Konveksjonsseksjon i fyrte varmeovner: design, effektivitet og vedlikehold

Etter tre år på et forsinket koksanlegg hadde en fyrt varmeovns røykgassutløpstemperatur drevet fra 180 °C til 246 °C. Brennerne var innstilt og strålerørene så gode ut, likevel hadde drivstoffgassforbruket steget med nesten fire prosent. Problemet ble funnet der operatørene ofte ser sist: konveksjonsseksjonen. Finnete rør ble dekket med et hardt lag salt og aske, og en skadet foring bak bunten lot varm røykgass omgå rørene helt.

Konveksjonsseksjonen leverer normalt 25 til 35 prosent av en fyrt varmeovns totale prosessoppgave. Når ytelsen forringes, synker effektiviteten, drivstoffkostnadene øker, og neste snuoperasjon blir mer presserende. Denne artikkelen forklarer hva konveksjonsdelen gjør, hvordan den er utformet, hvorfor kontrollerer varmerens effektivitet og hva du bør sjekke før du kjøper en ny pakke.

Hva konveksjonsseksjonen gjør i en fyrt varmeovn

I en vertikal sylindrisk varmeovn sitter konveksjonsseksjonen rett over stråleseksjonen. I en varmeovn av kabintype sitter den i den ene enden av stråleboksen. Begge layoutene passerer varm røykgass over en rekke horisontale rør, og prosessvæsken inne i disse rørene absorberer varme gjennom rørveggen. Fordi røykgassen som kommer inn i konveksjonsseksjonen allerede er langt under flammetemperatur, endres den dominerende varmeoverføringsmodusen fra stråling til tvungen konveksjon.

Forlenget overflate brukes normalt for å kompensere for den lavere varmeoverføringskoeffisienten på gasssiden. Tabellen nedenfor sammenligner arbeidsforholdene i de to delene av en typisk raffinerivarmer.

Sammenligning av typiske driftsforhold i stråle- og konveksjonsseksjonene til en raffinerifyrt varmeovn.
Parameter	Strålende seksjon	Konveksjonsseksjon
Røykgasstemperatur	950–1100 °C ved flammesonen	650–800 °C innløp; 150–250 °C uttak
Dominerende varmeoverføringsmodus	Termisk stråling	Konveksjon med noe stråling
Typisk røroverflate	Bart, glatt rør	Finnet, pigget eller nakent
Andel av total plikt	60–70 prosent	25–35 prosent
Hovedoperativ risiko	Overoppheting og krypning	Begroing og kald-ende korrosjon

Hvordan konveksjonsseksjonen gjenvinner varme

Gassside varmeoverføringskoeffisienten for et bart rør i konveksjonsseksjonen er lav, 15 til 30 W/(m²·K), mens prosesssidekoeffisienten vanligvis er flere ganger høyere, spesielt når væsken koker. Den begrensede motstanden er derfor nesten alltid på røykgasssiden av røret.

Finnete rør og piggrør løser dette problemet ved å multiplisere det ytre området. Sagte finner med en tetthet på 4 til 5 finner per tomme, eller omtrent 157 til 197 finner per meter, øker den ytre overflaten med fem ganger i forhold til et bart rør med samme diameter. Diagrammet nedenfor viser en typisk røykgasstemperaturprofil gjennom en tre-pass konveksjonsseksjon.

Figur 1. Typisk røykgasstemperaturreduksjon over en tre-pass konveksjonsseksjon.

Den varmeste passeringen, nærmest den strålende delen, håndterer prosesstrømmen som trenger høyest temperatur. Kjøleren passerer gjenvinningsvarme for lavere temperaturtjenester som dampgenerering, fortynningsdampoveroppheting og fôrforvarming. Dette motstrømsarrangementet holder en nyttig temperaturforskjell i hver passering.

Konveksjonsseksjonsdesign: Trykkfall, hastighet og materialer

API 560 gir designrammeverket som brukes for de fleste fyrte varmeovner i raffinerier og petrokjemiske tjenester. Konveksjonsseksjonen kan ikke dimensjoneres isolert: buntdybde, finnegeometri og nødvendig trekk må avgjøres sammen, fordi hver av dem påvirker andre.

De kritiske kontrollene er røykgasstrykkfall, gasshastighet, rørmetalltemperatur og finnemateriale. En typisk varmeovn holder konveksjonsseksjonens trykkfall mellom 3 og 10 mbar, eller 30 til 100 mm H2O. En dypere bunt gjenvinner mer varme, men krever mer stabil eller indusert trekk viftekapasitet. Gasshastighet ved laveste fyringshastighet bør holde seg over ca. 4,5 m/s for å hindre askesetning, og under 15 til 20 m/s for å unngå erosjon og strømningsinnusert vibrasjon. Rørmetalltemperaturen i den kalde enden må holde seg over svovelsyreduggpunktet når svovel er tilstede; ellers korroderer de nederste radene og foringsrøret raskt. Finnematerialet følger lokal gasstemperatur: legeringsfinner i den varme enden, karbonstålsfinner i den kalde enden, og noen ganger bare rør der erosjon eller rengjøringstilgang er kritisk.

En praktisk ingeniørsjekkliste ser slik ut:

Bekreft røykgassmassestrøm, sammensetning og svovelinnhold.
Velg røroppsett og pitch for målhastighet og trykkfall.
Beregn finneeffektivitet og velg finnetype, tetthet og materiale passerer for passering.
Sjekk rørets metalltemperatur mot syreduggpunktet og oksidasjonsgrensene.
Gi tilgangsfelt, sotblåserporter og avtakbare inspeksjonspaneler.

Hvorfor konveksjonsseksjonen kontrollerer varmerens effektivitet

Tommelfingerregelen i design av fyrte varmeovner er at en reduksjon på 22 °C i røykgassutløpstemperaturen gir omtrent et prosentpoeng av effektiviteten. Å senke utløpet fra 250 °C til 170 °C er derfor verdt omtrent 3,5 prosent. På en 100 MW varmeovn er det 3,5 MW drivstoff, en meningsfull besparelse over ett års kontinuerlig drift.

Forlengede overflater gjør en så lav utløpstemperatur mulig uten en stor innkapsling, som søylediagrammet nedenfor viser.

Figur 2. Typisk utvendig areal av et 114 mm OD-rør med nakne, piggete og taggete overflater.

Finnede rør legger til overflateareal, men forlenger også gassbanen og øker trykkfallet. Å velge mellom nakne, piggede og ribbede rør i hver passasje er en økonomisk avveining mellom overflateareal, trekk, rengjøringstilgang og korrosjonsgodtgjørelse.

Tilsmussing, rengjøring og kald-ende korrosjon

Tilgroing er konveksjonsseksjonens mest vedvarende driftsproblem. Avleiringer fungerer som et isolasjonsslag, slik at røykgassutløpstemperaturen stiger og mottar mindre varme. Samtidig reduserer avsetningslaget det åpne strømarealet og øker trekktapet. I alvorlige tilfeller kan ikke varmeapparatet nå sin konstruksjonshastighet.

Hovedårsakene til begroing av konveksjonsseksjonen er vist nedenfor. Drivstoffkvalitet, brennerytelse og prosessoverføring bidrar alle, og fordelingen forskjellige fra enhet til enhet.

Salt/askeforekomster (35 %)
Koks/karbonforekomster (30 %)
Korrosjonsprodukter (25 %)
Andre innskudd (10 %)

Figur 3. Typisk fordeling av begroingsårsaker i konveksjonsseksjoner.

Begroingskontroll starter med forbrenningsjustering og drivstoffstyring, men regelmessig rengjøring er fortsatt nødvendig. Tabellen nedenfor oppsummerer de mest brukte metodene i driftsanlegg.

Typiske rengjøringsmetoder for konveksjonsseksjoner og deres anvendelse.
Rengjøringsmetode	Passer best for	Typisk frekvens
Online fuktig sotblåsing	Lette aske- eller saltavleiringer	Ukentlig til månedlig
Høytrykks luftsotblåsing	Sot fra flytende eller rask brensel	Daglig eller kontinuerlig syklus
Offline hydroblåsing	Harde, tykke avleiringer	Hver snuoperasjon
Kjemisk rengjøring	Spesialiserte forekomster som salt eller koks	Etter behov

Konveksjonsseksjoner i raffinering og petrokjemiske applikasjoner

Hver fyrt varmeovn på et raffineri eller petrokjemisk område har en konveksjonsseksjon, men hver tjeneste pålegger en annen design. I en råolje- og vakuumdestillasjonsvarmer forvarmer konveksjonsseksjonen råolje og noen ganger hever damp. I en etylenkrakkingsovn inneholder den typiske en forvarmespiral for hydrokarbonmatning, fortynningsdampoveropphetingspoler og en høytrykksdampbank. I hydrogen- og DRI-reformere bestemmer konveksjonsseksjonen enhetens totale energiforbruk ved å gjenvinne varme til fukt- og forvarming.

For råenhetsservice dominerer valget av finnetype og beslutning om å integrere dampspiraler den tekniske diskusjonen. En leverandør med erfaring i disse avveiningene kan redusere prosjektrisiko og forbedre driftsresultatet.

Fired Heater for Atmospheric and Vacuum Distillation

Fyrt varmeapparat for atmosfærisk og vakuumdestillasjon Denne varmeren tar i avveininger av finne-type og dampspiral i råoljetjeneste, og tilbyr ensartet flersoneoppvarming og høy termisk effektivitet for å støtte stabil ADU/VDU-separasjon samtidig som den reduserte driftsrisikoen. Se produkt →

Petrokjemiske varmeovner gir enda et lag av kompleksitet fordi flere spoler må dele samme røykgassvei. Prinsippene bak valg av fyrte varmeovner og ingeniørapplikasjoner i den petrokjemiske industrien forklare hvordan operatører balanserer spoletemperaturer, fuktbehov og ovnsøkonomi i disse tjenestene.

Etylencrackingovner er det mest krevende eksemplet. Konveksjonsseksjonene deres håndterer sprukket gass, fortynningsdamp og dampgenereringsspoler i et kompakt arrangement, og legeringsvalget er drevet av høye driftstemperaturer.

Etylen cracking ovn for pyrolyse Gitt de strenge legeringskravene i etylenkonveksjonsseksjoner, bidrar til denne ovnens presise temperaturkontroll og optimaliserte strålings-/konveksjonsdesign til å sprekkkonsistens og utbytte under kontinuerlig drift ved høye temperaturer. Se produkt →

Hva du skal kontrollere når du kjøper en konveksjonsseksjon

Enten du erstatter en skadet bunt eller legger til dampproduksjonskapasitet, gjelder de samme kontrollene.

Bekreft at den nye bunten samsvarer med den eksisterende stråleseksjonens røykgassmassestrøm og tilgjengelig trekk.
Gjennomgå designkodegrunnlaget: API 560 for varmeren, ASME B31.3 for rørene på rørsiden og kundens spesifikasjoner for stedet.
Vurder sveisekvalitetsplanen rundt finne-til-rør-forbindelsen og rør-til-topp-skjøtene, siden dette er de vanlige feilstedene.
Sjekk isolasjonen og foringssystemet for forventet gassinntakstemperatur, inkludert erosjonsbeskyttelse der gassen kommer inn i bunten.
Bekreft produsentens kapasitet: sveiseprosedyrekvalifikasjoner, hydrostatisk testing, dimensjonskontroll og tredjepartsinpeksjon.

De fleste konveksjonsseksjoner leveres som butikkproduserte moduler, inkludert rør, samlerør, isolasjon og foring. Denne tilnærmingen forkorter monteringstiden og forbedrer sveisekvaliteten, fordi det tunge monteringsarbeidet gjøres under kontrollerte forhold. Når modulene løftes på plass, må koblingene til stråleseksjonen og stabile til den eksisterende varmeren ta imot termisk ekspansjon og forbli gasstette.

Shop-Fabricated Convection Section Module

Butikkprodusert konveksjonsseksjonsmodul Denne modulære konseksjonen er bygget for kontrollert fabrikasjon og enkel løfting på stedet, med slitesterke legeringer og tilpassbar design for å i møte termisk ekspansjon og gasstetteforbindelser under installasjonen. Se produkt →

Logistikk er like viktig. En stor konveksjonsseksjonsmodul er en overbredde, tung last, så transportveien, løftemetoden og håndteringsplanen for stedet fortjener samme gransking som den termiske utformingen. En produsent som kan håndtere både fabrikasjon og tungtransport reduserer risikoen for forsinkelser i tidsplanen. For en prosjektspesifikk evaluering eller tilbud kan du kontakt Tuopu ingeniørteam med varmeapparatets datablad.

Ofte stilte spørsmål om konveksjonsseksjoner

Hvorfor har konveksjonsrørene finner?

Finner multipliserer det eksterne varmeoverføringsarealet med fem til flere ganger, noe som kompenserer for den lave varmeoverføringskoeffisienten på røykgasssiden. Uten finner må konveksjonsseksjonen være flere ganger større for å gjenvinne samme mengde varme.

Hva er normal røykgasstemperatur ved konveksjonsseksjonens utløp?

For en effektiv, godt vedlikeholdt varmeovn er utløpstemperaturen typisk 150 til 200 °C. Når drivstoffet er høyt i svovel, holdes utløpet over surt duggpunkt, ofte rundt 250 til 300 °C, eller den kalde enden er laget av korrosjonsbestandig materiale.

Hvor mye effektivitet går tapt når konveksjonsseksjonen er tilsmusset?

Tilsmussing øker røykgassutløpstemperaturen. Fordi hver 22 °C temperaturøkning omtrent en prosentpoeng effektivitet koster, reduserer en 50 °C økningseffektivitet med omtrent 2,3 prosent, noe som vises direkte som ekstra drivstoffforbruk.

Kan en konveksjonsseksjon skiftes uten å berøre stråleseksjonen?

Ja. Eksisterende fyrte varmeovner mottar ofte en ny konveksjonsmodul samtidig som stråleboksen, brennerne og stabelen ser. Dette er en vanlig oppussingsrute, forutsatt at strukturen og fundamentene har tilstrekkelig gjenværende levetid og den nye buntens trykkfall passer innenfor det tilgjengelige utkastet.