ГлавнаяСтатьи → Повышение эффективности и надежности аппаратов воздушного охлаждения для нефтехимической промышленности

Повышение эффективности и надежности аппаратов воздушного охлаждения для нефтехимической промышленности

Е.В. Читров (ОАО «ТАИФ-НК»), В.З. Кантер (ОАО «ВНИПИнефть»), С.Б. Походяев, Ю.И Аношкин (000 «Анод-ТЦ»)

Выбор конструкции аппаратов воздушного охлаждения (АВО) для вновь строящегося завода каталитического крекинга (заказчик – ОАО «ТАИФ-НК», генеральный проектант — ОАО «ВНИПИнефть) был связан с некоторыми трудностями. Большой опыт эксплуатации традиционных аппаратов с теплообменной поверхностью из оребренных труб показал их недостатки:

  • горизонтальное расположение труб длиной 12м обусловливает их провисание в процессе эксплуатации, образование «мертвой» зоны для слива теплоносителя и размораживание трубы при остановке, а в дальнейшем - значительные аварии. Кроме того, для размещения этих аппаратов необходима большая площадь, требуются вентиляторные рабочие колеса большого размера, а также приходится применять тихоходные электродвигатели;
  • горизонтальное расположение теплообменных труб особенно сказывается на эффективности аппаратов при конденсационном режиме. Установка теплообменных секций в форме «шалашика» (зигзагообразно) приводит к неравномерному распределению потока охлаждающего воздуха и его паразитным протечкам;
  • неравномерное распределение расхода, как внутри, так и снаружи труб, приводит к неравномерному расширению труб, жестко заделанных в коллекторах, в результате чего трубы или выгибаются, или «трещат» в области заделки в коллекторе. Этот же эффект наблюдается и при пусковых и переходных режимах.

В связи с этим было необходимо рассмотреть применение других, более современных, конструкций теплообменных аппаратов.

ООО "Анод - Теплообменный центр» занимается проектированием и изготовлением теплообменного оборудования для различного применения в энергетическом, нефтехимическом, транспортном и других областях машиностроения. Условия работы проектируемых и поставляемых аппаратов рассчитаны на давление до 20 МПа, температуру до 600°С и циклическую нагрузку. Рабочая среда - любые жидкости и газы. Материал теплообменной поверхности выбирают с учетом условий работы, заданного ресурса и стоимостных показателей.

В основу разработок положена принципиально новая конструкция теплообменной поверхности из змеевиков с малым радиусом гиба, которая по своим показателям качества (эффективность теплообмена по межтрубному и внутритрубному пространству) значительно превосходит применяемые в настоящее время прямотрубные, пластинчатые и обычные змеевиковые теплообменные поверхности.

Охлаждаемая среда при движении в змеевиках испытывает воздействие массовых сил, направленных от стенки змеевика, которые вызывают возникновение вторичных токов и увеличивают интенсивность теплообмена. В то же время воздух при движении в пучке змеевиков по межтрубному пространству разбивается на множество отдельных струек, которые частично закручиваются и постоянно перемешиваются между собой. Это приводит к интенсивному тепломассообмену между пограничным слоем и потоком.

Возможность варьировать соотношением проходных сечений и соответственно скоростей теплоносителей позволяет получить оптимальные (заданные) теплогидравлические параметры для различных сред и условий эксплуатации.

Применение промежуточного объединения теплообменных элементов в модули позволяет использовать трубы небольшого диаметра (10...18 мм) и конструировать более компактные по сравнению с прямотрубными теплообменники.

Для получения максимальной эффективности теплообменной поверхности в схеме циркуляции применен принцип противотока движения сред. Охлаждаемая среда внутри змеевиков движется сверху вниз, воздух, нагреваясь, снизу вверх.

Новая конструкция теплообменной поверхности дает возможность обеспечить надежность работы теплообменников. Термопластичность поверхности в виде змеевика позволяет гарантировать самокомпенсацию температурных расширений теплообменных элементов между собой при разогреве и охлаждении. Действию давления подвержены только трубный пучок и коллекторы круглого сечения, хорошо выдерживающие давление, причем все соединения выполнены сварным методом с плавным переходом по толщине стенки. Ремонтопригодность теплообменников обеспечена секционированием теплообменной поверхности и доступностью змеевиков для поиска и глушения дефектного змеевика или модуля. Применение теплообменного элемента одного типоразмера и эффективный массообмен воздуха по сечению трубной системы приводит к выравниванию температурных полей.

Новая теплообменная поверхность имеет хорошую технологичность изготовления. Исполнение аппарата из отдельных элементов и модулей позволяет применить агрегатную технологию изготовления с организацией параллельных производственных линий. Использование в трубной системе большого числа однотипных деталей и сборок с минимальным числом типоразмеров позволяет максимально автоматизировать процесс изготовления и повысить качество сборки. Хорошая технологичность конструкции позволяет снизить трудоемкость и себестоимость изделия при обеспечении высокой эффективности и надежности.

В ООО «Анод-Теплообменный центр» разработан ряд конструкций АВО с теплообменной поверхностью змеевикового типа (АВО-12: АВО-16; АВО-21; АВО-25; АВО-28), объединенных в плоские модули и предназначенных.для охлаждения и конденсации жидких сред.

С целью подтверждения расчетных характеристик был изготовлен головной образец АВО-28, который прошел испытания в пароконденсационном и водяном режимах. Во время испытаний были проверены работа аппарата в режиме естественной циркуляции и режим отключения секций. В процессе испытаний были подтверждены расчетные теплогидравлические характеристики. По результатам испытаний был доработан узел крепления электродвигателя с целью увеличения его жесткости и исключения колебания в горизонтальной плоскости. При испытаниях головных изделий АВО-25 и АВО-28 был произведен подбор угла атаки на лопастях рабочего колеса вентилятора.

Целесообразно подробнее рассмотреть конструктивные особенности и преимущества разработанных АВО по сравнению с традиционными (АВГ и АВЗ).

Для удобства монтажа и транспортирования конструкция АВО была разделена на два блока, ширина которых не более 3,2 м, длина 3,5 или 6,5 м в зависимости от компоновки. Первый блок (собственно теплообменник) состоит из трубной системы с патрубками подвода и отвода охлаждаемой среды (рис. 1). Второй блок включает опорную конструкцию с диффузором и вентилятором, состоящим из электродвигателя и рабочего колеса (рис. 2). Блоки выпускаются максимальной заводской готовности, при монтаже их устанавливают один на другой (рис. 3). Теплообменник выполнен из плоских модулей, разбитых на независимые секции по трубному пространству и объединенных общим кожухом по межтрубному. Число секций и расположение патрубков определяет заказчик. Число независимых секций позволяет оперативно отключать неисправную секцию или уменьшать теплообменную поверхность в зимнее время. Независимые секции дают также возможность использовать их с различными продуктами.

Рис. 1. Теплообменный блок АВО

Модули секций объединяют поочередно, что обеспечивает при отключении одной секции более эффективную работу другой секции. Проведенные опыты показали, что при отключении 50% поверхности теплообменник продолжал выдавать 70...75% тепловой мощности. Это объясняется высокой турбулизацией потока и хорошим массообменом по межтрубному пространству.

Подвод и отвод среды из модуля осуществляется преимущественно по Z-схеме, что обеспечивает равномерное распределение по змеевикам. Однако по требованию заказчика коллекторы подвода и отвода среды можно располагать с одной стороны.

Так как вход продуктов в модуль происходит через верхний коллектор, то в нем возможно накопление неконденсируемых фракций. С целью исключения этого последний (считая от патрубка входа) змеевик выведен из верхней «застойной» зоны коллектора и подсоединен к нижнему коллектору вблизи отводящего патрубка, где скорость среды максимальна. В результате неконденсируемые фракции постоянно отводятся из верхнего коллектора с продуктами, выходящими из теплообменника.

Рис. 2. Опорно - вентиляторный блок АВО

Для снятия пиковых нагрузок в жаркое время года предусмотрено увлажнение воздуха. Для этого в диффузоре после вентилятора устанавливают форсунки для впрыска воды. При попадании в поток воздуха вода испаряется и понижает его температуру на 10... 15°С. Расход воды выбирают таким, при котором происходит полное испарение.

Рис. 3. Общий вид АВО

Для вращения рабочего колеса используется асинхронный электродвигатель во взрывозащищенном исполнении с частотным регулированием. Расчеты показывают, что уже при температуре атмосферного воздуха 15°С требуемая мощность электродвигателя снижается на ~30%, что вызвано эффективностью теплообмена и высоким уровнем естественной циркуляции (рис. 4).

Рис. 4. Изменение параметров АВО в зависимости от температуры окружающего воздуха:
1 – расход воздуха, тыс. м3/ч;
2 – относительная мощность двигателя, %;
3 – перепад давления, Па.

Змеевики, выполненные из труб 18x2 мм и длиной 12 м, объединены коллекторами из труб 89x4 мм в плоские модули (рис. 5), которые в свою очередь объединены входными и выходными коллекторами в секции. Все соединения выполнены сваркой с плавным переходом по толщине деталей. Конструктивные особенности трубной системы, а также отсутствие массивных трубных досок позволяют гарантировать надежность при высоких давлениях и циклических нагрузках.

Рис. 5. Плоские модули АВО

Высокая надежность конструкции сочетается и с хорошей ремонтопригодностью. При обнаружении неплотности необходимо отсечь текущую секцию запорной арматурой, произвести осмотр и слить продукт. Ремонт производится при ППР всей установки. Место течи определяют подачей давления в трубную систему. К каждому змеевику в районе приварки к коллекторам имеется доступ, где его можно отсечь от трубной системы. На коллектор приваривают заглушку, а змеевик остается как дистанционирующий элемент.

Одним из возможных объектов ремонта является электродвигатель вентилятора, который имеет значительную массу и размеры.

Для его демонтажа на верхней части диффузора приварены скобы, к которым можно крепить балки и подъемные устройства. Методика ремонта трубной системы и демонтаж электродвигателя была отработана на ранее изготовленных АВО, в том числе для ОАО «Таиф-НК» (г. Нижнекамск).

Одна из наиболее крупных работ, которая была выполнена по заданию ОАО «ВНИПИНефть», это оснащение аппаратами воздушного охлаждения установки по производству бензина в г. Нижнекамске. Работы по проектированию АВО произведены по всем технологическим операциям крекинг-процесса с учетом замечаний и пожеланий головной организации – проектанта. Результаты работ представлены в табл. 1.

Таблица 1:

Технологическая позиция Наименование Исполнение АВО Число АВО Мощность, кВт Число секций Масса, кг Материал
Тепловая Электрическая Трубной системы
ХВ-101 Холодильник легкого газойля АВО-25 1 633 30 4 11500 Ст. 20
ХВ-102 То же То же 1 473 30 4 11500 10Х17Н13М2Т
ХВ-201 Конденсатор паров бензина -"- 8 10182 30 8 14500 То же
ХВ-202 ХВ-203 Воздушный холодильник -"- 1 1 579 730 30 2 2 6500 Ст. 20
ХВ-301 Холодильник жидкого газа -"- 6 2696 30 4 11500 —"—
ХВ-302 ХВ-306 Холодильник легкого газойля Холодильник фракция С4 -"- 1 1 378 219 30 3 7 6500 —"—
ХВ-303 Конденсатор Фракция С34 АВО-28 4 3552 37 4 14500 —"—
ХВ-304 Холодильник стабильного бензина АВО-25 1 1669 30 4 11500 —"—
ХВ-305 Конденсатор Фракция С3 АВО-28 2 1314 37 4 14500 —"—
ХВ-401 Конденсатор кислых паров АВО-25 1 665 30 4 6500 08Х17Н15МЗТ
ХВ-402 Холодильник раствора МЭА АВО-28 2 3457 37 4 11500 Ст. 20
ХВ-501 Холодильник бензин+ водородсодержащий газ АВО-28 6 7680 37 4 14500 То же
ХВ-502 Холодильник паров верха стабилизации АВО-25 1 3280 30 4 6500 08Х18Н10Т
ХВ-503 Холодильник стабильного бензина АВО-28 1 1990 37 4 14500 Ст. 20

После года работы аппаратов в производственном цикле специалисты ООО «Анод-ТЦ» провели работы по авторскому надзору за выпущенным оборудованием. В ходе данной проверки получены результаты, приведенные в табл. 2.

Таблица 2:

Технологическая позиция Рабочая температура продукта (вход/выход), °С Температура продукта по ТЗ (вход/выход), °С Частота вращения вентилятора с частотным регулированием (фактически/по паспорту), об/мин Расход продукта по трубному пространству (фактически/по паспорту), м3
ХВ-501 163,7/45...70 199,9/50 385/428 91/71,2
ХВ-303 57/46 57,9/50,1 265/428 Данных нет/73,6
ХВ-305 45/42 46,4/44,8 Данных нет/428 Данных нет/34
ХВ-503 82,4/50 ...60 103/50 410/428 72/69
ХВ-402 Данных нет/40 96/55 364/428 45/60 2
ХВ-301 127/37 190/40 111/428 Данных нет/35
ХВ-304 125/42 185/50 244/428 25/27.35
ХВ-101 160/70 133/60 300/428 23/18,1
ХВ-202/203 160/73 152/80 428/428 75/119,8
ХВ-302/306 Данных нет 110/55 Данных нет/428 Данных нет/34,27
ХВ-502 110/50...55 109,6/50 428/428 8/4,57
XB-I02 130/85 178/90 385/428 705/9,3
ХВ-201 135/54 139,5/53,9 424/428 65/99 3
ХВ-401 102/35 106,7/40 291/428 1,70/0,89

Все аппараты были укомплектованы частотными регуляторами оборотов электродвигателей.

АВО находились в работе с февраля по октябрь 2006 г. в условиях отрицательных зимних и высоких летних температур (до 35°С).

Результаты эксплуатации АВО подтвердили проектные характеристики, а также надежную и устойчивую работу как в технологическом режиме, так и при циклических нагрузках. При эксплуатации былоотмечено снижение мощности электродвигателей и числа оборотов вентиляторов благодаря высокой эффективности теплообмена и вклада естественной циркуляции.

По требованию заказчика базовые модели аппаратов воздушного охлаждения могут быть укомплектованы различными дополнительными устройствами для регулировки параметров (жалюзи, устанавливаемые на верхней плоскости теплообменника; подогревательные устройства, различные схемы частотного регулирования).

В заключение нужно сказать, что в данной статье упомянута только часть тех разработок, которые проводит в настоящее время ООО «Анод-ТЦ".

Е.В. Читров (ОАО «ТАИФ-НК»), В.З. Кантер (ОАО «ВНИПИнефть»)
С.Б. Походяев, Ю.И. Аношкин (000 «Анод-ТЦ»)

Химическая техника, 12/2006 (декабрь)