Особливості проектування печей для підігріву сирої нафти

Особливості проектування печей для підігріву сирої нафти

В.І. Склабінський, д.т.н.; В.І. Клюєв, інж.;

Я.Е. Михайловський, к.т.н.; В.А. Смірнов, інж.

(Сумський державний університет

Територіальне управління державної інспекції по енергозбереженню у Сумській області)

Нагрівальні та нагрівально-реакційні трубчасті печі є одними з видів основного обладнання, що використовується в нафтогазоперероблення та нафтохімії. Експлуатація трубчастих печей в екстремальних умовах (при високих температурах і тисках та в агресивних середовищах) ставить підвищені вимоги не тільки до обслуговуючого персоналу, але і до проектувальників даного обладнання. В цьому зв'язку питання, які пов'язані з проектним і перевірним розрахунком трубчастих печей, аналізом їх роботи та підвищенням к. к. д. мають особливу актуальність.

До широковідомих типів трубчастих печей відносять трубчасту піч безвогневого спалювання палива з випромінюючими стінками топки. Технологічний розрахунок таких печей достатньо складний і складається з декількох етапів, основними з яких є: 1) розрахунок процесу горіння палива (визначення нижчої теплоти згоряння палива та складу димових газів); 2) визначення к. к. д. печі, її теплопродуктивності та витрати палива; 3) визначення прямої віддачі топки, теплонапруження радіантних труб, їх поверхні нагрівання та основних розмірів камери радіації; 4) розрахунок променистого теплообміну в топці; 5) визначення поверхні нагрівання конвективних труб та розмірів камери конвекції; 6) гідравлічний розрахунок змійовика печі; 7) визначення втрат напору в газовому тракті печі та розрахунок основних розмірів димової труби. Всебічний аналіз впливу кожного з перелічених етапів проектування на ефективність і стабільність роботи печі в умовах навантажень, що змінюються, та порівняння розрахункових характеристик з отримуваними показниками при експлуатації печей дозволяють удосконалювати методику розрахунку цих печей і створювати більш надійне та економічне обладнання.

Найбільш відповідальною та трудомісткою частиною технологічного розрахунку печі є розрахунок променистого теплообміну в топці, який здійснюється методом послідовних наближень. Найчастіше при розрахунках береться теплонапруженість радіантних труб і температура димових газів у кінці топки (на перевалі), а потім установлюється їх взаємна відповідність. Якщо в результаті розрахунку виявляється, що при обраному теплонапруженні радіантних труб температура газів на виході з топки значно відрізняється від раніше взятої, то береться нове значення цієї температури і розрахунок повторюється.

Непогані результати дає перевірка за формулою, яку запропонував Ц.А. Бахшиян [1,2]:

, (1)

де Т_п - температура газів на перевалі, К; середня температура зовнішньої стінки екрана, К; Q_p - кількість тепла, переданого сировині в камері радіації (пряма віддача топки), Вт; Q_р.к - кількість тепла, переданого сировині в камері радіації конвекцією, Вт; C_S - стала випромінювання абсолютно чорного тіла, C_S=5,73 Вт/(м²·К);   коефіцієнт, залежний від співвідношення H_SR/H_S; H_SR - поверхня випромінюючих стін топки, м²; H_S - еквівалентна абсолютно чорна поверхня, м².

Ряд параметрів, що входять до рівняння (1), також підлягають переліченню.

Середня температура зовнішньої поверхні стінки радіантних труб визначається за рівнянням

, (2)

де середня температура сировини в радіантних трубах, К; ₂ - коефіцієнт тепловіддачі від стінки труб до сировини, Вт/(м²·К);   товщина стінки труби, м; коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки труб, Вт/(м·К); q_p - теплонапруження радіантних труб, q_p=Q_p/H_p; H_p - поверхня нагрівання радіантних труб, м².

Кількість тепла, переданого сировині в камері радіації, розраховується за рівнянням теплового балансу топки

, (3)

де В - витрата палива, кг/с; Q_н нижча теплота згоряння палива, Дж/кг; _Т - коефіцієнт ефективності топки; q_Тп - ентальпія димових газів на виході з камери радіації при температурі Т_п, q_Тп=(Т_п-273)·с_Тп; с_Тп - масова теплоємність продуктів згоряння при температурі Т_п, Дж/(кг·К).

Кількість тепла, переданого сировині в камері радіації конвекцією, визначається за рівнянням тепловіддачі

, (4)

де _к - коефіцієнт тепловіддачі вільною конвекцією від димових газів до радіантних труб, _к=2,1·(Т_п)^0,25.

Еквівалентну абсолютно чорну поверхню знаходять за формулою

, (5)

де _пр - зведений ступінь чорності трубного екрана, котра залежить від ступеня чорності газового шару _V, екрана _Н і випромінюючої стінки _R, від ступеня екранування топки та розподілу температур в ній, а також від коефіцієнтів опромінення при променистому теплообміні між газовим шаром і трубним екраном _VH та між трубним екраном і випромінюючою стінкою _HR.

На рис. 1 наведена схема нагрівальної печі з випромінюючими стінками топки та дворядним екраном радіантних труб.

Коефіцієнт опромінення (кутовий коефіцієнт) у випадку променистого теплообміну між газовим шаром і поверхнею екранних труб визначається за графіками [1] в залежності від кількості рядів труб в екрані та від співвідношення шагу розміщення труб до їх діаметра. Кутовий коефіцієнт у випадку променистого теплообміну між поверхнею екранних труб і випромінюючою стінкою також залежить від компонування труб в топці та показує, в скільки разів поверхня П_HR взаємного випромінювання екрана і випромінюючої стінки більша від поверхні радіантних труб, тобто _HR=П_HR*L_p/H_p, де L_p - довжина труб, м.

Розрахункова поверхня взаємного випромінювання визначається для кожної труби окремо методом “натягнутих ниток” (НН) [2]. Для цього необхідно розглянути i-ту трубу в прямокутній системі координат з початком відліку в точці А (рис. 2). Тоді центр труби, точка О, буде мати координати (x_i, y_i).

Традиційна реалізація методу НН пов'язана з трудомісткими і дуже неточними графічними побудовами для визначення кутів C_iOB_i, A_iOD_i та іншими складностями, що виникають при розрахунку за цим методом. У зв'язку з цим був розроблений метод аналітичного визначення поверхні взаємного випромінювання та коефіцієнта опромінення.

Для точок торкання А_і (х_Аі, у_Аі) та С_і (х_Сі, у_Сі), що лежать на колі з центром у точці О (x_i, y_i) та радіусом R, а також що є вершинами прямих кутів AA_iO та AC_iO, повинна виконуватися система рівнянь

(6)

розв'язуючи яку дістанемо:

, (7)

, (8)

, (9)

. (10)

Аналогічні міркування для точок торкання B_і (х_Bі, у_Bі) та D_і (х_Dі, у_Dі) приводять до системи рівнянь, подібної до системи (6), розв'язання якої має вигляд:

, (11)

, (12)

, (13)

, (14)

де АВ - висота випромінюючої поверхні, м.

Розрахувавши за формулами (7) - (14) координати точок торкання, визначимо поверхню взаємного опромінення для i-ї труби

(15)

та для усього екрана, що складається з N_p труб,

. (16)

Тоді коефіцієнт опромінення визначається за формулою

. (17)

Подана методика покладена в основу розробленої комп'ютерної програми розрахунку трубчастої печі з випромінюючими стінками топки, яка дозволяє скоротити час на трудомісткі розрахунки, пов'язані з використанням методу послідовних наближень за рівнянням (1), та виконати оптимізаційні розрахунки з метою підвищення к. к. д. трубчастих печей з випромінюючими стінками топки.

Summary

The article deals with analytical method of determining mutual radiation surface and irradiation factor used for calculation of pipe furnace with radiating sides of the fire-box. On the basis of this method computer program has been developed. The program permits not only to save time for calculations, but also to perform improving for raising efficiency.

Список літератури

Трубчатые печи// Труды Гипронефтемаш/ Под ред. Ц.А. Бахшияна. - М.: Химия, 1969.- Вып. 5 (15).- 312 с.

Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е.Н. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. - Л.: Химия, 1974. - 344 с.