التعديل التحديثي للموقد يزيد من السعة ويخفض التكاليف

روي بيسنيت, Zeeco Inc. ، الولايات المتحدة الأمريكية ، تناقش كيف وفرت الشعلات البديلة في سخان تغذية مفاعل الهيدروجين تكلفة التعديل التحديثي في غضون أسبوع.

كانت مصفاة كبيرة على الساحل الشرقي للولايات المتحدة تواجه مشاكل في تلبية الحد الأقصى لإطلاق الحرارة على سخان تغذية مفاعل الهيدروجين الطبيعي. نظرا للتجربة الإيجابية السابقة للمصفاة في مشاريع تحديث الموقد ، فقد اتصلوا بالشركة المصنعة لمعدات الاحتراق ومقرها الولايات المتحدة Zeeco وطلب التوجيه. Zeeco أكمل خبراء الموقد فحصا ولاحظوا أن العديد من أطراف الموقد في الشعلات الموجودة في السخان قد تم توصيلها.

أدى هذا التوصيل التلميحي إلى الحد من إطلاق الحرارة لأن محاولة زيادة إطلاق الحرارة في ظل الظروف الحالية أدت إلى إنذارات ضغط غاز الوقود المرتفع. وقدمت توصية بتنظيف الأطراف للسماح للشعلات بالعمل في الطرف الأعلى من منحنى السعة، مما يسمح للسخان بالعمل عند زيادة إطلاق الحرارة وتحسين معدلات التغذية بشكل عام للمنشأة. ومع ذلك، أفادت شركة التكرير بأن أطراف الموقد الحالية قد تم تنظيفها خلال الشهرين الماضيين وأنه كان على شركة التكرير في الواقع تنظيفها كل شهر تقريبا من أجل العمل بمعدل تغذية مقبول. وذكرت شركة التكرير أن تنظيف الأطراف مهمة تستغرق وقتا طويلا وتتطلب بناء سقالة، بالإضافة إلى أن التصميم المتعدد للشعلات الحالية يتطلب إزالة أنابيب فردية من الفولاذ المقاوم للصدأ مع تجهيزات ضغط تغذي كل طرف موقد على حدة، تليها إزالة أطراف الموقد الثمانية لكل من الشعلات الستة. وأضاف تعقيد العملية وتواترها عبئا كبيرا من تكاليف الصيانة على المرفق حيث كانت هناك حاجة إلى عمال تركيب الأنابيب والنجارين في كل مرة يتم فيها إجراء التنظيف. وأفادت شركة التكرير كذلك بأن الشعلات الحالية كانت من تصميم أكاسيد النيتروجين المنخفضة للغاية، وكان عمرها أقل من 10 سنوات، وكانت تعمل على متوسط تكوين غاز الوقود 923 وحدة حرارية بريطانية/SCF LHV.

في مكان آخر في المصفاة ، Zeeco تم تعديل مواقد GB Single Jet في سخانات أخرى في المصنع تعمل على نفس إمدادات غاز الوقود ، وأشار المصفاة إلى أن هذه الشعلات لا تتطلب هذه الصيانة الصارمة بسبب اختلافات التصميم المتأصلة. في الواقع ، تم تشغيل أحد السخانات بعد التعديل التحديثي لمدة ستة أشهر كاملة دون أي مشاكل في توصيل الطرف ، وقد تجاوز سخان آخر للتو علامة عام واحد من التشغيل بعد التعديل التحديثي دون الحاجة إلى تنظيف الأطراف. كان كلا السخانين يبلغان عن سعة وانبعاثات أفضل من المحدد.

التحدي

وقام فريق المصفاة وفريق خبراء الموقد بحساب مبلغ تكلفة الفرصة البديلة الضائعة في عملياتهم الحالية وخلصوا إلى أنها تزيد عن 10000 دولار في اليوم. قررت شركة التكرير أن استبدال الشعلات الحالية بشعلات GB Single Jet أمر منطقي من الناحية التشغيلية ، لكنها أرادت إنجاز التعديل التحديثي في أسرع وقت ممكن وبأقل قدر ممكن من الانقطاع عن تشغيل المصفاة. لم تكن هناك حاجة إلى اختبار CFD والموقد بسبب التشغيل التجريبي وبيانات الانبعاثات الموجودة في الملف من تطبيق مماثل في الموقع. كان على الشعلات تلبية ضمانات الانبعاثات البالغة 0.030 رطل / MMBtu أو 26 vppm أثناء إطلاق متوسط غاز وقود يبلغ 923 Btu LHV ، والعمل وفقا للمواصفات في سخان من النوع الأسطواني الرأسي الطبيعي مع ستة شعلات تعمل بالطاقة المرتفعة. كان قطر دائرة الموقد 5.5 قدم مع قطر دائرة أنبوب 15.3 قدم. بلغ ارتفاع القسم المشع من الأرض إلى قسم الحمل الحراري 29.5 قدما.

الحل

تم تصميم شعلات GB Single Jet بحيث يبلغ أقصى ارتفاع للهب 19.8 قدما ، وعرض لهب يبلغ 2.8 قدما ، و 11.68 مليون وحدة حرارية بريطانية / ساعة لإطلاق الحرارة لما مجموعه 70 مليون وحدة حرارية بريطانية / ساعة للفرن. كانت الشعلات بحاجة إلى تلبية متطلبات ترتيب الأسرة بنسبة 4: 1 وتلبية ضمانات الانبعاثات التي لا تتجاوز 26 vppm ، أو 0.030 lb / MMBtu ، مع إطلاق غاز وقود LHV بمعدل 923 Btu. كان من المقرر إنتاج الشعلات وتسليمها في غضون فترة 15 أسبوعا لتلبية الجدول الزمني المطلوب للمصفاة ، ووضع فريق من المتخصصين في المصفاة ومصنعي الموقد خطة لتركيبها أثناء بقاء السخان في الخدمة. عندما وصلت الشعلات ، استبدل فريق التركيب شعلة واحدة في كل مرة على مدار الأسبوع دون إخراج الفرن من الخدمة (انظر الشكل 1).

الشكل 1. موقد جديد جاهز للتركيب في الفرن أثناء مشروع التعديل التحديثي.

الخصائص التشغيلية للموقد المحدد:

• يقلل من أكاسيد النيتروجين من خلال إعادة تدوير غاز المداخن الداخلي (IFGR) والوقود المرحلي والهواء المرحلي
• طبيعي ، قسري ، مستحث ، متوازن ، أو تحريض هواء احتراق عادم التوربينات
• يمكن تكوينه للاستخدامات التي يتم إطلاقها لأعلى وللإطلاق الجانبي وللاستخدامات التي يتم إطلاقها
• تركيب على جلسة عامة أو صندوق رياح فردي
• نطاق إطلاق الحرارة - السحب الطبيعي: 1-20 مم وحدة حرارية بريطانية / ساعة (0.293-5.860 ميجاوات)
• نطاق إطلاق الحرارة - السحب القسري: 1-20 مم وحدة حرارية بريطانية / ساعة (0.293-5.860 ميجاوات)
• ترتيب الأسرة: 10:1 أو أكثر لمعظم الحالات
• تصميم نطاق الهواء الزائد: 8٪ أو أكثر - في معظم الحالات
• انخفاض ضغط هواء الاحتراق - المسودة الطبيعية: عمود الماء 0.2-1in (5-25 مم)
• انخفاض ضغط هواء الاحتراق - السحب القسري: عمود الماء 0.5-4in (12.7-100 مم)

التكنولوجيا

ال Zeeco يستخدم موقد اللهب الدائري Single Jet الذي تم اختياره لمشروع التعديل التحديثي هذا تصميما أحاديا غير متماثل ومخروطا لتعزيز إعادة تدوير غاز الوقود الداخلي. يستخدم التصميم تقنيات الهواء والغاز المرحلية لتقليل انبعاثات أكاسيد النيتروجين (20-49 نبضة في الدقيقة لمعظم التطبيقات) ويزيد من فرص التطبيقات الجديدة والتعديلات التحديثية. يستخدم الموقد طرف غاز واحد يطلق النار على مجموعة مخروطية ، ولكن بدلا من إطلاق النار على الخط المركزي للموقد ، يتم إزاحة الطرف والمخروط لإطلاق النار بالقرب من القطر الداخلي لبلاط الموقد (انظر الشكل 2).

الشكل 2. حلق الموقد من GB واحد نفاثة نموذجية تظهر هواء الاحتراق المختلفة ومناطق إعادة تدوير غاز المداخن الداخلية للموقد.

لهب مستقر

الطرف الواحد والمخروط هو تصميم بسيط ومستقر. يتضمن حفر الطرف منافذ الإشعال المستخدمة لإشعال الموقد ، ومنافذ إطلاق النار المستخدمة لإنشاء منطقة الاحتراق الثانوية (الغنية) ، ومنفذ الوقود المركزي ، مما يعزز منطقة الاحتراق الثانوية (الغنية). نظرا لأن جميع المنافذ قريبة من بعضها البعض، فإن غاز الإشعال ينتقل لمسافة قصيرة - أقل من 30 مم - مقارنة بمسافة السفر البالغة 380 مم للعديد من تصميمات شعلات الوقود المرحلية. نظرا لأن الغاز ينتقل لمسافة قصيرة جدا ، فهناك فرصة أقل بكثير للتأثيرات الضارة التي تؤثر على استقرار الموقد مقارنة بتصميم الموقد القياسي.

تصميم مدمج

مع طرف ومخروط واحد فقط ، غالبا ما يتم اختيار التصميم المدمج للموقد للتطبيقات الجديدة والتعديلات التحديثية ذات المساحة المحدودة.

احتمال منخفض لتفاعل اللهب

نظرا لأن الموقد له بصمة صغيرة وطرف واحد فقط يقع في حلق الموقد ، فإن الغاز الذي يتم إطلاقه من موقد واحد يبعد عن الموقد المجاور عند مقارنته بموقد الوقود التقليدي المرحلي مع أطراف الغاز على محيط بلاط الموقد. هذا التصميم يعني أن الغاز الذي يتم إطلاقه من الموقد إلى الموقد أبعد من ذلك ، مما يقلل بشكل كبير من احتمال تفاعل اللهب وإمكانية وجود "سحابة لهب".

صيانة منخفضة

مع طرف واحد ومخروط واحد ، هناك احتياجات صيانة أقل. لقد تم إثبات التصميم الأساسي للطرف والمخروط ميدانيا منذ عقود ، وهو التصميم المفضل من قبل العديد من مجموعات العمليات بسبب انخفاض متطلبات الصيانة الإجمالية.

تحكم دقيق في هواء الاحتراق

يعد التحكم في هواء الاحتراق لكل موقد أمرا بالغ الأهمية للتشغيل السليم. تستخدم GB Single Jet نظام مثبط حركة مزدوج الشفرة للتحكم في هواء الاحتراق. يتم تركيب شفرات المثبط على أعمدة 304SS لمنع الصدأ. ثم يتم تركيب أعمدة المثبط على المحامل لسهولة الحركة.

نظرا لأن هذا الموقد يقوم بتجميع نسبة مئوية من هواء الاحتراق في حلق الموقد ويستخدم طرف غاز واحد يتم إطلاقه على مجموعة مخروطية بدلا من إطلاقه على الخط المركزي للموقد ، فهو قادر على توليد IFGR في قاعدة لهب الموقد. يساعد الترتيب أيضا على إنشاء منطقة ضغط منخفض مستقرة لزيادة كمية IFGR إلى أقصى حد في منطقة الاحتراق. تقلل زيادة IFGR من درجة حرارة اللهب القصوى في قلب اللهب بشكل كبير. يوضح الشكل 3 أن تقليل درجة حرارة اللهب القصوى يقلل من انبعاثات أكاسيد النيتروجين الحرارية.

الشكل 3. ذروة درجة حرارة اللهب مقابل إنتاج أكاسيد النيتروجين الحرارية.

تستخدم معظم شعلات أكاسيد النيتروجين المنخفضة والمنخفضة للغاية نصائح متعددة للغاز وهندسة البلاط المعقدة وحاملات اللهب من أجل توفير لهب موقد مستقر يلبي متطلبات الانبعاثات. مع طرف غاز واحد فقط ومجموعة مخروطية واحدة ، ولكن مع القدرة على تحقيق متطلبات انبعاثات أكثر عدوانية من مواقد الغاز الخام التقليدية ، فإن الموقد المختار يناسب متطلبات التعديل التحديثي في أفران متعددة. عادة ما تكون هندسة البلاط الخاصة بناسخ GB Single Jet المحدد عبارة عن بلاط مستقيم الجانب. بالإضافة إلى كونها أكثر فعالية من حيث التكلفة ، فهي بصمة بلاط أصغر من تلك المطلوبة عادة لموقد أكاسيد النيتروجين المنخفض. تعمل بصمة البلاط الأصغر هذه على تبسيط تطبيقات التعديل التحديثي في حوامل موقد الفرن الحالية مثل مشروع تحديث المصفاة هذا عن طريق إزالة الحاجة إلى فولاذ الأرضيات باهظة الثمن والتعديلات الحرارية.

ضبط الموقد

الدرس المستفاد من التعديلات التحديثية السابقة للموقد هو أن بعض الضبط الميكانيكي للموقد بمجرد تثبيته أمر مرغوب فيه. تحدث معظم التعديلات التحديثية في الأفران التي كانت في الخدمة المستمرة لعدة عقود. في حين أن موظفي العمليات مجتهدون في الصيانة ، فإن المناطق الخارجية للفرن عادة ما تحظى بأكبر قدر من الاهتمام ، حيث يتم فحص مناطق التشغيل الداخلية للأفران وصيانتها أثناء عمليات التحول. وتخطط العديد من المصافي الآن لعمليات تحويل كل سنتين إلى خمس سنوات فقط، مما يقلل من فرص تصحيح أي ضرر يلحق بالمناطق الداخلية.

على مدى عدة عقود من الخدمة ، يمكن أن تتحلل مستويات مقاومة الأرضيات. ونتيجة لذلك، يجب على فرق المشروع التخطيط لكل موقد فردي وتكون قادرة على ضبطه ميكانيكيا وفقا للسماكات الحرارية المحددة في كل موقع من مواقع الموقد. إذا لم يتم توفير أي تعديل ميكانيكي ، فلن يكون من الممكن تحسين تشغيل الشعلات لتحقيق أقل انبعاثات أكاسيد النيتروجين المصممة. إذا كانت الاختلافات الحرارية في الفرن شديدة للغاية ، فمن الممكن أن يتأثر التشغيل المستقر للموقد أيضا.

لتوفير التعديلات الميدانية اللازمة، يحتوي الموقد النفاث الأحادي GB على ثلاثة مجالات للضبط. التعديل الأول عبارة عن مجموعة إضافية من ثقوب التركيب على اللوحة الأمامية للموقد ، والضبط الثاني هو تركيب محاور لرافع غاز الوقود الرئيسي والطيار للضبط الرأسي ، والضبط الثالث عبارة عن لوحة تثبيت منزلقة للضبط الأفقي لرافع غاز الوقود الرئيسي والطيار.

توفر فتحات التركيب الإضافية للوحة الأمامية للموقد حلا للتحدي الذي يتم تقديمه عندما تتلف مسامير التثبيت الموجودة في الغلاف الجوي أثناء إزالة الشعلات الموجودة. من خلال تضمين مجموعة إضافية من ثقوب التركيب على اللوحة الأمامية التي يتم تعويضها بزاوية صغيرة من مسامير التثبيت الحالية ، يمكن لموظفي الصيانة تثبيت الشعلات الجديدة حتى في حالة حدوث هذه المشكلة. بدلا من حفر مسمار التثبيت الحالي التالف ، يمكن قص الترباس القديم ويمكن تثبيت مسمار تركيب جديد في الموقع الجديد.

يعد تضمين محاور التركيب وتعيين البراغي لضبط الموقع الرأسي لرافع غاز الوقود الرئيسي والتجميع التجريبي تعديلا رئيسيا آخر. تعمل البراغي المحددة ومحور التركيب على التخفيف من آثار المناطق غير المستوية من الأرضيات المقاومة للحرارة أو السخانات المشوهة منذ عقود من الخدمة. مع قدرة الضبط هذه ، يمكن لفريق التثبيت تعيين موقع مجموعة المخروط بدقة ، وطرف غاز الوقود الرئيسي ، والموقع التجريبي لتشغيل الموقد الأمثل وتقليل انبعاثات أكاسيد النيتروجين.

وأخيرا، يتضمن التصميم النموذجي للموقد النفاث الأحادي GB رافع غاز وقود صغير ولوحة تركيب تجريبية مع ثقوب مشقوقة على اللوحة الأمامية للموقد . وهذا يسمح بتعديل آلية الإطلاق الرئيسية للموقد في الاتجاه الأفقي دون تغيير هندسة الإطلاق بين ناهض غاز الوقود الرئيسي وتجميع المخروط والموقع التجريبي.

الصيانة مع مرور الوقت

واستند العائد على الاستثمار المتوقع للمصفاة لهذا المشروع إلى كل من انخفاض تكلفة الصيانة مقابل الشعلات الحالية والاسترداد المتوقع لقدرة إطلاق الحرارة ومعدلات التغذية. يستخدم تصميم الموقد المختار مجموعة واحدة من ناهض الغاز مع طرف غاز ، وهو تصميم ثبت على مدى الخدمة الطويلة في العديد من المصافي والمنشآت. يمكن بسهولة إزالة ناهض غاز الوقود ، عند الضرورة ، عن طريق فك أربعة صواميل متصاعدة وإزالة ناهض غاز الوقود من الموقد. مع رافع غاز وقود واحد قابل للإزالة بسهولة وطرف غاز ، توقعت المصفاة تكاليف صيانة أقل بكثير ووقت تنظيف.

النتائج

كانت إحدى النتائج الفورية لتحديث الموقد هي أن الفرن بدأ العمل عند ضغط غاز وقود أقل بكثير يبلغ 18 رطل لكل بوصة مربعة وتطلب خمسة فقط من الشعلات الستة لتحقيق إطلاق الحرارة المطلوب عند هذا الضغط. وكان ضغط التشغيل الجديد أقل بكثير من الحد الأقصى البالغ 27.5 رطل لكل بوصة مربعة وعملت الشعلات كما هو متوقع مع لهب مستقر وتفاعل منخفض للهب (انظر الشكل 4). مع هذه المعلمات التشغيلية ، دفعت الشعلات الجديدة لنفسها في أقل من أسبوع واحد من التشغيل.

الشكل 4. تظهر هذه الصورة في منتصف المشروع ثلاثة شعلات جديدة وثلاثة شعلات قديمة قيد التشغيل. أظهرت الشعلات الجديدة لهبا مستقيما بدون "سحابة لهب" أو تفاعل سلبي من اللهب إلى اللهب.

في علامة ما بعد التعديل التحديثي لمدة ستة أشهر ، تفيد المصفاة أن الشعلات لا تزال تعمل عند 18 رطل لكل بوصة مربعة مع خمسة فقط من الشعلات الستة المطلوبة لتكون قيد التشغيل لتحقيق أهداف إطلاق الحرارة ومعدل التغذية. ولم تكن هناك حاجة إلى التنظيف حتى الآن. وبعد التقييم الذي استمر ستة أشهر، اختارت المصفاة تحديث أربعة سخانات إضافية بشعلات أحادية النفاثة من جيجابايت. وقد كان أداء الجميع جيدا في هذا المجال مع الحد الأدنى من الصيانة. تستمر جميع الأفران المحدثة في العمل دون ضمانات الانبعاثات التي تبلغ 0.030 رطل / مليون وحدة حرارية بريطانية أو 26 vppm في المتوسط 923 Btu LHV غاز الوقود. تم إجراء اختبار المكدس وتسجيله من قبل طرف مستقل وكان الأداء أقل بكثير من انبعاثات أكاسيد النيتروجين المتوقعة (انظر الجدول 1).

الجدول 1

عمل روي بيسنيت كدعم للمستخدم النهائي ل Zeeco شركة منذ عام 2015. يعمل على إيجاد حلول لمرافق التكرير والبتروكيماويات في جميع أنحاء شرق الولايات المتحدة وكندا لجميع أنواع القضايا المتعلقة بالاحتراق. أمضى أكثر من عقد من الزمان في جانب المستخدم النهائي لتكرير البترول قبل الانضمام Zeeco، وهو خريج العديد من برامج التدريب والشهادات الخاصة بالصناعة.