Ateşlemeli Isıtıcılarda Konveksiyon Bölümü: Tasarım, Verimlilik ve Bakım

Gecikmeli koklaştırma ünitesinde üç yıl çalıştıktan sonra, ateşlenen bir ısıtıcının baca gazı çıkış sıcaklığı 180 °C'den 246 °C'ye sürüklendi. Brülörler ayarlanmıştı ve radyant tüpler sağlam görünüyordu ancak yakıt gazı tüketimi neredeyse yüzde dört artmıştı. Sorun, operatörlerin genellikle en son baktığı yerde bulundu: konveksiyon bölümü. Kanatlı borular sert bir tuz ve kül tabakasıyla kaplanmıştı ve demetin arkasındaki hasarlı astar, sıcak baca gazının borulardan tamamen geçmesine izin veriyordu.

Konveksiyon bölümü normalde ateşlenen bir ısıtıcının toplam proses görevinin yüzde 25 ila 35'ini karşılar. Performansı düştüğünde verimlilik düşer, yakıt maliyetleri artar ve bir sonraki geri dönüş daha acil hale gelir. Bu makalede konveksiyon bölümünün ne işe yaradığı, nasıl tasarlandığı, ısıtıcı verimliliğini neden kontrol ettiği ve yeni bir paket satın almadan önce nelerin kontrol edilmesi gerektiği açıklanmaktadır.

Ateşlemeli Isıtıcıda Konveksiyon Bölümü Ne Yapar?

Dikey silindirik bir ısıtıcıda konveksiyon bölümü doğrudan radyant bölümünün üzerinde bulunur. Kabin tipi ısıtıcılarda radyant kutusunun bir ucunda bulunur. Her iki düzen de sıcak baca gazını yatay borulardan oluşan bir küme boyunca geçirir ve bu boruların içindeki proses sıvısı ısıyı boru duvarından emer. Konveksiyon bölümüne giren baca gazı zaten alev sıcaklığının çok altında olduğundan, baskın ısı transfer modu radyasyondan zorlanmış konveksiyona değişir.

Genişletilmiş yüzeyler normalde daha düşük gaz tarafı ısı transfer katsayısını telafi etmek için kullanılır. Aşağıdaki tablo tipik bir rafineri ısıtıcısının iki bölümündeki çalışma koşullarını karşılaştırmaktadır.

Rafineri ateşlemeli bir ısıtıcının radyant ve konveksiyon bölümlerindeki tipik çalışma koşullarının karşılaştırılması.
Parametre	Radyant bölüm	Konveksiyon bölümü
Baca gazı sıcaklığı	Alev bölgesinde 950–1100 °C	650–800 °C giriş; 150–250 °C çıkış
Baskın ısı transfer modu	Termal radyasyon	Bir miktar radyasyonla konveksiyon
Tipik tüp yüzeyi	Çıplak, pürüzsüz tüp	Kanatlı, çivili veya çıplak
Toplam görev payı	Yüzde 60-70	Yüzde 25-35
Ana operasyonel risk	Aşırı ısınma ve sürünme	Kirlenme ve soğuk uç korozyonu

Konveksiyon Bölümü Isıyı Nasıl Geri Kazanır?

Konveksiyon bölümündeki çıplak bir boru için gaz tarafı ısı transfer katsayısı düşük, kabaca 15 ila 30 W/(m²·K) iken, proses tarafı katsayısı, özellikle akışkan kaynarken genellikle birkaç kat daha yüksektir. Bu nedenle sınırlayıcı direnç neredeyse her zaman borunun baca gazı tarafındadır.

Kanatlı ve çivili borular bu sorunu dış alanı çarparak çözer. İnç başına 4 ila 5 kanatçık veya metre başına yaklaşık 157 ila 197 kanatçık yoğunluğundaki tırtıklı kanatçıklar, aynı çaptaki çıplak bir tüpe göre dış yüzeyi beş ila on kat artırır. Aşağıdaki tablo, üç geçişli bir konveksiyon bölümünden geçen tipik bir baca gazı sıcaklık profilini göstermektedir.

Şekil 1. Üç geçişli bir konveksiyon bölümünde tipik baca gazı sıcaklığı düşüşü.

Radyant bölüme en yakın olan en sıcak geçiş, en yüksek sıcaklığa ihtiyaç duyan proses akışını yönetir. Soğutucu geçişler, buhar üretimi, seyreltme buharının aşırı ısıtılması ve besleme ön ısıtması gibi daha düşük sıcaklıktaki hizmetler için ısıyı geri kazanır. Bu ters akım düzenlemesi, her geçişte faydalı bir sıcaklık farkını korur.

Konveksiyon Bölümü Tasarımı: Basınç Düşüşü, Hız ve Malzemeler

API 560, rafineri ve petrokimya hizmetlerinde çoğu ateşlenen ısıtıcı için kullanılan tasarım çerçevesini sağlar. Konveksiyon bölümü tek başına boyutlandırılamaz: demet derinliği, kanat geometrisi ve gerekli draft birlikte belirlenmelidir çünkü her biri diğerini etkiler.

Kritik kontroller baca gazı basınç düşüşü, gaz hızı, boru metal sıcaklığı ve kanat malzemesidir. Tipik bir ısıtıcı, konveksiyon bölümünün basınç düşüşünü 3 ila 10 mbar veya 30 ila 100 mm H₂O arasında tutar. Daha derin bir paket daha fazla ısıyı geri kazandırır ancak daha fazla yığın veya indüksiyonlu çekişli fan kapasitesi gerektirir. En düşük ateşleme hızında gaz hızı, külün çökelmesini önlemek için yaklaşık 4,5 m/s'nin üzerinde kalmalı ve erozyonu ve akış kaynaklı titreşimi önlemek için 15 ila 20 m/s'nin altında kalmalıdır. Kükürt mevcut olduğunda soğuk uçtaki boru metal sıcaklığı sülfürik asit çiğlenme noktasının üzerinde kalmalıdır; aksi takdirde alt sıralar ve kasa hızla paslanır. Kanatçık malzemesi yerel gaz sıcaklığını takip eder: sıcak uçta alaşımlı kanatçıklar, soğuk uçta karbon çeliği kanatçıklar ve bazen erozyon veya temizleme erişiminin kritik olduğu çıplak borular.

Pratik bir mühendislik kontrol listesi şuna benzer:

Baca gazı kütle akışını, bileşimini ve kükürt içeriğini doğrulayın.
Hedef hız ve basınç düşüşü için tüp düzenini ve eğimi seçin.
Kanat verimliliğini hesaplayın ve kanat tipini, yoğunluğunu ve malzeme geçişini seçin.
Boru metal sıcaklığını asit çiğlenme noktasına ve oksidasyon sınırlarına göre kontrol edin.
Erişim yolları, kurum üfleyici portları ve çıkarılabilir inceleme panelleri sağlayın.

Konveksiyon Bölümü Isıtıcı Verimliliğini Neden Kontrol Ediyor?

Ateşlemeli ısıtıcı tasarımında temel kural, baca gazı çıkış sıcaklığındaki 22 °C'lik bir düşüşün yaklaşık yüzde bir verimlilik puanı eklemesidir. Bu nedenle çıkışın 250 °C'den 170 °C'ye düşürülmesi kabaca yüzde 3,5 değerindedir. 100 MW'lık bir ısıtıcıda, yani 3,5 MW'lık yakıt, bir yıllık sürekli çalışma boyunca anlamlı bir tasarruftur.

Aşağıdaki çubuk grafiğin gösterdiği gibi, genişletilmiş yüzeyler büyük bir muhafazaya ihtiyaç duymadan bu kadar düşük bir çıkış sıcaklığına olanak sağlar.

Şekil 2. Çıplak, çivili ve tırtıklı kanatlı yüzeylere sahip 114 mm OD tüpün tipik dış alanı.

Kanatlı tüpler yüzey alanı ekler ancak aynı zamanda gaz yolunu uzatır ve basınç düşüşünü artırır. Her geçişte çıplak, çivili ve kanatlı borular arasında seçim yapmak, yüzey alanı, hava akımı, temizleme erişimi ve korozyon toleransı arasında ekonomik bir ödünleşimdir.

Kirlenme, Temizleme ve Soğuk Uç Korozyonu

Kirlenme, konveksiyon bölümünün en kalıcı çalışma sorunudur. Tortular bir yalıtım katmanı görevi görür, böylece baca gazı çıkış sıcaklığı artar ve proses daha az ısı alır. Aynı zamanda birikinti katmanı açık akış alanını azaltır ve çekiş kaybını artırır. Ciddi durumlarda ısıtıcı, tasarım ateşleme hızına ulaşamaz.

Konveksiyon bölümünün kirlenmesinin ana nedenleri aşağıda gösterilmiştir. Yakıt kalitesi, brülör performansı ve proses aktarımının tümü katkıda bulunur ve dağıtım üniteden üniteye değişir.

Tuz/kül birikintileri (5)
Kok/karbon yatakları (0)
Korozyon ürünleri (%)
Diğer mevduatlar ()

Şekil 3. Konveksiyon bölümlerinde kirlenme nedenlerinin tipik dağılımı.

Kirlenme kontrolü yanma ayarı ve yakıt yönetimi ile başlar, ancak yine de düzenli temizlik gereklidir. Aşağıdaki tablo, işletme tesislerinde en sık kullanılan yöntemleri özetlemektedir.

Tipik konveksiyon bölümü temizleme yöntemleri ve uygulamaları.
Temizleme yöntemi	Şunlar için en uygun:	Tipik frekans
Çevrimiçi buharlı kurum üfleme	Hafif kül veya tuz birikintileri	Haftalık ila aylık
Yüksek basınçlı havayla kurum üfleme	Sıvı veya katı yakıtlardan kaynaklanan kurum	Günlük veya sürekli döngü
Çevrimdışı hidroblasting	Sert, kalın birikintiler	Her dönüş
Kimyasal temizlik	Tuzlar veya kok gibi özel birikintiler	Gerektiğinde

Rafinaj ve Petrokimya Uygulamalarında Konveksiyon Bölümleri

Bir rafineri veya petrokimya sahasındaki her ateşlenen ısıtıcının bir konveksiyon bölümü vardır, ancak her hizmet farklı bir tasarım gerektirir. Ham ve vakumlu damıtma ısıtıcısında konveksiyon bölümü ham petrolü önceden ısıtır ve bazen buharı yükseltir. Bir etilen parçalama fırını, tipik olarak bir hidrokarbon beslemeli ön ısıtma bobini, seyreltme buharı aşırı ısıtma bobinleri ve bir yüksek basınçlı buhar bankası içerir. Hidrojen ve DRI dönüştürücülerde konveksiyon bölümü, buhar ve besleme ön ısıtması için ısıyı geri kazanarak ünitenin genel enerji tüketimini belirler.

Ham ünite hizmeti için kanat tipi seçimi ve buhar bobinlerini dahil etme kararı mühendislik tartışmalarının ana konusunu oluşturmaktadır. Bu ödünleşimler konusunda deneyimi olan bir tedarikçi, proje riskini azaltabilir ve işletme sonucunu iyileştirebilir.

Fired Heater for Atmospheric and Vacuum Distillation

Atmosferik ve Vakumlu Damıtma için Ateşlemeli Isıtıcı Bu ısıtıcı, ham hizmette kanatçık tipi ve buhar bobini arasındaki dengeyi ele alır ve operasyonel riski azaltırken kararlı ADU/VDU ayrımını desteklemek için tek tip çok bölgeli ısıtma ve yüksek termal verimlilik sunar. Ürünü Görüntüle →

Petrokimya ısıtıcıları, birkaç bobinin aynı baca gazı yolunu paylaşması gerektiğinden başka bir karmaşıklık katmanı daha ekler. Arkasındaki ilkeler Petrokimya endüstrisinde ateşlemeli ısıtıcı seçimi ve mühendislik uygulamaları Operatörlerin bu hizmetlerde bobin sıcaklıklarını, buhar taleplerini ve fırın ekonomisini nasıl dengelediklerini açıklayın.

Etilen kırma fırınları en zorlu örnektir. Konveksiyon bölümleri, parçalanmış gazı, seyreltme buharını ve buhar üretim bobinlerini tek bir kompakt düzenlemede yönetir ve alaşım seçimi, zorlu çalışma sıcaklıklarına göre belirlenir.

Piroliz için Etilen Kırma Fırını Etilen konveksiyon bölümlerindeki ciddi alaşım talepleri göz önüne alındığında, bu fırının hassas sıcaklık kontrolü ve optimize edilmiş radyant/konveksiyon tasarımı, sürekli yüksek sıcaklıkta çalışma altında çatlama tutarlılığının ve veriminin korunmasına yardımcı olur. Ürünü Görüntüle →

Konveksiyon Bölümü Alırken Neleri Doğrulamalı?

İster hasarlı bir demeti değiştiriyor olun ister buhar üretim kapasitesi ekliyor olun, aynı kontroller geçerlidir.

Yeni demetin mevcut radyant bölümünün baca gazı kütle akışına ve mevcut çekişe uygun olduğunu doğrulayın.
Tasarım kodu esasını gözden geçirin: Isıtıcı için API 560, boru tarafı boruları için ASME B31.3 ve müşterinin saha spesifikasyonu.
Kanatçık-boru bağlantısı ve boru-başlık bağlantıları etrafındaki kaynak kalitesi planını değerlendirin; çünkü bunlar en yaygın arıza yerleridir.
Gazın demete girdiği yerde erozyon koruması da dahil olmak üzere beklenen gaz giriş sıcaklığı için yalıtım ve astar sistemini kontrol edin.
Üreticinin kapasitesini doğrulayın: kaynak prosedürü nitelikleri, hidrostatik test, boyut kontrolü ve üçüncü taraf denetimi.

Konveksiyon bölümlerinin çoğu, tüpler, başlıklar, yalıtım ve muhafaza dahil olmak üzere atölyede üretilmiş modüller olarak teslim edilir. Bu yaklaşım, ağır montaj işi kontrollü koşullar altında yapıldığından saha montaj süresini kısaltır ve kaynak kalitesini artırır. Modül yerine kaldırıldığında, radyant bölümüne ve mevcut ısıtıcının istifine yapılan bağlantılar termal genleşmeyi karşılamalı ve gaz sızdırmaz kalmalıdır.

Shop-Fabricated Convection Section Module

Fabrikada Üretilen Konveksiyon Bölüm Modülü Bu modüler konveksiyon bölümü, termal genleşmeyi karşılamak ve kurulum sırasında gaz geçirmez bağlantıları korumak için dayanıklı alaşımlar ve özelleştirilebilir tasarımla, kontrollü atölye imalatı ve kolay saha kaldırma için üretilmiştir. Ürünü Görüntüle →

Lojistik de bir o kadar önemli. Büyük bir konveksiyon bölümü modülü aşırı genişlikte ve ağır bir kargodur; bu nedenle taşıma rotası, kaldırma yöntemi ve saha taşıma planı, termal tasarımla aynı incelemeyi hak eder. Hem üretimi hem de ağır nakliyeyi yönetebilen bir üretici, program gecikmeleri riskini azaltır. Projeye özel değerlendirme veya fiyat teklifi için Tuopu mühendislik ekibiyle iletişime geçin ısıtıcınızın veri sayfasıyla birlikte.

Konveksiyon Bölümleri Hakkında Sıkça Sorulan Sorular

Konveksiyon bölümü tüplerinde neden kanatlar var?

Kanatlar, harici ısı transfer alanını beş ila on kat artırır, bu da baca gazı tarafındaki düşük ısı transfer katsayısını telafi eder. Kanatçıklar olmasaydı, aynı miktarda ısının geri kazanılması için konveksiyon bölümünün birkaç kat daha büyük olması gerekirdi.

Konveksiyon bölümü çıkışındaki normal baca gazı sıcaklığı nedir?

Verimli ve bakımı iyi yapılan bir ısıtıcı için çıkış sıcaklığı genellikle 150 ila 200 °C arasındadır. Yakıtta kükürt oranı yüksek olduğunda çıkış, genellikle 250 ila 300 °C civarındaki asit çiğlenme noktasının üzerinde tutulur veya soğuk uç korozyona dayanıklı malzemeden yapılır.

Konveksiyon bölümü kirlendiğinde ne kadar verim kaybı olur?

Kirlenme baca gazı çıkış sıcaklığını yükseltir. Her 22 °C'lik sıcaklık artışı yaklaşık yüzde bir verimlilik puanına mal olduğundan, 50 °C'lik bir artış verimliliği yaklaşık yüzde 2,3 oranında azaltır ve bu da doğrudan ek yakıt tüketimi olarak kendini gösterir.

Konveksiyon bölümü radyant bölümüne dokunmadan değiştirilebilir mi?

Evet. Mevcut ateşlemeli ısıtıcılar, radyant kutusunu, brülörleri ve bacayı korurken sıklıkla yeni bir konveksiyon bölümü modülü alır. Bu, yapının ve temellerin yeterli kalan ömre sahip olması ve yeni demetin basınç düşüşünün mevcut drafta uyması koşuluyla yaygın bir yenileme yoludur.