Brevet FR2534666A1 — publié le 19840420

La présente invention concerne une installation pour échauffer directement des gaz combustibles en écoulement. L'installation selon l'invention convient pour un échauffement direct de gaz combustibles en écoulement, principalement des gaz naturels etautres hydrocarbures gazeux, s'écoulant dans une conduite, d'une manière telle qu'elle élimine les frais élevés engendrés par la -transmission indirecte de la chaleur et les pertes importantes d'énergie. En particulier, les gaz s'écoulant dans de longues tuyauteries, y compris les gaz combustibles, prennent la température ambiante au cours de leur écoulement. Cela peut provoquer une perturbation, notamment lorsque la pression de la quantié totale d'un gaz, ou bien seulement la partie de celui-ci par suite d'une dérivation, est considérablement diminuée par un dispositif de réduction de pression car, dans un tel cas, le gaz peut se refroidir si fortement qu'il provoque différentes perturbations dans le systeme de transport et de distribution, c'est-àdire dans le système d'alimentation. En conséquence, le refroidissement dans des conduites sur grandes distances et à haute pression peut être suffisamment fort pour que la séparation de phases liquides en résultat mette en danger le transport ultérieur du gaz. En conséquence, on monte-des installations d'échauffement en des endroits déterminés le long des tuyauteries de grande longueur, en particulier avant les réducteurs de pression, afin d'échauffer le gaz à un degré tel que sa température permette, après la modification d'état (réduction de pression), la continuation du transport sans incident. Dans le cas de conduites à haute pression pour gaz combustibles, ces installations d'échauffement fonctionnent avec un agent caloporteur et elles nécessitents de gros frais d'investissement tout en ayant un faible rendement. Les chaudières d'échauffement de gaz naturel qui sont utilisées pour des conduites de grandes longueurs, utilisent des échangeurs de chaleur eau-gaz, dans lesquels le gaz est échauffé par de l'eau chaude et où l'eau chaude est produite par une chaudière qui est installée à l'ex- térieur de la zone de sécurité et qui est chauffée par un brûleur à flamme dégagée. Les deux installations sont reliées entre elles au moyen d'une tuyauterie aussi longue que possible. Les grands frais d'investissement à engager pour de telles installations résultent d'abord de la très grande surface au sol à utiliser (et dans la plupart des cas des terrains agricoles à réquisitionner), de la longueur de la tuyauterie, de l'agencement anti-explosion indispensable des installations électriques et, également, du fait qu'aussi bien l'échangeur de chaleur que le circuit d'eau doivent etre agencés en considération de l'endommagement des surfaces séparant les deux milieux l'un de l'autre et, également, en considération de la pression élevée du gaz transporté.Leur exploiration est rendue coûteuse par le faible rendement obtenu, qui est imputable, d'une part, à la double transmission de chaleur (indirecte) (produit de combustion-eau-gaz transporté) et, d'autre part, par la perte thermique dans la longue tuyauterie reliant la chaudière au dispositif d'échauffement d'eau et à l'échangeur de chaleur. L'invention a pour but de remédier aux inconvénients précités. La présente invention est basée sur trois connaissances. La première connaissance concerne le fait bien connu que des gaz ne sont pas capables d'exploser pour une concentration de 100 %, que chaque gaz (mesuré dans l'air) a une concentration minimale (limite inférieure d'explosion) et une concentration maximale (limite supérieure d'explosion) entre lesquelles il peut explo ser, et que le mélangewgaz-air se comporte, dans le cas d'une concentration inférieure à la limite inférieure d'explosion, comme de l'air (c'est-à-dire qu'il ne brûle pas), tandis que,pour une concentration dépassant la limite supérieure d'explosion, il se comporte en tant que gaz (gaz pur) Cependant, les gaz combustibles sont transportés dans les tuyauteries avec une concentration de 100 50 et en conséquence ils ne présentent pas un risque d'explosion dans cet état. La seconde connaissance consiste en ce que, dans le cas de gaz combustibles ayant une chaleur de combustion correspondante, par exemple du gaz naturel d'ali-mentation servant à l'augmentation de là température d'une quantité de gaz G de 1000C - quant le produit de combustion est mélangé directement avec le gaz - - il est nécessaire de faire brûler une quantité de gaz de 0,005 G mais cependant cela constitue une quantité suffisamment faible pour que le produit de combustion ainsi mélangé ne diminue pas de façon notable la quantité du gaz transporté, et l'air propre correspondant en quantité au produit de combustion mélangé ne serait également pas suffisant pour approcher de la limite supérieure d'explosion,c'està-dire pour engendrer un danger La troisième connaissance consiste en ce que, dans le cas du mélange du produit de combustion avec le gaz combustible s'écoulant dans la tuyauterie, il n'est pas nécessaire d'effectuer une combustion complète qui devrait autrement être assurée lors de la combustion du gaz dans tout autre cas. Pour la combustion complète, on a besoin notamment de l'excès d'air, déterminé par la quantité du gaz, c'est-à-dire qu'il n'est pas suffisant de mélanger au gaz la quantité d'air chimiquement nécessaire pour ltoxydation (quantité d'oxygène), mais qu'il faut utiliser encore plus d'air.Dans le cas où la quantité d'air chimiquement nécessaire est mélangée au gaz (ce qui produit ce qu'on appelle un mélange stoechiométrique), des imbrûlés gazeux subsistent dans le produit de combustion, mais ils ne provoquent aucune perturbation dans le gaz pur. (Naturellement, la turbulence aussi grande que possible qui est engendrée dans la chambre de réaction en correspondance à la zone de combustion diminue les quantités d'air et de gaz qui ne participent pas à la réaction). En tenant compte simultanément de ces trois connaissances, la présente invention révèle un dispositif dans lequel un faible pourcentage du gaz transporté dans la tuyauterie précitée est dérivé et est brûlé avec contre-pression au moyen d'un brûleur agencé en correspondance et dans lequel le produit de combustion est mélangé avec le gaz transporté, en augmentant ainsi directement la chalgeur absobée du gaz transporté sous l'effet de la chaleur engrée lors de la combustion absorbée par le produit de combustion, et par conséquent la température du gaz transporté. Simultanément, on fait en sorte que le gaz froid s'écoule au contact de toute la surface du dispositif de combustion et extraie également la chaleur produire sur celle-ci et correspondant à des pertes, ce qui permet également de ne pas échauffer fortement le dispositif de combustion ainsi agencé, ce qui présente un avantage en ce qui concerne les dimensions, le choix des matériaux et la résistance des différents éléments. Egalement, on fait en sorte que l'intensité de chauffe soit proportionnelle à la quantité et à la température du gaz de balayage et, en outre, on empêche que l'air pénètre dans le système en cas d'arrêt de l'écoulement et/ou de la pression, ou bien que la chauffe se poursuive. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence, dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif en réfé rence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente un mode de mise en oeuvre de l'invention, produisant un changement de direction de 900,la figure représentation schématiquement par des blocs les éléments de régulation nécessaires pour obtenir un fonctionnement sûr; et la figure 2 représente schamtiquement l'agencement du mode de mise en oeuvre de l'installation conforme à l'invention, conçu sans modification directionnelle. La surface de délimitation du mode de réalisation représenté sur la figure 1 est constituée par le carter 1, qui se compose de deux parties, reliées entre elles de façon étanche par le moyen de jonction 17. Le carter 1 estnaturellement dimensionné avec la sécurité nécessaire pour résister à la pression régnant dans la conduite, de même que l'accumulateur de pression, Au carter 1 se raccorde la tubulure d'entrée 2, qui permet le raccordement de la conduite du gaz à échauffer au dispositif. De la tubulure d'entrée 2 part une dérivation 4, qui canalise la fraction correspondante du gaz, par l'intermédiaire de l'obturateur régulé 24 (sur la figure, à titre d'exemple, une électrovanne) jusque dans le mélangeur de gaz 5. La source d'air d'élimentation 6 (avantageusement un compresseur à haute pression mais qui peut également être constituée par une bouteille d'air comprimé avec régulateur de pression) est relié au mélangeur de gaz 5 par l'obturateur régulé 25. Le mélange de gaz 5 est relié au brûleur à gaz 8 par un tuyau de raccordement 7. L'agencement de la zone de raccordement a une forme telle qu'il assure l'écoulement turbulent du mélange gaz-air, et par conséquent, son mélange intime. Dans le volume placé en avant du brûleur à gaz 8 pénètre le dispositif d'allumage 9, qui peut être soit un allumeur à étincelles fonctionnant en permanence, soit un fil incandescent qui est excité de façon continue, ces deux solutions étant connues. Les deux systèmes d'allumeur étant almentés par la source 16 du dispositif d'allumage. Sur la partie arrière du carter 1 est disposée la plaque déflectrice 11 qui prolonge moyennant un retournement par un tube de profil conique 15. L'embouchure d'entrée 10 du tube conique 15 pénètre dans le cylindre 12, qui diminue de section (de manière à former un convergent), jusqu'à la tubulure de sortie 14. L'autre tronçon de la conduite peut être raccordé à la tubulure de sortie. Dans la conduite d'entrée ou dans la tubulure d'entrée 2, il est prévu un capteur d'écoulement 19 de type connu et un capteur de pression 18 dans le conduit 4, le capteur d'écoulement 19 fournissant un signal par l'intermédiaire du conducteur 20 tandis que le capteur de pression 18 fournit un signal par l'intermédiaire du conducteur 21, les deux signaux étant appliqués à un dispositif automatique 22 qui est agencé sous la forme d'une porte ET. Le signal de sortie du dispositif automatique 22 maintient les obturateurs régulés 24, 25 et le commutateur 26, par l'intermédiaire du conducteur 23, dans une condition d'ouverture - ledit commutateur pouvant être un commutateur à relais ou un commutateur à thyristor de type connu ) , de sorte que la source d'air d'alimentation 6 et la source 16 du dispositif d'allumage reçoivent l'alimentation en courant appropriée. Pour la commande du fonctionnement, on peut disposer un capteur de température de type connu dans la tubulure de sortie 14, son signal de sortie assurant la régulation des quantités de gaz s'écoulant dans le tuyau 4 et d'air entrant à l'aide d'un élément de type connu (étranglement variable, etc.) disposé dans la conduite. Les obturateurs régulés 24, 25 sont réprésentés sur la figure sous la forme d'électrovannes mais cependant ils peuvent être tégalement des éléments pneumatiques et, lorsqu'on utilise un commutateur pneumo-électrique comme commutateur commandé 26, la commande peut être également pneumatique, auquel cas, la présence de l'air comprimé garantit la source d'énergie nécessaire. Dans le cas du mode de réalisation représenté sur la figure 2, il n'existe aucun changement de direc tion et le dispositif peut être installé en ligne dans la tuyauterie, par l'intermédiaire de la tubulure d'entrée 2 et de la tubulure de sortie 14. Le carter 1 s'élargit du côté d'entrée et, sur l'axe de l'ouverture d'entrée, il est prévu une buse 30 qui canalise l'écoulement dans la chambre de forme cylindrique La tôle 33 de forme cylindrique délimite cette chambre à laquelle aboutit la conduite d'air 31. En correspondance à ce qui a été précisé en relation avec la figure précédente, un brûleur à gaz 8 est relié au moyen d'un convergent et d'un divergent à la chambre ainsi formée.La chambre cylindrique 29 qui est placée en regard du brûleur à gaz 8 est entourée par un faisceau tubulaire se composant des tubes de traversée 27, qui sont entourés par des anneaux de fermeture 28. Aux extrémités des tubes, le carter 1 se rétrécit par une partie convergente, et il est relié à la tubulure de sortie 14. Pour ce dispositif, il est nécessaire de prévoir des éléments automatiques de commande et de sécurité tels que ceux qui ont été décrits en référence à la figure 1, ces éléments ayant été supprimés sur la figure 2 en vue d'éviter une répétition. Pendant le fonctionnement de l'installation représentée sur la figure 1, le gaz à haute pression pénètre par la tubulure d'entrée 2 dans le dispositif et, de là, s'écoule dans la chambre à gaz 3 en direction du brûleur, change de direction du fait de la plaque déflectrice 11, passe peu après dans la cavité du cylindre 12 en direction de la chambre mélangeuse 13 et, en fin, quitte le dispositif par la tubulure de sortie 14. Un faible proportion de ce gaz parvient dans le mélangeur 5 par l'intermédiaire du conduit 4. Du fait que le capteur d'écoulement 19 et le capteur de pression 18 réagissent à un signal logique UN, la partie automatique 22 fournit à sa sortie un signal logique UN, qui provoque l'ouverture des obturateurs réglés 24, 25 et la fermeture du commutateur réglé 26, de sorte que la source d'énergie 6 est ainsi alimentée en air comprimé, et que le dispositif d'allumage 9 peut assurer l'allumage du brûleur. Le brûleur à gaz 8 s'allume alors et chauffe le tube de forme conique 15, qui est cependant refroidi sur ses faces extérieures par le gaz en écoulement. Le produit de combustion sortant de l'embouchure d'admission 10 pénètre dans le gaz et se mélange à celui-ci essentiellement par suite de la forte turbulente créée dans la chambre mélangeuse 13, de sorte qu'il cède complètement sa chaleur à la totalité du volume de gaz en écoulement. La plaque déflectrice 11 et le tube conique 15 ne peuvent que légèrement s'échauffer car lers faces extérieures sont refroidies par l'écoulement de gaz entrant. En marche normale, le circuit-de réculation décrit ci-dessus, et non représenté sur les figures, fait en sorte que l'intensité de chauffage corresponde à la quantité de gaz en écoulement et à la température du gaz (car la température du gaz s'écoulant en aval de l'installation constitue la valeur caractéristique régulée). Pendant une condition anormalede fonctionnement, il peut se produire ce qui suit: Par suite de la fermeture de la tuyauterie (on suppose que la fermeture s'effectue en aval du dispositif), l'écoulement s'interrompt, mais le dispositif reste encore sous pression. Dans ce cas, le capteur d'écoulement 19 délivre à sa sortie également un signal "0", ce qui provoque la fermeture des obturateurs régulés. L'ouverture du commu tateur régulé 26, et la cessation du chauffage; du gaz ne peut pas passer dans la conduite 4, de l'air provenant de la source d'alimentation ne peut pas pénétrer dans le système et, également, le dispositif d'allumage 9 est arrêté. Cependant, le circuit électrique de régulation de la marche pourrait également exécuter un processus semblable car il réduirait la chauffe jusqu'à zéro en détectant une température excessive dans la tubulure de sortie. En cas de baisse de pression (la conduite de grande longueur est obturée en un endroit placé en amont du dispositif), il existerait un risque que l'air pénètre dans le circuit. Cependant, le capteur de pression 18 délivre dans ce cas à sa sortie le signal logique "0", la commande automatique 22 délivre également à sa sortie le signal "0" et la chauffe est arrêtée également, en correspondance à ce qui a été précisé ci-dessus. Lors d'une cessation de la condition normale de marche, ~le dispositif ne doit pas être remis en service par une intervention de réenclenchement. En effet, aussitôt que les signaux de sortie du capteur de pression 18 et du capteur d'écoulement 19 prennent la valeur "1", le signal de sortie de la commande automatique 22 prend également la valeur logique 1, les obturateursrégulés 24, 25 s'ouvrent, la source d'air comprimée 6 est remise en ervice (par exemple le compresseur électrique est mis en route), et le dispositif d'allumage'9 est égalementXac- tionné en fonction de la valeur installée de la caractë- ristique régulée du circuit de régulation utilisé pour la conduite de l'installation, la chauffe est à nouveau établie. Dans le mode de fonctionnement représenté, l'installation fonctionne avec une double sécurité, qui est garantie par le fait que le circuit de régulation détecte de façon un peut retardée la montée excessive de la température et du fait que de l'air peut pénétrer pendant ce temps dans le système (bien que la quantité d'air pénétrant de cette manière ne soit pas encore capable d'établir la concentration correspondant à la limite supérieure d'explosion), mais cependant, dans le système représenté, on exclut également cette possibilité. En outre, on prévoit une mesure correspondante de remplacement dans le cas de l'endommagement d'une partie quelconque du système automatique, ce qui garantit une sécurité complète. Pendant la marche du dispositif représenté sur la figure 2, le gaz arrivant par l'intermédiaire de la canalisation de grande longueur pénètre par la tubulure d'entrée 2 dans le dispositif, une faible proportion de ce gaz pénétrant par l'intermédiaire de la buse 30 dans la chambre délimitée par la tôle cylindrique 33 et parvenant ensuite, par l'intermédiaire du convergent et du divergent, au brûleur à gaz 8. Cette quantité de gaz se mélange avec l'air arrivant par la conduite 31 dans les éléments aboutissant au brûleur à gaz sous l'effet de la forte turbulence engendrée. L'autre partie du gaz s'écoule dans les tubes de traversée 27 et elle absorbe et entraine simultanément la chaleur apparaissant sur la surface des tubes. Cette quantité de gaz se mélange avec le produit de combustion sortant du brûleur à gaz 8 dans le convergent placé en amont de la tubulure de sortie.Le fonctionnement du dispositif se différencie de celui du mode de réalisation représenté sur la figure 1 par un point essentiel: par suite de l'incorporation de la buse, la quantitué de gaz pénétrant dans le brûleur ne peut pas s'adapter à la demande de chauffage. Le problème est résolu en ce que la buse est dimensionnée pour la demande maximale de chauffage et établit un mélange gaz-air stoechiométrique maximal par la régulation de l'air entrant. Dans le cas d'une faible demande de chauffage le débit d'air est diminué et en conséquence une fraction du gaz passant dans le brûleur ne participe pas à la réaction chimique (c'est-à- dire à l'oxydation ou en d'autres termes à la combustion), mais elle se mélange sous la forme de gaz pur non brûlé avec le gaz pur également non brûlé et poursuit son écoulement dans la canalisation.En ce qui concerne les dispositifs automatiques servant à la conduite de marche et à la sécurité de l'installation,on peut également utiliser le dispositif représenté sur la figure 1 pour ce mode de réalisation. En ce qui concerne l'application des deux modes de réalisation, il est évident que celui représenté sur la figure 1 est utilisable avantageusement dans tous les cas où la canalisation souterraine sort du so car, en cet endroit, on obtient un changement de direction de 90 et, en outre, on se trouve encore en amont des réducteurs de pression car la perte d'énergie engendrée par les pertes de charge se produisant dans des installations n'est pas prise en considération Au moyen des dispositifs agencés et mis en service comme décrit ci-dessus, les besoins en chaleur des gaz combustibles passant dans les canalisations sont satisfaits, tout en conservant la sécurité intégrale, avec une efficacité bien plus grande que dans les installations connues jusqu'à maintenant et en même temps on réduit les impératifs convernant l'encombrement, l'investissement et les besoins en énergie du dispositif et, en outre, les pertes d'énergie se produisant dans le dispositif sont diminues. REVENDICATIONS 1. Installation d'échauffement direct de gaz combustibles en écoulement, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif pour séparer une fraction déterminée du gaz arrivant par une tubulure d'entrée (2), un mélangeur de gaz pour établir un mélange stoechiométrique du gaz séparé avec l'air entrant, un brûleur à gaz (8) opérant avec ontre-pression, une chambre mélangeuse pour assureur le mélange du produit de combustion sortant du brûleur (8) avec la quantité totale du gaz transporté ainsi qu'une tubulure-de sortie (14). 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une chambre à gaz (3) reliée aux tubulures et délimitée par une plaque directrice (11), un cylindre (12) disposé axialement dans la cham- bre, sur le côté de sortie du cylindre un divergent et un mélangeur de gaz (5) raccordé à celui-ci, en outre une tubulure de sortie (14), une conduite (4) partant de la tubulure d'entrée (2) et un mélangeur de gaz (5) relié à cette conduite, une source d'air d'alimentation (6) et une conduite reliant celle-ci au mélangeur de gaz, un tube de liaison (7) partant du mélangeur de gaz et pénétrant dans le carter (1), à l'extrémité de ce tube un brûleur à gaz (8) opérant avec contrepression en regard du brûleur à gaz (8) un tube de forme conique (15) relié à la plaque directrice (11) et, devant le brûleur à gaz, un dispositif d'allumage à type connu. 3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte, en regard de la tubulure d'entrée (2), une buse (30) conduisant au volume délimité par une plaque de forme cylindrique (33), une conduite d'air (31) raccordant au volume situé à l'extrémité de la plaque de forme cylindrique (33), un mélangeur de gaz-regroupant ces deux volumes et ayant une forme convergente à divergents un brûleur à gaz (8) placé sur celui-ci, un ou plu sieurs tubes de traversée (27) disposés à la façon d'un faisceau tubulaire et entravant la trajectoire du produit de combustion sortant du brûleur (8), une chambre mélangeuse de forme convergente placée à la suite du ou des tubes (27) et une tubulure de sortie (-14). 4. Installation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte, pour la conduite de sa marche, un capteur de température plate'dans la tubulure de sortie (14) et un circuit de régulation assurant la régulation par ses signaux de sortie, se composant d'éléments connus et commandant l'intensité de chauffe. 5. Installation selon l'une des revendications 1, 2 et 4, caractérisée en ce qu'elle comporte un capteur d'écoulement (19) de type connu qui est disposé dans la tubulure d'entrée (2) ou bien dans la canalisation placée en amont de celle-ci, capteur de pression (18) disposé dans la conduite de gaz partant de la tubulure d'entrée (2) et/ou dans la tubulure d'entrée (2),-une commande automatique (22) pilotée par les deux capteurs précités, un obturateur (24) placé dans le conduit s'étendant de la tubulure d'entrée (2) au mélangeur de gaz (5) et régulé par le signal de sortie de la commande automatique (22), un obturateur (25) placé dans le conduit reliant la source d'air d'alimentation (6) au mélangeur de gaz (5) et régulé par le signal de sortie de la commande automatique (22), un commutateur (26- pour couper le courant fourni à la source d'air d'alimentation (6) et le courant fourni à la source d'alimentation(l6) du dispositif d'allumage (9), régulé pour le signal de sortie de la commande automatique (22). 6. Installation selon l'une des revendications 1, 3 et 4, caractérisée en ce qu'elle comprend un capteur de pression et un capteur d'écoulement de type connu qui sont disposés dans la tubulure d'entrée (2), une commande automatique (22) pilotée par lesdits capteurs, un obturateur placé dans le conduit deair (31) et régulé par le signal de sortie de la commande automatique (22) et un commutateur commandé par la commande automatique (22) pour couper le courant fourni à la source d'air d'alimentation et au dispositif d'allumage.