Heat Flux and Friction Losses Effects on Natural Circulation in Package Boilers

Heat Flux and Friction Losses Effects on Natural Circulation in Package Boilers. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (Ph.D. Dissertation)
Hamed_S._Al_Mehthel_Al_Saqour_Dissertation.pdf
Restricted to Repository staff only until 11 June 2020.

Download (33MB)

Arabic Abstract

غلايات الدوران الطبيعي مفضلة عمومًا على غلايات الدوران القسري في صناعة النفط والغاز نظرًا لاحتمال تعطل نظام الضخ وارتفاع تكاليف برامج معالجة المياه ، ومع ذلك ، فإن دوران الماء في غلايات الدوران الطبيعي يعد عاملاً بالغ الأهمية في تشغيل الغلاية. أعطال الأنبوب التي تؤدي إلى إغلاق الغلايات غير المخطط له والتي قد تعطل تشغيل المعمل بالكامل، وقد ينشأ هذا الدوران الضعيف نتيجة لانخفاض الضغط المفرط في بعض أنابيب الغلاية ، نتيجةً للخسارة في الانحناءات والمقاومات المحلية الأخرى، أو بسبب مشاكل متعلقة بـتشغيل الغلاية تكون قد أدت إلى تقلبات مفاجئة في تحميل الغلاية. إن نزول الضغط الزائد إما أن يكون نتيجة للتصميم الهندسي للأنبوب أو تأثيرات الاحتكاك الداخلي في الأنبوب، يعتبر التقشر في جانب الماء والترسبات التي تتراكم داخل الأنابيب مساهماً كبيراً في زيادة الاحتكاك وتآكل الأنبوب. الأنابيب المتقشرة داخلياً أكثر عرضة للفشل بسبب فقدان تأثير تبريد خليط الماء والبخار، باعتبارها نتيجة من انخفاض الضغط العالي أو بدء التآكل من جانب الأنبوب، إلى أفضل معرفة للمؤلفين ؛ لا تتضمن الأدبيات المنشورة نموذجًا من شأنه إجراء عمليات حسابية لكل دائرة ويأتي بعوامل الدوران لجميع الدوائر في نفس الوقت ، لذلك فالهدف العام لهذه الأطروحة هو تطوير برنامج لتنفيذ حسابات تصميم الدوران الطبيعي وتحليل الاداء للغلايات المجمعه في المصنع مسبقاً، وتشمل الأهداف المحددة ما يلي : 1) تغيير حجم غلايات العبوات لتتوافق مع الحمل المحدد ، 2) تحديد الدائرة الأكثر أهمية في الغلاية ، 3) تحديد تأثير تدفق الحرارة على عوامل الدوران الطبيعي ودرجة حرارة جدار الأنابيب ، 4) تسليط الضوء على تأثير عامل الاحتكاك الداخلي على عوامل الدوران الطبيعي ، و5) تحديد تأثير سدانابيب الدي وأنابيب بنك الغلايات على عوامل الدوران ودرجة حرارة جدار الأنبوب. وقد تم تطوير برنامج من شأنه تغيير حجم وتحليل أداء المراجل وقد أشارت النتائج إلى أن مخرجات البرنامج تتفق بشكل جيد مع البيانات المقاسة الفعلية ، وأن الدائرة الأكثر أهمية هي أنابيب الدي ، وأن سد هذه الانابيب يقلل من نسبة الدوران الطبيعي ويزيد من درجة حرارة جدار الانبوب بشكل كبير. اظهرت النتائج ايضا أن فوارق الضغط الموزعه لها تأثير سلبي على الدوران الطبيعي. يتناقص دفع السائل المتاح مع زيادة فوارق الضغط. يحتاج مشغلوا ومحللوا الغلايه الى التأكد من أن جميع دوائر الغلايه تعمل فوق نسبة الحد الادنى للدوران الطبيعي وأن يكون هناك اعتبارات خاصه لدائرة أنابيب الدي وأن يوجد برنامج فعال لمعالجة المياه لتقليل آثار الاحتكاك الداخلي ، وان يتم تجنب سد الانابيب في دائرةالدي. علاوة على ذلك هناك العديد من التعديلات الممكن اجراؤها لتحقيق دوران طبيعي موثوق

English Abstract

Natural circulation boilers are generally preferred over forced circulation ones in the oil and gas industry due to potential pumping system breakdowns and high water treatment programs costs. However, water circulation in natural circulation boilers is a critical factor in boiler operation. Poor circulation may cause tube failures resulting in unplanned boiler shutdowns that may interrupt the whole plant operation. Such poor circulation may arise due to either an excessive pressure drop in some of the boiler tubes, resulting from losses in bends and other local resistances, or due to problems related to boiler operation resulting in sudden boiler load fluctuations. Excessive pressure drops are either a result of tube geometry or internal friction effects. Water side scale and deposits that build up inside the tubes is a significant contributor to friction increase and tube corrosion. Scaled tubes are susceptible to failure due to losing mixture cooling effect, as a result of the higher pressure drop, or starting the tube side corrosion. The published literature does not include a model that would perform calculations for each circuit and produce circulation parameters for all circuits at the same time. Hence, the overall objective of this dissertation was to develop a program that will size and analyze the performance of package boilers. The specific objectives include: 1) sizing of package boilers to meet a specific load, 2) identifying the most critical circuit of a package boiler, 3) determining the impact of heat flux on the circulation parameters and the wall temperature, 4) determining the impact of friction factor on circulation parameters, and 5) determining the impact of plugging the D-tubes and boiler bank tubes on circulation parameters and tube wall temperature. Excellent agreement was observed between the program results and the actual data of package boilers. The impact studies results revealed that: the D-Tubes (Circuit 3) is the most critical circuit. Plugging these tubes reduces the circulation ratio and increases the tube wall temperature significantly. Also, the results indicated that the distributed pressure drops play an adverse impact on circulation. The available driving head decreases as the pressure drop increases. Boiler operators and analysts need to ensure that all boiler circuits are operating above the minimum circulation ratio, pay special considerations for the D-Tubes circuit, have an effective water treatment program to minimize internal friction effects and minimize tube plugging in the D-Tubes circuit. Further, a number of design modifications can be made to achieve a reliable circulation.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Mechanical
Divisions: College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: Said, Syed Ahmad Mohammad
Committee Members: Mokheimer, Esmail Mohamed Ali and Abualhamayel, Habib and Sahin, Ahmet Ziyaettin
Depositing User: HAMAD AL-SUGOUR (g198831600)
Date Deposited: 19 Jun 2019 10:47
Last Modified: 01 Nov 2019 21:01
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140981