CC BY
129
УДК 66.041
МОДЕРНИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ В УСЛОВИЯХ РЕАЛИЗАЦИИ СХЕМЫ ИНДУКЦИОННОГО ОБОГРЕВА ЗМЕЕВИКА
© С.Ю. Ляшонок1, С.Г. Дьячкова2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Предложена модернизация конструкции трубчатой печи для применения индукционного обогрева змеевика. Это позволит удешевить строительство и эксплуатацию печи, понизить энергозатраты и повысить КПД трубчатой печи, снизить количество коксовых отложений в трубах за счет снижения зон перегрева и как следствие увеличить межремонтный интервал работы печи. Ил. 2. Табл. 1. Библиогр. 12 назв.
Ключевые слова: трубчатые печи; нефтепереработка; индукционный нагрев трубчатых печей; альтернативные способы обогрева.
TUBE FURNACE CONSTRUCTION MODERNIZATION WHEN IMPLEMENTING INDUCTION HEATING COIL CIRCUIT
S.Yu. Lyashonok, S.G. Dyachkova
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.
The authors propose to upgrade the construction of tube-type furnace in order to use induction coil heating. The last will reduce the cost of furnace construction and operation, decrease energy costs and increase the tube furnace efficiency, bring down coke deposits in pipes by reducing overheating zones, and as a result prolong the furnace operation interval between overhauls. 2 figures. 1 table. 12 sources.
Key words: tube furnaces; oil processing; induction heating of tube furnaces; alternative heating methods.
Для обогрева реакционных трубчатых печей в промышленности в большинстве случаев используется жидкое или газообразное топливо. Большинство печей строятся по схеме, которая состоит из двух основных секций: радиационной и конвективной. В этом случае при сжигании топлива, тепловое излучение обогревает поверхность радиационного змеевика, отдавая ему большую часть тепла (около 70-80%), необходимого для нагрева сырья, а дымовые газы, выходящие из камеры радиации в камеру конвекции, отдают оставшееся необходимое для нагрева сырья тепло через трубы радиантного змеевика. Далее нагретые дымовые газы идут в котёл-утилизатор на рециркуляцию либо просто выбрасываются в атмосферу. Так как КПД большинства печей находится на уровне 80%, то в случае, если тепло не используется, 20% процентов тепла просто обогревают воздух над территорией завода [1].
Обогрев труб идёт в этом случае открытым огнём, при этом в трубах реакционных змеевиков может протекать легко воспламеняющееся сырьё, зачастую под давлением, например, при гидроочистке давление может достигать 32 Мпа [2]. Эти факторы увеличивают пожарную опасность трубчатых печей. Конструкция печи должна обеспечивать безопасную и бесперебой-
ную работу установки. Температура внутренней стенки может достигать 1200-1300оС, а температура внешней стенки должна быть не выше 60оС [3], в связи с чем при строительстве требуется закладывать толстый слой изоляционных материалов, воспринимающих максимальную тепловую энергию при горении и снижающих температуру наружной стенки до нормативной. При использовании мазута, как наиболее широко применяемого в качестве топлива, одной из проблем является высокая температура его застывания. Так, температура застывания самого распространённого высокопарафинистого мазута марки М-100 равна +42оС, а низкопарафинистого +25 оС [4]. Поэтому для бесперебойной работы необходимо предусмотреть круглогодичный обогрев мазутопроводов и резервуаров, что ведёт к повышению затрат на обслуживание системы. С газовыми коммуникациями тоже возникают определённые сложности, такие как обеспечение полной герметичности коммуникаций и резервуаров, находящихся под давлением. К тому же все энергоносители очень пожароопасны и при хранении требуют множества мер обеспечения пожарной безопасности. В связи с этим, для упрощения конструкции трубчатой печи, повышения пожаробезопасности наиболее привлекательным является электрообогрев. Источником
1Ляшонок Сергей Юрьевич, аспирант, инженер-технолог ОАО «ИркутскНИИхиммаш», тел.: 89016405698, e-mail: ximik235@yandex.ru
Lyashonok Sergey, Postgraduate, Process Engineer of "IrkutskNIIhimmash" JSC, tel.: 89016405698, e-mail: ximik235@yandex.ru
2Дъячкова Светлана Георгиевна, доктор химических наук, профессор, заведующая кафедрой химической технологии, тел. (3952) 405120, e-mail: cmf_dean@istu.edu
Dyachkova Svetlana, Doctor of Chemistry, Professor, Head of the Department of Chemical Engineering, tel.: (3952) 405120, e-mail: cmf_dean@istu.edu
энергии будет являться ТЭЦ, что избавит организацию, эксплуатирующую печь, от многих накладных расходов, связанных с использованием углеводородных энергоресурсов.
Применение индукционного нагрева по сравнению с нагревом в печах сопротивления позволяет быстро выводить печь на рабочую температуру, при этом нагревательный элемент не перегорает, обеспечивается равномерный нагрев трубы, очень простое управление нагревом. Также на основе систем индукционного нагрева возможно создать систему контролируемого нагрева труб, которая будет способна нагревать разные трубы пучка или даже участки труб с различной мощностью. Становится возможным создание системы, которая сможет нагревать сырьё так, чтобы разность температур трубы и сырья оставалась постоянной и коэффициент теплопередачи не изменялся. В целом создание системы обогрева индукционным током позволит избавиться от большого количества дополнительной изоляции и конструкций печи, что удешевит строительство печи. Все эти меры позволят улучшить качество продукции, снизить количество твёрдых коксовых отложений внутри труб и уменьшить стоимость, в том числе и накладных расходов, которые максимально влияют на себестоимость продукции.
Важной характеристикой при выборе системы обогрева является КПД печи, а также затраты на выработанное тепло. Основными потерями тепла при использовании углеводородного топлива являются потери с уходящими дымовыми газами и потери через футеровку печи. Согласно ГОСТ [1], КПД проектируемых печей должен находиться выше 83%, однако множество печей, построенных более 10 лет назад, не отвечают этому требованию и минимальный КПД может быть очень низким из-за неплотностей конструкции, присосов воздуха, устаревших горелочных устройств и т.д. В таких печах нужно модернизировать трубчатый змеевик, футеровку, возможно, газоход для работы на мощности, сильно отличающейся от проектной, и т.д. В связи с этим, с целью понижения энергозатрат и повышения КПД трубчатой печи модернизация ее конструкции в части изменения схемы и принципа нагрева является актуальной задачей. В настоящей работе в качестве технологии обогрева рассматривается индукционный нагрев металла труб.
Индукционный нагрев металлических тел осуществляется с помощью специального устройства, называемого индуктором. Простейшим видом индуктора является кольцевой виток, согнутый из медной шины или трубки. При пропускании переменного тока через индуктор вокруг его провода возникает магнитное поле, напряжённость которого периодически меняется во времени по величине и направлению. Если поместить внутрь индуктора металлический цилиндр, то переменный магнитный поток, пронизывающий этот цилиндр, вызовет появление в нём индуктивного тока, который вызывает его нагрев, причём температура поверхности и глубина нагрева зависят от подводимой к индуктору мощности, частоты и времени нагрева [5,6,7,8].
Глубина проникновения тока в трубу, а соответственно и глубина индукционного нагрева определяются по формуле [6]:
А * =
0,5
И'
(1)
где f - частота подводимого тока.
Соответственно, чем больше частота, тем глубина проникновения тока меньше. Желательно, чтобы глубина проникновения тока соответствовала толщине трубы или была больше, чтобы не было ограничения по скорости нагрева трубы за счёт теплопроводности материала труб.
КПД индуктора рассчитывается по формуле
(2)
где гз - приведённое активное сопротивление заготовки; гм - эквивалентное сопротивление индуктора.
При этом средний КПД индукторов составляет 75%, остальное тепло выделяется на индукторе в виде тепла, которое можно использовать для предварительного нагрева например воды, которая всё равно необходима для охлаждения катушек [5,6,7,8].
Важным аспектом модернизации конструкции трубчатой печи при переводе на индукционный обогрев является конструкция обогревателя и компоновка печи.
Труба
Рис.1. Схема обогреваемой изолированной трубы
Основной проблемой при нагреве труб является конвективная утечка тепла от труб, которую невозможно решить, используя огневой способ подогрева труб. С применением индукционного способа нагрева появляется возможность изолировать каждую отдельную трубу с использованием высокотемпературного изолятора. Например, если использовать минерало-ватный изолятор с коэффициентом теплопроводности 0,036 Вт/м-К и толщиной слоя изолятора 40 мм, тепловые потери составят 0,49 кВт/м2 при температуре наружной стенки трубы 600 С. В этом случае с трубы
г
з
Г
и
размером 156х28 мм и изолированной длиной 15 м тепловые потери составят 5,91 кВт на 100 кВт подводимой мощности. При такой конструкции обеспечится равномерный нагрев всех труб, исключаются шоковые зоны, в которых может быть очень большой перепад температур, а также уменьшается количество перегретых зон трубы, в которых начинаются термические превращения и разложение углеводородов с образованием кокса, ухудшающего теплопередачу и вызывающего перегрев трубного пучка [9].
Так как в индукционных печах отсутствует понятие радиантная и конвективная секция, то проектирование печи существенно упрощается. В целом, оно сводится к проектированию змеевика, электрического индуктора с электрической обвязкой, здания, в котором уже не требуется предусматривать массивную футеровку, теплоизоляцию и фундамент. Для модернизации печи с огневого нагрева возможно использовать существующие здания печей. При размещении уже не требуется пространственное размещение труб радиантной секции, чтобы обеспечить их обогрев. При расположении труб, обогреваемых индукционными катушками, потребуется располагать их только с учётом габаритов катушек, а также с учетом того, чтобы исключить между ними дополнительное ненужное магнитное взаимодействие. Трубы не потребуется располагать с учётом аэродинамики дымовых газов - независимо от их расположения трубы будут обогреваться одинаково. А при использовании катушек специальной формы и устройств контроля нагрева возможно будет получать одинаковый градиент температур по всей длине трубы и на протяжении всего обогрева одинаковый коэффициент теплопередачи и свести к минимуму закоксовывание труб.
На рис. 2 изображён возможный вариант расположения труб печи мощностью 2,3 МВт, рассчитанной на нагрев вакуумного газойля [2]. Печь состоит из 32 гладких труб размером 156х28х15000 мм, обмотанных 40 мм слоем минераловатной теплоизоляции с коэффициентом теплопередачи 0,036 Вт/м2-К. Ориентировочные габариты такой компоновки труб могут составить Д х Ш х В: 15х16х2 м. Общая площадь внутренней поверхности труб 150 м2. Коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки согласно формуле (3) со-
ставляет 75,5 Вт/м-К [10]:
Ш = 0,023 -(Яе0'8 )-(Рг0'4 )•
У
(3)
где Ре - критерий Рейнольдса, 4777,07; Рг - критерий Прандтля, 193,5; у - коэффициент теплопроводности, 0,12 Вт/м*К; йвн - внутренний диаметр трубы, 0,1 м.
Если считать, что разность температур на протяжении всей длины труб составляет 200 оС, то имеющейся поверхности хватит для передачи 2,3 МВт тепла при скорости жидкости 0,57 м/с. При этом тепловые потери с трубы, находящейся под слоем теплоизоляции, составят около 5%. При этом полезная мощность, снимаемая с одного индуктора на одной трубе, должна составлять 72 кВт. Если принять средний КПД рассчитываемых индукторов 75%, то полная мощность индуктора составит 94 кВт. При этом компоновать трубы для работы можно прямо в линию, соответственно мы будем иметь уже не полноценную установку с полноценными затратами на её проектирование, изготовление и ремонты, а участок трубопровода с соответствующими прочностными характеристиками, обогреваемый индукционным током, строительство которого будет очень сильно упрощено по сравнению с полноценной трубчатой печью.
Экономическую эффективность строительства такой установки оценить сложно, также как и строительство печи, так как проекты зачастую уникальны для конкретной задачи, однако можно оценить текущие затраты на работу установки, в частности, стоимость работы исходя из рыночной стоимости энергоресурсов.
Как видно из таблицы, цена 1 кВт тепла, полученного при электрическом обогреве, в ценах 2011 г. совпадает с ценой мазутного киловатта. К тому же содержание мазутного хозяйства также обходится недёшево, в частности, из-за высокой температуры замерзания мазута (М-100 замерзает при +42оС или при +25оС по ГОСТ [2]), который требуется постоянно подогревать. Газ в данном случае вне конкуренции из-за сравнительно низкой цены, однако газовые коммуникации и газохранилища, находящиеся под давлени-
Рис.2. Пример возможной компоновки печи (отводы и ретурбенды не показаны)
Сравнительная стоимость тепла при использовании газа, мазута и индукционного нагрева
Экономическая эффективность использования установки индукционного нагрева
Мазут М-100 Природный газ Индукционный нагрев
Цена 16,8 р/кг 4,25 р/м3[11] -
Низшая теплота сгорания 39900 кДж/кг [4] 44122 кДж/м3[12] -
Расход топлива, ед. топлива/Гкал 105 кг/ГКал 95 м3/ГКал -
Цена, р/1 кВт 1,52 0,35 Цена электроэнергии для предприятий 1,52
Температура уходящих газов, оС 617 619 -
Объём дымовых газов, м3/1 ГКал 768,25 513,00 -
КПД, % 65 71 Средний 75
Избыток воздуха 1,2 -
ем, всё равно требуют более затратного контроля состояния.
В результате мы имеем перспективную, удобную для использования технологию, позволяющую применять простые средства автоматического управления нагревом. Система, способная равномерно нагревать сырьё без перегревов и с постоянной скоростью, позволит уменьшить количество твёрдых коксовых отложений. Вместе с тем, существенно упрощается конструкция печи. Тепловые потери через трубы, нагреваемой внутри слоя изоляции, минимальны и могут быть существенно меньше 5% закладываемых потерь. Основные потери мощности будут за счёт потерь в индукторе, которые необходимо охлаждать водой. Однако выделяемую на нём мощность можно использовать для предварительного нагрева воды, используемой для технологических нужд.
Пожароопасность технологии намного ниже, чем при использовании углеводородных энергоносителей, так как к установкам идёт электрический кабель стан-
дартного заводского питания, а не целая сеть трубопроводов с пожароопасными энергоносителями.
Конечно, возникает вопрос о том, что для получения энергии углеводородные энергоресурсы всё равно надо где-то сжигать, но централизованное сжигание на ТЭЦ выглядит безопаснее, проще и дешевле, чем сжигание в каждой отдельно взятой печи с огромным количеством газовых или мазутных коммуникаций в масштабах целого завода.
Таким образом, модернизация конструкции трубчатой печи на основе систем обогрева индукционным током позволит: удешевить строительство и эксплуатацию печи, понизить энергозатраты и повысить КПД трубчатой печи, снизить количество коксовых отложений в трубах за счет снижения зон перегрева и как следствие увеличить межремонтный интервал работы печи.
Авторы искренне благодарят А.М. Кузнецова за содействие и активную поддержку в разработке.
Библиографический список
1. ГОСТ Р 53682-2009. Установки нагревательные для нефтеперерабатывающих заводов. Общие технические требования.
2. Ляшонок С.Ю., Книжник А.В., Дьячкова С.Г. Оптимизация конструкции трубчатых печей. Уменьшение поверхности оребрения труб // Вестник ИрГТУ. 2011. Вып 12. С. 170.
3. ПБ 09-540-03. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств.
4. ГОСТ 10585-99. Топливо нефтяное. Мазут.
5. Бодажков В.А. Индукционный нагрев труб. Л., 1969. 151 с.
6. Слухоцкий А.Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л., 1974. 260 с.
7. Бодажков В.А. Объёмный индукционный нагрев. СПб., 1992. 68 с.
8. Слухоцкий А.Е. Индукторы. Л., 1989. 68 с.
9. Влияние толщины коксовых отложений на теплопередачу и температуру стенки змеевика трубчатой печи / А.М. Кузнецов [и др.] // Мир нефтепродуктов. 2012. Вып 7. С. 38.
10. Нормативный метод «Тепловой расчёт котлов». СПб.: НПО ЦКТИ, 1998. 259 с.
11. Постановление Правительства РФ «О совершенствовании государственного регулирования цен на газ» от 31 декабря 2010 года № 1205.
12. ГОСТ 31369-2008 (ИСО 6976:1995) Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава.
