УСТРОЙСТВО НАГРЕВА ЛОКАЛЬНЫХ УЧАСТКОВ ТРУБОПРОВОДА Российский патент 2015 года по МПК F16L53/00 F23D14/18 F23C13/00 

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 нолей, может быть причиной электрической коррозии металла, что требует дополнительных мер защиты.

Факельное сжигание топлива дает высокую температуру (до 1100-1300°C), 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°C, 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, F23D 14/18, 06.12.2005 и заявке US 2009/0053664, F23C 13/18, 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, F23D 14/18, 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 подается 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.

Известно устройство, описанное в заявке US 20120037297, A1, B32D 37/04, F27D 11/00, 16.02.2012, содержащее прямоугольные коробчатые каталитические нагреватели, собранные на двух подвижных полукольцевых платформах. Этот тип устройства нагрева имеет такие преимущества, как удобство 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 необходимости использования дополнительных поддерживающих приспособлений, таких как гидравлическая кольцевая система отпирания-запирания. Кроме того, громоздкость и высокая масса устройства требуют использования специальных погрузочно-разгрузочных транспортных средств.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к настоящему изобретению является нагревательное устройство, описанное в патенте DD 135232 от 18.04.79, содержащее радиационную секцию, в которой тепло генерируется при каталитическом сжигании горючих газов или паров легковоспламеняющихся/горючих жидкостей в каталитическом нагревателе, и секцию конвективного теплообмена, в которой отходящие газы, проходя кольцевой канал между трубопроводом и теплоизолированным кожухом передают теплоту жидкости (газу) в трубопроводе.

Недостатком этого изобретения является неразъемная конструкция нагревательного устройства, что приводит к затруднениям при монтаже и демонтаже нагревательного устройства. Также отсутствие теплоизоляции непосредственно на каталитическом нагревателе ведет к значительным тепловым потерям и снижению эффективности системы. Кроме того, конструкция устройства предполагает, что оно работает с использованием топливовоздушной смеси, т.е. воздух смешивается с горючими газами или парами легковоспламеняющихся/горючих жидкостей до подачи на катализатор. Такое смешение является опасным, т.к. при этом образуются взрывоопасные газовые смеси.

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, образующее с нагреваемым участком конструкцию типа труба в трубе, покрытое 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 трубопровода, требующее минимальных приспособлений при транспортировке и оказывающее минимальное воздействие на структуру трубопровода.

Радиационная секция состоит из двух полуцилиндрических нагревательных элементов, системы распределения топлива, системы подачи воздуха и системы запуска. Полуцилиндрические нагревательные элементы включают в себя трубчатые каталитические нагреватели. При этом большое количество трубчатых каталитических нагревателей расположено вокруг трубопровода и закреплено, по крайней мере, на двух полукольцевых коллекторах, соединенных с подводящими патрубками, расположенных коаксиально трубопроводу в кольцевом сечении между трубопроводом и отражателем. Отражатель состоит из двух внутренних полуобечаек, снабженных теплоизоляцией, и кожуха.

Альтернативной конструкцией радиационной секции является конструкция, которая включает два полукольцевых каталитических нагревателя, которые полностью окружают трубопровод, обеспечивая однородный нагрев внешней поверхности трубы.

Конвекционная секция представляет двухтрубный теплообменник, в которой отходящие газы двигаются через кольцевое отверстие между трубопроводом и корпусом устройства.

Различные виды топлива могут быть использованы в устройстве, например пропан, бутан, пропан-бутановая смесь, природный газ, попутный нефтяной газ.

Устройство представляет собой модуль, который включает несколько радиационных секций и конвекционных секций.

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 трубопроводе, и/или установленных на трубопроводе для определения условий эксплуатации транспортируемой по трубе жидкости.

Устройство является безопасной системой, поскольку не образуется взрывоопасной топливо-воздушной смеси. Это достигается за счет того, что топливо и воздух подаются на катализатор с разных направлений. Топливо подается через систему подачи топлива непосредственно на катализатор через внутреннюю полость устройства, тогда как воздух подается принудительно через систему подачи воздуха в окрестность катализатора с противоположной (внешней) стороны катализатора. Непосредственно к поверхности катализатора кислород, содержащийся в воздухе, поступает за счет диффузии.

Устройство, смонтированное на трубопроводе, 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 стенку трубопровода, от которой теплота передается жидкости или газу внутри трубопровода. 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 трубчатые каталитические нагреватели, тепловой поток в каждом из которых направлен радиально во внешнюю сторону (в направлении от воображаемой продольной оси трубчатого каталитического нагревателя). Трубчатые каталитические нагреватели расположены вокруг трубопровода, соединены, по крайней мере, с двумя полукольцевыми коллекторами через подводящие патрубки. С внешней стороны трубчатые каталитические нагреватели закрыты кожухом, который состоит из двух внутренних полуобечаек, выполняющих функцию рефлекторов, теплоизоляционного слоя и внешнего кожуха. В смонтированном состоянии устройства на трубопроводе трубчатые каталитические нагреватели расположены вдоль трубопровода параллельно и на одинаковом расстоянии от трубопровода. 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 полуцилиндрический нагревательный элемент, состоящий из двух полукольцевых каталитических нагревателей, тепловой поток в котором направлен радиально во внутреннюю сторону (в сторону воображаемой оси радиационной секции). Эта конструкция предлагается для трубопроводов 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 (радиационную и конвекционную) и образует с трубопроводом конструкцию типа «труба в трубе». Конструкция может быть установлена с минимальным воздействием на инфраструктуру трубопровода.

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 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 трубопроводов, имеющим большой диаметр. Низкий вес конструкции не требует использования гидравлической системы отпирания-запирания. При необходимости это устройство может быть дополнено трубчатыми каталитическими нагревателями, чтобы увеличить мощность устройства. Полукольцевые каталитические нагреватели в модификации для трубопроводов малых диаметров и каждый из трубчатых каталитических нагревателей в модификации для трубопроводов больших диаметров потенциально могут использоваться независимо друг от друга с целью регулирования мощности нагрева, подводимой к трубопроводу.

Конструкция полукольцевых каталитических нагревателей проще и устраняет необходимость применения рефлекторов, но ее применение ограничено применением для трубопроводов 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 или газа, предотвращая образование пробок в виде отложений или газовых гидратов в трубопроводах 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). 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 каталитических нагревателей.

Фиг. 4 показывает поперечное сечение устройства, показанное на Фиг. 2, для альтернативной модификации радиационной секции с индивидуальными отражателями для каждого трубчатого каталитического нагревателя.

Фиг. 5 показывает вид устройства в продольном сечении, проходящем через осевую линию трубопровода, для альтернативной модификации радиационной секции для трубопроводов 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 трубопроводов 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, образующее с трубопроводом 2 систему типа «труба в трубе», полностью окружает трубопровод 2 для того, чтобы обеспечить равномерный нагрев стенки трубопровода. От нагретой стенки трубопровода тепло далее передается потоку жидкости 3. 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. Радиационная секция устройства состоит из двух полуцилиндрических нагревательных элементов 4.1, 4.2, соединенных разъемным шарниром 5, с замком 6 на противоположной стороне, что позволяет открывать и закрывать устройство при установке и демонтаже. Наличие разъемного шарнира 5 позволяет разъединить и использовать оба полуцилиндрических нагревательных элемента 4.1 и 4.2 автономно независимо друг от друга.

Радиационная секция 10 и конвекционная секция 11 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.

Предпочтительная модификация радиационной секции 10 содержит множество трубчатых каталитических нагревателей 12. Тепловой поток в трубчатом каталитическом нагревателе направлен радиально во внешнюю сторону от его воображаемой оси. В устройстве могут быть использованы трубчатые каталитические нагреватели, как описано в патентах RU №№2315908, 2379589 2334169. Трубчатые каталитические нагреватели 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 трубчатого каталитического нагревателя, отходящие газы отводятся снаружи трубчатого каталитического нагревателя. Часть радиационного излучения непосредственно направлено на трубопровод, но значительная часть направлена в разных направлениях. Излучение отражается при помощи отражателей 14.1 и 14.2, представляющих внутренние полуобечайки, соответствующих по форме полуцилиндрическим нагревательным элементам 4.1, 4.2. Полукольцевые коллекторы 13.1 и 13.2 расположены коаксиально трубопроводу 2 в кольцевом сечении между отражателями 14.1, 14.2 и трубопроводом 2.

На Фиг. 3 представлена радиационная секция с использованием трубчатых каталитических нагревателей, которая является альтернативной модификацией 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 радиационной секции на основе модификаций, представленных на Фиг. 2 и Фиг. 3, вместо отражателей 14.1, 14.2 имеет изогнутые отражатели 18, как показано на Фиг. 4, индивидуальные для каждого трубчатого каталитического нагревателя вдоль всей его длины.

Альтернативная модификация радиационной секции на основе полукольцевых каталитических нагревателей, представленная на Фиг. 5 и Фиг. 6, использует два полукольцевых каталитических нагревателя 19.1 и 19.2, расположенных коаксиально трубопроводу. Тепловой поток в полукольцевом каталитическом нагревателе направлен радиально в сторону воображаемой продольной оси симметрии радиационной секции. Топливо подается через подводящие патрубки 15.1 и 15.2 и сгорает при прохождении через катализатор. Горячие отходящие газы отводятся через кольцевое отверстие 20 между катализатором и трубопроводом 2 по направлению к конвекционной секции (направление потока обозначено на Фиг. 5 стрелками 21).

В предпочтительной и в альтернативных модификациях радиационной секции 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 или газом. Конвекционная секция вместе с трубопроводом представляет собой систему типа «труба в трубе», в которой горячие отходящие газа движутся через кольцевое отверстие 20 между трубопроводом 2 и полуцилиндрическими нагревательными элементами 4.1, 4.2 в направлении, как показано стрелками 21 на Фиг. 1, 5.

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 от радиационной секции. Кольцевое отверстие 20 маленького проходного сечения предпочтительно для того, чтобы увеличить скорость отходящих газов и теплопередачу. Противоток или направление потока отходящих газов, противоположное направлению потока жидкости (газа), более предпочтительно для увеличения теплопередачи, поскольку в этом случае достигается более высокая теплопередача между отходящими газами и жидкостью (газом) в трубопроводе 2.

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 две конвекционных секции, расположенные 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 участков трубопровода.

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 трубопровода за короткий период времени.

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 системы 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 от катализатора отходящим газам.

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, бутан, пропан-бутановая смесь, имеющие температуру зажигания около 200°С, для которой в качестве активного компонента предпочтительнее использовать платину, или природный газ и попутный нефтяной газ (в основном, состоящие 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 полуцилиндрические нагревательные 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 полуцилиндрических нагревательных элементов в открытом (разведенном) состоянии предотвращает воздействие пламени на поверхность трубопровода. Горение в режиме открытого пламени продолжается до перехода в каталитический режим горения; ориентировочно время запуска составляет 2-5 минут 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 трубопроводом 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 на катализаторе соответствует минимальной рабочей температуре 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).

Во 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 трубопровода 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 стенки трубопровода 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 стенки трубопровода, выше которой возможен перегрев, приводящий к повреждению трубы или нежелательному изменению свойств жидкости или газа. 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 (газа), полученную в потоке жидкости (газа) выше и ниже устройства, например, температуру, расход и/или давление, параметры других нагревателей, установленных в трубопроводе. Таким образом, обеспечивается централизованное управление всей системой нагрева.

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и может быть использовано для нагрева участка трубопровода и жидкости в нем в полевых условиях, а также применимо для нагрева 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 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. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство нагрева локальных участков трубопровода или других линейных объектов, образующее с локальным участком трубопровода или линейным объектом конструкцию труба в трубе, покрытое теплоизоляционным материалом, состоящее 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, отличающееся тем, что радиационная секция содержит не менее двух трубчатых каталитических нагревателей, систему распределения топлива, систему подачи воздуха и систему запуска, при этом трубчатые каталитические нагреватели расположены вокруг трубопровода и закреплены, по крайней мере, на двух полукольцевых коллекторах, соединенных с подводящими патрубками и расположенных коаксиально трубопроводу в кольцевом сечении между трубопроводом и отражателем, или радиационная секция состоит из двух полукольцевых каталитических нагревателей радиального типа, которые полностью окружают трубопровод.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отражатель состоит из двух внутренних полуобечаек, снабженных теплоизоляцией, и кожуха.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно представляет собой модуль, состоящий из нескольких радиационных и конвекционных секций.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно 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 трубопроводе, и/или установленных на трубопроводе для определения условий эксплуатации транспортируемой по трубопроводу жидкости.