Конвекционная секция в огневых обогревателях: конструкции, эффективность и обслуживание

Контент

1 Что делает секция конвекции в огневом обогревателе
2 Как конвекционная секция рекуперирует тепло
3 Проектирование конвекционной секции: перепад давления, скорость и материалы
4 Почему конвекционная секция контролирует эффективность обогревателя
5 Загрязнение, очистка и коррозия холодного конца
6 Конвекционные секции в нефтепереработке и нефтехимии
7 На что следует обратить внимание при покупке конвекционной секции
8 Часто задаваемые вопросы о конвекционных секциях

После трех лет эксплуатации установки замедленного коксования температура дымовых газов на выходе пламенного нагревателя снизилась со 180 °C до 246 °C. Горелки были настроены, излучающие трубы выглядели исправными, однако расход топливного газа увеличился почти на четыре процента. Проблема была обнаружена там, где операторы часто смотрят в последнюю очередь: в секции конвекции. Ребристые трубы были покрыты твердым слоем соли и золы, а поврежденная облицовка позади пучка позволяла горячим дымовым газам полностью обходить трубы.

Конвекционная секция обычно обеспечивает от 25 до 35 процентов общей технологической нагрузки пламенного нагревателя. Когда его производительность ухудшается, эффективность падает, затраты на топливо растут, и следующий капитальный ремонт становится более неотложным. В этой статье объясняется, что делает конвекционная секция, как она устроена, почему она контролирует эффективность обогревателя и что следует проверить перед покупкой нового комплекта.

Что делает секция конвекции в огневом обогревателе

В вертикальном цилиндрическом обогревателе конвекционная секция расположена непосредственно над радиационной секцией. В обогревателе кабинного типа он расположен на одном конце излучающего короба. В обеих схемах горячий дымовой газ проходит через ряд горизонтальных труб, а технологическая жидкость внутри этих труб поглощает тепло через стенки труб. Поскольку температура дымового газа, поступающего в конвекционную секцию, уже намного ниже температуры пламени, доминирующий режим теплопередачи меняется с излучения на вынужденную конвекцию.

Расширенные поверхности обычно используются для компенсации более низкого коэффициента теплопередачи со стороны газа. В таблице ниже сравниваются условия работы в двух секциях типичного обогревателя нефтеперерабатывающего завода.

Сравнение типичных условий эксплуатации в лучистой и конвекционной частях обогревателя нефтеперерабатывающего завода.
Параметр	Лучистая секция	Конвекционная секция
Температура дымовых газов	950–1100 °С в зоне пламени	650–800 °С на входе; Выход 150–250 °C
Доминирующий режим теплопередачи	Тепловое излучение	Конвекция с некоторым излучением
Типичная поверхность трубы	Голая, гладкая трубка	Ребристые, шипованные или голые
Доля общей пошлины	60–70 процентов	25–35 процентов
Основной операционный риск	Перегрев и ползучесть	Загрязнение и коррозия холодного конца

Как конвекционная секция рекуперирует тепло

Коэффициент теплопередачи на стороне газа для голой трубы в конвекционной секции низкий, примерно от 15 до 30 Вт/(м²·К), в то время как коэффициент теплопередачи на стороне процесса обычно в несколько раз выше, особенно когда жидкость кипит. Таким образом, ограничивающее сопротивление почти всегда находится на стороне дымохода.

Ребристые и шипованные трубы решают эту проблему за счет увеличения внешней площади. Зубчатые ребра с плотностью от 4 до 5 ребер на дюйм или примерно от 157 до 197 ребер на метр увеличивают внешнюю поверхность в пять-десять раз по сравнению с голой трубкой того же диаметра. На приведенной ниже диаграмме показан типичный профиль температуры дымовых газов в трехходовой конвекционной секции.

Рисунок 1. Типичное снижение температуры дымовых газов на трехходовой конвекционной секции.

Самый горячий проход, ближайший к радиационной секции, обрабатывает технологический поток, которому требуется самая высокая температура. Каналы охладителя рекуперируют тепло для низкотемпературных операций, таких как выработка пара, перегрев разбавляющего пара и предварительный подогрев сырья. Такое противоточное устройство сохраняет полезную разницу температур при каждом проходе.

Проектирование конвекционной секции: перепад давления, скорость и материалы

API 560 обеспечивает основу для проектирования, используемую для большинства нагревателей на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях. Размер конвекционной секции не может быть определен изолированно: глубина пучка, геометрия ребер и требуемая тяга должны рассчитываться вместе, поскольку каждое из них влияет на другие.

Важнейшими проверками являются падение давления дымовых газов, скорость газа, температура металла трубы и материал ребер. Типичный нагреватель поддерживает перепад давления в конвекционной секции от 3 до 10 мбар или от 30 до 100 мм водного столба. Более глубокий пучок восстанавливает больше тепла, но требует большей производительности дымовых вентиляторов или вентиляторов с принудительной тягой. Скорость газа при самой низкой скорости горения должна оставаться выше 4,5 м/с, чтобы предотвратить осаждение золы, и ниже 15–20 м/с, чтобы избежать эрозии и вибрации, вызванной потоком. Температура металла трубы на холодном конце должна оставаться выше точки росы серной кислоты при наличии серы; в противном случае нижние ряды и корпус быстро подвергаются коррозии. Материал ребер соответствует местной температуре газа: ребра из сплава на горячем конце, ребра из углеродистой стали на холодном конце, а иногда и голые трубы, где критичен доступ к эрозии или очистке.

Практический инженерный контрольный список выглядит следующим образом:

Подтвердите массовый расход, состав и содержание серы дымовых газов.
Выберите расположение и шаг трубки для заданной скорости и перепада давления.
Рассчитайте эффективность ребер и выберите тип ребер, плотность и материал прохода за проходом.
Проверьте температуру металла трубки на соответствие кислотной точке росы и пределам окисления.
Обеспечьте проходы для доступа, отверстия для обдувки сажи и съемные смотровые панели.

Почему конвекционная секция контролирует эффективность обогревателя

Эмпирическое правило при проектировании огневых обогревателей заключается в том, что снижение температуры дымовых газов на выходе на 22 °C увеличивает эффективность примерно на один процентный пункт. Таким образом, снижение температуры на выходе с 250 °C до 170 °C стоит примерно 3,5 процента. Для обогревателя мощностью 100 МВт это 3,5 МВт топлива, что является значительной экономией за год непрерывной работы.

Расширенные поверхности делают возможной такую низкую температуру на выходе без огромного кожуха, как показано на диаграмме ниже.

Рисунок 2. Типичная внешняя площадь трубы с внешним диаметром 114 мм с голыми, шипованными и зубчатыми ребристыми поверхностями.

Ребристые трубы увеличивают площадь поверхности, но также удлиняют путь прохождения газа и повышают перепад давления. Выбор между голыми, шипованными и оребренными трубами в каждом проходе представляет собой экономический компромисс между площадью поверхности, тягой, доступом для очистки и допуском на коррозию.

Загрязнение, очистка и коррозия холодного конца

Загрязнение является самой постоянной проблемой эксплуатации конвекционной секции. Отложения действуют как изоляционный слой, поэтому температура дымовых газов на выходе повышается, и процесс получает меньше тепла. В то же время слой отложений уменьшает площадь открытого потока и увеличивает потери тяги. В тяжелых случаях нагреватель не может достичь расчетной мощности горения.

Ниже приведены основные причины загрязнения конвекционной секции. Качество топлива, производительность горелки и перенос процесса — все это влияет, и распределение варьируется от установки к установке.

Солевые/зольные отложения (35%)
Коксовые/углеродистые отложения (30%)
Продукты коррозии (25%)
Прочие депозиты (10%)

Рисунок 3. Типичное распределение причин загрязнения в конвекционных секциях.

Контроль загрязнения начинается с настройки сгорания и управления топливом, но регулярная очистка по-прежнему необходима. В таблице ниже приведены методы, наиболее часто используемые на действующих предприятиях.

Типичные способы очистки конвекционной секции и их применение.
Метод очистки	Лучше всего подходит для	Типичная частота
Онлайн-обдувка паром	Легкие отложения золы или соли	Еженедельно или ежемесячно
Обдувка воздухом высокого давления	Сажа от жидкого или твердого топлива	Ежедневный или непрерывный цикл
Автономная гидроструйная очистка	Твердые, толстые отложения	Каждый поворот
Химическая очистка	Специализированные месторождения, такие как соли или кокс.	По мере необходимости

Конвекционные секции в нефтепереработке и нефтехимии

Каждый огневой обогреватель на нефтеперерабатывающем или нефтехимическом заводе имеет конвекционную секцию, но для каждой установки требуется своя конструкция. В нагревателях для сырой нефти и вакуумной перегонки конвекционная секция предварительно нагревает сырую нефть и иногда поднимает пар. Печь крекинга этилена обычно содержит змеевик предварительного нагрева углеводородного сырья, змеевики перегрева разбавляющего пара и паровой аккумулятор высокого давления. В установках водородного и прямого риформинга конвекционная секция определяет общее энергопотребление установки за счет рекуперации тепла для пара и предварительного подогрева сырья.

При эксплуатации установки сырой нефти в инженерных обсуждениях доминируют выбор типа ребер и решение о включении паровых змеевиков. Поставщик, имеющий опыт поиска таких компромиссов, может снизить риски проекта и улучшить операционные результаты.

Fired Heater for Atmospheric and Vacuum Distillation

Обжиговый нагреватель для атмосферной и вакуумной дистилляции Этот нагреватель позволяет найти компромисс между ребристым типом и паровым змеевиком при работе с сырой нефтью, предлагая равномерный многозонный нагрев и высокую тепловую эффективность для поддержки стабильного разделения ADU/VDU, одновременно снижая эксплуатационные риски. Посмотреть продукт →

Нефтехимические нагреватели добавляют еще один уровень сложности, поскольку несколько змеевиков должны использовать один и тот же путь дымовых газов. Принципы, лежащие в основе Выбор огневого нагревателя и инженерное применение в нефтехимической промышленности объясните, как операторы балансируют температуру змеевика, потребность в пару и экономичность печи в этих услугах.

Печи крекинга этилена являются наиболее требовательным примером. Их конвекционные секции обрабатывают крекированный газ, разбавляющий пар и змеевики для генерации пара в одной компактной конструкции, а выбор сплава обусловлен суровыми рабочими температурами.

Печь крекинга этилена для пиролиза Учитывая жесткие требования к сплавам в конвекционных секциях этилена, точный контроль температуры этой печи и оптимизированная конструкция радиационной/конвекционной системы помогают поддерживать постоянство растрескивания и производительность при непрерывной работе при высоких температурах. Посмотреть продукт →

На что следует обратить внимание при покупке конвекционной секции

Независимо от того, заменяете ли вы поврежденный комплект или увеличиваете мощность генерации пара, применяются одни и те же проверки.

Убедитесь, что новый пакет соответствует массовому расходу дымовых газов и имеющейся тяге существующей радиационной секции.
Ознакомьтесь с базовыми нормами проектирования: API 560 для нагревателя, ASME B31.3 для трубопроводов со стороны труб и спецификациями объекта клиента.
Оцените план обеспечения качества сварных швов в местах соединения ребра с трубкой и соединения трубы с коллектором, поскольку это наиболее распространенные места отказов.
Проверьте изоляцию и систему облицовки на предмет ожидаемой температуры газа на входе, включая защиту от эрозии в местах входа газа в пакет.
Подтвердите возможности производителя: квалификация процедуры сварки, гидростатические испытания, контроль размеров и проверка третьей стороной.

Большинство конвекционных секций поставляются в виде модулей заводского изготовления, включая трубы, коллекторы, изоляцию и кожух. Такой подход сокращает время монтажа на объекте и улучшает качество сварки, поскольку тяжелые сборочные работы выполняются в контролируемых условиях. Когда модуль поднимается на место, соединения с излучающей секцией и батареей существующего обогревателя должны выдерживать тепловое расширение и оставаться газонепроницаемыми.

Shop-Fabricated Convection Section Module

Модуль конвекционной секции заводского изготовления Эта модульная конвекционная секция создана для контролируемого производства и легкого подъема на стройплощадку, изготовлена из прочных сплавов и имеет настраиваемую конструкцию, позволяющую компенсировать тепловое расширение и поддерживать газонепроницаемые соединения во время установки. Посмотреть продукт →

Логистика не менее важна. Большой модуль конвекционной секции представляет собой слишком большой и тяжелый груз, поэтому маршрут транспортировки, метод подъема и план обслуживания на площадке заслуживают такого же внимания, как и тепловой расчет. Производитель, который может управлять как производством, так и транспортировкой тяжелых грузов, снижает риск задержки графика. Для оценки или предложения по конкретному проекту вы можете свяжитесь с командой инженеров Tuopu с техническим паспортом вашего обогревателя.

Часто задаваемые вопросы о конвекционных секциях

Почему трубы конвекционной секции имеют ребра?

Ребра увеличивают внешнюю площадь теплопередачи в пять-десять раз, что компенсирует низкий коэффициент теплопередачи со стороны дымовых газов. Без ребер конвекционная секция должна была бы быть в несколько раз больше, чтобы рекуперировать такое же количество тепла.

Какова нормальная температура дымовых газов на выходе из конвекционной секции?

Для эффективного и хорошо обслуживаемого обогревателя температура на выходе обычно составляет от 150 до 200 °C. Когда топливо имеет высокое содержание серы, выходное отверстие поддерживается выше кислотной точки росы, часто около 250–300 °C, или холодный конец изготавливается из коррозионностойкого материала.

Насколько снижается эффективность при загрязнении конвекционной секции?

Загрязнение повышает температуру дымовых газов на выходе. Поскольку повышение температуры на каждые 22 °C снижает эффективность примерно на один процентный пункт, повышение на 50 °C снижает эффективность примерно на 2,3 процента, что напрямую проявляется в дополнительном расходе топлива.

Можно ли заменить конвекционную секцию, не затрагивая радиационную секцию?

Да. Существующие огневые обогреватели часто получают новый модуль конвекционной секции, сохраняя при этом излучающую камеру, горелки и дымовую трубу. Это обычный вариант реконструкции при условии, что конструкция и фундамент имеют достаточный остаточный срок службы, а перепад давления в новом пакете соответствует имеющейся осадке.