Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

обменников согласно проведенного департаментом топливно-энергетического хозяйства города Москвы и НП «Российское теплоснабжение» «Анализа отечественных и зарубежных производителей разборных пластинчатых теплообменников» необходимо выделить шесть фирм - производителей:

1.Теплотекс, г.Москва (комплектующие APV – Дания);

2.Альфа Лаваль Поток, г.Королев (Alfa Laval – Швеция);

3.СВЕП Интернешнл АБ, г.Москва (Swep – Швеция);

4.Ридан, г.Нижний Новгород (комплектующие Sondex – Дания);

5.Машимпекс, г.Москва (комплектующие Geo Германия);

6.Данфосс, Московская область (комплектующие Данфосс Дания– Финляндия).

Согласно оценке аналитиков АКПР, изложенной в отчетах «Рынок кожухотрубчатых теплообменников в России: итоги 2008 г., прогноз 2009-2012 гг» и «Пластинчатые теплообменники в России: итоги 2008 г., прогноз 2009-2012 гг.», с 2005 г. по 2006 г. рост рынка производства теплообменников в России составил 5,3%. В 2007 г. рост рынка производства теплообменных аппаратов продолжился стремительными темпами и составил 41,1%. При этом с 2005 г. по 2006 г. объем производства пластинчатых теплообменников вырос на 18,9%. Однако, в 2007 г. происходил стремительный рост производства пластинчатых теплообменников на 71,7%.

Подобное увеличение объемов производства вызвано следующими факторами:

•появление в данный временной отрезок новых предприятий;

•существенное увеличение объемов производства пластинчатых теплообменников на существующих предприятиях (особенно у лидеров рынка).

В 2006 году насчитывалось более 100 предприятий–импортеров теплообменных аппаратов на российский рынок. В основном это европейские производители из Германии, Швеции и Италии. Азиатский сегмент рынка представлен на рынке России теплообменниками из Китая и Кореи. Основная часть импортируемых теплообменных аппаратов предназначена для систем теплоснабжения предприятий и муниципальных образований.

Основная доля рынка теплообменников в России приходится на системы теплоснабжения предприятий и муниципальных образований, нефтяную и химическую промышленность.

В аналитической записке «Теплообменники в нефтехимии: параметры спроса», выполненной Академией конъюнктуры промышленных рынков в 2009 г., дана оценка спроса на теплообменники в одном из крупных секторов экономики – нефтяной промышленности, включая нефтедобычу, нефте– и газопереработку, нефтехимию.

В настоящий момент в секторе нефтедобывающих предприятий России насчитывается порядка 250 компаний. В секторе нефтедобычи большинство функционирующих теплообменников представляют собой кожухотрубные конструкции. Всего 16% нефтедобывающих предприятий используют пластинчатые конструкции теплообменных аппаратов. Доля пластинчатых теплообмен-

20

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ных аппаратов на данных предприятиях составляет от 40% до 60% от общего количества теплообменников.

Можно выделить три типа предприятий нефтедобычи по типам используемых теплообменных аппаратов:

•используют только кожухотрубные;

•используют незначительное количество пластинчатых, наряду с кожухотрубными;

•используют значительное количество пластинчатых в сравнении с кожухотрубными.

При этом распределение предприятий нефтедобычи по используемым типам теплообменных аппаратов выглядит следующим образом:

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

•«труба в трубе»;

•прямотрубные;

•U-образные.

Впроцессе 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 теплообменных аппаратов 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 присутствовать сложный механизм подготовки, включающий в себя большое количество теплообменных аппаратов.

ВРоссии первичной переработкой нефти занимаются порядка 140 предприятий – нефтеперерабатывающих заводов. В отрасли первичной нефтепереработки пластинчатые теплообменные аппараты встречаются намного чаще, чем в нефтедобывающих предприятиях. Около 37,5% предприятий используют

21

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

впроизводстве такие виды теплообменного оборудования. Соответственно, 62,5% предприятия используют в производственном цикле только кожухотрубные теплообменные аппараты.

Всреднем, на предприятиях, использующих в процессе первичной нефтепереработки теплообменные аппараты, применяется 6,1% пластинчатых теплообменников от их общего числа. В целом же в данной отрасли промышленности данный показатель существенно варьирует в зависимости от каждого конкретного предприятия – от 0,7% до 17,6%. Спецификой данной отрасли с точки зрения потребления теплообменных аппаратов является абсолютное доминирование кожухотрубных теплообменников на всех предприятиях. Это связано с большим количеством процессов переработки нефти на одном предприятии, что требует значительного количества теплообменных аппаратов. С другой стороны, в сравнении с нефтедобычей модернизация отрасли (замена кожухотрубных теплообменников на пластинчатые) идет более быстрыми темпами – многие нефтеперерабатывающие предприятия уже начинают применять пластинчатые аппараты вместо кожухотрубных.

Всреднем, на одном предприятии по нефтепереработке используется 406 теплообменных аппаратов. Это в 10 раз больше, чем аналогичный показатель для предприятий нефтедобычи. Количество теплообменных аппаратов зависит от количества процессов переработки нефти на предприятии. Небольшие предприятия используют от 2 до 5-8 теплообменных аппаратов. Крупные переработчики нефти используют 800-1000 аппаратов на предприятии.

Большое количество используемых при нефтепереработке теплообменных аппаратов определяют большое многообразие их типов:

• витые;

• прямотрубные;

• с плавающей головкой;

• спиральные;

• труба в трубе;

• U-образные.

Наиболее часто на предприятиях можно встретить U-образные кожухотрубные теплообменники и теплообменники типа «труба в трубе». Количество предприятий, применяющих другие виды кожухотрубных теплообменников, существенно уступает вышеуказанным. Минимальное количество нефтепереработчиков использует витые и спиральные кожухотрубные теплообменные аппараты.

При первичной переработке нефти предприятия используют теплообменные аппараты в следующих процессах:

• висбрекинг;

• реформинг;

• гидроочистка;

• ректификация.

Это основные процессы нефтеперерабатывающий промышленности, в рамках которых наиболее часто используются теплообменные аппараты. В ка-

22

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

честве сопутствующих процессов первичной переработки нефти встречаются следующие:

•установки органического синтеза;

•установки серной кислоты;

•установки этилена;

•установки фенол-ацетона.

Переработка природного газа осуществляется на газоперерабатывающих предприятиях (ГПЗ). В России таких предприятий 43, в том числе те предприятия, которые перерабатывают не только природный газ, но и попутный нефтяной газ.

На всех предприятиях установлены кожухотрубные теплообменники. Как и в сфере нефтепереработки, при переработке газа достаточно активно (активнее, чем в газо- и нефтедобыче) происходит процесс модернизации оборудования – замена кожухотрубных теплообменников на пластинчатые. Только кожухотрубные теплообменные аппараты использует 25-27% от общего количества газоперерабатывающих заводов (10-12 предприятий). Соответственно, пластинчатые и кожухотрубные аппараты использует 31-33 предприятия по переработки газа.

В среднем, на одном предприятии по газопереработке используется 500 теплообменных аппаратов. Это соответствует, примерно, аналогичному показателю для предприятий нефтепереработки. При этом варьирование количества теплообменных аппаратов на предприятиях газопереработки минимально в сравнении с другими отраслями – от 300 до 650 аппаратов.

Доля пластинчатых теплообменных аппаратов от общего количества теплообменников на предприятиях составляет от 2% до 4% (12-25 теплообменников). На предприятиях по переработки 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». Количество предприятий, применяющих прямотрубные теплообменные аппараты, существенно уступает вышеуказанным.

При переработке газа нефти предприятия используют теплообменные аппараты в следующих процессах:

•низкотемпературная конденсация

•абсорбция

•низкотемпературная ректификация

•низкотемпературная сепарация

Основную массу предприятий нефтехимии составляют небольшие компании, которые производят смолы различного вида. Крупных нефтехимических производств – от 30 до 50 компаний в стране.

23

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

Внефтехимической отрасли России 68% предприятий использует пластинчатые теплообменники. Остальные компании – 32% используют только кожухотрубные теплообменники.

Всреднем, на нефтехимических предприятиях, использующих теплообменные аппараты, применяется 3,1% пластинчатых теплообменников от их общего числа. В целом же в данной отрасли промышленности данный показатель существенно варьирует в зависимости от каждого конкретного предприятия – от 0,3% до 15,4%. Спецификой данной отрасли с точки зрения потребления теплообменных аппаратов является абсолютное доминирование кожухотрубных теплообменников на всех предприятиях. Это связано с большим количеством нефтехимических процессов в рамках одного предприятия, что требует значительного количества теплообменных аппаратов.

Всреднем, на одном нефтехимическом предприятии используется 15001600 теплообменных аппаратов. Количество теплообменных аппаратов зависит от количества нефтехимических процессов на предприятии. Небольшие предприятия используют от 10 до 20 теплообменных аппаратов. Крупные переработчики нефти используют до 10 000 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.

Внефтехимической промышленности предприятия используют теплообменные аппараты в следующих процессах:

• установки пиролиза;

• установки полимеризации;

• установки варки смол.

Внефтехимической промышленности количество процессов на предприятии еще больше, чем при первичной переработки нефти. Причем, на разных предприятиях данные процессы различны. По продуктам, процессы, в которых используются теплообменники, можно подразделить следующим образом:

• производство мономеров (этилен, пропилен и т.д.);

• производство полимеров (полиэтилен, полипропилен и т.д.);

• производство смол (карбамидоформальдегидные смолы).

Предприятия нефтехимии из всех рассматриваемых в рамках исследования отраслей промышленности характеризуются самыми разнообразными технологическими процессами в рамках отдельно взятого производства.

24

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

Вкачестве примера оценки регионального рынка теплообменников приводятся данные для Республики Татарстан, сделанные в ходе энергетических обследований и мониторинга развития систем теплоснабжения в рамках работ отдела коммунальной энергетики ГУ «Центр энергосберегающих технологий Республики Татарстан при Кабинете Министров Республики Татарстан».

Рынок теплообменников в Республике Татарстан формируется с учетом развития отраслей промышленности и социальной сферы. В последние годы в связи с ростом сектора химии и нефтехимии увеличивается оборот продаж теплообменников в них. Наблюдается стремительное увеличение объемов про-

даж теплообменного оборудования в энергетике, коммунальном хозяйстве и системах кондиционирования. Резко развивается рынок теплообменных аппаратов в социальной сфере, связанный со значительным увеличением продаж современных алюминиевых радиаторов, кондиционеров и двухконтурных котлов поквартирного отопления.

В настоящее время, рост рынка теплообменников в Республике Татарстан зависит от развития отраслей промышленности, вследствие чего возможно возникновение и интенсивный рост компаний-производителей теплообменного оборудования.

Рынок теплообменников в Республике Татарстан ориентируется в основном на производителей из других регионов России и компании дальнего зарубежья. В республике производство теплообменных аппаратов различного назначения производится средними предприятиями в мелкосерийных масштабах. К примеру, кожухотрубные теплообменники для коммунальной энергетики и теплоэлектроэнергетики производят предприятия ГУП «Таткоммунэнерго»,

ООО ПРП «Татэнергоремонт», МУП ПО «Казэнерго», ООО «Камэнергоремонт». Рынок пластинчатых теплообменников составляют в основном европей-

ские теплообменники фирм «Alfa-Laval», «APV», «SWEP», «Funke», а также теплообменники производства ЗАО «Ридан» (г.Нижний Новгород), «Теплотекс» ГУП «Мостепло», ООО «Машимпекс» (г.Москва), ЗАО «Теплоэффект» (г.Ижевск).

Основой для роста продаж на республиканском рынке в промышленности

иэнергетике является большой парк установленного теплообменного оборудования, выработавшего ресурс. Основное направление развития рынка теплообменников – повышение их эффективности с целью энергоресурсосбережения. Так наметилась тенденция замены кожухотрубных теплообменников на пластинчатые теплообменники.

Сегодня, примерно 80% всего рынка теплообменников в промышленности

иэнергетике приходится на кожухотрубные ТА. Это хорошо видно из анализа парка теплообменного оборудования крупнейших теплоснабжающих предприятий республики – предприятий тепловых сетей. Основную массу в коммунальной энергетике составляют водо-водяные (в основном - 16-325х4000), змеевиковые емкостные и кожухотрубные пароводяные теплообменники (рис.1.4). Анализ более 1000 теплообменных аппаратов на одном из крупней-

25

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ших предприятий нефтехимии Европы – ОАО «Нижнекамскнефтехим», также показал, что около 80% приходится на кожухотрубные ТА.

Рис.1.4. Кожухотрубные теплообменные аппараты в коммунальной энергетике

Семейство трубчато-ребристых ТА хорошо зарекомендовало себя в кот- лах-утилизаторах, промышленных кондиционерах, транспортных радиаторах, аппаратах воздушного охлаждения (АВО) и градирнях (рис.1.5). Наибольшее количество градирен используется в энергетике (ОАО «Татэнерго») и нефтехимии (ОАО «Нижнекамскнефтехим», ОАО «Нижнекамсктехуглерод», ОАО «Нижнекамскшина»). АВО нашли широкое применение в системах бытового и промышленного кондиционирования, в холодильной технике на промышленных предприятиях и крупных торговых центрах, в системах охлаждения промышленных рабочих сред. Например, на Шеморданском ЛПУ МГ ООО

«Татрансгаз» эксплуатируется 96 АВО для охлаждения природного газа после нагнетателя. Там же эксплуатируется 24 котла-утилизатора от ГТУ-приводов нагнетателей и 28 промышленных калорифера систем отопления производственных цехов.

26

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.1.5. АВО, котлы-утилизаторы и калориферы КСК-3 Шеморданского ЛПУ МГ ООО «Татрансгаз» и градирни Набережночелнинской ТЭЦ.

Анализ использования разборных пластинчатых ТА показал, что их применение ограничено наличием прокладок из эластомеров между пластинами, из-за которых ТА не применяются при давлениях более 20 бар и температурах более 250ºС. Это резко ограничивает их использование в промышленных процессах. Основной сектор использования пластинчатых ТА – коммунальная энергетика (табл.1.1, рис.1.6) и системы теплоснабжения промпредприятий. На сервисном обслуживании на конец 2007 года в коммунальной энергетике находится 10713 пластинчатых паянных теплообменника ГВС двухконтурных котлов поквартирного отопления.

27

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Таблица 1.1. Теплообменное оборудование предприятий тепловых сетей

Республики Татарстан (2005 г.)

Другие технологические инновации составляют специфический сектор рынка теплообменников. Например, коррозионностойкие ТА из керамических и полимерных материалов, ТА с псевдоожиженными слоями, где теплообмен осуществляется между газом и твердыми частицами, змеевиковые ТА для кипячения рабочих жидкостей и т.д.

Необходимо указать, что большинство эксплуатируемых ТА имеют тепловую эффективность не более 60%. Краткий анализ тепловой эффективности ТА на различных предприятиях представлен в табл.1.2. Главной причиной низкой тепловой эффективности является нерациональные режимные параметры эксплуатации и загрязнение поверхностей теплообмена. В связи с этим тепловая эффективность даже пластинчатых теплообменников может достигать 70-50%. А уменьшение тепловой эффективности приводит либо к увеличению мощности на прокачку дополнительного количества теплоносителя для поддержания заданной тепловой мощности теплообменника, либо к уменьшению его тепловой мощности.

Важным моментом является также уменьшение потерь тепла с поверхности теплообменников. Для кожухотрубных теплообменников в качестве тепловой изоляции используются минеральная вата, пенополиуриетан и другие вспененные материалы.

28

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.1.6. Пластинчатые теплообменники фирм «Alfa-Laval», «Tranter», «Ридан» на коммунальных котельных

29