Konvekciós rész a tüzelésű fűtőberendezésekben: tervezés, hatékonyság és karbantartás

Három év késleltetett kokszolás után a tüzelésű fűtőberendezés füstgáz-kimeneti hőmérséklete 180 °C-ról 246 °C-ra sodródott. Az égőket beállították, és a sugárzócsövek épnek tűntek, a tüzelőanyag-fogyasztás mégis csaknem négy százalékkal nőtt. A problémát ott találták, ahol az operátorok gyakran utoljára néznek: a konvekciós szakaszban. A bordás csöveket kemény só- és hamuréteg borította, és a köteg mögötti sérült bélés lehetővé tette, hogy a forró füstgáz teljesen megkerülje a csöveket.

A konvekciós szakasz általában a tüzelésű fűtőberendezés teljes folyamatteljesítményének 25-35 százalékát adja. Ha teljesítménye romlik, csökken a hatékonyság, emelkednek az üzemanyagköltségek, és a következő fordulat sürgetőbbé válik. Ez a cikk elmagyarázza, mit csinál a konvekciós rész, hogyan tervezték, miért szabályozza a fűtés hatékonyságát, és mit kell ellenőrizni új csomag vásárlása előtt.

Mit csinál a konvekciós szekció tüzelésű fűtőtestben

Függőleges hengeres fűtőberendezésben a konvekciós szakasz közvetlenül a sugárzó rész fölött helyezkedik el. A kabinos fűtésnél a sugárzódoboz egyik végén helyezkedik el. Mindkét elrendezés forró füstgázt vezet át vízszintes csöveken, és a csövek belsejében lévő technológiai folyadék a cső falán keresztül nyeli el a hőt. Mivel a konvekciós szakaszba belépő füstgáz már messze a láng hőmérséklete alatt van, a domináns hőátadási mód sugárzásról kényszerkonvekcióra vált.

A meghosszabbított felületeket általában az alacsonyabb gázoldali hőátbocsátási tényező kompenzálására használják. Az alábbi táblázat összehasonlítja a munkakörülményeket egy tipikus finomítói fűtőelem két szekciójában.

Tipikus működési feltételek összehasonlítása finomítói tüzelésű fűtőtestek sugárzó és konvekciós szakaszaiban.
Paraméter	Sugárzó szakasz	Konvekciós szakasz
Füstgáz hőmérséklet	950–1100 °C a lángzónában	650–800 °C bemenet; 150-250 °C-os kimenet
Domináns hőátadási mód	Hősugárzás	Konvekció némi sugárzással
Tipikus csőfelület	Csupasz, sima cső	Uszonyos, szegecses vagy csupasz
Részesedés a teljes vámból	60-70 százalék	25-35 százalék
Fő működési kockázat	Túlmelegedés és kúszás	Elszennyeződés és hidegvégi korrózió

Hogyan veszi vissza a hőt a konvekciós szakasz

A konvekciós szakaszban lévő csupasz cső gázoldali hőátbocsátási tényezője alacsony, nagyjából 15-30 W/(m²·K), míg a folyamatoldali hőátbocsátási tényező általában többszöröse, különösen akkor, amikor a folyadék forr. A korlátozó ellenállás ezért szinte mindig a cső füstgáz oldalán van.

A bordás és szegecses csövek ezt a problémát a külső terület megszorzásával oldják meg. A fogazott bordák 4-5 lamellák/hüvelyk vagy méterenként 157-197 borda sűrűséggel öt-tízszeresére növelik a külső felületet egy azonos átmérőjű csupasz csőhöz képest. Az alábbi táblázat egy tipikus égéstermék-hőmérséklet-profilt mutat be egy háromjáratú konvekciós szakaszon keresztül.

1. ábra Tipikus égéstermék-hőmérséklet-csökkenés három menetes konvekciós szakaszon.

A sugárzó részhez legközelebbi legforróbb járat kezeli a legmagasabb hőmérsékletet igénylő folyamatáramot. A hűtőcsatornák hővisszanyerést biztosítanak az alacsonyabb hőmérsékletű szolgáltatásokhoz, mint például a gőzfejlesztés, a hígítógőz túlhevítése és a betáplálás előmelegítése. Ez az ellenáramú elrendezés minden menetben hasznos hőmérséklet-különbséget tart fenn.

Konvekciós szakasz tervezése: nyomásesés, sebesség és anyagok

Az API 560 biztosítja a legtöbb tüzelésű fűtőberendezéshez használt tervezési keretet a finomítókban és a petrolkémiai szolgáltatásokban. A konvekciós szakaszt nem lehet külön-külön méretezni: a köteg mélységét, a bordageometriát és a szükséges huzatot együtt kell rendezni, mert mindegyik hatással van a másikra.

A kritikus ellenőrzések a füstgáz nyomásesése, a gáz sebessége, a cső fém hőmérséklete és a borda anyaga. Egy tipikus fűtőberendezés a konvekciós szakasz nyomásesését 3 és 10 mbar, vagy 30 és 100 mm H2O között tartja. A mélyebb köteg több hőt nyer vissza, de nagyobb hőfok- vagy indukált ventilátorkapacitást igényel. A gázsebességnek a legalacsonyabb égési sebességnél 4,5 m/s felett kell maradnia, hogy megakadályozza a hamu ülepedését, és 15-20 m/s alatt, hogy elkerülje az eróziót és az áramlás okozta vibrációt. A cső fém hőmérsékletének a hideg végén a kénsav harmatpontja felett kell maradnia, ha kén van jelen; egyébként az alsó sorok és a burkolat gyorsan korrodálódnak. A bordák anyaga követi a helyi gáz hőmérsékletét: ötvözet bordák a meleg végén, szénacél bordák a hideg végén, és néha csupasz csövek, ahol az erózió vagy a tisztításhoz való hozzáférés kritikus.

A gyakorlati mérnöki ellenőrző lista így néz ki:

Ellenőrizze a füstgáz tömegáramát, összetételét és kéntartalmát.
Válassza ki a cső elrendezését és menetemelkedését a célsebességhez és nyomáseséshez.
Számítsa ki a borda hatékonyságát, és válassza ki a borda típusát, sűrűségét és anyagát.
Ellenőrizze a cső fém hőmérsékletét a savas harmatpont és az oxidációs határértékek alapján.
Biztosítson hozzáférési sávokat, koromfúvó csatlakozókat és eltávolítható ellenőrző paneleket.

Miért szabályozza a konvekciós rész a fűtés hatékonyságát?

A tüzelésű fűtőtestek tervezésének alapszabálya az, hogy a füstgáz kimeneti hőmérsékletének 22 °C-os csökkentése körülbelül egy százalékponttal növeli a hatékonyságot. A kimenet 250 °C-ról 170 °C-ra történő csökkentése tehát nagyjából 3,5 százalékot ér. Egy 100 MW-os fűtőberendezésen ez 3,5 MW tüzelőanyagot jelent, ami jelentős megtakarítás egy év folyamatos üzemelés alatt.

A meghosszabbított felületek ilyen alacsony kimeneti hőmérsékletet tesznek lehetővé hatalmas burkolat nélkül, amint azt az alábbi oszlopdiagram mutatja.

2. ábra. Egy 114 mm-es külső átmérőjű cső tipikus külső része csupasz, szegecses és fogazott bordás felületekkel.

A bordás csövek növelik a felületet, de meghosszabbítják a gáz útját és növelik a nyomásesést. A csupasz, szegecses és bordás csövek közötti választás minden egyes menetben gazdaságos kompromisszum a felület, a huzat, a tisztítási hozzáférés és a korróziós ráhagyás között.

Elszennyeződés, tisztítás és hidegvégű korrózió

A szennyeződés a konvekciós szakasz legmaradandóbb működési problémája. A lerakódások szigetelőrétegként működnek, így a füstgáz kilépő hőmérséklete emelkedik, és a folyamat kevesebb hőt kap. Ugyanakkor a lerakódási réteg csökkenti a nyitott áramlási területet és növeli a huzatveszteséget. Súlyos esetekben a fűtőberendezés nem tudja elérni a tervezett tüzelési sebességet.

A konvekciós szakasz elszennyeződésének fő okait az alábbiakban mutatjuk be. Az üzemanyag minősége, az égő teljesítménye és a folyamat átvitele mind hozzájárul, és az elosztás egységenként változik.

Só/hamu lerakódások (35%)
Koksz/szén lerakódások (30%)
Korróziós termékek (25%)
Egyéb betétek (10%)

3. ábra A szennyeződések okainak jellemző megoszlása konvekciós szakaszokon.

A szennyeződés elleni küzdelem az égésszabályozással és az üzemanyag-gazdálkodással kezdődik, de a rendszeres tisztítás továbbra is szükséges. Az alábbi táblázat összefoglalja a működő üzemekben leggyakrabban használt módszereket.

Tipikus konvekciós szakasz tisztítási módszerek és alkalmazásuk.
Tisztítási módszer	A legalkalmasabb	Tipikus gyakoriság
Online gőzkoromfújás	Könnyű hamu- vagy sólerakódások	Hetente havonta
Nagynyomású levegő koromfúvás	Folyékony vagy szilárd tüzelőanyagokból származó korom	Napi vagy folyamatos ciklus
Offline hidrofúvás	Kemény, vastag lerakódások	Minden fordulat
Kémiai tisztítás	Speciális lerakódások, például sók vagy koksz	Szükség szerint

Konvekciós szakaszok a finomításban és a petrolkémiai alkalmazásokban

A finomítóban vagy petrolkémiai telephelyen minden tüzelésű fűtőtestnek van konvekciós szakasza, de minden szolgáltatás eltérő kialakítást támaszt. Nyers- és vákuumdesztillációs fűtőberendezésben a konvekciós szakasz előmelegíti a kőolajat, és néha gőzt emel. Az etilén krakkoló kemencében jellemzően szénhidrogén betáplálású előmelegítő tekercset, hígítógőz túlhevítő tekercset és nagynyomású gőzbankot tartalmaz. A hidrogén- és DRI-reformerekben a konvekciós szakasz határozza meg az egység teljes energiafogyasztását a hő visszanyerésével a gőz és a betáplálás előmelegítéséhez.

A kőolajegység-szolgáltatás esetében a bordatípus megválasztása és a gőztekercsek beépítésére vonatkozó döntés dominál a mérnöki vitában. Az ezekben a kompromisszumokban tapasztalt beszállító csökkentheti a projekt kockázatát és javíthatja a működési eredményt.

Fired Heater for Atmospheric and Vacuum Distillation

Tüzelésű fűtőberendezés atmoszférikus és vákuumdesztillációhoz Ez a fűtőelem a bordás típusú és a gőztekercses kompromisszumokkal foglalkozik a nyers szolgáltatásban, egységes többzónás fűtést és magas termikus hatásfokot kínál, hogy támogassa a stabil ADU/VDU szétválasztást, miközben csökkenti a működési kockázatot. Termék megtekintése →

A petrolkémiai fűtőberendezések további összetettséget adnak, mivel több tekercsnek ugyanazon a füstgáz útvonalon kell osztoznia. A mögöttes elvek tüzelésű fűtőtestek kiválasztása és mérnöki alkalmazások a petrolkémiai iparban magyarázza el, hogyan egyensúlyozzák a kezelők a tekercs hőmérsékletét, a gőzigényt és a kemence gazdaságosságát ezekben a szolgáltatásokban.

Az etilén krakkoló kemencék a legigényesebb példa. Konvekciós szakaszaik a repedt gázt, a hígítógőzt és a gőzfejlesztő tekercseket egy kompakt elrendezésben kezelik, és az ötvözetválasztást a súlyos üzemi hőmérsékletek határozzák meg.

Etilén krakkoló kemence pirolízishez Tekintettel az etilén konvekciós szakaszok szigorú ötvözetigényére, a kemence precíz hőmérséklet-szabályozása és optimalizált sugárzó/konvekciós kialakítása segít megőrizni a repedési konzisztenciát és a hozamot folyamatos, magas hőmérsékletű működés mellett. Termék megtekintése →

Mit kell ellenőrizni konvekciós rész vásárlásakor

Akár egy sérült köteget cserél, akár gőzfejlesztő kapacitást ad hozzá, ugyanazok az ellenőrzések érvényesek.

Győződjön meg arról, hogy az új köteg megfelel a meglévő sugárzó rész füstgáz tömegáramának és a rendelkezésre álló huzatnak.
Tekintse át a tervezési kód alapját: API 560 a fűtőberendezéshez, ASME B31.3 a csőoldali csővezetékekhez, és az ügyfél helyszíni specifikációja.
Értékelje a hegesztési minőségi tervet a borda-cső csatlakozás és a cső-fej csatlakozások körül, mivel ezek a leggyakoribb meghibásodási helyek.
Ellenőrizze a szigetelést és a bélésrendszert a várható gázbemeneti hőmérsékletre, beleértve az erózió elleni védelmet ott, ahol a gáz belép a kötegbe.
Erősítse meg a gyártó képességeit: hegesztési eljárások minősítése, hidrosztatikai vizsgálat, méretellenőrzés és harmadik fél által végzett ellenőrzés.

A legtöbb konvekciós szakaszt üzemben gyártott modulként szállítják, beleértve a csöveket, gyűjtőket, szigetelést és burkolatot. Ez a megközelítés lerövidíti a szerelési időt és javítja a hegesztési varrat minőségét, mivel a nehéz összeszerelési munkákat ellenőrzött körülmények között végzik. Amikor a modult a helyére emeljük, a sugárzó részhez és a meglévő fűtőelem kötegéhez való csatlakozásoknak hőtágulásnak kell megfelelniük és gáztömörnek kell maradniuk.

Shop-Fabricated Convection Section Module

Boltban gyártott konvekciós szekció modul Ez a moduláris konvekciós szakasz az ellenőrzött műhelygyártáshoz és az egyszerű helyszíni emeléshez készült, tartós ötvözetekkel és testreszabható kialakítással, hogy alkalmazkodjon a hőtáguláshoz és a telepítés során a gáztömör csatlakozások fenntartásához. Termék megtekintése →

A logisztika ugyanolyan fontos. A nagy konvekciós szakasz modul túl széles, nehéz rakomány, így a szállítási útvonal, az emelési mód és a helyszíni kezelési terv ugyanolyan alapos vizsgálatot érdemel, mint a termikus tervezés. Az a gyártó, amely a gyártást és a nehézszállítást is képes kezelni, csökkenti a menetrendi késések kockázatát. Projektspecifikus értékeléshez vagy árajánlathoz megteheti lépjen kapcsolatba a Tuopu mérnöki csapatával a fűtés adatlapjával.

Gyakran ismételt kérdések a konvekciós szakaszokkal kapcsolatban

Miért vannak a konvekciós szekciócsövek bordái?

A bordák öt-tízszeresére megsokszorozzák a külső hőátadó területet, ami kompenzálja a füstgázoldali alacsony hőátbocsátási tényezőt. Bordák nélkül a konvekciós szakasznak többszörösnek kellene lennie ahhoz, hogy ugyanannyi hőt nyerjen vissza.

Mekkora a füstgáz normál hőmérséklete a konvekciós szakasz kimeneténél?

Egy hatékony, jól karbantartott fűtőberendezéshez a kimeneti hőmérséklet általában 150-200 °C. Ha az üzemanyag magas kéntartalmú, a kimenetet a savas harmatpont felett tartják, gyakran 250-300 °C körül, vagy a hideg vége korrózióálló anyagból készül.

Mekkora a hatékonyság elvesztése, ha a konvekciós szakasz elszennyeződik?

A szennyeződés megemeli a füstgáz kimeneti hőmérsékletét. Mivel minden 22 °C-os hőmérséklet-emelkedés körülbelül egy százalékpontba kerül a hatékonyságból, az 50 °C-os emelkedés nagyjából 2,3 százalékkal csökkenti a hatékonyságot, ami közvetlenül többlet üzemanyag-fogyasztásként jelenik meg.

Kicserélhető-e a konvekciós szakasz a sugárzó rész érintése nélkül?

Igen. A meglévő tüzelésű fűtőtestek gyakran kapnak új konvekciós szakasz modult, miközben megtartják a sugárzódobozt, az égőket és a köteget. Ez egy általános felújítási út, feltéve, hogy a szerkezetnek és az alapoknak elegendő hátralévő élettartama van, és az új köteg nyomásesése belefér a rendelkezésre álló huzatba.