가열식 히터의 대류 섹션: 설계, 효율성 및 유지 관리

지연된 코킹 장치에서 3년을 보낸 후 연소된 히터의 배가스 배출구 온도가 180°C에서 246°C로 떨어졌습니다. 버너가 조정되었고 복사 튜브가 괜찮아 보였지만 연료 가스 소비량은 거의 4% 증가했습니다. 운영자가 종종 마지막으로 보는 곳인 대류 섹션에서 문제가 발견되었습니다. 핀 튜브는 소금과 재로 이루어진 단단한 층으로 덮여 있었고, 번들 뒤의 손상된 라이너로 인해 뜨거운 연도 가스가 튜브를 완전히 우회하게 되었습니다.

대류 섹션은 일반적으로 가열된 히터의 전체 공정 작업량의 25~35%를 전달합니다. 성능이 저하되면 효율성이 떨어지고 연료비가 상승하며 다음 턴어라운드가 더욱 시급해집니다. 이 글에서는 컨벡션 섹션의 기능, 설계 방식, 히터 효율을 제어하는 이유, 새 번들을 구매하기 전에 확인해야 할 사항에 대해 설명합니다.

연소된 히터에서 대류 섹션이 수행하는 작업

수직 원통형 히터에서 대류 부분은 복사 부분 바로 위에 위치합니다. 캐빈형 히터에서는 복사 상자의 한쪽 끝에 위치합니다. 두 레이아웃 모두 수평 튜브 뱅크를 통해 뜨거운 연도 가스를 전달하고 해당 튜브 내부의 공정 유체는 튜브 벽을 통해 열을 흡수합니다. 대류 구역으로 유입되는 연도 가스는 이미 화염 온도보다 훨씬 낮기 때문에 주요 열 전달 모드는 복사에서 강제 대류로 변경됩니다.

확장된 표면은 일반적으로 낮은 가스측 열 전달 계수를 보상하기 위해 사용됩니다. 아래 표는 일반적인 정유 히터의 두 섹션의 작동 조건을 비교합니다.

정유소 가열식 히터의 복사 및 대류 섹션의 일반적인 작동 조건을 비교합니다.
매개변수	빛나는 부분	대류 섹션
연소가스 온도	화염 구역에서 950–1100 °C	650~800°C 입구; 150~250°C 배출구
지배적인 열 전달 모드	열복사	약간의 방사선을 동반한 대류
일반적인 튜브 표면	노출되지 않은 매끄러운 튜브	핀, 스터드 또는 베어
총 업무 비중	60~70%	25~35%
주요 운영 리스크	과열 및 크리프	파울링 및 냉간부식

대류부가 열을 회복하는 방법

대류 구간에서 베어 튜브의 가스측 열전달 계수는 약 15 ~ 30W/(m²·K)로 낮은 반면, 공정측 계수는 일반적으로 특히 유체가 끓을 때 몇 배 더 높습니다. 따라서 제한 저항은 거의 항상 튜브의 연소가스 측에 있습니다.

핀 튜브와 스터드 튜브는 외부 면적을 늘려 이 문제를 해결합니다. 인치당 핀 4~5개, 즉 미터당 핀 157~197개 밀도의 톱니 모양 핀은 동일한 직경의 튜브에 비해 외부 표면을 5~10배 증가시킵니다. 아래 차트는 3단계 대류 구간을 통한 일반적인 연도가스 온도 프로파일을 보여줍니다.

그림 1. 3단계 대류 구간에 걸친 일반적인 연도가스 온도 감소.

복사 섹션에 가장 가까운 가장 뜨거운 패스는 가장 높은 온도가 필요한 프로세스 스트림을 처리합니다. 냉각기 통로는 증기 생성, 희석 증기 과열 및 공급물 예열과 같은 저온 서비스를 위해 열을 회수합니다. 이러한 역류 배열은 모든 패스에서 유용한 온도 차이를 유지합니다.

대류 단면 설계: 압력 강하, 속도 및 재료

API 560은 정유 및 석유화학 서비스에서 대부분의 가열식 히터에 사용되는 설계 프레임워크를 제공합니다. 대류 단면의 크기는 단독으로 측정할 수 없습니다. 다발 깊이, 핀 형상 및 필요한 구배는 서로 영향을 미치기 때문에 함께 정해야 합니다.

중요한 점검 사항은 연도 가스 압력 강하, 가스 속도, 튜브 금속 온도 및 핀 재질입니다. 일반적인 히터는 대류 섹션 압력 강하를 3~10mbar 또는 30~100mm H2O 사이로 유지합니다. 번들이 더 깊을수록 더 많은 열을 회수하지만 더 많은 스택 또는 유도 통풍 팬 용량이 필요합니다. 가장 낮은 연소 속도에서 가스 속도는 재 침전을 방지하기 위해 약 4.5m/s 이상으로 유지되어야 하며, 침식 및 흐름으로 인한 진동을 방지하려면 15~20m/s 미만으로 유지되어야 합니다. 차가운 끝 부분의 튜브 금속 온도는 황이 존재할 때 황산 이슬점보다 높게 유지되어야 합니다. 그렇지 않으면 아래쪽 줄과 케이싱이 빠르게 부식됩니다. 핀 재료는 국지적 가스 온도를 따릅니다. 뜨거운 쪽의 합금 핀, 차가운 쪽의 탄소강 핀, 때로는 침식이나 청소 접근이 중요한 베어 튜브 등이 있습니다.

실용적인 엔지니어링 체크리스트는 다음과 같습니다.

배가스 질량 흐름, 조성, 황 함량을 확인합니다.
목표 속도와 압력 강하에 대한 튜브 레이아웃과 피치를 선택합니다.
핀 효율을 계산하고 핀 유형, 밀도, 재료 통과를 선택합니다.
산성 이슬점 및 산화 한계를 기준으로 튜브 금속 온도를 확인합니다.
접근 차선, 수트블로워 포트, 탈착식 검사 패널을 제공합니다.

대류부가 히터 효율을 제어하는 이유

가열식 히터 설계의 경험적 법칙은 배가스 출구 온도가 22°C 감소하면 효율성이 약 1% 증가한다는 것입니다. 따라서 배출구를 250°C에서 170°C로 낮추는 것은 대략 3.5%의 가치가 있습니다. 100MW 히터의 경우 3.5MW의 연료가 소모되며, 이는 1년 연속 작동 시 의미 있는 절감 효과입니다.

확장된 표면 덕분에 아래 막대 차트에서 볼 수 있듯이 거대한 인클로저 없이도 배출구 온도가 이렇게 낮아질 수 있습니다.

그림 2. 맨손, 스터드 및 톱니 모양 핀 표면이 있는 114mm OD 튜브의 일반적인 외부 영역.

핀형 튜브는 표면적을 추가하지만 가스 경로를 늘리고 압력 강하를 높입니다. 각 패스에서 베어 튜브, 스터드 튜브, 핀 튜브 중에서 선택하는 것은 표면적, 통풍, 청소 접근 및 부식 허용량 간의 경제적 균형입니다.

오염, 청소 및 냉간 부식

파울링은 대류 섹션의 가장 지속적인 작동 문제입니다. 퇴적물은 단열층 역할을 하므로 배가스 배출구 온도가 올라가고 공정에 열이 덜 전달됩니다. 동시에 퇴적층은 개방 유동 면적을 감소시키고 통풍 손실을 증가시킵니다. 심한 경우에는 히터가 설계 발사 속도에 도달하지 못합니다.

대류부 오염의 주요 원인은 다음과 같습니다. 연료 품질, 버너 성능 및 공정 이월이 모두 영향을 미치며 분포는 장치마다 다릅니다.

소금/재 퇴적물(35%)
코크스/탄소 침전물(30%)
부식 생성물(25%)
기타예금 (10%)

그림 3. 대류 구간에서 오염 원인의 일반적인 분포.

파울링 제어는 연소 튜닝 및 연료 관리로 시작되지만 여전히 정기적인 청소가 필요합니다. 아래 표에는 플랜트 운영에서 가장 일반적으로 사용되는 방법이 요약되어 있습니다.

일반적인 대류 섹션 청소 방법 및 적용.
청소방법	다음에 가장 적합합니다.	일반적인 주파수
온라인 스팀 수트블로잉	가벼운 재 또는 소금 침전물	주간 ~ 월간
고압 공기 수트블로잉	액체 또는 고체 연료의 그을음	일일 또는 연속 주기
오프라인 하이드로블라스팅	단단하고 두꺼운 침전물	매 턴어라운드
화학적 세척	소금이나 코크스와 같은 특수 침전물	필요에 따라

정유 및 석유화학 응용 분야의 대류 섹션

정유소 또는 석유화학 현장의 모든 연소형 히터에는 대류 섹션이 있지만 각 서비스는 서로 다른 설계를 적용합니다. 원유 및 진공 증류 히터에서 대류 섹션은 원유를 예열하고 때로는 증기를 발생시킵니다. 에틸렌 분해로에는 일반적으로 탄화수소 공급 예열 코일, 희석 증기 과열 코일 및 고압 증기 뱅크가 포함됩니다. 수소 및 DRI 개질기에서 대류 섹션은 증기 및 공급물 예열을 위해 열을 회수하여 장치의 전체 에너지 소비를 결정합니다.

원유 단위 서비스의 경우 핀 유형 선택과 증기 코일 포함 결정이 엔지니어링 논의를 지배합니다. 이러한 절충안 경험이 있는 공급업체는 프로젝트 위험을 줄이고 운영 결과를 향상시킬 수 있습니다.

Fired Heater for Atmospheric and Vacuum Distillation

대기 및 진공 증류용 가열식 히터 이 히터는 원유 서비스의 핀 유형 및 증기 코일 균형을 해결하여 균일한 다중 구역 가열과 높은 열 효율을 제공하여 안정적인 ADU/VDU 분리를 지원하는 동시에 운영 위험을 낮춥니다. 제품보기 →

석유화학 히터는 여러 코일이 동일한 배기 가스 경로를 공유해야 하기 때문에 복잡성이 한 단계 더 추가됩니다. 뒤에 숨겨진 원칙 석유화학 산업의 가열식 히터 선택 및 엔지니어링 응용 운영자가 이러한 서비스에서 코일 온도, 증기 수요 및 용광로 경제성의 균형을 맞추는 방법을 설명하십시오.

에틸렌 분해로는 가장 까다로운 예입니다. 대류 섹션은 분해된 가스, 희석 증기 및 증기 생성 코일을 하나의 컴팩트한 배열로 처리하며 합금 선택은 가혹한 작동 온도에 따라 결정됩니다.

열분해용 에틸렌 분해로 에틸렌 대류 구역의 심각한 합금 수요를 고려하여 이 가열로의 정밀한 온도 제어와 최적화된 복사/대류 설계는 지속적인 고온 작동 시 균열 일관성과 수율을 유지하는 데 도움이 됩니다. 제품보기 →

컨벡션 섹션 구매 시 확인 사항

손상된 번들을 교체하든 증기 발생 용량을 추가하든 동일한 점검이 적용됩니다.

새 번들이 기존 복사 구역의 연소 가스 질량 유량 및 사용 가능한 통풍과 일치하는지 확인하십시오.
설계 코드 기준(히터용 API 560, 튜브측 배관용 ASME B31.3, 고객 현장 사양)을 검토합니다.
핀-튜브 연결부 및 튜브-헤더 접합부 주위의 용접 품질 계획을 평가하십시오. 이는 가장 일반적인 실패 위치이기 때문입니다.
가스가 번들로 들어가는 곳의 침식 방지를 포함하여 예상되는 가스 유입 온도에 대해 절연체와 라이너 시스템을 확인하십시오.
용접 절차 자격, 수압 테스트, 치수 제어, 제3자 검사 등 제조업체의 역량을 확인합니다.

대부분의 대류 섹션은 튜브, 헤더, 단열재 및 케이싱을 포함하여 공장에서 제작된 모듈로 제공됩니다. 이 접근 방식은 무거운 조립 작업이 통제된 조건에서 수행되기 때문에 현장 설치 시간을 단축하고 용접 품질을 향상시킵니다. 모듈을 제자리에 들어 올릴 때 복사 부분과 기존 히터 스택에 대한 연결은 열 팽창을 수용하고 기밀을 유지해야 합니다.

Shop-Fabricated Convection Section Module

공장에서 제작된 대류 섹션 모듈 이 모듈형 대류 섹션은 설치 중 열팽창을 수용하고 기밀 연결을 유지할 수 있도록 내구성 있는 합금과 맞춤형 설계를 통해 작업장 제작을 제어하고 현장을 쉽게 들어올릴 수 있도록 제작되었습니다. 제품보기 →

물류도 마찬가지로 중요합니다. 대형 대류 섹션 모듈은 너비가 너무 크고 무거운 화물이므로 운송 경로, 리프팅 방법 및 현장 처리 계획은 열 설계와 동일한 조사를 받을 가치가 있습니다. 제작과 중량물 운송을 모두 관리할 수 있는 제조업체는 일정 지연의 위험을 줄입니다. 프로젝트별 평가 또는 견적의 경우 다음을 수행할 수 있습니다. Tuopu 엔지니어링 팀에 문의 히터 데이터 시트와 함께.

대류 섹션에 대해 자주 묻는 질문

대류 섹션 튜브에 핀이 있는 이유는 무엇입니까?

핀은 외부 열 전달 면적을 5~10배로 늘려 배가스 측의 낮은 열 전달 계수를 보상합니다. 핀이 없으면 동일한 양의 열을 회수하려면 대류 섹션이 몇 배 더 커야 합니다.

대류 구역 출구의 일반적인 연소가스 온도는 얼마입니까?

효율적이고 잘 관리되는 히터의 경우 출구 온도는 일반적으로 150~200°C입니다. 연료의 유황 함량이 높을 경우 배출구는 산성 이슬점(주로 약 250~300°C) 이상으로 유지되거나 차가운 끝 부분이 부식 방지 재료로 만들어집니다.

대류 섹션이 오염되면 얼마나 많은 효율성이 손실됩니까?

파울링은 배가스 배출구 온도를 높입니다. 온도가 22°C 상승할 때마다 효율은 약 1% 포인트 떨어지기 때문에 50°C 상승하면 효율이 약 2.3% 감소하며 이는 직접적으로 추가 연료 소비로 나타납니다.

복사부를 건드리지 않고 대류부를 교체할 수 있나요?

예. 기존 가열식 히터는 복사 상자, 버너, 스택을 유지하면서 새로운 대류 섹션 모듈을받는 경우가 많습니다. 이는 구조와 기초의 남은 수명이 충분하고 새 번들의 압력 강하가 사용 가능한 초안 내에 맞는 경우 일반적인 개조 경로입니다.

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