بخش همرفت در بخاری های آتش زده: طراحی، کارایی و نگهداری

Content

1 آنچه که بخش همرفت در یک بخاری آتش‌زا انجام می‌دهد
2 چگونه بخش همرفت گرما را بازیابی می کند
3 طراحی بخش همرفت: افت فشار، سرعت و مواد
4 چرا بخش همرفت راندمان بخاری را کنترل می کند؟
5 رسوب گیری، تمیز کردن، و خوردگی سرد
6 مقاطع جابجایی در کاربردهای پالایش و پتروشیمی
7 هنگام خرید بخش کانوکشن چه مواردی را باید تأیید کرد
8 سوالات متداول در مورد مقاطع همرفت

پس از سه سال کار در واحد کک‌سازی تاخیری، دمای خروجی گاز دودکش بخاری از 180 درجه سانتی‌گراد به 246 درجه سانتی‌گراد کاهش یافت. مشعل ها تنظیم شده بودند و لوله های تابشی صدا به نظر می رسیدند، با این حال مصرف گاز سوخت نزدیک به چهار درصد افزایش یافته بود. مشکل در جایی پیدا شد که اپراتورها اغلب آخرین نگاه را دارند: بخش همرفت. لوله‌های پره‌دار با لایه‌ای سخت از نمک و خاکستر پوشانده شده بودند و یک آستر آسیب‌دیده در پشت بسته نرم‌افزاری به گاز داغ دودکش اجازه می‌داد لوله‌ها را به طور کامل دور بزند.

بخش همرفت به طور معمول 25 تا 35 درصد از کل وظیفه فرآیند یک بخاری آتش گرفته را ارائه می دهد. هنگامی که عملکرد آن کاهش می یابد، راندمان کاهش می یابد، هزینه سوخت افزایش می یابد، و چرخش بعدی فوری تر می شود. این مقاله توضیح می دهد که بخش کانوکشن چه کاری انجام می دهد، چگونه طراحی شده است، چرا راندمان بخاری را کنترل می کند، و قبل از خرید یک بسته جدید چه چیزی را باید بررسی کرد.

آنچه که بخش همرفت در یک بخاری آتش‌زا انجام می‌دهد

در یک بخاری استوانه ای عمودی، بخش همرفت مستقیماً بالای بخش تابشی قرار می گیرد. در یک بخاری از نوع کابین، در یک انتهای جعبه تابشی قرار می گیرد. هر دو چیدمان گاز دودکش داغ را از میان یک دسته از لوله های افقی عبور می دهند و سیال فرآیند داخل آن لوله ها گرما را از طریق دیواره لوله جذب می کند. از آنجا که گاز دودکش وارد شده به بخش همرفت در حال حاضر بسیار کمتر از دمای شعله است، حالت انتقال حرارت غالب از تابش به همرفت اجباری تغییر می‌کند.

سطوح کشیده معمولاً برای جبران ضریب انتقال حرارت پایین تر از سمت گاز استفاده می شود. جدول زیر شرایط کار در دو بخش یک بخاری پالایشگاهی معمولی را مقایسه می کند.

مقایسه شرایط عملیاتی معمولی در بخش های تابشی و همرفتی یک بخاری پالایشگاهی
پارامتر	بخش تابشی	بخش همرفت
دمای گاز دودکش	950-1100 درجه سانتیگراد در منطقه شعله	ورودی 650-800 درجه سانتیگراد؛ خروجی 150-250 درجه سانتیگراد
حالت غالب انتقال حرارت	تابش حرارتی	همرفت با مقداری تشعشع
سطح لوله معمولی	لوله لخت و صاف	باله دار، میخ دار یا لخت
سهم کل وظیفه	60-70 درصد	25-35 درصد
ریسک عملیاتی اصلی	گرم شدن بیش از حد و خزش	رسوب و خوردگی سرد

چگونه بخش همرفت گرما را بازیابی می کند

ضریب انتقال حرارت سمت گاز برای یک لوله لخت در بخش همرفت کم است، تقریباً 15 تا 30 W/(m²·K)، در حالی که ضریب سمت فرآیند معمولاً چندین برابر بیشتر است، به خصوص زمانی که سیال در حال جوشیدن است. بنابراین مقاومت محدود کننده تقریباً همیشه در سمت گاز دودکش لوله است.

لوله های پره دار و میخی دار این مشکل را با ضرب ناحیه خارجی حل می کنند. باله های دندانه دار با تراکم 4 تا 5 باله در هر اینچ یا حدود 157 تا 197 باله در هر متر، سطح خارجی را نسبت به لوله ای با همان قطر پنج تا ده برابر افزایش می دهند. نمودار زیر نمایه دمای گاز دودکش معمولی را از طریق یک بخش همرفت سه پاس نشان می دهد.

شکل 1. کاهش دمای گاز دودکش معمولی در یک بخش همرفت سه پاس.

گرمترین پاس، نزدیکترین بخش به بخش تابشی، جریان فرآیندی را که به بالاترین دما نیاز دارد کنترل می کند. پاس‌های خنک‌کننده گرما را برای سرویس‌های با دمای پایین‌تر مانند تولید بخار، سوپرگرم کردن بخار رقیق‌سازی و پیش‌گرم کردن تغذیه بازیابی می‌کنند. این ترتیب جریان مخالف، اختلاف دمای مفیدی را در هر عبور نگه می‌دارد.

طراحی بخش همرفت: افت فشار، سرعت و مواد

API 560 چارچوب طراحی مورد استفاده برای اکثر بخاری های آتش گرفته در خدمات پالایشگاهی و پتروشیمی را فراهم می کند. بخش همرفت را نمی توان به صورت مجزا اندازه گرفت: عمق دسته، هندسه باله و پیش نویس مورد نیاز باید با هم تثبیت شوند، زیرا هر یک بر دیگری تأثیر می گذارد.

بررسی های مهم عبارتند از افت فشار گاز دودکش، سرعت گاز، دمای فلز لوله و مواد باله. یک بخاری معمولی افت فشار مقطع همرفت را بین 3 تا 10 میلی‌بار یا 30 تا 100 میلی‌متر H2O نگه می‌دارد. باندل عمیق‌تر گرمای بیشتری را بازیابی می‌کند اما به ظرفیت فن پشته یا کشش القایی بیشتری نیاز دارد. سرعت گاز در کمترین سرعت شلیک باید بالای 4.5 متر بر ثانیه باشد تا از ته نشین شدن خاکستر جلوگیری شود و کمتر از 15 تا 20 متر بر ثانیه برای جلوگیری از فرسایش و ارتعاش ناشی از جریان. دمای فلز لوله در انتهای سرد باید بالاتر از نقطه شبنم اسید سولفوریک در هنگام وجود گوگرد باقی بماند. در غیر این صورت ردیف های پایین و بدنه به سرعت خورده می شوند. مواد پره از دمای گاز محلی پیروی می کند: پره های آلیاژی در انتهای داغ، باله های فولاد کربنی در انتهای سرد و گاهی اوقات لوله های لخت که در آن دسترسی به فرسایش یا تمیز کردن حیاتی است.

چک لیست مهندسی عملی به این صورت است:

جریان جرمی گاز دودکش، ترکیب و محتوای گوگرد را تأیید کنید.
طرح و گام لوله را برای سرعت هدف و افت فشار انتخاب کنید.
کارایی باله را محاسبه کنید و نوع باله، چگالی و عبور مواد را انتخاب کنید.
دمای فلز لوله را در مقابل نقطه شبنم اسیدی و محدودیت های اکسیداسیون بررسی کنید.
خطوط دسترسی، پورت های دوده دم، و پانل های بازرسی قابل جابجایی را فراهم کنید.

چرا بخش همرفت راندمان بخاری را کنترل می کند؟

قاعده کلی در طراحی بخاری سوختنی این است که کاهش 22 درجه سانتی گراد در دمای خروجی گاز دودکش حدود یک درصد راندمان را اضافه می کند. بنابراین کاهش خروجی از 250 درجه سانتیگراد به 170 درجه سانتیگراد تقریباً 3.5 درصد ارزش دارد. در یک بخاری 100 مگاواتی، یعنی 3.5 مگاوات سوخت، صرفه جویی قابل توجهی در طول یک سال کار مداوم.

همانطور که نمودار میله ای زیر نشان می دهد، سطوح گسترده چنین دمای خروجی پایینی را بدون یک محفظه بزرگ ممکن می کند.

شکل 2. منطقه خارجی معمولی یک لوله OD 114 میلی متری با سطوح لخت، میخ دار و دندانه دار.

لوله های پره دار مساحت سطح را اضافه می کنند اما مسیر گاز را نیز طولانی می کنند و افت فشار را افزایش می دهند. انتخاب بین لوله‌های لخت، میخ‌دار و پره‌دار در هر گذر، یک مبادله اقتصادی بین سطح، پیش‌کش، دسترسی تمیز کردن و میزان خوردگی است.

رسوب گیری، تمیز کردن، و خوردگی سرد

رسوب گیری، پایدارترین مشکل عملیاتی بخش همرفت است. رسوبات به عنوان یک لایه عایق عمل می کنند، بنابراین دمای خروجی گاز دودکش افزایش می یابد و فرآیند گرمای کمتری دریافت می کند. در عین حال، لایه رسوبی سطح جریان باز را کاهش می دهد و تلفات پیش نویس را افزایش می دهد. در موارد شدید، بخاری نمی تواند به سرعت شلیک طراحی شده خود برسد.

علل اصلی رسوب بخش همرفت در زیر نشان داده شده است. کیفیت سوخت، عملکرد مشعل و انتقال فرآیند همگی نقش دارند و توزیع از واحدی به واحد دیگر متفاوت است.

رسوبات نمک/خاکستر (35%)
ذخایر کک/کربن (30%)
محصولات خوردگی (25%)
سایر سپرده ها (10%)

شکل 3. توزیع معمولی علل رسوب در مقاطع همرفت.

کنترل رسوب با تنظیم احتراق و مدیریت سوخت شروع می شود، اما تمیز کردن منظم همچنان مورد نیاز است. جدول زیر روش هایی را که بیشتر در کارخانه ها مورد استفاده قرار می گیرند خلاصه می کند.

روش های معمول تمیز کردن بخش همرفت و کاربرد آنها.
روش تمیز کردن	بهترین مناسب برای	فرکانس معمولی
دمیدن دوده با بخار آنلاین	رسوبات خاکستر سبک یا نمک	هفتگی تا ماهانه
دمیدن دوده هوا با فشار بالا	دوده حاصل از سوخت مایع یا جامد	چرخه روزانه یا مداوم
هیدروبلاست آفلاین	رسوبات سخت و ضخیم	هر چرخشی
تمیز کردن شیمیایی	ذخایر تخصصی مانند نمک یا کک	در حد نیاز

مقاطع جابجایی در کاربردهای پالایش و پتروشیمی

هر بخاری در یک سایت پالایشگاه یا پتروشیمی دارای بخش همرفت است، اما هر سرویس طراحی متفاوتی را تحمیل می کند. در بخاری تقطیر خام و خلاء، بخش همرفت نفت خام را پیش گرم می کند و گاهی اوقات بخار را بالا می برد. در یک کوره کراکینگ اتیلن، معمولاً حاوی یک سیم پیچ پیش گرمایش تغذیه هیدروکربنی، کویل های بخار رقیق کننده فوق گرم و یک بانک بخار با فشار بالا است. در اصلاح کننده های هیدروژن و DRI، بخش همرفت، مصرف انرژی کلی واحد را با بازیابی گرما برای پیش گرم کردن بخار و خوراک تعیین می کند.

برای خدمات واحد خام، انتخاب نوع باله و تصمیم برای گنجاندن کویل های بخار بر بحث مهندسی غالب است. یک تامین کننده با تجربه در این مبادلات می تواند ریسک پروژه را کاهش دهد و نتیجه عملیاتی را بهبود بخشد.

Fired Heater for Atmospheric and Vacuum Distillation

بخاری برای تقطیر اتمسفر و خلاء این بخاری به مبادله نوع پره و کویل بخار در خدمات خام می پردازد، گرمایش چند منطقه ای یکنواخت و راندمان حرارتی بالا را برای پشتیبانی از جداسازی پایدار ADU/VDU و در عین حال کاهش ریسک عملیاتی ارائه می دهد. مشاهده محصول →

بخاری های پتروشیمی لایه دیگری از پیچیدگی را اضافه می کنند زیرا چندین کویل باید مسیر گاز دودکش یکسانی داشته باشند. اصول پشت سر انتخاب بخاری سوخته و کاربردهای مهندسی در صنعت پتروشیمی توضیح دهید که چگونه اپراتورها دمای سیم پیچ، تقاضای بخار و اقتصاد کوره را در این خدمات متعادل می کنند.

کوره های کراکینگ اتیلن خواستارترین نمونه هستند. بخش‌های همرفت آن‌ها گاز ترک خورده، بخار رقیق‌سازی و کویل‌های تولید بخار را در یک آرایش فشرده کنترل می‌کنند و انتخاب آلیاژ توسط دماهای عملیاتی شدید هدایت می‌شود.

کوره ترک اتیلن برای پیرولیز با توجه به نیازهای شدید آلیاژ در بخش‌های همرفت اتیلن، کنترل دقیق دمای این کوره و طراحی تابشی/همرفتی بهینه‌شده به حفظ قوام ترک و عملکرد تحت عملیات مداوم در دمای بالا کمک می‌کند. مشاهده محصول →

هنگام خرید بخش کانوکشن چه مواردی را باید تأیید کرد

چه بخواهید یک بسته آسیب دیده را جایگزین کنید یا ظرفیت تولید بخار را اضافه کنید، همان بررسی ها اعمال می شود.

تأیید کنید که بسته جدید با جریان جرمی گاز دودکش بخش تابشی موجود و پیش نویس موجود مطابقت دارد.
اساس کد طراحی را مرور کنید: API 560 برای بخاری، ASME B31.3 برای لوله کشی سمت لوله، و مشخصات سایت مشتری.
طرح کیفیت جوش در اطراف اتصال پره به لوله و اتصالات لوله به سر را ارزیابی کنید، زیرا اینها رایج ترین مکان های خرابی هستند.
عایق و سیستم آستر را از نظر دمای مورد انتظار ورودی گاز، از جمله حفاظت در برابر فرسایش در جایی که گاز وارد بسته نرم افزاری می شود، بررسی کنید.
قابلیت سازنده را تأیید کنید: شرایط جوشکاری، آزمایش هیدرواستاتیک، کنترل ابعاد و بازرسی شخص ثالث.

بیشتر بخش‌های همرفت به صورت ماژول‌های ساخته شده در فروشگاه، از جمله لوله‌ها، هدرها، عایق‌ها و پوشش‌ها ارائه می‌شوند. این رویکرد زمان نصب محل را کوتاه می کند و کیفیت جوش را بهبود می بخشد، زیرا کار مونتاژ سنگین تحت شرایط کنترل شده انجام می شود. هنگامی که ماژول در جای خود بلند می شود، اتصالات به بخش تابشی و پشته بخاری موجود باید انبساط حرارتی را در خود جای دهد و در برابر گاز مقاوم بماند.

Shop-Fabricated Convection Section Module

ماژول بخش همرفتی ساخته شده در فروشگاه این بخش جابجایی مدولار برای ساخت کارگاهی کنترل شده و بالا بردن آسان محل، با آلیاژهای بادوام و طراحی قابل تنظیم برای سازگاری با انبساط حرارتی و حفظ اتصالات ضد گاز در هنگام نصب ساخته شده است. مشاهده محصول →

لجستیک به همان اندازه مهم است. یک ماژول بخش جابجایی بزرگ یک محموله با عرض زیاد و سنگین است، بنابراین مسیر حمل و نقل، روش بلند کردن و طرح جابجایی محل مستحق بررسی دقیق طراحی حرارتی است. سازنده ای که بتواند هم ساخت و هم حمل و نقل سنگین را مدیریت کند، خطر تاخیر در برنامه را کاهش می دهد. برای ارزیابی یا نقل قول خاص پروژه، می توانید با تیم مهندسی Tuopu تماس بگیرید با برگه اطلاعات بخاری شما

سوالات متداول در مورد مقاطع همرفت

چرا لوله های مقطع همرفت دارای باله هستند؟

باله ها ناحیه انتقال حرارت خارجی را پنج تا ده برابر می کنند که ضریب انتقال حرارت پایین در سمت گاز دودکش را جبران می کند. بدون پره، بخش همرفت باید چندین برابر بزرگتر باشد تا همان مقدار گرما را بازیابی کند.

دمای معمولی گاز دودکش در خروجی بخش همرفت چقدر است؟

برای یک بخاری کارآمد و به خوبی نگهداری می شود، دمای خروجی معمولاً 150 تا 200 درجه سانتی گراد است. هنگامی که سوخت گوگرد بالایی دارد، خروجی بالاتر از نقطه شبنم اسید، اغلب در حدود 250 تا 300 درجه سانتیگراد نگه داشته می شود، یا انتهای سرد از مواد مقاوم در برابر خوردگی ساخته شده است.

وقتی بخش همرفت رسوب می‌کند چقدر کارایی از دست می‌رود؟

رسوب گیری دمای خروجی گاز دودکش را افزایش می دهد. از آنجایی که هر 22 درجه سانتیگراد افزایش دما حدود یک درصد بازده دارد، افزایش 50 درجه سانتیگراد تقریباً 2.3 درصد راندمان را کاهش می دهد که مستقیماً به عنوان مصرف سوخت اضافی نشان داده می شود.

آیا می توان بخش همرفت را بدون دست زدن به بخش تابشی تعویض کرد؟

بله. بخاری های موجود اغلب یک ماژول بخش همرفتی جدید دریافت می کنند در حالی که جعبه تابشی، مشعل ها و پشته را نگه می دارند. این یک مسیر متداول بازسازی است، مشروط بر اینکه سازه و پایه ها عمر باقیمانده کافی داشته باشند و افت فشار بسته جدید با پیش نویس موجود مطابقت داشته باشد.