Convection Section sa Fired Heaters: Disenyo, Kahusayan, at Pagpapanatili

Pagkatapos ng tatlong taon sa isang naantalang coking unit, ang temperatura ng flue gas outlet ng fired heater ay naanod mula 180 °C hanggang 246 °C. Ang mga burner ay nakatutok at ang mga nagliliwanag na tubo ay mukhang tunog, ngunit ang pagkonsumo ng gasolina ay umakyat ng halos apat na porsyento. Ang problema ay natagpuan kung saan ang mga operator ay madalas na huli: ang seksyon ng convection. Ang mga palikpik na tubo ay natatakpan ng matigas na layer ng asin at abo, at ang isang nasirang liner sa likod ng bundle ay hinahayaan ang mainit na tambutso na gas na ganap na lumampas sa mga tubo.

Ang seksyon ng convection ay karaniwang naghahatid ng 25 hanggang 35 porsiyento ng kabuuang tungkulin ng proseso ng isang fired heater. Kapag bumababa ang pagganap nito, bumababa ang kahusayan, tumataas ang mga gastos sa gasolina, at ang susunod na turnaround ay nagiging mas apurahan. Ipinapaliwanag ng artikulong ito kung ano ang ginagawa ng seksyon ng convection, kung paano ito idinisenyo, kung bakit kinokontrol nito ang kahusayan ng heater, at kung ano ang dapat suriin bago bumili ng bagong bundle.

Ano ang Ginagawa ng Convection Section sa isang Fired Heater

Sa isang patayong cylindrical heater, ang seksyon ng convection ay nakaupo nang direkta sa itaas ng radiant na seksyon. Sa isang cabin-type heater, nakaupo ito sa isang dulo ng radiant box. Ang parehong mga layout ay nagpapasa ng mainit na flue gas sa isang bangko ng mga pahalang na tubo, at ang prosesong likido sa loob ng mga tubo na iyon ay sumisipsip ng init sa pamamagitan ng dingding ng tubo. Dahil ang flue gas na pumapasok sa convection section ay mas mababa na sa temperatura ng apoy, ang nangingibabaw na heat transfer mode ay nagbabago mula sa radiation patungo sa forced convection.

Ang mga pinahabang ibabaw ay karaniwang ginagamit upang mabayaran ang mas mababang koepisyent ng paglipat ng init sa gilid ng gas. Inihahambing ng talahanayan sa ibaba ang mga kondisyon sa pagtatrabaho sa dalawang seksyon ng isang karaniwang pampainit ng refinery.

Paghahambing ng mga tipikal na kundisyon sa pagpapatakbo sa mga seksyon ng radiant at convection ng isang refinery fired heater.
Parameter	Maliwanag na seksyon	Seksyon ng kombeksyon
Temperatura ng tambutso ng gas	950–1100 °C sa flame zone	650–800 °C pumapasok; 150–250 °C na labasan
Dominant na heat transfer mode	Thermal radiation	Convection na may ilang radiation
Karaniwang ibabaw ng tubo	Hubad, makinis na tubo	Palikpik, studded, o hubad
Bahagi ng kabuuang tungkulin	60–70 porsyento	25–35 porsiyento
Pangunahing panganib sa pagpapatakbo	Overheating at gumapang	Fouling at cold-end corrosion

Paano Nababawi ng Convection Section ang init

Ang gas-side heat transfer coefficient para sa isang bare tube sa convection section ay mababa, humigit-kumulang 15 hanggang 30 W/(m²·K), habang ang process-side coefficient ay karaniwang ilang beses na mas mataas, lalo na kapag kumukulo ang fluid. Ang naglilimita sa paglaban ay halos palaging nasa gilid ng tambutso ng tubo.

Ang mga finned at studded tubes ay malulutas ang problemang ito sa pamamagitan ng pagpaparami ng panlabas na lugar. Ang mga may serrated na palikpik sa densidad na 4 hanggang 5 palikpik bawat pulgada, o humigit-kumulang 157 hanggang 197 palikpik bawat metro, ay nagdaragdag sa panlabas na ibabaw ng lima hanggang sampung beses kumpara sa isang hubad na tubo na may parehong diameter. Ang tsart sa ibaba ay nagpapakita ng isang tipikal na profile ng temperatura ng flue gas sa pamamagitan ng isang three-pass convection section.

Figure 1. Karaniwang pagbabawas ng temperatura ng flue gas sa isang three-pass convection section.

Ang pinakamainit na pass, na pinakamalapit sa radiant na seksyon, ang humahawak sa stream ng proseso na nangangailangan ng pinakamataas na temperatura. Ang mga cooler pass ay bumabawi ng init para sa mas mababang temperatura na mga serbisyo tulad ng pagbuo ng singaw, dilution steam superheating, at feed preheating. Ang countercurrent arrangement na ito ay nagpapanatili ng kapaki-pakinabang na pagkakaiba sa temperatura sa bawat pass.

Disenyo ng Convection Section: Pressure Drop, Velocity, at Materials

Ibinibigay ng API 560 ang balangkas ng disenyo na ginagamit para sa karamihan ng mga pinainit na heater sa refinery at petrochemical na serbisyo. Ang seksyon ng convection ay hindi maaaring sukatin nang hiwalay: ang lalim ng bundle, geometry ng palikpik, at kinakailangang draft ay dapat ayusin nang magkasama, dahil ang bawat isa ay nakakaapekto sa iba.

Ang mga kritikal na pagsusuri ay ang pagbaba ng presyon ng tambutso ng gas, bilis ng gas, temperatura ng metal sa tubo, at materyal ng palikpik. Pinapanatili ng karaniwang heater ang pagbaba ng presyon ng seksyon ng convection sa pagitan ng 3 at 10 mbar, o 30 hanggang 100 mm H₂O. Ang mas malalim na bundle ay nakakakuha ng mas maraming init ngunit nangangailangan ng mas maraming stack o induced-draft na kapasidad ng fan. Ang bilis ng gas sa pinakamababang bilis ng pagpapaputok ay dapat manatili sa itaas ng humigit-kumulang 4.5 m/s upang maiwasan ang pag-aayos ng abo, at mas mababa sa 15 hanggang 20 m/s upang maiwasan ang pagguho at pagdaloy ng panginginig ng boses. Ang temperatura ng metal ng tubo sa malamig na dulo ay dapat manatili sa itaas ng sulfuric acid dew point kapag mayroong sulfur; kung hindi, ang mga mas mababang hanay at ang pambalot ay mabilis na nabubulok. Ang materyal ng palikpik ay sumusunod sa lokal na temperatura ng gas: mga palikpik ng alloy sa mainit na dulo, mga palikpik ng carbon steel sa malamig na dulo, at kung minsan ay mga hubad na tubo kung saan kritikal ang pagguho o pag-access sa paglilinis.

Ang isang praktikal na checklist ng engineering ay ganito ang hitsura:

Kumpirmahin ang daloy ng masa ng tambutso, komposisyon, at nilalaman ng sulfur.
Piliin ang layout ng tubo at pitch para sa target na bilis at pagbaba ng presyon.
Kalkulahin ang kahusayan ng palikpik at piliin ang uri ng palikpik, density, at materyal na pass by pass.
Suriin ang temperatura ng metal ng tubo laban sa acid dew point at mga limitasyon ng oksihenasyon.
Magbigay ng mga access lane, sootblower port, at naaalis na mga panel ng inspeksyon.

Bakit Kinokontrol ng Convection Section ang Heater Efficiency

Ang panuntunan ng thumb sa fired heater na disenyo ay ang 22 °C na pagbawas sa flue gas outlet temperature ay nagdaragdag ng humigit-kumulang isang porsyentong punto ng kahusayan. Ang pagbaba ng outlet mula 250 °C hanggang 170 °C ay samakatuwid ay nagkakahalaga ng humigit-kumulang 3.5 porsiyento. Sa isang 100 MW heater, iyon ay 3.5 MW ng gasolina, isang makabuluhang pagtitipid sa loob ng isang taon ng tuluy-tuloy na operasyon.

Ginagawang posible ng mga pinahabang ibabaw ang mababang temperatura ng labasan nang walang malaking enclosure, gaya ng ipinapakita ng bar chart sa ibaba.

Figure 2. Karaniwang panlabas na bahagi ng 114 mm OD tube na may hubad, studded, at may ngipin na mga palikpik na ibabaw.

Ang mga palikpik na tubo ay nagdaragdag ng lugar sa ibabaw ngunit nagpapahaba din ng landas ng gas at nagpapataas ng pagbaba ng presyon. Ang pagpili sa pagitan ng mga bare, studded, at finned tubes sa bawat pass ay isang economic trade-off sa surface area, draft, cleaning access, at corrosion allowance.

Fouling, Paglilinis, at Cold-End Corrosion

Ang fouling ay ang pinaka-paulit-ulit na problema sa pagpapatakbo ng seksyon ng kombeksyon. Ang mga deposito ay kumikilos bilang isang layer ng pagkakabukod, kaya ang temperatura ng labasan ng tambutso ng gas ay tumataas at ang proseso ay tumatanggap ng mas kaunting init. Kasabay nito, binabawasan ng layer ng deposito ang lugar ng bukas na daloy at pinapataas ang pagkawala ng draft. Sa mga malubhang kaso, hindi maabot ng heater ang rate ng pagpapaputok ng disenyo nito.

Ang mga pangunahing sanhi ng fouling ng seksyon ng convection ay ipinapakita sa ibaba. Ang kalidad ng gasolina, pagganap ng burner, at pagdadala ng proseso ay lahat ay nag-aambag, at ang pamamahagi ay nag-iiba mula sa bawat yunit.

Mga deposito ng asin/abo (35%)
Mga deposito ng coke/carbon (30%)
Mga produkto ng kaagnasan (25%)
Iba pang mga deposito (10%)

Figure 3. Karaniwang pamamahagi ng mga sanhi ng fouling sa mga seksyon ng convection.

Nagsisimula ang fouling control sa combustion tuning at fuel management, ngunit kailangan pa rin ng regular na paglilinis. Ang talahanayan sa ibaba ay nagbubuod sa mga pamamaraan na pinakakaraniwang ginagamit sa mga operating plant.

Karaniwang pamamaraan ng paglilinis ng seksyon ng convection at ang kanilang aplikasyon.
Paraan ng paglilinis	Pinakamahusay na angkop para sa	Karaniwang dalas
Online steam sootblowing	Banayad na abo o mga deposito ng asin	Lingguhan hanggang buwanan
High-pressure air sootblowing	Soot mula sa likido o solid fuel	Araw-araw o tuloy-tuloy na cycle
Offline na hydroblasting	Matigas, makapal na deposito	Bawat pag-ikot
Paglilinis ng kemikal	Mga espesyal na deposito tulad ng mga asin o coke	Kung kinakailangan

Mga Seksyon ng Convection sa Refining at Petrochemical Applications

Ang bawat pinaputok na heater sa isang refinery o petrochemical site ay may convection section, ngunit ang bawat serbisyo ay nagpapataw ng ibang disenyo. Sa isang krudo at vacuum distillation heater, ang convection section ay nagpapainit ng krudo at kung minsan ay nagpapataas ng singaw. Sa isang ethylene cracking furnace, karaniwan itong naglalaman ng hydrocarbon feed preheat coil, dilution steam superheating coils, at high-pressure steam bank. Sa hydrogen at DRI reformers, tinutukoy ng convection section ang kabuuang konsumo ng enerhiya ng unit sa pamamagitan ng pagbawi ng init para sa steam at feed preheating.

Para sa serbisyo ng krudo, ang pagpili ng uri ng palikpik at ang desisyon na isama ang mga steam coil ay nangingibabaw sa talakayan sa engineering. Ang isang supplier na may karanasan sa mga trade-off na ito ay maaaring mabawasan ang panganib sa proyekto at mapabuti ang resulta ng pagpapatakbo.

Fired Heater for Atmospheric and Vacuum Distillation

Pinaandar na Heater para sa Atmospheric at Vacuum Distillation Tinutugunan ng heater na ito ang fin-type at steam coil trade-off sa krudo na serbisyo, na nag-aalok ng pare-parehong multi-zone heating at mataas na thermal efficiency upang suportahan ang matatag na paghihiwalay ng ADU/VDU habang binabawasan ang panganib sa pagpapatakbo. Tingnan ang Produkto →

Ang mga petrochemical heater ay nagdaragdag ng isa pang layer ng pagiging kumplikado dahil ang ilang mga coil ay dapat magbahagi ng parehong landas ng flue gas. Ang mga prinsipyo sa likod pinaputok ang pagpili ng pampainit at mga aplikasyon sa engineering sa industriya ng petrochemical ipaliwanag kung paano binabalanse ng mga operator ang temperatura ng coil, hinihingi ng singaw, at ekonomiya ng furnace sa mga serbisyong ito.

Ang ethylene cracking furnaces ay ang pinaka-hinihingi na halimbawa. Ang kanilang mga convection section ay humahawak ng basag na gas, dilution steam, at steam generation coils sa isang compact arrangement, at ang pagpili ng haluang metal ay hinihimok ng matinding operating temperature.

Ethylene Cracking Furnace para sa Pyrolysis Dahil sa matinding hinihingi ng haluang metal sa mga seksyon ng ethylene convection, ang tumpak na pagkontrol sa temperatura ng furnace na ito at ang na-optimize na disenyo ng radiant/convection ay nakakatulong na mapanatili ang pagkakapare-pareho ng pag-crack at ani sa ilalim ng tuluy-tuloy na operasyon sa mataas na temperatura. Tingnan ang Produkto →

Ano ang Ibe-verify Kapag Bumibili ng Convection Section

Papalitan mo man ang isang nasirang bundle o nagdaragdag ng kapasidad ng pagbuo ng singaw, ang parehong mga pagsusuri ay nalalapat.

Kumpirmahin na ang bagong bundle ay tumutugma sa flue gas mass flow at available na draft ng kasalukuyang radiant section.
Suriin ang batayan ng code ng disenyo: API 560 para sa heater, ASME B31.3 para sa tubo sa gilid ng tubo, at ang detalye ng site ng kliyente.
Suriin ang weld-quality plan sa paligid ng fin-to-tube connection at ang tube-to-header joints, dahil ito ang pinakakaraniwang mga lokasyon ng pagkabigo.
Suriin ang insulation at liner system para sa inaasahang gas inlet temperature, kabilang ang proteksyon sa erosion kung saan pumapasok ang gas sa bundle.
Kumpirmahin ang kakayahan ng tagagawa: mga kwalipikasyon sa welding procedure, hydrostatic testing, dimensional control, at third-party na inspeksyon.

Karamihan sa mga seksyon ng convection ay inihahatid bilang mga module na gawa sa tindahan, kabilang ang mga tubo, header, insulation, at casing. Ang diskarte na ito ay nagpapaikli sa oras ng pagtayo ng site at nagpapabuti sa kalidad ng hinang, dahil ang mabigat na gawaing pagpupulong ay ginagawa sa ilalim ng mga kontroladong kondisyon. Kapag ang module ay itinaas sa lugar, ang mga koneksyon sa radiant na seksyon at ang stack ng umiiral na heater ay dapat tumanggap ng thermal expansion at manatiling gas-tight.

Shop-Fabricated Convection Section Module Ang modular convection section na ito ay binuo para sa kinokontrol na paggawa ng shop at madaling pag-angat ng site, na may matibay na mga haluang metal at nako-customize na disenyo upang mapaunlakan ang thermal expansion at mapanatili ang gas-tight na koneksyon sa panahon ng pag-install. Tingnan ang Produkto →

Mahalaga rin ang logistik. Ang isang malaking module ng seksyon ng convection ay isang over-width, mabigat na kargamento, kaya ang ruta ng transportasyon, paraan ng pag-aangat, at plano sa paghawak ng site ay nararapat sa parehong pagsisiyasat gaya ng thermal na disenyo. Ang isang tagagawa na maaaring pamahalaan ang parehong katha at mabigat na transportasyon ay binabawasan ang panganib ng mga pagkaantala sa iskedyul. Para sa isang pagsusuri o panipi na partikular sa proyekto, maaari mong makipag-ugnayan sa Tuopu engineering team kasama ang iyong heater data sheet.

Mga Madalas Itanong tungkol sa Mga Seksyon ng Convection

Bakit may mga palikpik ang convection section tubes?

Ang mga palikpik ay nagpaparami sa panlabas na lugar ng paglilipat ng init ng lima hanggang sampung beses, na nagbabayad para sa mababang koepisyent ng paglipat ng init sa gilid ng flue gas. Kung walang mga palikpik, ang seksyon ng convection ay kailangang maging ilang beses na mas malaki upang mabawi ang parehong dami ng init.

Ano ang normal na temperatura ng flue gas sa outlet ng convection section?

Para sa isang mahusay, well-maintained heater, ang temperatura ng labasan ay karaniwang 150 hanggang 200 °C. Kapag ang gasolina ay mataas sa sulfur, ang labasan ay pinananatili sa itaas ng acid dew point, kadalasan sa paligid ng 250 hanggang 300 °C, o ang malamig na dulo ay gawa sa corrosion-resistant na materyal.

Gaano karaming kahusayan ang nawala kapag ang seksyon ng kombeksyon ay na-foul?

Ang fouling ay nagpapataas ng temperatura ng labasan ng tambutso ng gas. Dahil ang bawat 22 °C ng pagtaas ng temperatura ay nagkakahalaga ng humigit-kumulang isang porsyentong punto ng kahusayan, ang 50 °C na pagtaas ay binabawasan ang kahusayan ng humigit-kumulang 2.3 porsiyento, na direktang nagpapakita bilang karagdagang pagkonsumo ng gasolina.

Maaari bang palitan ang isang seksyon ng kombeksyon nang hindi hinahawakan ang nagliliwanag na seksyon?

Oo. Ang mga umiiral nang fired heaters ay kadalasang nakakatanggap ng bagong convection section module habang pinapanatili ang radiant box, burner, at stack. Ito ay isang karaniwang ruta ng pag-aayos, kung ang istraktura at mga pundasyon ay may sapat na natitirang buhay at ang pagbaba ng presyon ng bagong bundle ay umaangkop sa magagamit na draft.