Secțiunea de convecție în încălzitoare cu ardere: proiectare, eficiență și întreținere

După trei ani pe o unitate de cocsificare întârziată, temperatura de ieșire a gazelor de ardere a unui încălzitor a scăzut de la 180 °C la 246 °C. Arzătoarele au fost reglate și tuburile radiante păreau sănătoase, totuși consumul de gaz combustibil a crescut cu aproape patru procente. Problema a fost găsită acolo unde operatorii se uită adesea ultimii: secțiunea de convecție. Tuburile cu aripioare au fost acoperite cu un strat dur de sare și cenușă, iar o căptușeală deteriorată din spatele pachetului permitea gazelor de ardere fierbinți să ocolească în întregime tuburile.

Secțiunea de convecție furnizează în mod normal 25 până la 35 la sută din sarcina totală de proces a unui încălzitor. Când performanța se degradează, eficiența scade, costurile cu combustibilul cresc, iar următoarea redresare devine mai urgentă. Acest articol explică ce face secțiunea de convecție, cum este proiectată, de a controla eficiența încălzitorului și de a verifica înainte de a cumpăra un pachet nou.

Ce face secțiunea de convecție într-un încălzitor cu foc

Într-un încălzitor cilindric vertical, secțiunea de convecție se află direct deasupra secțiunilor radiante. Într-un încălzitor de tip cabină, acesta se află la un capăt al casetei radiante. Ambele configurații trec gazele de ardere fierbinți printr-un banc de tuburi orizontale, iar fluidul de proces din interiorul acestor tuburi absoarbe căldură prin peretele tubului. Deoarece gazele de ardere care intra în secțiunea de convecție sunt deja mult sub temperatură flăcării, modul dominant de transfer de căldură se schimbă de la radiație la convecție forțată.

Suprafețele extinse sunt folosite în mod normal pentru a compensa coeficientul inferior de transfer de căldură pe partea de gaz. Tabelul de mai jos compară condițiile de lucru din cele două secțiuni ale unui încălzitor tipic de rafinărie.

Comparația condițiilor tipice de funcționare în secțiunile radiante și de convecție ale unui încălzitor de rafinărie.
Parametru	Secțiunea radiantă	Secțiunea de convecție
Temperatura gazelor de ardere	950–1100 °C în zona flăcării	650–800 °C intrare; ieșire 150–250 °C
Modul dominant de transfer de căldură	Radiația termică	Convecție cu anumite radiații
Suprafața tipică a tubului	Tub gol, neted	Cu aripioare, împânzite sau goale
Ponderea taxei totale	60-70 la sută	25-35 la sută
Riscul operațional principal	Supraîncălzire și fluaj	Murdărire și coroziune la capătul rece

Cum recuperează căldura secțiunea de convecție

Coeficientul de transfer de căldură pe partea de gaz pentru un tub gol din secțiunea de convecție este scăzut, aproximativ 15 până la 30 W/(m²·K), în timp ce coeficientul din partea procesului este de obicei de câteva ori mai mare, mai ales când fluidul fierbe. Prin urmare, rezistența de limitare este aproape întotdeauna pe partea de gaze de ardere a tubului.

Tuburile cu aripioare și cu crampoane rezolvă această problemă prin înmulțirea zonei exterioare. Aripioare striate la o densitate de 4 până la 5 aripioare pe inch, sau aproximativ 157 până la 197 aripioare pe metru, măresc suprafața exterioară de cinci până la zece ori față de un tub gol de diametru. Graficul de mai jos prezenta un profil tipic al temperaturii gazelor de ardere printr-o secțiune de convecție în trei treceri.

Figura 1. Reducerea tipică a temperaturii gazelor ass într-o secțiune de convecție în trei treceri.

Cea mai fierbinte trece, cea mai apropiată de secțiunea radiantă, gestionează fluxul de proces care are nevoie de cea mai ridicată temperatură. Treptele de răcire recuperează căldura pentru servicii la temperaturi mai scăzute, cum ar fi generarea de abur, supraîncălzirea aburului de diluare și preîncălzirea furajului. Acest aranjament în contracurent păstrează sau diferență de temperatură utilă la fiecare trecere.

Proiectarea secțiunilor de convecție: cădere de presiune, viteză și materiale

API 560 oferă cadrul de proiectare utilizate pentru majoritatea încălzitoarelor din rafinărie și servicii petrochimice. Secțiunea de convecție nu poate fi dimensionată izolat: adâncimea fasciculului, geometria aripioarelor și tirajul necesar trebuie stabilitate împreună, deoarece fiecare le afectează pe celelalte.

Verificările critice sunt căderea presiunii gazelor de ardere, viteza gazului, temperatura metalului tubului și materialul aripioarelor. Un încălzitor tipic menține căderea de presiune a secțiunilor de convecție între 3 și 10 mbar sau 30 până la 100 mm H₂O. Un pachet mai adânc recuperează mai multă căldură, dar necesită mai multă capacitate de stivă sau ventilator cu tiraj indus. Viteza gazului la cea mai mică rata de ardere ar trebui să rămână peste aproximativ 4,5 m/s pentru a preveni depunerea cenușii și sub 15 până la 20 m/s pentru a evita eroziunea și vibrațiile induse de curgere. Temperatura metalului tubului la capătul rece trebuie să rămână peste punctul de rouă al acidului sulfuric atunci când este prezent sulf; în caz contrar, rândurile inferioare și carcasa se corodează rapid. Materialul aripioarelor urmărește temperatura locală a gazului: aripioare din altele la capătul fierbinte, aripioare din oțel carbon la capătul primit și uneori tuburi goale unde eroziunea sau accesul de curățare este critic.

O listă de verificare inginerească practică arată astfel:

Confirmați debitul masic al gazelor arse, compoziția și conținutul de sulf.
Selectați dispunerea tubului și pasul pentru viteza țintă și căderea de presiune.
Calculați eficiența aripioarelor și alegeți tipul de aripioare, densitatea și trecerea materialului.
Verificați temperatura metalului tubului față de punctul de rouă acid și limitată de oxidare.
Furnizați benzi de acces, porturi de suflare de funingine și panouri de inspecție detașabile.

De ce secțiunea de convecție controlează eficiența încălzitorului

Regula generală în proiectarea încălzitorului este că o reducere cu 22 °C a temperaturii de evacuare a gazelor de ardere adaugă aproximativ un punctual de eficiență. Scăderea ieșirii de la 250 °C la 170 °C valorează, prin urmare, aproximativ 3,5 la sută. La un încălzitor de 100 MW, adică 3,5 MW de combustibil, o economie semnificativă de peste un an de funcționare continuă.

Suprafețele extinse fac posibilă o temperatură atât de scăzută la ieșire fără o incintă uriașă, așa cum arată diagrama cu bare de mai jos.

Figura 2. Zona exterioară tipică a unui tub de 114 mm OD cu suprafețe goale, împânzite și zimțate.

Tuburile cu aripioare adaugă suprafață, dar, de asemenea, prelungesc traseul gazului și cresc căderea de presiune. Alegerea între tuburile goale, cu țevi și cu aripioare la fiecare trecere a unui compromis economic între suprafața, tirajul, accesul la curățare și permisiunea de coroziune.

Murdărire, curățare și coroziune la capătul primit

Fouling-ul este cea mai persistentă problemă de funcționare a secțiunilor de convecție. Depunerile acționează ca un strat de izolare, astfel încât temperatura de evacuare a gazelor de ardere crește și procesul primește mai puțină căldură. În același timp, stratul de depozit reduce zona de curgere deschisă și crește pierderea de curent. În cazuri severe, încălzitorul nu poate atinge rata de aprindere proiectată.

Principalele cauze ale murdării secțiunilor de convecție sunt prezentate mai jos. Calitatea combustibilului, performanța arzătorului și transferul procesului contribuie, iar distribuția variază a unității la unitate.

Depuneri de sare/cenusa (35%)
Depozit de cocs/carbon (30%)
Produse de coroziune (25%)
Alte depozite (10%)

Figura 3. Distribuția tipică a cauzelor murdării în secțiunile de convecție.

Controlul murdăriei începe cu reglarea arderii și gestionarea combustibilului, dar curățarea reglementată este încă necesară. Tabelul de mai jos rezumă metodele cel mai frecvent utilizate în instalațiile de exploatare.

Metode tipice de curatare a secțiunilor de convecție și aplicarea acestora.
Metoda de curatare	Cel mai potrivit pentru	Frecvența tipică
Suflare de funingine cu abur online	Depuneri ușoare de cenușă sau sare	Săptămânal până la lunar
Suflare de funingine cu aer de înaltă presiune	Funingine de la combustibili lichizi sau solizi	Ciclu zilnic sau continuu
Hidroblast offline	Depuneri dure, groase	Fiecare întoarcere
Curățare chimică	Depozite specializate precum săruri sau cocs	La nevoie

Secțiuni de convecție în aplicații de rafinare și petrochimie

Fiecare încălzitor alimentat dintr-o rafinărie sau un sit petrochimic are o secțiune de convecție, dar fiecare serviciu impune un design diferit. Într-un încălzitor cu distilare brută și în vid, secțiunea de convecție preîncălzește petrolul brut și uneori ridică abur. Într-un cuptor de cracare cu etilenă, acesta conține de obicei o bobină de preîncălzire cu alimentare cu hidrocarburi, serpentine de supraîncălzire cu abur de diluție și un banc de abur de înaltă presiune. La reformatoarele cu hidrogen și DRI, secțiunea de convecție determină consumul total de energie al unității prin recuperarea căldurii pentru abur și preîncălzirea alimentului.

Pentru serviciul unității brute, alegerea tipului de aripioare și decizia de a include serpentine de abur domina discuția de inginerie. Un furnizor cu experiență în aceste compromisuri poate reduce riscul proiectului și poate rezultatul operațional.

Fired Heater for Atmospheric and Vacuum Distillation

Încălzitor cu ardere pentru distilare atmosferică și în vid Acest încălzitor abordează compromisurile de tip aripioară și bobine de abur în serviciul brut, oferind încălzire uniformă în mai multe zone și eficiență termică ridicată pentru a susține sau separa stabilă ADU/VDU, reducând în același timp riscul operațional. Vizualizare produs →

Încălzitoarele petrochimice adaugă un alt strat de complexitate, deoarece mai multe serpentine trebuie să împartă aceeași cale a gazelor de ardere. Principiile din spate selecția încălzitoarelor și aplicațiile de inginerie în industria petrochimică explicați modul în care operatorii echilibrează temperaturile serpentinei, cerințele de abur și economia cuptorului în aceste servicii.

Cuptoarele de cracare cu etilenă sunt cel mai solicitant exemplu. Secțiunile lor de convecție gestionează bobinele de gaz cracat, abur de diluare și generare de abur într-un aranjament compact, iar selecția altora este determinată singur de temperaturile severe de funcționare.

Cuptor de cracare a etilenei pentru piroliză Având în vedere cerințele severe ale aliajului în secțiunile de convecție cu etilenă, controlul precis al temperaturii acestui cuptor și designul radiant/convecție optimizat ajuta la menținerea consistenței fisurilor și a randamentului în condițiile funcționarii continue la temperatură ridicată. Vizualizare produs →

Ce să verificați atunci când cumpărați o secțiune de convecție

Indiferent dacă înlocuiți un pachet deteriorat sau adăugați capacitatea de a genera aburului, se aplică aceleași verificări.

Confirmați că noul pachet se potrivește cu debitul masic al gazelor de ardere și cu tirajul disponibil al secțiunilor radiante existente.
Revizuiți baza codului de proiectare: API 560 pentru încălzitor, ASME B31.3 pentru tubulatura laterală și specificațiile clientului.
Evaluați planul de calitate a sudurii în jurul conexiunii aripioare-tub și îmbinărilor tub-a-header, deoarece acestea sunt cele mai frecvente locații de defecțiune.
Verificați izolația și sistemul de căptușeală pentru temperatură estimată de intrare a gazului, inclusiv protecția împotriva eroziunii acolo unde gazul intra în fascicul.
Confirmați capacitatea producătorului: calificările procedurii de sudare, testarea hidrostatică, controlul dimensional și inspecția terță parte.

Majoritatea secțiunilor de convecție sunt livrate ca module fabricate în atelier, inclusiv tuburi, colectoare, izolație și carcasă. This abordare scurtează timpul de ridicare a șantierului și îmbunătățește calitatea sudurilor, deoarece munca grea de asamblare se realizează în condițiile controlate. Când modulul este ridicat în poziție, conexiunile la secțiunea radiantă și stiva încălzitorului existent trebuie să se adapteze la dilatarea termică și să rămână etanșe la gaz.

Shop-Fabricated Convection Section Module

Modul de secțiune de convecție fabricat în magazin This secțiune de convecție modulară este construită pentru fabricarea controlată în atelier și ridicarea ușoară a șantierului, cu alte durabile și design personalizabil pentru a se adapta expansiunii termice și a mențin conexiunile etanșe la gaz în timpul instalării. Vizualizare produs →

Logistica este la fel de importantă. Un modul mare de secțiune de convecție este o încărcătură grea, cu lățime prea mare, astfel încât ruta de transport, metoda de ridicare și planul de manipulare a șantierului merită aceeași atenție ca și designul termic. Un producător care poate gestiona atât fabricația, cât și transportul greu reduce riscul întârzierilor în program. Pentru o evaluare sau o cotație specifică unui proiect, puteți contactați echipa de ingineri Tuopu cu fișa tehnică a încălzitorului.

Întrebări frecvente despre secțiunile de convecție

De ce tuburile cu secțiunea de convecție au aripioare?

Aripioarele înmulțesc suprafața exterioară de transfer de căldură cu cinci până la zece ori, ceea ce ce compensează coeficientul scăzut de transfer de căldură pe partea gazelor de ardere. Fără aripioare, secțiunea de convecție ar trebui să fie de câteva ori mai mare pentru a recupera aceeași cantitate de căldură.

Care este temperatura normală a gazelor ass la ieșirea secțiunilor de convecție?

Pentru un încălzitor eficient, bine întreținut, temperatura de ieșire este de obicei între 150 și 200 °C. Când combustibilul are un conținut ridicat de sulf, orificiul de evacuare este menținut deasupra punctului de rouă acid, adesea în jur de 250 până la 300 °C, sau capătul rece este realizat din material rezistent la coroziune.

Cât de multă eficiență se pierde atunci când secțiunea de convecție este murdară?

Murdarea crește temperatura de evacuare a gazelor arse. Deoarece fiecare 22 °C de creștere a temperaturii costă aproximativ un procentual de eficiență, o creștere de 50 °C reduce eficiența cu aproximativ 2,3%, ceea ce se manifestă direct ca un consum suplimentar de combustibil.

Poate fi înlocuită o secțiune de convecție fără a atinge secțiunea radiantă?

Da. Încălzitoarele existente primesc adesea un nou modul de secțiune de convecție, păstrând în același timp cutia radiantă, arzătoarele și stiva. Acesta este un traseu obișnuit de renovare, cu condiția ca structura și fundațiile să aibă o durată de viață suficientă și căderea de presiune a noului pachet să se încadreze în proiectul disponibil.