Исследования различных условий эксплуатации свидетельствуют: высокопроизводительные, усовершенствованные внутри и по оболочке теплообменники сохраняют вес и объем, снижают осаждения на стенках труб и продлевают срок эксплуатации.

На фото: Многоканальный рукав HELIXCHANGER® в изготовлении (компании ABB Lummus Heat Transfer)

          С ростом цен на топливо растет спрос на теплообменники с более высокой производительностью со стороны потребностей производства в высокоэффективных технологиях. Все это ставит перед инженерами задачу по поиску проектных решений за пределами уже существующего опыта. Требования по снижению содержания CO2 в промышленных выбросах также побуждают эксплуатирующие компании делать свой вклад в уменьшение «углеродного следа» своих предприятий.
          Улучшение теплообмена между трубами и оболочкой теплообменников с усовершенствованными системами внутритрубных рассекателей и преобразователей потока, соответственно, зарекомендовали себя как надежная, успешная и ценная альтернатива, устраняющая фактор риска, который обычно сопровождает оборудование новых конструкций. В данной статье изложены предпосылки, научные, проектные и эксплуатационные результаты двух конкретных исследований.

Исследование 1. Теплообменник предварительного подогрева гудрон/сырая нефть, находящийся в эксплуатации на европейском НПЗ более девяти лет.

Исследование 2. относительно новый обменный аппарат первичной очистки сырой нефти, работающий на FPSO (плавучая система нефтедобычи, хранения и выгрузки).

          В каждом из двух случаев исследования,комбинированием двух техник усовершенствования достигнуто следующее: уменьшились потребности в помещении, сократились объем и количество и, вследствие этого, также вес теплообменников, снизились затраты на сооружение, транспортировку и установку, а также потребление энергии

В случае с НПЗ — увеличилась длина проходов благодаря снижению осаждения на стенках труб.

Технология
          Оптимальная эффективность проекта теплообменника достигается тогда, когда оба коэффициента, стенки трубы и решетки, равномерно сбалансированы и увеличены до максимума. Этого сложно достичь, особенно в режимах работы с ламинарными потоками. Для того чтобы преодолеть это ограничение, в настоящее время все более широко стали внедряться технологии двойного усовершенствования, подкрепленные полученным положительным опытом их применения эксплуатирующими компаниями.
          В данной статье интенсификаторы потока hiTRAN® используются для повышения интенсивности теплопередачи труб в комбинации с технологией HELIXCHANGER решеток теплообменников, с целью повышения общей эффективности теплоотдачи.
          Динамика потока в трубах, оборудованных интенсификатором hiTRAN®, изменилась фундаментально по сравнению с динамикой потока в полых трубах (без применения интенсификаторов). Более высокая скорость потока, которая обычно наблюдается в центре, перемещается, таким образом, к стенке трубы, формируя кольцевой
режим потока.
          Что касается стенок оболочки, устраняя противоток и зоны рециркуляции посредством применения спиральных решеток,достигается преимущество почти поршневого режима потока. В результате получаем уменьшение падения давления у стенок оболочки при поддержке высокого коэффициента теплоотдачи.
          Такую комбинацию можно внедрять при реконструкции и усовершенствовании уже существующих теплообменников, а также на новых установках.

Обе этих технологии демонстрируют снижение осаждений на стенках.

          1. Спиральные решетки дают меньшую потерю давления теплового потока, чем традиционные сегментарные перегородки.
          Недостатки кожухотрубных теплообменности  ников с традиционными сегментарными перегородками понятны всем нефтепереработчикам, особенно в том, что касается осаждений. Как основные недостатки можно выделить следующее: область стенок оболочки поделена на отсеки, и значительный объем энергии давления расходуется в расширениях, сужениях и поворотах многочисленных изгибов вместо генерирования теплоотдачи. Градиент давления на решетках проводит начительный объем потока через пространство трубкарешетка и  оболочка решетка, где теплоотдача теряется. Результат — неэффективная конверсия в теплоотдачу падения давления у стенки оболочки.
          Рассеяния потока искажают профиль температур, снижая эффективный MTD теплоотдачи.
          Перпендикулярные решетки увеличивают мертвые пространства или зоны рециркуляции, где формируются осаждения или коррозия.

На рисунке: Идеальные кривые для идеального структурного течения и возвратно-смешивающего прерываемого потока наложены на график для легкости анализа. Кривая для традиционных сегментных перегородок имеет длинный «хвост», который показывает на то, что обменник имеет большую «мертвую зону». Значительное отклонение этой линии от кривой структурного течения указывает на значительный объем обратного смешения. В то же время, кривая для отражательных перегородок более подогнана к кривой структурного течения, что указывает на меньшие объемы обратного смешения. Ее короткий «хвост» показывает ничтожно малый объем «мертвой зоны» в обменнике.

          Проект HELIXCHANGER устраняет большинство из перечисленных недостатков. В этом проекте квадрантной формы сегменты решеток располагаются под углом к оси трубки в последовательном порядке, направляющем поток у стенкиоболочки спиралеобразно по пучку труб. Достигаются одинаковые скорости потока по пучку труб, и мягкий спиралеобразный поток устраняет непродуктивные потери давления в теплообменнике. Сохраняется незначительный мертвый объем в спиралевидном пространстве оболочки.
          Гидродинамика спиралеобразных решеток. Были проведены гидродинамические испытания на пластиковой модели теплообменника с сегментарными и спиральными решетками. Краситель впрыскивался у входного сопла как импульсивная функция. У выходного сопла измерялась концентрация  красителя. Результаты были представлены на графике в безразмерной концентрации (C), измеряемой на выходе, в отношении к безразмерному среднему времени, проводимому жидкостью у стенки трубки; подобные условия потока получены для разных расположений решетки. Снижение осаждений в теплообменниках, оборудованных HELIXCHANGER®.
          Проект HELIXCHANGER® обеспечивает снижение образования осаждений на стенках труб посредством следующих факторов:
A: меньше мертвых зон в спиралевидном пространстве.
B: достигаются значительно (в 2 3 раза выше) более высокие скорости спиралевидного потока, чем средние скорости поперечного потока в эквивалентных проектах сегментарных решеток.
C: одинаковые скорости потока по пучку труб достигаются благодаря относительно постоянному пространству спирального потока. Это также проявляется в более однообразных температурах у стенки трубы.

На фото: Изменение струйного потока у стенки трубы с помощью
проволочного матричного элемента hiTRAN.

          Нефтепереработчики, эксплуатирующие установки с HELIXCHANGER®, свидетельствуют о достижении минимум в два- три раза дольше проходов между чистками, чем на ранее использовавшихся теплообменниках с сегментарными решетками.

2. Система интенсификаора hiTRAN® оптимизация, отвечающая требованиям более высокой производительности.

 Технология
          По сравнению с полыми трубами, в трубах, оборудованных проволочно матричными элементами hiTRAN®, изменяется динамика жидкости у стенок трубы, что значительно меняет условия потока у стенки трубы и существенно улучшается интенсивность теплоотдачи.В полых трубах термически неэффективный пограничный слой, с минимальным радиальным движением по направлению к стенке и от стенки трубы, вызываемый сопротивлением трения, упреждает высокую интенсивность теплоотдачи в переходных и ламинарных областях. Это ясно показано на фото 3, где краситель, впрыскиваемый у стенки стеклянной трубки, остается у стенки до тех пор, пока поперечная сила и турбулентность, вызванные матричным элементом hiTRAN,не отведут его от стенки.

На фото: Измерение PIV в стандартной трубе и 3мм потокhiTRAN® проволочного матричного элемента. Максимальная скорость потока (красные стрелки) образуется возле стенок трубы. Это изменяет параболический профиль порожней трубы на профиль с кольцевым режимом потока. Как можно заметить, течение возле стенок частично направлено к осевой линии потока.

Гидродинамика с применением матричных элементов hiTRAN
          Измерения с использованием измерения скорости потока частиц — Particle Image Velociometry (PIV) Используя метод измерения PIV, можно более детально визуализировать поток у стенки трубы под влиянием интенсификатора потока hiTRAN®. Малые частицы алюминия впрыскиваются в поток, и их движение регистрируется и визуализируется с помощью лазера.На рисунке 4 представленламинарный поток в полой трубке. Цветовой шкалой показаны: высокие скорости —красными векторами, голубые векторы демонстрируют малые скорости потока. Как и предполагалось, в полой трубе максимальная скорость потока наблюдается в центральной частипотока, самые малые скорости располагаются ближе к стенке трубы. Напротив, при измерении только нижней части потока под воздействием проволочно-матричного элемента hiTRAN®, наблюдается обратный поток, как можно видетьна графике рис. 4.В этом случае с усовершенствованием, минимальная скорость потока измеряется в центре потока, что объясняется присутствием проволочной сердцевины матричного элемента. Измерения с использованиемлазерного доплера — Laser Doppler Velociometry (LDV)

На рисунке: Измерение скоростной кривой в трубе с числом Рейнолдса 500, 3мм вставка проволочного матричного элемента с истинным объёмным паросодержанием в 92,9%. Обе характеристики, PIV и LDV, показывают положительный результат, который транслируется в значительное улучшение теплопередачи и сниженный уровень загрязнения, что достигается увеличенной силой трения стенок трубы и уменьшенным периодом пребывания жидкости на стенках.

          Результаты, полученные методом измерения LDV, где скоростной разрез измеряется от точки, с сечением трубы диаметром 20мм, подтверждают данный режим потока. Проводились измерения ламинарного потока с числом Рейнольдса 500. Измерения методом PIV показали, что поток течет в кольцевом режиме по введенному элементу, в центре поток равен нулю из-за проволочной сердцевины матричного элемента. Это равно режиму Турбулентного потока у стенки полой трубы. Для сравнения также показан скоростной разрез Hagen Poiseuille ламинарного потока, демонстрирующий гораздо более низкие скоростные градиенты у стенки трубы.
 
 

Случай 1
Применение
Подогреваемый теплообменник сырой нефти — НПЗ BPLingen, Германия  Режим  вакуумный остаток (труба) сырая нефть (оболочка)
Тип теплообменника — TEMA
Type AES — плавающая головка
— 2 прохода — 638 трубы
Наружный диаметр/T стенка/длина: 25.0 x 2.0 x 4880 мм
Дата установки — июль,
1996 г.

Предпосылки
          Опыт эксплуатации с переработкой гудрона показал сложность использования традиционно спроектированных кожухотрубных теплообменников. Осаждения приводили к постоянным внеплановым остановам для очистки. Новые теплообменники при оптимальном проектировании с использованием традиционных решеток и полых труб потребовали бы двух оболочек. При таком варианте проблемы с производством и техобслуживанием возникали бы постоянно.

Проект
          При рассмотрении преимуществ усовершенствования был взят проект с оптимальными параметрами, с горячим гудроном в трубах. Это дало бы максимальную возможность усовершенствования, снизились бы затраты, можно было бы использовать одну оболочку вместо двух, первичная площадь тепло обменника сократилась бы более чем на 50% от традиционного варианта. Технологии двойного усовершенствования позволили бы снизить интенсивность образования осаждений,и, таким образом, проектная производительность дала бы более долгие проходы между плановыми чистками пучков труб.

Преимущества

          Основная цель такой замены теплообменника — не только достичь исходной проектной производительности, но также и поддерживать ее на гораздо больший период эксплуатации.
          Технологический процесс требует непрерывной работы установки при штатном цикле ТО и Р, чистки перед каждым перезапуском. Такая схема эксплуатации показала себя удовлетворительной для периода эксплуатации в девять лет. Недавно при замене труб элементы hiTRAN были вынуты и установлены заново на следующий период эксплуатации.
          Точное прогнозирование четкого функционирования на основе исследований и проверок и при поддержке многолетнего опыта эксплуатации систем hiTRAN позволяет инженерам быть консервативными в проектировании. Так как вопрос касается процесса, гораздо сложнее предсказать длину полезных проходов, которая может быть достигнута при известных условиях осаждения. В этом случае полезный рабочий цикл мог бы быть гораздо длиннее против прогнозируемого, но установку вывели на замену труб. Преимущества для нефтепереработчика — низкие капитальные затраты, ниже стоимость переработки, сокращение времени на ТО и Р и времени простоя при высокой термической эффективности, что дает низкие затраты на энергопотребление.

Случай 2

Применение
          Сепарация сырой первичной нефти на F.P.S.O. (плавучая система нефтедобычи, хранения и выгрузки)
Место расположения: месторождение Dalia, Ангола

Предпосылки
          FPSO представляют собой плавающие танкерные системы, спроектированные для забора нефти или газа с добывающих платформ для переработки, хранения и перекачки на транспортные суда. В этих условиях объем и вес имеют первостепенную важность для проектировщиков, в этом случае прямая выгода — это высокопроизводительный усовершенствованный теплообменник, так как он позволяет сократить как размер, так и количество теплообменников.

Проект
          Проектная пропускная способность установки — 240,000 баррелей в день сырой нефти и 2 миллиона баррелей хранения. (Корпус танкера — 300 в длину, ширина — 60м и вы
сотой 32м).

Преимущества
          Было проведено сравнение традиционного проекта безусовершенствований и с проекта с его двойным усовершенствованием системами HELIXCHANGER®/hiTRAN®. В обоих случаях достигалась производительность 7.94MW. Рис. 8 показывает термическое преимущество при комбинированном использовании обеих технологий усовершенствования.
          При традиционном проекте (без установки интенсификаторов) процесс в трубах теплообменника сложно контролировать. С применением проекта HELIXCHANGER и полыми трубами удваивается коэффициент оболочки, тем не менее, общий коэффициент теплоотдачи остается практически неизменным, из-за сопротивления внутри труб.

          С использованием системы hiTRAN® System, достигается улучшение при допустимом снижении давления, с сокращением проходов с 6 до 2. Тем не менее, применение только интенсификатора hiTRAN® в трубах без HELIXCHANGER смещает сопротивление теплоотдачи на оболочку, что приводит к неоптимальному проектному решению.
          Максимальная выгода достигалась при применении обеих технологий для достижения лучшего баланса сопротивления теплоотдачи, как на трубах, так и на оболочке. При этом на усовершенствованном теплообменнике достигается увеличение в 400% общего коэффициента теплоотдачи.
          Согласно детальному сравнению результатов двух проектов, скорость спиралевидного потока в более чем три раза выше средней скорости поперечного потока в эквивалентных проектах сегментарных решеток. Т. о., в проекте решеток Helixchanger® поперечные силы, действующие на стенку трубы значительно выше. Также, постоянный спиралевидный поток дает одинаковые скорости по пучку труб и меньше мертвых зон в спиралевидном пространстве. В результате значительно снижается образование осаждений. Увеличенный на 400% общий коэффициент теплоотдачи по сравнению с проектом с полым трубами позволяет уменьшить размеры теплообменника, потребности в помещении и вес оборудования. Также существенная экономия на трубах, изоляции и управлении.

          Еще одно преимущество со стороны сокращения осаждений — улучшенное распределение потока. Параллельное расположение трех оболочек более чувствительно к неравномерному распределению потока, чем параллельное расположение двух оболочек. Не равномерное распределение потока на пучках труб может привести к непрогнозируемым скоростям, и горячим зонам с увеличенным осаждением. Затраты на установку системы hiTRAN показали свою высокую конкурентоспособность с учетом сокращения числа оболочек в теплообменниках

Сравнение различных вариантов разработок теплообменников

ВЫВОДЫ
          Каждая из этих технологий широко применялась в отдельности большим числом нефтепереработчиков в течение многих лет по всему миру.
          Преимущество комбинированного применения обеих технологий дает гораздо большую выгоду, превосходящую простое суммирование от каждой из них. Для нефтепереработчика, имеющего опыт применения этих технологий, положительный результат от удлинения проходов часто может быть самым важным критерием выбора. Сокращение капитальных затрат, стоимости ТО и Р, потребления энергии и достижение более долгих делает эту технологию двойного усовершенствования привлекательным вариантом

.
Обозначения:
tW — температура внутренней поверхности трубы
tO — объемная температура потока у стенки оболочки
tI — объемная температура потока у стенки трубы
hI — коэффициент теплоотдачи пленки у стенки трубы по отношению к внешней поверхности
hO — коэффициент теплоотдачи пленки у стенки оболочки
Q — теплопроизводительность
U — общий коэффициент теплоотдачи
A — зона теплоотдачи
FT — эффективность
ΔTln — лог. средняя разница

Журнал «Oil Market», №8 2007