Конвекционная секция в огневых обогревателях: конструкция, эффективность и обслуживание

Контент

1 Что такое конвекционная секция в огневом обогревателе?
2 Как конвекционная секция улавливает тепло дымовых газов
3 Важные параметры конструкции конвекционной секции
4 Эффективность и экономический эффект конвекционной секции
5 Загрязнение, коррозия и техническое обслуживание в реальных условиях
6 Модульные конвекционные секции: стратегия изготовления и замены
7 Часто задаваемые вопросы о секции конвекции

Конвекционная секция огневого обогревателя — это то место, где достигается или теряется тепловой КПД. Дымовые газы покидают радиантную секцию при температуре 400–650 ° C, унося до 35% тепловыделения топлива. Правильно спроектированная конвекционная секция улавливает большую часть этого тепла и возвращает его в процесс; плохо сконструированный или загаженный незаметно раздувает счета за топливо на протяжении всего срока службы агрегата. Вывод на первый взгляд: конвекционная секция решает, будет ли обогреватель работать с эффективностью 65% или 90%, и она заслуживает того же внимания при проектировании, что и излучающая камера.

В этой статье объясняется, что такое конвекционная секция, как работает передача тепла внутри нее, важные параметры конструкции, эффективность, которую она обеспечивает, режимы отказов, которые наказывают за пренебрежение, и что следует учитывать при покупке нового или сменного конвекционного модуля.

Что такое конвекционная секция в огневом обогревателе?

Конвекционная секция представляет собой блок теплообменных трубок, расположенных выше или после радиационной секции, внутри верхней части конструкции нагревателя. В вертикальных цилиндрических обогревателях он располагается над излучающей секцией; в камерных обогревателях кабинного типа он занимает верхний отсек, где дымовые газы проходят по рядам труб. Инженеры часто называют это конвекционной коробкой.

Дымовой газ, выходящий из радиационной секции, все еще горячий, но его температура слишком низка для эффективной лучистой теплопередачи. В конвекционной секции тепло перемещается преимущественно за счет принудительной конвекции: по трубкам течет горячий дымовой газ. Расширенные поверхности, такие как ребра или шпильки, увеличивают внешнюю площадь в 5–10 раз, компенсируя более низкий коэффициент теплопередачи конвективного потока газа.

Конвекционная батарея обычно представляет собой многоконтурную сборку, а не одиночный теплообменник. Он может подогревать и испарять технологическое сырье, перегревать пар, генерировать пар, а в установках парового риформинга и печах для этилена перегревать разбавляющий пар — и все это в одном компактном корпусе.

Ethylene Cracking Furnace for High-Yield Pyrolysis

Печь крекинга этилена для высокопроизводительного пиролиза Эта печь обеспечивает точный, равномерный высокотемпературный нагрев для крекинга углеводородов, поддерживая эффективное производство этилена за счет гибкого обращения с сырьем и прочной конструкции для непрерывной работы. Посмотреть продукт →

Крекинг этилена является хорошим примером того, насколько требовательной может быть эта услуга. Сырье должно быть полностью испарено и перегрето перед поступлением в радиантные змеевики, а локализованное перекоксование в любом конвекционном контуре изменяет распределение потока и приводит к преждевременному останову.

Как конвекционная секция улавливает тепло дымовых газов

В расчетных условиях дымовые газы входят в конвекционную секцию при температуре примерно 500–700 °С и выходят при температуре 150–250 °С. Поглощаемая мощность в конвекционной секции обычно составляет 20–30% от общего количества поглощенного тепла. В обогревателе, работающем с КПД 88 %, радиационная секция поглощает около 58 % подаваемого топлива, конвекционная секция — около 29 %, а остальная часть теряется в виде потерь в дымовой трубе и корпусе.

Лучистая нагрузка 58%
Конвекционный режим 29%
Потеря стека 9%
Потери корпуса 4%

Трубки с удлиненной поверхностью делают эту рекуперацию экономичной. Зубчатое ребро, приваренное к трубке из углеродистой стали, увеличивает внешнюю поверхность более чем в два раза на единицу длины при скромных дополнительных затратах. Голые трубы используются только в горячих впускных рядах, где температура газа настолько высока, что ребра не приносят пользы, или в системах с сильным загрязнением, где расстояние между ребрами невозможно поддерживать в чистоте.

Ключевые различия между лучистой секцией и конвекционной секцией огневого обогревателя.
Параметр	Лучистая секция	Конвекционная секция
Доминирующий режим теплопередачи	Тепловое излучение	Принудительная конвекция
Типичная температура дымовых газов	750–1250 °С	150–700 °С
Внешняя поверхность трубки	Голый	Голый, finned, or studded
Доля поглощенной пошлины	55–70%	20–35%
Чувствительность к загрязнению	Низкий	От среднего до высокого
Доступ для очистки	Дверные проемы	Съемные панели, сажеобдувки

Важные параметры конструкции конвекционной секции

Правильная установка конвекционной секции сводится к нескольким параметрам, которые должны быть сбалансированы друг с другом и проверены опытными инженерами.

Скорость дымовых газов и перепад давления

Массовая скорость на стороне газа обычно поддерживается в пределах от 3 до 6 кг/м²·с. Более высокая скорость улучшает теплообмен, но увеличивает перепад давления, что ограничивает работу с естественной тягой. Конвекционная секция, потребляющая тягу более 25–40 мм водяного столба, может привести к использованию нагнетательного вентилятора, что потребует значительных капитальных и эксплуатационных затрат.

Конструкция плавников и допуски на загрязнение

Для чистого газового топлива экономичны твердые ребра высокой плотности. Для грязного топлива, такого как вакуумный остаток или тяжелый газойль коксования, используйте более широкое расстояние между ребрами, зубчатые ребра или голые трубы и предусмотрите каналы для обдува сажей. Плотность ребер напрямую определяет, как долго обогреватель сможет работать между чистками.

Температура металла и выбор материала

В самых горячих входных рядах температура металла труб превышает 540 °C, и обычно используются сплавы Cr-Mo, такие как T11 или T22, или марки нержавеющей стали, если ожидаются коррозионные отложения. Для более холодных выпускных рядов можно использовать углеродистую сталь, если температура кожи остается выше точки росы серной кислоты, обычно 120–150 °C.

Изоляция и герметичность корпуса

Толщина изоляции и герметичность корпуса контролируют потери тепла и температуру внешней оболочки. Попадание воздуха в корпус создает локальное охлаждение, снижая температуру металла ниже точки росы и вызывая дорогостоящую коррозию.

При рассмотрении проекта поставщика запросите: обоснование плотности ребер в зависимости от указанного топлива, прогноз падения давления дымовых газов, расчеты температуры металла для каждого змеевика и документированный допуск на коррозию для каждого ряда.

Эффективность и экономический эффект конвекционной секции

Эффективность нагревателя повышается примерно на 1% на каждые снижение температуры дымовой трубы на 20–25 °C. Рекуперация только лучистого тепла обеспечивает эффективность обогревателя около 65%. Добавление конвекционной секции доводит этот показатель до 82–87%; добавление подогревателя воздуха для горения после него увеличивает его выше 90%.

Для обогревателя мощностью 50 МВт разница между КПД 65% и 87% составляет около 16 МВт топлива — при типичных ценах на газ более миллиона долларов в год. Наиболее распространенными вариантами модернизации являются нагреватели сырой нефти и вакуумные нагреватели, поскольку температура их дымовой трубы часто бывает самой высокой на нефтеперерабатывающем заводе.

Fired Heater for Atmospheric and Vacuum Distillation Units

Пылевой нагреватель для атмосферных и вакуумных дистилляционных установок Этот нагреватель, предназначенный для нагрева сырой нефти в ADU и VDU, обеспечивает высокую тепловую эффективность и равномерный многозонный нагрев для улучшения фракционирования при одновременном снижении затрат на топливо и выбросов. Посмотреть продукт →

Более высокая эффективность также снижает выбросы CO₂ прямо пропорционально количеству сожженного топлива, что делает конвекционную секцию одним из самых дешевых проектов по сокращению выбросов, доступных в расчете на тонну.

Загрязнение, коррозия и техническое обслуживание в реальных условиях

Ребристые конвекционные банки загрязняются быстрее, чем поверхности с голыми трубами, а загрязнение меняет поведение нагревателя задолго до принудительного отключения. Симптомами являются повышение температуры дымовых газов на выходе, более высокие потери тяги и снижение предварительного подогрева технологического процесса — эффективность нагревателя, рассчитанного на 85%, может снизиться до 78% в течение нескольких месяцев на тяжелом жидком топливе.

Общие механизмы загрязнения

Копоть от неполного сгорания жидкого топлива.
Золые отложения ванадия и натрия в мазуте.
Отложение бисульфата аммония, когда дымовой газ содержит аммиак в результате последующего селективного каталитического восстановления.
Продукты коррозии скапливаются на поверхностях холодного конца.

Предотвращение коррозии

Коррозия холодного конца является основной причиной замены секций с принудительной конвекцией. Серная кислота конденсируется, когда температура оболочки трубки падает ниже точки росы кислоты. Стратегия предотвращения заключается в поддержании температуры металла выше точки росы, выборе сплавов, соответствующих окружающей среде, и поддержании герметичного корпуса.

Очистка и осмотр

В число онлайн-инструментов для очистки входят паровые и воздушные сажеобдувочные устройства, звуковые сигналы и промывка водой во время простоев. Объем капитального ремонта должен охватывать толщину стенки трубы, высоту и состояние ребер, закоксовывание внутреннего канала, герметичность обсадной трубы и целостность опоры. Полученные результаты определяют решение между локализованным ремонтом и полной заменой модуля.

Модульные конвекционные секции: стратегия изготовления и замены

Восстановление конвекционной секции в полевых условиях – дело медленное и дорогостоящее. Модульная секция заводской сборки позволяет избежать большей части этого риска: трубы поставляются сваренными и испытанными, с установленными ребрами, огнеупорным покрытием и готовыми подъемными проушинами.

Меньшая продолжительность отключения, поскольку новая батарея строится, пока старый нагреватель еще работает.
Более высокое качество сварки за счет контролируемого цехового производства и автоматизированной сварки.
Снижение общей стоимости установки за счет сокращения времени работы на местах и работы на строительных лесах.
Повторное использование существующей радиационной коробки и конструкции — наиболее экономичный вариант реконструкции.

Shop-Assembled Convection Section Module for Furnaces

Модуль конвекционной секции заводской сборки для печей Готовый конвекционный модуль со сварными трубами, ребрами и огнеупорным материалом, предназначенный для быстрой установки и сокращения времени простоя, одновременно улучшая теплопередачу и энергоэффективность в промышленных печах. Посмотреть продукт →

При покупке сменного модуля предоставьте продавцу фактический анализ топлива, фактор загрязнения, а также ограничения по тяге и дымовой трубе. Согласуйте код проектирования (API 560 является общепринятым стандартом для нагревателей для нефтеперерабатывающих заводов) и подтвердите точки проверки: гидростатические испытания, установочные размеры, сухость огнеупора и места присоединения.

Выбор типа обогревателя и его конфигурации конвекции влияет на работу всего агрегата. Обзор конфигураций нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий см. в нашем руководстве по Выбор огневого нагревателя и инженерное применение в нефтехимической промышленности .

Для получения расценок по конкретному проекту или посещения магазина для проверки свяжитесь с нашей командой инженеров через страница контактов .

Часто задаваемые вопросы о секции конвекции

Каково основное назначение конвекционной секции?

Для рекуперации тепла из дымовых газов, выходящих из радиационной секции, путем предварительного нагрева и испарения технологического сырья или перегрева пара, что повышает общий КПД нагревателя примерно с 65% до 85% или более.

Почему ребра используются в конвекционных трубах?

Ребра увеличивают площадь поверхности со стороны газа в 5–10 раз, компенсируя низкий коэффициент теплопередачи конвективного потока дымовых газов и сохраняя компактность пучка.

Каков типичный перепад температуры по сечению?

Дымовые газы обычно входят при температуре 500–650 °C и выходят при температуре 150–250 °C. При использовании подогревателя воздуха на выходе температура дымовой трубы может упасть ниже 130 °C, а эффективность нагревателя может превысить 92%.

Что вызывает коррозию в конвекционной секции?

Основной причиной является конденсация серной кислоты на поверхности труб ниже точки росы кислоты, обычно 120–150 °C. Профилактика означает поддержание температуры металла выше точки росы и поддержание герметичности корпуса во избежание образования холодных зон.