Особенности отраслей применения кожухотрубных теплообменников

По итогам экспертных интервью специалисты компании MegaResearch выделили наиболее острые проблемы в эксплуатации теплообменного оборудования, характерные для всех отраслей промышленности.

1. Загрязнение и коррозия теплообменных аппаратов.

Во всем мире проблема образования отложений в теплообменном оборудовании весьма актуальна. Печальный опыт последних отопительных сезонов в России показал, что надежность российских систем теплоснабжения в 2,5 раза ниже, чем в европейских странах. Основной причиной повреждений тепловых сетей и теплообменников является коррозионное разрушение металла труб, причем более 25% всех повреждений связано с внутренней язвенной коррозией. Все это является следствием многолетнего применения устаревших конструкционных материалов, низкого уровня технической эксплуатации, а также технического и технологического несовершенства применяемых методов обработки воды. Загрязнение и коррозия увеличивают термическое сопротивление теплопередающих стенок и тем самым ухудшает характеристики теплообменных аппаратов. Загрязнение появляется в основном вследствие загрязненности рабочих жидкостей, несовершенства обработки поверхностей и появления шероховатости на теплообменных поверхностях, коррозия вызвана как некачественными конструкционными материалами, так и агрессивностью рабочих сред.

2. Термомеханические проблемы в теплообменных аппаратах.

Для большого класса энергетических и силовых установок, предназначенных для транспортных и силовых объектов, вопросы динамики являются определяющими. Может оказаться, что продолжительность переходного периода составит значительную долю полного времени работы теплообменника. Кроме того, теплообменные аппараты в таких установках оказываются наиболее инерционными и поэтому решающим образом влияют на динамические характеристики всего устройства или установки в целом. Существует и другая причина. Часто характеристики оборудования в периоды его пуска и останова связаны с проблемой безопасности работы установки в целом, особенно если переходный процесс осуществляется в незапланированном порядке, например, в результате отключения электропитания. Тогда из-за быстрого изменения температуры могут появиться термические напряжения, а при гидравлических ударах, связанных с резким торможением пробок жидкости, — разрушения трубопроводов и их соединений. Для аппаратов, которые рассчитаны на режим работы с параметрами, близкими к максимально допустимым, достоверное знание динамических характеристик совершенно необходимо.

3. Высокотемпературные теплообменные аппараты.

Специалисты выделяют два основных диапазона температур работы теплообменников: - 150...250 °С и около 1 400°С. Первый диапазон эксплуатации теплообменных аппаратов не вызывает затруднений. Основными проблемами при проектировании и изготовлении высокотемпературных теплообменников является учет радиационного переноса тепла и выбор термостойких материалов.

4. Повышение компактности теплообменных аппаратов.

Современные тенденции к росту мощностей многих теплосиловых установок и их форсированию приводят к необходимости создания высокоэффективных и компактных теплообменных аппаратов.

По словам производителей теплообменников, заказчики не испытывают проблем в эксплуатации оборудования. Стоит отметить, что в любой отрасли потребления клиенты могут высказывать различные требования к оборудованию.

Таблица  Наружные диаметры труб для кожухотрубных теплообменников по различным отраслям промышленности, мм

Источник: открытые источники

Ниже представлена характеристика ключевых отраслей потребления кожухотрубных теплообменников. Стоит отметить, что в любой отрасли промышленности могут применяться теплообменные аппараты разных технических параметров.

Электроэнергетика (ТЭС, АЭС)

В отрасли производства электроэнергии наиболее высокие требования предъявляются к оборудованию для АЭС. Теплообменники для АЭС по функциональному назначению и по конструкции аналогичны оборудованию для тепловых электростанций. Отличие заключается в более жестких требованиях к конструкции и изготовлению.

По данным респондентов, требования к оборудованию для АЭС могут быть различны.

По словам представителя АО «АЭМ-Технологии», средние параметры для агрессивных сред следующие:

• температура: 200–350 °C;
• давление: 50–450 бар.

Ниже представлены основные требования к материалам оборудования (по данным тендерных закупок):

1. Теплообменник должен быть изготовлен из коррозионностойкой стали аустенитного класса. Нижнее основание опоры должно быть выполнено из углеродистой стали.
2. Материалы теплообменника должны допускать проведение дезактивации растворами в соответствии с РД 210.006-90.
3. Подверженные коррозии поверхности элементов оборудования должны иметь защитные покрытия, которые выполняются на предприятии-изготовителе по технологической инструкции. Выбор защитных покрытий осуществляет предприятие-изготовитель с учётом условий эксплуатации и ГОСТ 9.104-79, ГОСТ 9.032-74, ГОСТ Р 51102-97. Класс покрытия не ниже IV по ГОСТ 9.032-74.

Металлические покрытия определяет разработчик оборудования по ГОСТ 9.303-84 «Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Обозначения».

4. Необходимо исключить контакт конструкционных материалов оборудования, выполненных из аустенитной и углеродистой стали.

На тепловых электростанциях наиболее распространены следующие типы кожухотрубных теплообменников:

• подогреватели водоводяные (рабочее давление до 1,6 Мпа, максимальная температура теплоносителя 200 °С);
• подогреватели сетевой воды (рабочее давление воды в трубной системе до 2,3 Мпа, рабочее давление пара в корпусе до 1,4 Мпа);
• подогреватели высокого давления (рабочее давление воды в трубной системе до 38 Мпа, рабочее давление пара в корпусе до 7 Мпа);
• подогреватели низкого давления (рабочее давление пара не должно превышать 1 Мпа, а нагреваемого конденсата —   3,2 Мпа);
• охладители конденсата (рабочее давление в трубной системе до 1,47 Мпа, рабочее давление в корпусе до 1,27 Мпа).

Нефтегазовая отрасль и нефтехимия

Основными видами кожухотрубных теплообменников, применяемых в сфере нефтедобычи, являются:

• «труба в трубе»;
• прямотрубные;
• U-образные.

В процессе нефтедобычи теплообменники используются в следующих случаях:

• при обессоливании нефти;
• при обезвоживании;
• при сепарации.

На некоторых предприятиях установлены печи для подогрева нефти, которые требуют замены на теплообменные аппараты. Данные процессы называются «подготовкой нефти» к транспортировке, после которой она уже уходит на завод для первичной переработки. В среднем на одном предприятии по добыче нефти присутствует 40 теплообменников. Данный показатель варьирует от 1-2 до 100 аппаратов на одном месторождении. Количество аппаратов также очень сильно зависит от свойств нефти на конкретном месторождении: в процессе подготовки нефти могут быть «пропущены» некоторые стадии или, наоборот, может присутствовать сложный механизм подготовки, требующий большого количества теплообменных аппаратов.

При нефтепереработке используются разные виды теплообменных аппаратов:

• витые;
• прямотрубные;
• с плавающей головкой;
• спиральные;
• труба в трубе;
• U-образные.

Наиболее часто на предприятиях нефтепереработки можно встретить U-образные кожухотрубные теплообменники и теплообменники типа «труба в трубе». Количество производств, применяющих другие виды кожухотрубных теплообменников, существенно уступает вышеуказанным.

Переработка природного газа осуществляется на газоперерабатывающих предприятиях (ГПЗ), где устанавливаются только кожухотрубные теплообменники.

На предприятиях по переработке газа используются следующие виды теплообменных кожухотрубных аппаратов:

• прямотрубные;

• «труба в трубе»;
• U-образные.

Наиболее часто на предприятиях можно встретить U-образные кожухотрубные теплообменники и теплообменники типа «труба в трубе».

При переработке газа нефти теплообменные аппараты используются в следующих процессах:

• низкотемпературная конденсация;

• абсорбция;

• низкотемпературная ректификация;

• низкотемпературная сепарация.

Спецификой предприятий нефтехимии с точки зрения потребления теплообменных аппаратов является абсолютное доминирование кожухотрубных теплообменников. Это связано с большим количеством нефтехимических процессов в рамках одного производства, что требует значительного количества теплообменных аппаратов.

Большое количество используемых в нефтехимии теплообменных аппаратов определяют многообразие их типов:

• прямотрубные;
• с плавающей головкой;
• «труба в трубе»;
• U-образные.

Самыми распространенными моделями являются прямотрубные кожухотрубные теплообменники и теплообменники типа «труба в трубе». Достаточно, хоть и в меньшей степени, распространены теплообменники U-образного типа. Менее всего на нефтехимических предприятиях распространены теплообменники с плавающей головкой.

В нефтехимической промышленности предприятия используют теплообменные аппараты в процессах:

• пиролиза;
• полимеризации;
• варки смол.

В нефтехимической промышленности количество процессов на предприятии еще больше, чем при первичной переработки нефти.

Ниже представлены требования к трубному пучку (по данным тендерных закупок):

1. При назначении толщины трубы следует учитывать расчётное давление и пробное давление межтрубного пространства при гидроиспытании.
2. Все трубы, включая U-образные, должны быть бесшовными и не должны иметь поперечных сварных швов.
3. Не допускается отслаивание металла на внутренней поверхности трубы после развальцовки. Технология развальцовки труб в трубных решётках должна быть аттестована.

Показатели надежности кожухотрубчатых теплообменников должны соответствовать следующим требованиям:

• межремонтный пробег аппарата не менее 3-х лет;
• назначенный срок эксплуатации аппарата не менее 20-ти лет;
• назначенный срок службы трубного пучка (для аппаратов с извлекаемым пучком) не менее 20-ти лет.

Сфера ЖКХ

Кожухотрубные теплообменники широко применяются в сфере ЖКХ. Основная продукция для данного сегмента – это водоводяные и пароводяные подогреватели (ВВП и ПП).

Водоводяные подогреватели используются в системах горячего водоснабжения и отопительных системах общественных, коммунально-бытовых, производственных и прочих зданий, в которых теплоноситель - горячая вода. Она поставляется от промышленных, либо поступает от тепловых магистралей ТЭЦ. ВВП выпускаются с диаметром корпуса 57-530 мм. Рабочее давление 1 и 1,6 Мпа (10 и 16 бар соответтвенно). Трубная система водоводяного подогревателя изготавливается из латунных или нержавеющих трубок. Максимальная температура теплоносителя 150 °С (200°С по ГОСТ 27590-2005).

Пароводяные подогреватели используются в коммунально-бытовой сфере в качестве агрегата, выполняющего подогрев воды в системах централизованного горячего водоснабжения. Главной особенностью устройства является использование пара от котлов низкого давления в качестве источника тепла. Рабочее давление воды для ПП не более 1,6 Мпа (16 бар), рабочее давление греющего пара не более 0,7 Мпа (7 бар).