قسم الحمل الحراري في السخانات التي تعمل بالنار: التصميم والكفاءة والصيانة

بعد ثلاث سنوات من العمل على وحدة فحم الكوك المتأخرة، انخفضت درجة حرارة مخرج غاز المداخن للسخان من 180 درجة مئوية إلى 246 درجة مئوية. تم ضبط الشعلات وبدت الأنابيب المشعة سليمة، إلا أن استهلاك غاز الوقود ارتفع بنسبة أربعة بالمائة تقريبًا. تم العثور على المشكلة حيث غالبًا ما ينظر المشغلون إلى النهاية: قسم الحمل الحراري. تمت تغطية الأنابيب ذات الزعانف بطبقة صلبة من الملح والرماد، وكانت البطانة التالفة خلف الحزمة تسمح لغاز المداخن الساخن بتجاوز الأنابيب بالكامل.

عادةً ما يوفر قسم الحمل الحراري ما بين 25 إلى 35 بالمائة من إجمالي واجبات عملية السخان المشتعل. وعندما يتدهور أدائها، تنخفض الكفاءة، وترتفع تكاليف الوقود، ويصبح التحول التالي أكثر إلحاحا. تشرح هذه المقالة ما يفعله قسم الحمل الحراري، وكيف تم تصميمه، ولماذا يتحكم في كفاءة السخان، وما الذي يجب التحقق منه قبل شراء حزمة جديدة.

ماذا يفعل قسم الحمل الحراري في سخان يعمل بالنار

في السخان الأسطواني العمودي، يقع قسم الحمل الحراري مباشرة فوق القسم المشع. في المدفأة من نوع المقصورة، يتم وضعها في أحد طرفي الصندوق المشع. يقوم كلا المخططين بتمرير غاز المداخن الساخن عبر مجموعة من الأنابيب الأفقية، ويمتص سائل العملية داخل تلك الأنابيب الحرارة من خلال جدار الأنبوب. نظرًا لأن غاز المداخن الذي يدخل إلى قسم الحمل الحراري يكون بالفعل أقل بكثير من درجة حرارة اللهب، فإن وضع نقل الحرارة السائد يتغير من الإشعاع إلى الحمل الحراري القسري.

تُستخدم الأسطح الممتدة عادةً للتعويض عن انخفاض معامل نقل الحرارة من جانب الغاز. يقارن الجدول أدناه ظروف العمل في قسمي سخان المصفاة النموذجي.

مقارنة ظروف التشغيل النموذجية في أقسام الإشعاع والحمل الحراري لسخان يعمل بالمصفاة.
المعلمة	قسم مشع	قسم الحمل الحراري
درجة حرارة غاز المداخن	950-1100 درجة مئوية في منطقة اللهب	مدخل 650-800 درجة مئوية؛ منفذ 150-250 درجة مئوية
وضع نقل الحرارة السائد	الإشعاع الحراري	الحمل الحراري مع بعض الإشعاع
سطح الأنبوب النموذجي	أنبوب عاري وسلس	ذات زعانف أو مرصعة أو عارية
حصة من إجمالي الرسوم	60-70 بالمئة	25-35 بالمئة
المخاطر التشغيلية الرئيسية	ارتفاع درجة الحرارة والزحف	القاذورات والتآكل البارد

كيف يستعيد قسم الحمل الحراري الحرارة

يكون معامل نقل الحرارة من جانب الغاز للأنبوب العاري في قسم الحمل الحراري منخفضًا، تقريبًا من 15 إلى 30 واط/(م² · كلفن)، في حين أن معامل جانب العملية عادة ما يكون أعلى بعدة مرات، خاصة عندما يغلي السائل. وبالتالي فإن المقاومة المحددة تكون دائمًا تقريبًا على جانب غاز المداخن من الأنبوب.

تحل الأنابيب ذات الزعانف والمرصعة هذه المشكلة عن طريق مضاعفة المساحة الخارجية. تعمل الزعانف المسننة بكثافة تتراوح من 4 إلى 5 زعانف في البوصة، أو حوالي 157 إلى 197 زعانف لكل متر، على زيادة السطح الخارجي بمقدار خمس إلى عشر مرات مقارنة بالأنبوب العاري من نفس القطر. يوضح الرسم البياني أدناه ملفًا نموذجيًا لدرجة حرارة غاز المداخن من خلال قسم الحمل الحراري ثلاثي الممرات.

الشكل 1. تخفيض درجة حرارة غاز المداخن النموذجي عبر قسم الحمل الحراري ثلاثي الممرات.

يتعامل الممر الأكثر سخونة، الأقرب إلى القسم المشع، مع تيار العملية الذي يحتاج إلى أعلى درجة حرارة. تقوم الممرات المبردة باستعادة الحرارة لخدمات درجات الحرارة المنخفضة مثل توليد البخار، وتخفيف التسخين الزائد، والتسخين المسبق للتغذية. يحافظ هذا الترتيب المضاد على اختلاف مفيد في درجة الحرارة في كل تمريرة.

تصميم قسم الحمل الحراري: انخفاض الضغط والسرعة والمواد

يوفر API 560 إطار التصميم المستخدم لمعظم السخانات التي تعمل بالحرق في خدمات التكرير والبتروكيماويات. لا يمكن تحديد حجم قسم الحمل الحراري بشكل منفصل: يجب تسوية عمق الحزمة وهندسة الزعانف والغاطس المطلوب معًا، لأن كل واحد يؤثر على الآخر.

تتمثل الفحوصات الحاسمة في انخفاض ضغط غاز المداخن، وسرعة الغاز، ودرجة حرارة الأنبوب المعدني، ومواد الزعانف. يحافظ السخان النموذجي على انخفاض ضغط قسم الحمل الحراري بين 3 و10 ملي بار، أو 30 إلى 100 ملم ماء. تستعيد الحزمة الأعمق المزيد من الحرارة ولكنها تتطلب المزيد من سعة المروحة المكدسة أو ذات السحب المستحث. يجب أن تظل سرعة الغاز عند أدنى معدل إطلاق أعلى من حوالي 4.5 م/ث لمنع تراكم الرماد، وأقل من 15 إلى 20 م/ث لتجنب التآكل والاهتزاز الناجم عن التدفق. يجب أن تظل درجة حرارة معدن الأنبوب عند الطرف البارد أعلى من نقطة ندى حمض الكبريتيك عند وجود الكبريت؛ وإلا فإن الصفوف السفلية والغلاف سيتآكلان بسرعة. تتبع مادة الزعانف درجة حرارة الغاز المحلية: زعانف من السبائك في الطرف الساخن، وزعانف من الصلب الكربوني في الطرف البارد، وأحيانًا الأنابيب العارية حيث يكون التآكل أو الوصول إلى التنظيف أمرًا بالغ الأهمية.

تبدو قائمة المراجعة الهندسية العملية كما يلي:

تأكد من تدفق كتلة غاز المداخن وتكوينه ومحتوى الكبريت.
حدد تخطيط الأنبوب والملعب لسرعة الهدف وانخفاض الضغط.
حساب كفاءة الزعنفة واختيار نوع الزعنفة والكثافة والمواد التي تمر بها.
تحقق من درجة حرارة الأنبوب المعدني مقابل نقطة الندى الحمضية وحدود الأكسدة.
توفير ممرات الوصول، ومنافذ نفاث السخام، ولوحات التفتيش القابلة للإزالة.

لماذا يتحكم قسم الحمل الحراري في كفاءة السخان

القاعدة الأساسية في تصميم السخان الذي يعمل بالحرق هي أن انخفاض درجة حرارة مخرج غاز المداخن بمقدار 22 درجة مئوية يضيف حوالي نقطة مئوية واحدة من الكفاءة. وبالتالي فإن خفض المخرج من 250 درجة مئوية إلى 170 درجة مئوية يساوي 3.5 بالمائة تقريبًا. على سخان بقدرة 100 ميجاوات، أي 3.5 ميجاوات من الوقود، مما يوفر توفيرًا كبيرًا على مدار عام من التشغيل المستمر.

الأسطح الممتدة تجعل درجة حرارة المخرج المنخفضة هذه ممكنة دون وجود حاوية ضخمة، كما يوضح الرسم البياني الشريطي أدناه.

الشكل 2. المنطقة الخارجية النموذجية لأنبوب OD مقاس 114 مم مع أسطح ذات زعانف عارية ومرصعة ومسننة.

تضيف الأنابيب ذات الزعانف مساحة سطحية ولكنها تعمل أيضًا على إطالة مسار الغاز وزيادة انخفاض الضغط. يعد الاختيار بين الأنابيب العارية والمرصعة والزعانف في كل ممر بمثابة مقايضة اقتصادية بين مساحة السطح، والغاطس، والوصول إلى التنظيف، وبدل التآكل.

القاذورات والتنظيف والتآكل البارد

يعد التلوث مشكلة التشغيل الأكثر استمرارًا في قسم الحمل الحراري. تعمل الرواسب كطبقة عازلة، وبالتالي ترتفع درجة حرارة مخرج غاز المداخن وتتلقى العملية حرارة أقل. وفي الوقت نفسه، تقلل طبقة الرواسب من مساحة التدفق المفتوح وتزيد من فقدان السحب. في الحالات الشديدة، لا يمكن للسخان أن يصل إلى معدل إطلاق النار المصمم له.

الأسباب الرئيسية لتلوث قسم الحمل الحراري مبينة أدناه. تساهم جودة الوقود، وأداء الموقد، وترحيل العملية، ويختلف التوزيع من وحدة إلى أخرى.

رواسب الملح/ الرماد (35%)
فحم الكوك/رواسب الكربون (30%)
منتجات التآكل (25%)
ودائع أخرى (10%)

الشكل 3. التوزيع النموذجي لأسباب التلوث في أقسام الحمل الحراري.

يبدأ التحكم في القاذورات بضبط الاحتراق وإدارة الوقود، ولكن لا يزال التنظيف المنتظم مطلوبًا. يلخص الجدول أدناه الطرق الأكثر استخدامًا في محطات التشغيل.

طرق تنظيف قسم الحمل الحراري النموذجية وتطبيقاتها.
طريقة التنظيف	الأنسب ل	التردد النموذجي
نفخ السخام بالبخار عبر الإنترنت	رواسب الرماد أو الملح الخفيفة	أسبوعية إلى شهرية
نفخ السخام بالهواء عالي الضغط	السخام الناتج عن الوقود السائل أو الصلب	دورة يومية أو مستمرة
السفع الهيدروليّ غير متصل بالإنترنت	رواسب صلبة وسميكة	كل تحول
التنظيف الكيميائي	رواسب متخصصة مثل الأملاح أو فحم الكوك	حسب الحاجة

أقسام الحمل الحراري في تطبيقات التكرير والبتروكيماويات

يحتوي كل سخان يعمل في مصفاة أو موقع للبتروكيماويات على قسم للحمل الحراري، ولكن كل خدمة تفرض تصميمًا مختلفًا. في سخان التقطير الخام والتقطير الفراغي، يقوم قسم الحمل الحراري بتسخين الزيت الخام وأحيانًا رفع البخار. في فرن تكسير الإيثيلين، فإنه يحتوي عادةً على ملف التسخين المسبق للتغذية بالهيدروكربون، وملفات التسخين الزائد للبخار المخفف، وبنك بخار عالي الضغط. في إصلاحات الهيدروجين وDRI، يحدد قسم الحمل الحراري استهلاك الطاقة الإجمالي للوحدة عن طريق استعادة الحرارة للبخار والتسخين المسبق للأعلاف.

بالنسبة لخدمة الوحدات الخام، فإن اختيار نوع الزعنفة وقرار تضمين ملفات البخار يهيمن على المناقشة الهندسية. يمكن للمورد الذي يتمتع بالخبرة في هذه المقايضات تقليل مخاطر المشروع وتحسين نتائج التشغيل.

Fired Heater for Atmospheric and Vacuum Distillation

سخان يعمل بالنار للتقطير الجوي والفراغي يعالج هذا السخان المفاضلات بين النوع الزعانف وملف البخار في الخدمة الخام، مما يوفر تسخينًا موحدًا متعدد المناطق وكفاءة حرارية عالية لدعم الفصل المستقر ADU/VDU مع تقليل المخاطر التشغيلية. عرض المنتج →

تضيف سخانات البتروكيماويات طبقة أخرى من التعقيد لأن العديد من الملفات يجب أن تشترك في نفس مسار غاز المداخن. المبادئ وراء اختيار سخان النار والتطبيقات الهندسية في صناعة البتروكيماويات اشرح كيف يوازن المشغلون بين درجات حرارة الملف ومتطلبات البخار واقتصاد الفرن في هذه الخدمات.

تعتبر أفران تكسير الإيثيلين المثال الأكثر تطلبًا. تتعامل أقسام الحمل الحراري الخاصة بها مع الغاز المتشقق، والبخار المخفف، وملفات توليد البخار في ترتيب واحد مدمج، ويتم اختيار السبائك بواسطة درجات حرارة التشغيل الشديدة.

فرن تكسير الإيثيلين للتحلل الحراري نظرًا للمتطلبات الشديدة من السبائك في أقسام الحمل الحراري للإيثيلين، فإن التحكم الدقيق في درجة الحرارة لهذا الفرن وتصميم الإشعاع/الحمل الحراري الأمثل يساعد في الحفاظ على اتساق التشقق والإنتاجية في ظل التشغيل المستمر لدرجة الحرارة العالية. عرض المنتج →

ما الذي يجب التحقق منه عند شراء قسم الحمل الحراري

سواء كنت تقوم باستبدال حزمة تالفة أو إضافة قدرة توليد البخار، تنطبق نفس الضوابط.

تأكد من أن الحزمة الجديدة تتوافق مع تدفق كتلة غاز المداخن الموجود في القسم المشع والمشروع المتاح.
قم بمراجعة أساس رمز التصميم: API 560 للسخان، وASME B31.3 للأنابيب الجانبية للأنبوب، ومواصفات موقع العميل.
قم بتقييم خطة جودة اللحام حول الوصلات من الزعنفة إلى الأنبوب والمفاصل من الأنبوب إلى الرأس، نظرًا لأن هذه هي مواقع الفشل الأكثر شيوعًا.
التحقق من نظام العزل والبطانة لدرجة حرارة مدخل الغاز المتوقعة، بما في ذلك الحماية من التآكل حيث يدخل الغاز الحزمة.
التأكد من قدرة الشركة المصنعة: مؤهلات إجراءات اللحام، والاختبار الهيدروستاتيكي، والتحكم في الأبعاد، والفحص بواسطة طرف ثالث.

يتم تسليم معظم أقسام الحمل الحراري كوحدات مصنعة بالمتجر، بما في ذلك الأنابيب والرؤوس والعزل والغلاف. يعمل هذا الأسلوب على تقليل وقت تركيب الموقع وتحسين جودة اللحام، نظرًا لأن أعمال التجميع الثقيلة تتم في ظل ظروف خاضعة للرقابة. عندما يتم رفع الوحدة إلى مكانها، يجب أن تستوعب التوصيلات إلى القسم المشع وكومة المدفأة الموجودة التمدد الحراري وتظل محكمة الإغلاق بالغاز.

Shop-Fabricated Convection Section Module

وحدة قسم الحمل الحراري المُصنع بالمتجر تم تصميم قسم الحمل الحراري المعياري هذا لتصنيع الورشة الخاضعة للتحكم وسهولة رفع الموقع، مع سبائك متينة وتصميم قابل للتخصيص لاستيعاب التمدد الحراري والحفاظ على توصيلات الغاز المحكم أثناء التثبيت. عرض المنتج →

اللوجستية لا تقل أهمية. وحدة قسم الحمل الحراري الكبيرة هي عبارة عن حمولة ثقيلة ذات عرض زائد، وبالتالي فإن مسار النقل وطريقة الرفع وخطة التعامل مع الموقع تستحق نفس التدقيق مثل التصميم الحراري. الشركة المصنعة التي يمكنها إدارة كل من التصنيع والنقل الثقيل تقلل من مخاطر تأخير الجدول الزمني. للحصول على تقييم أو عرض أسعار خاص بالمشروع، يمكنك ذلك اتصل بفريق Tuopu الهندسي مع ورقة بيانات السخان الخاص بك.

الأسئلة المتداولة حول أقسام الحمل الحراري

لماذا تحتوي أنابيب قسم الحمل الحراري على زعانف؟

تعمل الزعانف على مضاعفة مساحة نقل الحرارة الخارجية بمقدار خمس إلى عشر مرات، مما يعوض معامل نقل الحرارة المنخفض على جانب غاز المداخن. بدون الزعانف، يجب أن يكون قسم الحمل الحراري أكبر بعدة مرات لاستعادة نفس كمية الحرارة.

ما هي درجة حرارة غاز المداخن الطبيعية عند مخرج قسم الحمل الحراري؟

للحصول على سخان فعال يتم صيانته جيدًا، تتراوح درجة حرارة المخرج عادة من 150 إلى 200 درجة مئوية. عندما يكون الوقود عالي الكبريت، يتم الاحتفاظ بالمنفذ فوق نقطة الندى الحمضية، غالبًا ما تكون حوالي 250 إلى 300 درجة مئوية، أو يكون الطرف البارد مصنوعًا من مادة مقاومة للتآكل.

ما مقدار الكفاءة المفقودة عندما يفسد قسم الحمل الحراري؟

يؤدي التلوث إلى رفع درجة حرارة مخرج غاز المداخن. ونظرًا لأن كل 22 درجة مئوية من ارتفاع درجة الحرارة يكلف حوالي نقطة مئوية واحدة من الكفاءة، فإن ارتفاع 50 درجة مئوية يقلل من الكفاءة بنسبة 2.3% تقريبًا، وهو ما يظهر مباشرة كاستهلاك إضافي للوقود.

هل يمكن استبدال قسم الحمل الحراري دون لمس القسم المشع؟

نعم. غالبًا ما تتلقى السخانات المشتعلة الموجودة وحدة قسم الحمل الحراري الجديدة مع الاحتفاظ بصندوق الإشعاع والشعلات والمكدس. يعد هذا طريق تجديد شائع، بشرط أن يكون للهيكل والأساسات عمر متبقي كافٍ وأن يتناسب انخفاض ضغط الحزمة الجديدة مع المسودة المتاحة.