широком диапазоне по мощности, в широких температурных диапазонах на разных видах топлива и при создании модульных конструкций на его основе.

Description

Устройство нагрева локальных участков
трубопровода Настоящее изобретение относится к технологии и устройству для нагрева участков трубопровода и жидкости в нем, при использовании радиационных нагревателей, работающих на каталитическом сжигании газообразного углеводородного топлива, а также для нагрева отдельных участков других протяженных объектов, таких как рельсы и балки. Радиационные источники тепла широко используются для нагрева различных предметов, материалов, теплоносителя в теплообменных аппаратах, при приготовлении пищи, в качестве обогревателей внутренних помещений. Радиационный нагрев также используется для нагрева отдельных участков протяженных объектов с целью обеспечения равномерного прогрева и регулируемого охлаждения при таких технологических операциях, как сварка, нанесение полимерного покрытия в условиях низких температур, нагрева жидкого или газообразного теплоносителя, подаваемого по трубопроводу, для подогрева отдельных механизмов и устройств с целью предотвращения их от замерзания, для подогрева жидкости, транспортируемой по трубопроводу, например, с целью снижения вязкости и потерь на перекачивание.
Тепло в данных устройствах получают за счет электрического нагрева или сжигания топлива. Стоимость тепла, получаемого с помощью электрического нагрева, в несколько раз выше стоимости тепла, получаемого за счет сжигания углеводородов. Кроме того, для этого требуется источник тока, что может представлять определенную проблему в отдаленных местах. Использование электрических нагревателей для нагрева протяженных объектов, например трубопроводов, служит источником электрических и магнитных полей, может быть причиной электрической коррозии металла, что требует дополнительных мер защиты. Факельное сжигание топлива дает высокую температуру (до 1100- 1300°С), что приводит к образованию вредных оксидов азота. Кроме того, при таком сжигании трудно добиться направленного потока тепла. Для того чтобы избежать перегрева нагреваемого предмета, необходимо увеличивать расстояние между поверхностью радиационного излучения и нагреваемым предметом. Это неизбежно приводит к увеличению габаритов устройства.
Нагреватели на основе беспламенного каталитического сжигания газообразных углеводородов представляют собой экологически безопасную альтернативу для нагрева трубопроводов с возможностью достижения высокой эффективности использования энергии и сведения к минимуму негативного воздействия на транспортную инфраструктуру. Диффузионный режим горения при каталитическом сжигании является безопасным, поскольку отсутствует образование взрывоопасных газовых смесей. В этом случае топливо и воздух подводится к катализатору, на котором происходит окисление углеводородного топлива, с разных сторон (направлений). Температуру излучаемой поверхности можно регулировать при помощи изменения количества подаваемого топлива в диапазоне 200-450 °С, обеспечивая при этом полное сжигание и отсутствие оксидов азота. Более низкие температуры излучаемой поверхности в сравнении с факельным сжиганием позволяют избежать перегрева нагреваемых предметов и создавать нагревательные устройства меньших габаритов. Максимальные нагрузки нагревателей при данном типе горения топлива ограничены скоростью диффузии кислорода к катализатору. Превышение максимальных нагрузок приводит к неполному сжиганию топлива и выбросу несгоревших углеводородов и монооксида углерода.
В патенте US 6971380, F23D14/18, 06.12.2005 и заявке US 2009/0053664, F23C13/18, 26.02.2009 каталитические нагревательные устройства имеют нагревательный элемент цилиндрической формы, в котором топливо подается во внутреннюю полость и радиационный тепловой поток излучается радиально в направлении перпендикулярном оси цилиндра во внешнюю среду. В патенте US 6971380, F23D14/18, 06.12.2005 используется подвижный рефлектор для изменения направления теплового потока. Рефлектор позволяет формировать тепловой поток в виде широкого сектора. Данные устройства предназначены для обогрева окружающей среды, и их использование для нагрева таких объектов как, например, трубопроводы неэффективно в виду высоких тепловых потерь в окружающую среду. В патентах US 3731668 и US 4319125 предлагаются каталитические нагреватели радиального типа трубчатой формы, в которых используются продольные рефлекторы. В первом используется пара регулируемых рефлекторов плоской формы, а во втором - V-образной формы.
В патенте US 7066730 предлагается нагревательное устройство для нагрева газового или жидкого потока в трубопроводе. Нагревательное устройство состоит из коробчатых каталитических нагревателей, расположенных в виде ромба в поперечном сечении трубы. Изобретение включает закрытый корпус, с нагревателями и трубами внутри в виде змеевика, многократного пересекающего зону нагрева. Недостатком известного устройства является неравномерность нагрева поверхности трубы. Тепловой поток воздействует в максимальной степени на части трубы, ближайшие к излучающей поверхности нагревательного элемента, а на удаленные части трубы - в меньшей степени, что приводит к локальному неравномерному нагреву поверхности трубы. Значительные по длине участки ввода внутри бокса и «U» образный поворот не оснащены каталитическими нагревателями, следовательно, не отапливаются, что снижает эффективность системы подогрева.
Описанные выше нагревательные устройства содержат прямоугольные коробчатые каталитические нагреватели, подобные известному устройству в Пат. US 6932593, состоящему из прямоугольного коробчатого корпуса, в нижней части оснащенного подводящими патрубками, газораспределительной панелью с отверстиями, образующими полость газораспределительной системы, металлической сеткой, на которую уложен катализатор в виде тонковолокнистого покрытия с нанесенным активным компонентом, покровной рамкой крепления и металлической сеткой. К недостаткам такого каталитического нагревателя, и как следствие изготовленного из таких нагревателей нагревательного устройства, относятся большие размеры и вытекающее из этого усложнение конструкции.
В патенте US 5205732 описано кольцевое нагревательное устройство со схожими характеристиками. В данном изобретении также предлагается использование продольных плоских нагревателей, расположенных вокруг трубы и соединенных с механической поддержкой. В обоих изобретениях основным применением описанных нагревательных устройств является нанесение термоусадочных рукавов на незащищенные поверхности трубопроводов после сварки. В заявке US 2012/0090765 представлено нагревательное устройство, состоящее из двух полуцилиндрических частей, что позволяет монтировать устройство вокруг трубы, а также открывать и закрывать его. В качестве возможного метода нагрева упоминается инфракрасное излучение. Для соединения двух секций трубопровода друг с другом устройство имеет специальную форму с более узкой средней частью, предназначенной для установки усадочного рукава.
В патенте US 5037293 представлен полуцилиндрический нагреватель. В нагревателе, предназначенном для нагрева коротких участков трубопроводов, используется воздушно газовая смесь, которая подаётся под давлением и для достижения хорошего распределения вводится в нагреватель в нескольких местах. При этом достигается более равномерный нагрев, чем при использовании множества плоских прямоугольных нагревателей.
Большинство из рассмотренных устройств непосредственно контактируют с окружающей средой и для нагрева используют прямое излучение от нагревателя. Горячие отходящие газы при достаточной высокой температуре выпускаются непосредственно в окружающую среду, что приводит к существенной потере энергии.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к настоящему изобретению является нагревательное устройство на основе каталитических нагревателей, описанных в заявке US 20120037297, А1 , B32D37/04, F27D1 1/00, 16.02.2012, содержащее прямоугольные коробчатые каталитические нагреватели, собранные на двух подвижных полукольцевых платформах. Этот тип устройства нагрева имеет такие преимущества как легкость транспортировки и установки с использованием крепления в виде скобы, опоясывающей трубу, и минимальное или нулевое механическое воздействие на трубу. Однако, прямоугольные коробчатые каталитические нагреватели имеют значительный объем и вес, что приводит к увеличению размеров и веса всего устройства. Увеличению размеров и веса устройства приводит к необходимости использования дополнительных поддерживающих приспособлений, таких как гидравлическая кольцевая система отпирания-запирания, что в свою очередь также увеличивает вес устройства. Кроме того, громоздкость и высокая масса устройства требуют использования специальных погрузочно-разгрузочных транспортных средств.
Несмотря на существование ряда изобретений с использованием каталитического нагрева трубопроводов, есть возможности для разработки легкого, удобного в обращении, мобильного, высокоэффективного устройства, использующего технологию каталитического нагрева в качестве источника тепла и применяемого на практике для кратковременного или продолжительного нагрева малых, средних и крупных трубопроводных систем. Эта проблема решается представленным изобретением
Таким образом, изобретение решает задачу разработки легкого, удобного в обращении, мобильного, высокоэффективного устройства нагрева локальных участков трубопровода или других линейных объектов.
Изобретение относится к технологии и устройству для нагрева отдельных участков трубопровода и жидкости в нем в полевых условиях, также применимо для других протяженных объектов, таких как трубы, рельсы или балки. В частности, устройство сконструировано для нагрева жидкости или газа, транспортируемого по трубопроводу, при использовании радиационных нагревателей, работающих на основе каталитического сжигания газообразного углеводородного топлива.
Предложено устройство для нагрева локальных участков трубопровода или других линейных объектов в виде конструкции труба в трубе, покрытая теплоизоляционным материалом для снижения тепловых потерь в окружающую среду и предотвращения попадания холодного воздуха в устройство, которое состоит из радиационной секции, в которой производится тепло за счет каталитического сжигания газообразного топлива и конвекционной секции, в которой используется тепло отходящих газов для дополнительного нагрева.
Устройство сконструировано как фиксирующее устройство, которое охватывает сектор трубы, требующее минимальных приспособлений при транспортировке и оказывающее минимальное воздействие на структуру трубы.
Радиационная секция содержит не менее двух нагревательных элементов, систему распределения топлива, систему подачи воздуха и систему запуска, при этом большое количество трубчатых нагревательных элементов радиального типа расположены вокруг трубы и закреплены, по крайней мере, на двух полукольцевых коллекторах, соединенные с подводящими патрубками, расположенные коаксиально трубе в кольцевом сечении между трубой и отражателем. Отражатель состоит из двух внутренних полуобечаек, снабженных теплоизоляцией, и кожуха.
Альтернативной конструкцией радиационной секции является конструкция, которая включает два кольцевых нагревателя радиального типа, которые полностью окружают трубу, обеспечивая однородный нагрев внешней поверхности трубы.
Конвекционная секция представляет двухтрубный теплообменник, в которой отходящие газы двигаются через кольцевое отверстие между трубой и корпусом устройства, предпочтительно, в одном направлении для увеличения теплопередачи.
Устройство использует различные виды топлива, включая, но не ограничиваясь, пропан-бутановую смесь или природный газ.
Устройство может представлять собой модуль, состоящий из нескольких устройств.
Устройство оснащено сенсорами и системой контроля работы устройства и регулирования каждого нагревателя, как в комбинации, так и независимо друг от друга, при регулировании одним или более параметров таких, как расход топлива, отношение топлива к воздуху, на основе сигналов датчиков, установленных в устройстве, и опционально установленных на других устройствах, действующих на трубе, и/или установленных на трубе для определения условий эксплуатации транспортируемой по трубе жидкости
Устройство является безопасной системой, в которой топливо и воздух подаются отдельно, при этом топливо подается через систему подачи топлива и непосредственно на катализатор через внутреннюю полость устройства, воздух подается через систему подачи воздуха в окрестность катализатора снаружи, а кислород, содержащийся в воздухе, поступает к катализатору за счет диффузии.
Устройство этого изобретения представляет собой закрытую систему типа «труба в трубе», которая полностью окружает трубопровод или другой протяженный объект, и при этом установка и демонтаж проходят легко и быстро. Устройство покрыто слоем изоляционного материала, чтобы свести к минимуму потери тепла, и оснащено внешней металлической оболочкой, чтобы обеспечить механическую поддержку и устойчивость. Оболочка состоит из двух полуцилиндрических створок, соединенных шарниром, закрывающихся замком на противоположной стороне.
Устройство состоит из двух секций. В первой, радиационной секции, тепло вырабатывается путем беспламенного каталитического сжигания газообразного топлива, при прохождении его через слой катализатора. В радиационной секции инфракрасное излучение равномерно нагревает внешнюю поверхность трубы и поток жидкости внутри. Радиационная секция содержит один или несколько каталитических нагревательных элементов, газораспределительную систему, систему подачи воздуха и систему зажигания. Вторая секция - дополнительная конвекционная секция, которая представлена в виде двухтрубного теплообменника, где высокая температура продуктов горения или паров используется для обеспечения дополнительного нагрева. Поток газа внутри устройства приводится в движение небольшим избыточным давлением на входе потоков воздуха и топлива. Отходящие газы при давлении близком к атмосферному давлению отводятся из устройства через систему отвода в конце конвекционной секции. Основная или предпочтительная конструкция радиационной секции включает в себя несколько нагревательных элементов в виде трубчатых каталитических нагревателей радиального типа, тепловой поток в которых направлен радиально во внешнюю сторону от нагревателя (от воображаемой оси трубчатого нагревателя), расположенных вокруг трубопровода, соединенных, по крайней мере, с двумя полукольцевыми коллекторами через подводящие патрубки. Трубчатые каталитические нагреватели расположены вдоль трубы параллельно и на одинаковом расстоянии от трубы. Сверху нагреватели закрыты кожухом, который состоит из двух внутренних полуобечаек, выполняющих функцию рефлекторов, теплоизоляционного слоя и внешним кожухом. Альтернативные модификации с несколькими полукольцевыми коллекторами и различными полукольцевыми рефлекторами также рассмотрены в изобретении. Это устройство разработано для нагрева трубопроводов среднего и большого диаметра.
Альтернативная конструкция радиационной секции содержит два нагревательных элемента в виде полуцилиндрических, или полукольцевых, каталитических нагревателей, тепловой поток в которых направлен радиально во внутреннюю сторону, или в сторону воображаемой оси нагревателя. Эта конструкция предлагается для труб малых диаметров.
Во всех модификациях изобретение включает в себя систему управления и датчики, подающие сигналы в систему управления, для отслеживания работы устройства и управления мощностью или тепловым потоком устройства, управляя одним или более параметрами, такими как расход топлива, состав топливной смеси, соотношение топлива к воздуху. Блок управления также может получать внешние сигналы от других нагревателей на трубопроводе и/или от других датчиков, фиксирующих параметры работы потока жидкости или условия окружающей среды. Если трубопровод нагревается несколькими устройствами или нагревательными модулями, сформированными одним или несколькими устройствами, описанными в этом изобретении, система управления может быть централизованной для мониторинга, контроля и оптимизации работы в целом всей системы нагрева трубопровода. Устройство этого изобретения имеет высокий коэффициент полезного действия благодаря тому, что имеет две секции и конструкции типа «труба в трубе». Конструкция может быть установлена с минимальным воздействием на инфраструктуру трубопровода. Устройство может быть адаптировано к различным видам топлива, предпочтительны пропан-бутановая смесь и природный газ. Каталитические нагревательные элементы имеют широкий диапазон регулирования мощности (возможность увеличения от минимальной мощности до максимальной на 400 %). Система управления позволяет оптимизировать работу устройства для определенного катализатора и топлива и обеспечить низкий уровень выбросов оксидов азота и несгоревших углеводородов.
Для запуска устройства может использоваться ряд известных способов, что и расширяет возможности использования и эксплуатации устройства в части диапазона рабочих условий или вида доступного газового топлива.
В основной конструкции устройства использование трубчатых каталитических нагревателей решает проблему упрощения конструкции, снижения ее веса и габаритов, что приводит к упрощению эксплуатации и технического обслуживания устройства. Технический результат - устройство нагрева участков трубопровода на базе трубчатых каталитических нагревателей имеет небольшой вес и габаритные размеры, что позволяет обслуживать устройство без использования специального дорогостоящего оборудования и с меньшим численным составом операторов, даже для труб, имеющим большой диаметр. Низкий вес конструкции не требует использования гидравлической системы отпирания-запирания. При необходимости это устройство может быть дополнена трубчатыми нагревателями, чтобы увеличить мощность устройства. Полукольцевые каталитические нагреватели в модификации для труб малых диаметров и каждый из трубчатых каталитических нагревателей в модификации для труб больших диаметров потенциально могут использоваться независимо друг от друга с целью регулирования мощностью нагрева, подводимой к трубе. Конструкция полукольцевых каталитических нагревателей проще и устраняет необходимость применения рефлекторов, но ее применение ограничено применением для труб малых диаметров. Конструкция полукольцевых каталитических нагревателей позволяет получить такие же преимущества в габаритах, весе и простоте монтажа, как и в основной конструкции.
Устройство может использоваться как стационарный или мобильный автономный нагреватель, которое легко транспортируются автомобильным транспортом или другими средствами. Устройство может быть использовано для обеспечения течения жидкости, предотвращая образование пробок в трубах или устраняя пробки, образованные в результате непредвиденного снижения температуры на определенном участке трубопровода (например, но, не ограничиваясь этим примером, при разгерметизации трубопровода или сбросе давления, приводящее к снижению скорости потока), или предотвращая образование гидратных пробок. Конструкция устройства позволяет устанавливать ряд таких устройств последовательно друг за другом, создавая конструкционные модули тепловых станций.
Сущность изобретения иллюстрируется Фиг. 1—7.
Фиг. 1 показывает вид предпочтительной модификации устройства в продольном сечении, проходящем через осевую линию трубопровода.
Фиг. 2 показывает вид устройства в поперечном сечении по линии 1.1-1.2, указанной на Фиг. 1, в предпочтительной модификации, в которой оболочка используется в качестве отражателей.
Фиг. 3 показывает поперечное сечение устройства, показанное на
Фиг. 2, для альтернативной модификации, содержащей два ряда трубчатых нагревательных элементов.
Фиг. 4 показывает поперечное сечение устройства, показанное на рис. 2, для альтернативной модификации радиационной секции с индивидуальными отражателями для каждого трубчатого нагревательного элемента. Фиг. 5 показывает вид устройства в продольном сечении, проходящем через осевую линию трубопровода, для альтернативной модификации радиационной секции для труб малого диаметра.
Фиг. 6. показывает вид устройства в поперечном сечении по линии 1.1-1.2, указанной на Фиг. 5, для альтернативной модификации радиационной секции для труб малого диаметра.
Фиг. 7 показывает вид продольного сечения устройства, включая датчики и систему управления.
Предпочтительная модификация устройства показана на Фиг. 1 и Фиг. 2. Устройство в виде системы типа «труба в трубе» полностью окружает трубопровод 2 для того, чтобы обеспечить равномерный нагрев на его внешней поверхности. От нагретой металлической стенки трубы тепло далее передается потоку жидкости 3. Устройство состоит из двух полукольцевых элементов 4.1, 4.2, соединенных шарниром 5, с замком 6 на противоположной стороне, что позволяет открывать и закрывать устройство при установке и демонтаже. Полукольцевые элементы 4.1, 4.2 имеют слой изолятора 8, чтобы свести к минимуму потери тепла, и металлический корпус (внешний кожух) 9, который защищает внутренние элементы от внешнего воздействия и обеспечивает механическую прочность. Устройство закрыто по краям при помощи боковых стенок 7.1, 7.2. Устройство состоит из двух секций, каждая из которых названа по преобладающему в них типу теплопередачи: радиационная секция 10, где тепло генерируется за счет каталитического сжигания газового топлива, и конвекционная секция 11, где горячие продукты горения обеспечивают дополнительный нагрев. Предпочтительная модификация радиационной секции 10 содержит множество трубчатых каталитических нагревателей радиального типа 12, тепловой поток от которых направлен радиально во внешнюю сторону от нагревательного элемента. В устройстве могут быть использованы трубчатые нагревательные элементы, как описаны в патентах RU JV» JVa 2315908, 2379589 2334169. Трубчатые нагревательные элементы крепятся на двух полукольцевых коллекторах 13.1, 13.2, которые предназначены для подвода газа и соединены с подводящими патрубками 15.1 и 15.2. Топливо подается на каталитический слой через внутреннюю полость трубчатых нагревательных элементов, и отходящие газы отводятся снаружи нагревательного элемента. Часть радиационного излучения непосредственно направлено на трубу, но значительная часть направлена в разных направлениях. Излучение отражается при помощи отражателей 14.1 и 14.2, представляющих внутренние полуобечайки, соответствующих по форме полукольцевым элементам 4.1, 4.2. Полукольцевые коллекторы 13.1 и 13.2 расположены коаксиально трубе 2 в кольцевом сечении между отражателями 14.1, 14.2 и трубой 2. Наличие разъемного соединения 5 позволяет разъединить и использовать оба полукольцевых элемента 4.1 и 4.2 автономно независимо друг от друга.
На Фиг. 3 представлена модификация радиационной секции с использованием трубчатых нагревательных элементов альтернативная модификации, представленной на Фиг. 2. Эта модификация также имеет два полукольцевых коллектора 13.1, 13.2 с соответствующими подводящими патрубками 15.1, 15.2 и оснащена двумя дополнительными полукольцевыми коллекторами 16.1, 16.2 с соответствующими дополнительными подводящими патрубками 17.1, 17.2. Другая альтернативная модификация на основе модификаций, представленных на Фиг. 2 и Фиг. 3, имеет вместо внутренней отражающей оболочки 18 изогнутые отражатели, как показано на Фиг. 4, индивидуальные для каждого трубчатого нагревателя вдоль всей его длины.
Альтернативная модификация радиационной секции с тепловым потоком, направленным радиально во внутреннюю сторону (или в сторону воображаемой оси нагревательного элемента), представленная на Фиг. 5 и Фиг. 6, использует два полукольцевых (полуцилиндрических) каталитических нагревательных элемента 19.1 и 19.2, расположенных коаксиально трубопроводу. Топливо подается через подводящие патрубки 15.1 и 15.2 и сгорает при прохождении через слои. Горячие отходящие газы отводятся через щель 20 между катализатором и трубой по направлению к конвекционной секции (направление потока обозначено на Фиг. 5 стрелками). В предпочтительной и в альтернативных модификациях отходящие газы отводятся от катализатора при высокой температуре, близкой к температуре катализаторного слоя. Затем отходящие газы поступают в конвекционную секцию 11, где происходит дальнейшая передача тепла от отходящих газов к трубопроводу с жидкостью. Конвекционная секция представляет собой систему типа «труба в трубе», в которой горячие отходящие газа движутся через кольцевое пространство между трубой и кожухом 21 параллельно трубе.
Для того чтобы получить компактную конструкцию с хорошей теплопередачей, предпочтительнее использовать одностороннюю конвекционную секцию, когда конвекционная секция расположена с одной стороны радиационной секции, как показано на Фиг. 1 и Фиг. 5. В этом случае отходящие газы после катализатора двигаются только в одном направлении. Маленький зазор 20, т.е. маленькое проходное сечение, предпочтительно для того, чтобы увеличить скорость отходящих газов и теплоперенос. Направление потока отходящих газов противоположное направлению потока жидкости также предпочтительно для увеличения теплопереноса, поскольку в этом случае достигается более высокая разница температур между отходящими газами и жидкостью. Избыточное давление воздуха и топлива на входе достаточно для прохождения газов через каталитические слои и конвекционную секцию и выхода через отвод 22.
Альтернативная модификация может включать двухстороннюю конвекционную секцию, когда конвекционные секции типа труба в трубе расположены по каждую сторону от радиационной секции. Отходящие газы в этом случае после катализатора разделяются на два потока, движущиеся в противоположных направлениях. Такая конструкция предпочтительна, если необходимо обеспечить нагрев больших зон трубы.
Альтернативная модификация устройства может включать конвекционную секцию очень маленького размера или не включать конвекционную секцию совсем в случаях, когда эффективность использования энергии не так важна, например, в случаях, когда для обеспечения потока важен нагрев части трубы за короткий период времени.
Возможны два типа сжигания топлива: 1) диффузионный, при котором кислород подводится к поверхности катализатора из окружающего воздуха за счет диффузии; 2) со смешиванием воздуха и топлива в устройстве перед катализатором. В последнем образуется взрывоопасная смесь. Поэтому первый тип является предпочтительным, поскольку является более безопасным. Топливо подается через газораспределительную систему, включающую подводящие патрубки 15.1, 15.2 и коллекторы 13.1, 13.2, через внутреннюю полость нагревательного элемента непосредственно к слою катализатора. Подача воздуха осуществляется с помощью система подачи воздуха 23 снаружи, во избежание образования взрывоопасной смеси. Тепло образуется в результате беспламенного каталитического сжигания газообразного топлива на катализаторе, к которому подводятся топливо и воздух. Для обеспечения полного сгорания отношение воздуха к топливу выше стехиометрического. На вход устройства газовое топливо и воздух подаются при температуре окружающей среды. Продукты реакции, или отходящие газы, нагреваются на катализаторе, обладающем развитой поверхностью, до высокой температуры в результате эффективной теплопередачи.
Устройство и его модификации, рассматриваемые в изобретении, могут быть адаптированы к различным видам топливных газов. Основными различиями при использовании разных видов газа являются: теплота сгорания топливного газа, активный компонент катализатора и температура зажигания топливного газа на катализаторе (т.е. минимальная температура, до которой необходимо предварительно нагреть катализатор, для активации каталитического окисления углеводородов). В качестве топлива могут быть использованы пропан-бутановая смесь, имеющая температуру зажигания около 200°С, для которой в качестве активного компонента предпочтительнее использовать платину, и природный газ (в основном, состоящий из метана), имеющий температуру зажигания около 450 °С, для которого в качестве активного компонента предпочтительнее использовать палладий. Для запуска устройства необходимо разогреть катализатор до температуры выше температуры зажигания используемого топлива. Режим запуска может выполняться четырьмя способами: 1) разогрев при пламенном сжигании топлива; 2) разогрев при каталитическом сжигании водорода с использованием пусковой газовой смеси, содержащей водород; 3) разогрев с помощью электрического нагрева; 4) разогрев горячим воздухом, нагретым с помощью внешнего источника.
Например, при первом способе запуска устройство устанавливается на трубопроводе, при этом полукольцевые элементы, изначально находятся в открытом положении, т.е. разведены. Газообразное топливо подается по патрубкам 15.1 и 15.2 в коллектор 13.1 и 13.2 с расходом в 2-3 раза больше, чем номинальный расход. Горение происходит в режиме открытого пламени, а положение полукольцевых элементов в открытом (разведенном) состоянии предотвращает воздействие пламени с поверхностью трубы. Горение в режиме открытого пламени продолжается до перехода в каталитический режим горения; ориентировочно время запуска составляет 3-5 мин при температуре окружающей среды 20 °С. При переходе горения в каталитический режим устанавливается номинальный расход газа, и устройство закрывается, после чего устройство готово к использованию в нормальном режиме.
Пусковой разогрев с помощью электрического нагревателя может выполняться двумя способами: а) когда электрический нагреватель встроен во внутреннюю полость каталитических нагревателей; б) когда электрический нагреватель крепится на/вблизи поверхности каталитического нагревателя. Встроенный электрический нагреватель имеет электрические разъемы на торцевой поверхности каталитического нагревателя.
Пусковой разогрев с помощью горячего воздуха, нагретого от внешнего источника, может быть осуществлен при подаче горячего воздуха через кольцевое отверстие (щель) между устройством и трубой или через внутреннюю полость нагревательных элементов с использованием коллекторов и подводящих патрубков, описанных выше. Горячий воздух подается до тех пор, пока температура катализатора не достигнет необходимой температуры. После разогрева катализатора до необходимой температуры подается топливный газ. Одновременно с этим прекращается подача горячего воздуха. После запуска устройства температура катализатора поддерживается за счет экзотермической реакции. Температура зажигания топлива соответствует минимальной рабочей температуре на поверхности катализатора. Температура катализатора может варьироваться от температуры зажигания (нижний предел) до 700 °С и выше, что соответствует максимальному тепловому потоку данной технологии (верхний предел).
В всех модификациях изобретение включает в себя датчики для контроля параметров работы устройства и блоки управления для регулирования подачи воздуха и/или топлива, и/или состава топлива. В модификации на Фиг. 7, где конструкция радиационной секции может соответствовать любой вышеописанной модификации, система управления может включать температурные датчики 24.1, 24.2, 25.1, 25.2 и 26 соответственно для измерения в одной или нескольких точках температуры нагревательного элемента, температуры стенки трубы в радиационной секции и температуры отходящих газов на выходе из устройства. Устройство также оснащено регулирующими клапанами 27.1 и 27.2 для контроля расхода и состава топлива, подаваемого в устройство, а также может включать датчики температуры, расхода и/или давления. Подачу топлива к каждому нагревательному элементу можно регулировать независимо друг от друга. Аналогичным образом устройство 28 включает в себя клапан для регулирования расхода воздуха, подаваемого в систему, и может включать в себя датчики температуры, расхода и/или давления. Сигналы датчиков передаются в систему управления 29, где преобразуются в цифровые данные и обрабатываются с помощью соответствующей аппаратуры, и передается в блок управления. Система управления может использоваться для контроля условий эксплуатации и управления устройством. Контроллер может выполнять обычный контроль параметров, управление, основанное на модели прогнозирования или других алгоритмах, производить корректировки на основе полученных данных. Система может регулировать расход и состав топлива или расход воздуха путем приведения в действие соответствующих клапанов для того, чтобы управлять мощностью устройства или тепловым потоком. Управление мощностью устройства и температурой внешней поверхности трубы осуществляется регулированием или расходом и составом топлива или расхода воздуха путем приведения в действие соответствующих клапанов. При заданном с помощью контроллера соотношении воздуха к топливу и заданном расходе одного из реагентов, топлива или воздуха, расход другого реагента регулируется с помощью системы управления.
Подача топливного газа и воздуха в устройство регулируется в таком диапазоне, чтобы температура каталитического слоя, с одной стороны, была выше температуры зажигания, чтобы предотвратить затухание каталитического горения. С другой стороны, максимально допустимая температура катализатора ограничивается максимальной температурой поверхности трубы, выше которой возможен перегрев, приводящий к повреждению трубы или нежелательному изменению свойств жидкости. Устройство может функционировать в пределах этих двух значений температуры при контроле количества выделяемого тепла. В некоторых случаях в систему управления 30 могут подаваться другие сигналы, Эти сигналы могут включать в себя информацию о состоянии транспортируемой жидкости, полученную в потоке выше и ниже устройства, например, температуру, расход и/или давление, параметры других нагревателей, установленных в трубопроводе. Таким образом обеспечивается централизованное управление всей системой нагрева.

Claims

Формула изобретения
1. Устройство нагрева локальных участков трубопровода или других линейных объектов в виде конструкции труба в трубе, покрытая теплоизоляционным материалом для снижения тепловых потерь в окружающую среду и предотвращения попадания холодного воздуха в устройство, отличающее тем, что оно состоит из радиационной секции, в которой производится . тепло за счет каталитического сжигания газообразного топлива и конвекционной секции, в которой используется тепло отходящих газов для дополнительного нагрева.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что радиационная секция содержит не менее двух трубчатых нагревательных элементов, систему распределения топлива, систему подачи воздуха и систему запуска, при этом большое количество трубчатых нагревательных элементов радиального типа расположены вокруг трубы и закреплены, по крайней мере, на двух полукольцевых коллекторах, соединенные с подводящими патрубками, расположенные коаксиально трубе в кольцевом сечении между трубой и отражателем.
3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что отражатель состоит из двух внутренних полуобечаек, снабженных теплоизоляцией, и кожуха.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что конструкция радиационной секции включает два полукольцевых нагревателя радиального типа, которые полностью окружают трубу, обеспечивая однородный нагрев внешней поверхности трубы.
5. Устройство по п. 1 , отличающееся тем, что конвекционная секция представляет двухтрубный теплообменник, в которой отходящие газы двигаются через кольцевое отверстие между трубой и корпусом устройства, предпочтительно, в одном направлении для увеличения теплопередачи.
6. Устройство по п. 1 , отличающееся тем, что оно использует различные виды топлива, включая, но не ограничиваясь, пропан-бутановую смесь или природный газ.
7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно может представлять собой модуль, состоящий из нескольких устройств.
8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно оснащенное сенсорами и системой контроля работы устройства и регулирования каждого нагревателя, как в комбинации, так и независимо друг от друга, при регулировании одним или более параметров таких, как расход топлива, отношение топлива к воздуху, на основе сигналов датчиков, установленных в устройстве, и опционально установленных на других устройствах, действующих на трубе, и/или установленных на трубе для определения условий эксплуатации транспортируемой по трубе жидкости.
PCT/RU2014/000378 2014-05-26 2014-05-26 Устройство нагрева локальных участков трубопровода WO2015183121A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014120942/06A RU2564731C1 (ru) 2014-05-26 2014-05-26 Устройство нагрева локальных участков трубопровода
RU2014120942 2014-05-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015183121A1 true WO2015183121A1 (ru) 2015-12-03

Family

ID=54289604

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2014/000378 WO2015183121A1 (ru) 2014-05-26 2014-05-26 Устройство нагрева локальных участков трубопровода

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2564731C1 (ru)
WO (1) WO2015183121A1 (ru)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106439368A (zh) * 2016-12-20 2017-02-22 北京市公用事业科学研究所 一种管道加热器
CN110778842A (zh) * 2019-03-20 2020-02-11 邢台旭阳科技有限公司 一种高温输送焦炉荒煤气的方法及装置
CN111878815A (zh) * 2020-07-29 2020-11-03 镇江美博红外科技有限公司 一种红外线管道加热装置
CN114811247A (zh) * 2022-04-21 2022-07-29 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 一种熔盐管道加热单元、装置及方法
CN116140160A (zh) * 2022-09-08 2023-05-23 牛彤 一种可不停工安装维护的石油运输管道涂层加温装置

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU199677U1 (ru) * 2019-05-13 2020-09-14 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Каталитический блок сжигания углеводородов и генерации теплоты установки удаления углеводородов

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030078212A1 (en) * 1998-10-30 2003-04-24 Jia-He Li Pharmaceutical compositions containing poly(adp-ribose) glycohydrolase inhibitors and methods of using the same
US20080095866A1 (en) * 2004-09-14 2008-04-24 Ajinomoto Omnichem S.A. Topical Compositions Containing Phosphorylated Polyphenols
UA77774U (ru) * 2012-08-27 2013-02-25 Державна Установа "Інститут Мікробіології Та Імунології Ім. І.І. Мечникова Амн України" Комбинаторный сукцинилированный галлотанин с противогрибковыми свойствами

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD135232A1 (de) * 1977-10-03 1979-04-18 Wolfgang Brandenburg Vorrichtung zum beheizen von rohrleitungen
US5205732A (en) * 1991-12-23 1993-04-27 Cis-Can Industries Ltd. Pipe heating apparatus
RU2140045C1 (ru) * 1998-07-06 1999-10-20 Государственное предприятие "Авиагаз-Союз" Технологический нагреватель
RU2315908C1 (ru) * 2006-06-13 2008-01-27 Институт Катализа Им. Г.К. Борескова Сибирского Отделения Российской Академии Наук Устройство для каталитического сжигания природных и сжиженных газов
GB201119345D0 (en) * 2011-11-09 2011-12-21 Saipem Spa Method and apparatus for heating heat-shrinkable pipe sleeves

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030078212A1 (en) * 1998-10-30 2003-04-24 Jia-He Li Pharmaceutical compositions containing poly(adp-ribose) glycohydrolase inhibitors and methods of using the same
US20080095866A1 (en) * 2004-09-14 2008-04-24 Ajinomoto Omnichem S.A. Topical Compositions Containing Phosphorylated Polyphenols
UA77774U (ru) * 2012-08-27 2013-02-25 Державна Установа "Інститут Мікробіології Та Імунології Ім. І.І. Мечникова Амн України" Комбинаторный сукцинилированный галлотанин с противогрибковыми свойствами

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ALKHUSSEIN ALI MUSTAFA ET AL.: "Antimikrobnaia aktivnost proizvodnykh atsilirovannykh tannidov.", UKRALNSKII ZHURNAL KLINICHNOI TA LABORATORNOI MEDITSINI, 2013, pages 76 - 78 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106439368A (zh) * 2016-12-20 2017-02-22 北京市公用事业科学研究所 一种管道加热器
CN110778842A (zh) * 2019-03-20 2020-02-11 邢台旭阳科技有限公司 一种高温输送焦炉荒煤气的方法及装置
CN110778842B (zh) * 2019-03-20 2022-03-11 河北科技大学 一种高温输送焦炉荒煤气的方法及装置
CN111878815A (zh) * 2020-07-29 2020-11-03 镇江美博红外科技有限公司 一种红外线管道加热装置
CN114811247A (zh) * 2022-04-21 2022-07-29 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 一种熔盐管道加热单元、装置及方法
CN116140160A (zh) * 2022-09-08 2023-05-23 牛彤 一种可不停工安装维护的石油运输管道涂层加温装置
CN116140160B (zh) * 2022-09-08 2024-04-05 牛彤 一种可不停工安装维护的石油运输管道涂层加温装置

Also Published As

Publication number Publication date
RU2564731C1 (ru) 2015-10-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2564731C1 (ru) Устройство нагрева локальных участков трубопровода
KR101740010B1 (ko) 응축형 열교환기를 구비한 고온 유체 생성 장치
AU567032B2 (en) Heat exchanger
Gentillon et al. Stable flame limits for optimal radiant performance of porous media reactors for thermophotovoltaic applications using packed beds of alumina
US6663011B1 (en) Power generating heating unit
US9080766B2 (en) Enhanced emission control for outdoor wood-fired boilers
KR20150028468A (ko) 전기 순간온수기용 가열장치
US20110129393A1 (en) Electrically-Heated Contact Fuel Vaporizer for a Hydrocarbon Reformer
RU2596900C1 (ru) Каталитическое нагревательное устройство с распределителем газового потока
GB2160967A (en) Gas-fired space heating unit
RU2564377C1 (ru) Система для исследования высокотемпературных отложений
US4805590A (en) Gas space heating unit
JP6124534B2 (ja) 燃焼システム
RU2225964C1 (ru) Подогреватель газа
JP4901054B2 (ja) 希薄濃度の可燃ガスを燃焼させる過圧燃焼器
RU2296921C2 (ru) Подогреватель жидких или газообразных сред
CN214972866U (zh) 一种农业化工重卤素废气热裂解氧化设备
JP2005274063A (ja) 触媒燃焼式流体加熱装置
Ishola et al. 2-DIMENSIONAL CFD SIM FIRED PYROLYS
RU2778027C1 (ru) Теплогенератор
CN220707332U (zh) 一种多孔介质燃烧器及加热炉
RU2228502C2 (ru) Технологический нагреватель
JPS62502771A (ja) バ−ナ−及び熱交換器付き加熱装置
FR2694382A1 (fr) Chaudière à basse température à panneaux radiants catalytiques.
KR20010021230A (ko) 브라운 가스 열핵반응 연소 방식의 고온로

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14892976

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14892976

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1