ВведениеСовременные установки, эксплуатируемые на нефтегазовых предприятиях, работают в сложных условиях повышенных температур, давлений и агрессивных технологических сред. К таким установкам можно отнести реакторные блоки, в состав которых входят технологические печи. Воздействие агрессивных сред, особенно при повышенных температурах, приводит к постепенному износу материалов – сталей различных групп и классов, что может привести к поломкам и несчастным случаям.Следует отметить, что в условиях интенсивного развития технологии переработки углеводородного сырья одной из актуальных задач является повышение эффективности используемого в промышленности оборудования, в частности трубчатых печей, поскольку связанные с этим затраты составляют около четверти стоимости всего технологического оборудования нефтеперерабатывающего предприятия. Не смотря на то, что трубчатые печи по своей принадлежности являются лишь вспомогательным оборудованием, предназначенным для нагрева сырья перед основной технологической операцией, они относятся к числу наиболее энергоемких устройств. На их долю приходится до 50 % потребляемого газообразного и жидкого топлива из всей перерабатываемой нефти. В качестве теплоносителя в этих аппаратах используется тепло уходящих газов при сгорании жидкого и газообразного топлива (в зависимости от продукции, вырабатываемой предприятием). Процесс сгорания топлива сопровождается высокой температурой. В связи с этим особенно важно определить влияние температуры на элементы печи, что, в свою очередь, означает повышение эффективности работы печи в целом. Для достижения высоких технико-экономических показателей эксплуатации трубчатых печей, решения вопросов обеспечения эксплуатационной безопасности и долговечности печи, обеспечения ее работоспособности в экстремальных условиях имеет большое значение организация безопасности рабочего персонала и жителей близлежащих населенных пунктов в целом.Анализ и обобщение практической и теоретической информации о работе печей позволяет обеспечить квалифицированный ввод в эксплуатацию и стабильный контроль эксплуатационных параметров, учесть недостатки работающих печей при их проектировании, а также достичь максимального выхода целевой продукции при минимальных затратах сырья и энергии.Для достижения высоких технических и экономических показателей трубчатых печей первостепенное значение имеет решение задач по оптимизации их рабочего режима, обеспечению эксплуатационной безопасности и долговечности, организации и качеству ремонта.Не менее важной задачей при эксплуатации печных комплексов является обеспечение их работоспособности в экстремальных условиях установленной продолжительности рабочего цикла (мощности печи), поскольку в случае внезапного выхода из строя хотя бы одного агрегата возможна остановка оборудования и нарушение технологического режима всей установки. Поэтому обобщение практического опыта, анализ процессов в печах и воздействия сред на материальную часть конструкции имеет особое значение для выявления причин повреждений деталей и узлов и разработки мер по их предотвращению.Целью исследования являлось рассмотрение основных направлений оптимизации работы трубчатых печей нефтеперерабатывающих заводов – основных потребителей энергоресурсов в процессе переработки нефти.  Методы исследованияОсновой данной статьи по оптимизации работы трубчатых печей в основном является сравнительный анализ литературных источников, статей, книг и учебных пособий, выпущенных в 2000–2023 гг. Результаты исследования и их обсуждениеАнализ работы специальных теплообменников (трубчатых печей), применяемых при переработке углеводородного сырья, показывает наличие технических противоречий в их конструкции, снижающих эффективность их работы и срок службы [1–3]. По этой причине оптимизация работы трубчатых печей имеет решающее значение для экономической эффективности газоперерабатывающего комплекса. В процессе эксплуатации передовые технические решения, заложенные в процессе проектирования, постепенно теряются из-за морального старения конструкторских решений, физического износа оборудования и эффективности печей, что является одним из основных показателей их качественной работы [4–6].При этом следует учитывать, что при небольшом износе основных конструктивных элементов печи все же возможно сохранить первоначальный КПД.Как показывает практика эксплуатации трубчатых печей, зачастую цель производителя направлена в первую очередь на достижение конечного технологического результата, т. е. на нагрев определенного объема сырья до заданной температуры. Часто количество топлива, потребляемого для его нагрева, остается за пределами интересов операторов, поскольку топливо является продуктом их собственной переработки [5].Однако изменения, которые происходят в процессе эксплуатации трубчатых печей, оказывают существенное влияние не только на эффективность их работы, но и на эффективность работы установки и всего предприятия в целом. Таким образом, проблема повышения эффективности работающих технологических печей является весьма актуальной [4, 6].На основании анализа результатов исследований трубчатых печей, работающих на нефтеперерабатывающих заводах, представленных в различных литературных источниках, было установлено, что при длительной эксплуатации происходит значительный износ внутренней теплоизоляции печи [4, 5]. Часто наружная температура печей превышает 60–70 °C. В результате происходит значительный локальный перегрев облицовки аппарата, который достигает температуры потолка от 180 до 200 °C. Все это свидетельствует об износе или нарушении целостности теплоизоляции. Потери тепла в окружающую среду из-за обмуровки достигают 15–25 % при нарушении  тепловой изоляции, тогда как при проектировании они должны по расчетам составлять 5–8 %. В результате теплопотери от корпусов печей начинают превышать проектные значения [6, 7].Горелочные устройства являются неотъемлемой частью трубчатой печи, поскольку с помощью этих устройств организуется процесс нагрева сырья. Конструкция, принцип работы и организация процесса горения в соплах также оказывают влияние на производительность горения трубчатых печей [8, 9]. Было обнаружено, что рабочие характеристики горелочных устройств значительно снижаются по мере увеличения срока службы по сравнению с проектными устройствами. Анализ показывает, что это чаще всего связано с изменением функции заслонок, регулирующих подачу вторичного воздуха, что приводит к снижению способности регулировать подачу вторичного воздуха. В результате происходит значительное всасывание избыточного воздуха, что приводит к снижению эффективности печи.Не менее негативными являются высокие температуры дымовых газов из печей (до 650 °C) при низком качестве горелочных устройств [10, 11].Если сравнивать с таким показателем для трубчатой печи, как тепловая нагрузка, то по сравнению с другими видами оборудования он не имеет четких ограничений. Например, при интенсификации процесса сгорания за счет увеличения расхода топлива тепловая нагрузка может значительно возрасти, превысив допустимое значение. В результате снижается КПД печи и происходит значительный износ узлов печи (змеевики, опоры змеевиков, обмуровки и т. д.), что, в свою очередь, приводит к сокращению времени промежуточного ремонта.По результатам исследований различных авторов было установлено, что КПД эксплуатируемых трубчатых печей находится в пределах 50–55 %,т. е. снижается на 20–25 % от проектного уровня. Превышение температуры уходящих газов влияет на эффективность работы теплообменных труб, выполненных в виде змеевиков. Снижение эффективности их работы от проектного уровня составляет 80–85 %, что свидетельствует о значительном снижении теплоотдачи и снижении средней тепловой нагрузки на поверхность змеевиковых трубок. Все это вызывает необходимость добавлять в топку чрезмерное количество топлива [11–13].Эксплуатационная надежность и долговечность трубчатых печей влияют на технико-экономические показатели всей установки. В свою очередь, работоспособность печи зависит от состояния ее конструктивных элементов. Одним из основных узлов, влияющих на цикл ремонта трубных печей и, следовательно, оборудования в целом, является змеевик. Установлено, что в процессе работы устройства происходит эрозионный износ продуктовых змеевиковых теплообменных трубок, как по ходу сырья, так и в месте поворота движения среды, что, очевидно, связано со значительным увеличением скорости сырья в точке интенсивного испарения. Это приводит к быстрому износу отводов с внутренней стороны, уменьшению их толщины и необходимости частой их замены [14].Змеевики трубчатых печей наиболее подвержены изменению пластичности и прочностных свойств металла в процессе их эксплуатации. На практике встречаются следующие дефекты трубных змеевиков: износ труб (особенно на концах) на внутренней поверхности; хрупкое разрушение труб. Змеевики и опоры труб, обмуровка печи и горелки подвергаются наибольшему износу. Согласно статистическим данным, полученным нефтеперерабатывающими компаниями, в связи с износом в течение года заменяется от 25 до 40 % от общего числа заменяемых труб. При высоких температурах, давлениях и объемных скоростях потоков сырья, а также под действием нагретых дымовых газов, могут развиваться различные коррозионные и эрозионные процессы, которые в совокупности приводят к потере прочности, изменению формы и в конечном итоге к сбросу давления и разрушению [14, 15].По мнению М. А. Берлина, представленному в работе [15], основной причиной ограничения срока службы трубчатых печей является длительное термическое старение, вызванное высокими температурами, что приводит к изменению их микроструктуры и снижению долговременной прочности металла. Это также способствует нарушению рабочих параметров процесса при эксплуатации оборудования со значительным перегревом труб. В конечном итоге это приводит к перебоям в производстве.Другой причиной снижения долговечности змеевиков является воздействие технологической среды на металл трубы. Продукты конденсации и частичного коксования углеводородов, а также соли из недостаточно опресненной нефти, откладываются на внутренних поверхностях труб. В результате образования осадка повышается локальная температура стенки змеевика, снижается теплопередача и, как следствие, ускоряются процессы коксования. Варианты устранения этих недостатков предложены в работе [16].Аналогичным образом развивается сульфидная коррозия, вызванная химическим взаимодействием металла с серосодержащими компонентами сырья. Образование коррозии приводит к отслаиванию и утонению стенок трубы и дальнейшему локальному перегреву в местах утонения. Водород также влияет на змеевики трубчатых печей, поскольку присутствие водорода приводит к обезуглероживанию сталей – водородной коррозии.Змеевиковые трубки реакционных печей для проведения процессов пиролиза и парового риформинга работают при температурах, на несколько сотен градусов превышающих рабочую температуру нагревательных печей. Следовательно, для них преобладающими факторами разложения являются высокотемпературная ползучесть и хрупкое разрушение в результате карбонизации металла [16, 17].Эти факторы значительно снижают надежность трубчатых печей. Поэтому при проектировании предприятия необходимо предъявлять особые требования к используемым материалам, качеству изготовления и сборки, контролю за работой печей и их технической диагностике.Исследования показывают, что в печах, где продукт нагревается до состояния с высоким содержанием пара, требуется увеличение и изменение расхода по длине трубы. Это приводит к увеличению скорости парожидкостной смеси и, как следствие, к увеличению гидравлического сопротивления. Результатом этих явлений является увеличение перепада давления между входом и выходом, т. е. давление на входе в змеевик увеличивается [1, 4, 5].Снижение расхода может быть достигнуто за счет увеличения площади поперечного сечения трубы в месте испарения. В своих работах авторы [18–20] полагают, что это может быть достигнуто путем конического перехода между трубами разного диаметра или путем замены последних труб змеевика меньшего диаметра на трубы большего диаметра, что приводит к снижению скорости подачи сырья и исключению явления эрозии, скорость потока на увеличенном участке змеевика должна быть минимальной. Допускается, чтобы скорость осаждения кокса на стенках трубы не увеличивается. Кроме того, необходимо обеспечить плавное повышение температуры продукта, проходящего через змеевик, до заданных значений давления и температуры [19, 21].Как показывает опыт работы с трубчатыми печами, змеевики работают в сложных условиях, постоянно подвергаясь воздействию высоких температур и внутреннего давления. Основной причиной прогара труб является перегрев металла в местах с отложениями кокса. Высокая температура поверхности трубопровода приводит к термическому разложению прилегающих слоев жидкости с образованием кокса, который оседает на внутренней поверхности трубы. Интенсивность коксования зависит от температурного режима и скорости движения продукта по трубам. Чем выше температура и скорость потока, тем интенсивнее образование кокса и выше вероятность выгорания [22].Для предотвращения образования кокса на поверхности труб теплообменника и, следовательно, повышения надежности работы печи в источниках [23, 24] предлагаются следующие меры: обеспечение однородности температурных полей, скоростей и интенсивности перемешивания в межтрубном пространстве радиационных камер. Во избежание образования застойных зон предлагается изменить конфигурацию газового канала камеры путем создания секции расширения для подачи газа в зоне горелки и секции сужения в зоне выхода. Что касается змеевиков, то некоторые из их витков, расположенные дальше всего от горелок, более компактны за счет расположения вертикальных ответвлений труб ближе друг к другу.Наиболее перспективным способом повышения эффективности и надежности, снижения потребления ресурсов и энергоемкости, а также повышения технико-экономических показателей промышленных печей, является интенсификация теплообмена [12]. Решение проблемы интенсификации процесса теплообмена в трубчатых печах направлено на изучение работы как радиационной, так и конвекционной камер. В радиационной камере трубчатых печей, где основная часть тепла передается на нагретый продукт излучением (85–90 %), одним из направлений интенсификации теплообмена является нанесение покрытия с высокой степенью черноты. Искусственное повышение степени почернения открывает большие возможности для интенсификации теплообмена, экономии топлива и повышения эффективности печи [25].Исследования показывают, что повышение температуры в диапазоне от 600 до 950 °C снижает степень черноты всех огнеупорных материалов до0,5–0,7. В то же время степень черноты специальных керамических покрытий увеличивается с повышением температуры. Кроме того, покрытие повышает механическую прочность огнеупоров, особенно стойкость к абразивному износу, и увеличивает срок службы огнеупора в 2,5–5 раз [12, 25].В конвекционной камере основным фактором, определяющим эффективность теплообмена за счет конвекции, является создание турбулентного движения дымовых газов. Поэтому при проектировании трубчатых печей стараются обеспечить максимальную скорость движения дымовых газов. Это достигается путем выбора минимально допустимого расстояния между осями труб, уменьшения их диаметра или способа размещения. В любом случае предлагаемые варианты имеют свои плюсы и минусы. Увеличение скорости дымовых газов в конвекционной камере приводит к увеличению сопротивления потоку газа, уменьшение количества трубв горизонтальном ряду приводит к увеличению высоты конвекционной камеры. Шахматное расположение труб с точки зрения теплообмена более эффективно, чем расположение коридорное, поскольку шахматное расположение труб обеспечивает передачу тепла на 25–35 % выше, чем коридорное, при одинаковой скорости дымовых газов [25].Использование труб меньшего диаметра также приводит к увеличению интенсивности теплопередачи, поскольку они могут генерировать высокую скорость дымовых газов, но сопротивление движению нагретого тока начинает возрастать. Чтобы избежать увеличения сопротивления при меньших диаметрах труб, а также в печах с высокой производительностью, предлагается, чтобы перемещение сырья осуществлялось двумя или несколькими параллельными потоками [12, 26].Эффективность теплопередачи может быть улучшена путем оребрения внешней поверхности конвекционных труб, поскольку передача тепла по трубам в конвекционной камере в основном ограничивается теплообменом дымовых газов, и поэтому при оребрении площадь контакта дымовых газов с трубами увеличивается, что обеспечивает большую теплопередачу. Варианты интенсификации теплообмена за счет оребрения или ошиповки поверхности теплообменных труб представлены в работах [26, 27]. Однако в процессе длительной эксплуатации трубчатой печи могут возникнуть проблемы накопления различных отложений (механические, куски разрушившейся футеровки дымохода) на поверхности труб в конвекционной камере. Результаты обследования трубчатых печей, представленных в [28], показывают, что целесообразно при ошиповке или оребрении труб располагать их вертикально, поскольку в этом случаене нарушится симметричность движения потоков дымовых газов и исключится опасность перегрева и прогара труб конвекционных змеевиков.Эффективность трубчатых печей значительно снижается, поскольку некоторые элементы конструкции печей морально устарели или срок их службы чрезвычайно истек [28, 29]. Эти элементы включают облицовку из жаропрочного бетона и горелочные устройства. Современные трубчатые печи оснащены футеровкой из легкоснимаемых термостойких материалов, которые обладают низкой плотностью и высоким тепловым сопротивлением. Замена футеровки печи на более эффективную позволяет значительно сэкономить топливо [30].ЗаключениеАнализируя результаты, полученные на основе литературных данных, можно предположить, что проблемы с трубчатыми печами, которые эксплуатировались около 20 лет, аналогичны.На основании анализа результатов исследований различных авторов было установлено, что для повышения производительности трубчатых печей необходимо принять следующие меры:1) для улучшения теплоотдачи поверхности змеевиков необходимо регулярно производить очистку от отложений;2) для устранения притока избыточного воздуха регулярно проверять рабочее состояние заслонок вторичного воздуха на форсунках и герметичность корпуса печи;3) принять меры по восстановлению облицовки и теплоизоляции в местах износа;4) восстановить полную работу системы рекуперации тепла дымовых газов.Реализация предложенных мер позволит оптимизировать работу печного блока и повысить его общий КПД до проектного уровня.Предложения по оптимизации их работы могут способствовать повышению эффективности печей и установок в целом, обеспечению эффективной работы, энергосбережению и улучшению экологических показателей нефтеперерабатывающих заводов.