加热炉换热工艺特性分析软件进展

（茂名重力石化机械制造有限公司技术中心， 广东 茂名 525024）

加热炉换热工艺特性分析软件进展

陈孙艺，许 敏，陈自求，王 玉

（茂名重力石化机械制造有限公司技术中心， 广东 茂名 525024）

为便于对目前各类化工加热炉工艺特性设计技术软件技术进展的了解，通过7个换热特性专题分析软件的内容简介，综述了特性分析技术软件在工业炉工艺设计专业的应用，提出了当前加热炉软件技术发展中，设备结构和工艺两者结合发展面临的3个工程课题，分别是加热炉预热段、辐射段和对流段整体一体化、炉管振动计算、新智能技术的引入。

智能技术；软件；程序；工艺设计；加热炉；工业炉

石油炼制和化工中需要设置很多加热炉，20世纪80年代后期我国开始大量采用工业间接式加热炉，又以管式加热炉居多，管式炉是石油炼制、石油化工和化学、化纤工业中使用的工艺加热炉，是石化行业主要耗能设备，例如，乙烯装置是耗能大户，其中乙烯裂解炉的能耗约占整个装置能耗的70%～85%。管式加热炉的计算是一个多学科的综合课题，加热炉工艺设计人员的专业技术经验十分重要，现在，利用通用的工艺设计计算软件可以提高复杂设计水平。除计算辐射传热的数学模型外，尚须已知燃料的燃烧模型、烟气的流动模型、管内的过程模型等等[1]，才能计算出炉内的温度分布，在资料不足而进行简化时会造成误差，对细分的各特性专题深入分析研究很有必要。文［2］简介了18个关于管式加热炉换热工艺设计及化工流程模拟软件，这里就特性专题分析和热效率评价计算软件简介另一些智能技术的应用。

1 气体横掠换热管束计算

1.1 钉头管束的放热规律

钉头管束平均传热计算理论已成熟应用，文［3］对其局部放热规律及强化传热机理进行深入的分析研究，实验在吸入式风洞内进行，采用热质比拟原理及萘升华技术，即用试件表面某处萘的升华速率来模拟放热速率。此方法的主要优点是在实验中不必加热，因此测量精度较高；在测量局部放热系数时，不必在测点布置大量的热电偶，提高了测量的真实性。

分析研究以钉头管的基管外径D作为特征尺寸，以最窄截面上的流速u作为特征流速。检测表明，钉头与管面上的周向放热规律相似。放热系数均在与流速u反向的90°处出现最大值、150°处出现最小值。钉头与管面上的放热系数近似相等。钉头管的总体平均放热系数约是相应光滑管的约2倍，单位长度上的放热能力约是光滑管的约4倍。

1.2 顺排椭圆管管束的特性

鉴于上述炉管周向放热的不均匀性问题，近年来，随着对节能工作的日益重视及制造技术的不断提高，椭圆管及其他低阻力管形又重新引起了工业界的兴趣，一些发达国家开始在中低压场合下应用椭圆管。文[4]根据热质比拟原理和萘升华技术，用椭圆萘柱代替椭圆管进行风洞实验。采用椭圆的等周长当量直径Dπ作为特征尺寸，用最窄截面上的流速u作为核算速度。

管束的纵向放热特性检测表明，对于顺排椭圆管束，可认为从第4排开始放热进入充分发展区。这与顺排圆管束的规律基本一致。管束的横向放热特性检测表明，当一排炉管中的管数较多时，可以忽略侧壁边界层的影响。在进行深层管的放热实验时，总是把萘柱放在中间位置，以保证脱离侧壁的影响。在实验的Reynold数范围内，顺排椭圆管管束的放热系数分别比叉排椭圆管束、叉排圆管束及顺排圆管束约的放热系数低7.30%～1.4%、18.8%～11.7%及19%～15%；而阻力分别仅为后三者的约25%～30%、14%及25%。顺排椭圆管管束的综合性能优于相应的叉排椭圆管束、叉排圆管束及顺排圆管束。在顺排椭圆管管束中，第1排的放热低于深层各排；第2排的放热略高于深层排；第4排以后，则进入放热稳定区。

关于顺排椭圆管管束的阻力特性、管束的平均阻力系数。管束的综合性能比较表明，对于换热设备，仅从换热系数的高低或阻力的大小来确定其优劣程度，是片面和不合理的。应采用综合指标作为判据。其考虑方法是，当换热量及消耗动力相同时，比较两种管束的体积；换言之，当体积及消耗动力相同时，比较两种管束的换热量大小。顺排椭圆管束的综合性能优于相应的其他管束；且随着Re的增加，优越性更加显著。在计算顺排椭圆管管束每排的平均阻力时，当排数大于13时，可以忽略排数的影响。因此，在高速操作的换热设备中使用顺排椭圆管管束，能够收到节能降耗或节材的良好效果。但是在工程实际中，还必须考虑管程的综合性能、承压能力及制造成本等影响因素。

1.3 圆管管束的质量流速

文[5]对气体横掠换热管束最佳质量流速的快速确定进行了研究。气流横掠管束，一般有三种结构：(1) 气流横掠光管管束；(2) 气流横掠圆肋片管束；(3) 气流横掠整体肋片管束。由于气流横掠光管管束换热系数较小，故在气液换热时，为降低气体侧热阻，经常采用后两种形式。

对热交换器设计问题，一般已知热、冷流体进、出口温度和流量(或要求达到换热效率)，如果换热器形式选定，则其传热单元数NTU也随之确定。在对这类热交换器进行设计计算时，往往难以快速准确地确定气体流速，因为气流流速对传热和压降存在双重重要影响。

为了有效解决这个矛盾，应用芯体质量流速方法来进行热交换器设计：对一般传热表面，柯尔朋传热因子j与系数f之比j/f随Re数变化曲线比较平坦，这说明尽管Re数变化很大，但传热表面j/f变化却不大。j/f 变化小的特点是很有意义，因为在进行热交换器初始设计时，热交换器结构未知，因而Re数未知，导致j无法确定，而这时可在Re数的可能流程范围内取一个j/f平均值，就可相当准确地确定j/f 。一台设计较好的热交换器，其表面效率η0应在70%～90%之间，因此可取η0=0.8作为第一近似，其它参数也较容易确定，这样就可快速确定气流质量流速，为后续的热交换器设计打下良好基础。

管内流体质量流速也可按类似方法分析，迭代过程更为迅速，直接得到热交换器几何尺寸。

2 炉墙辐射计算技术

文[1]已介绍了炉膛辐射换热计算的多种方法，但老方法也在不断完善中。

2.1 炉墙凸起物增强换热

在高温壁面上布设凸起物的目的就是为了增大高温壁面表面积，即提高高温壁面展开度以增强高温壁面对物料的热交换，这样可以提高高温壁面对物料的加热速度，降低能耗，提高加热物料质量和加热设备的产量，这一点已为理论分析和实践所证实[6-9]。但是关于高温壁面凸起物增强辐射换热强度的理论分析和实践应用，都缺乏定量结果。

蒙特卡罗法(Monte Carlo Method)是老方法，又称统计模拟法，以对随机性问题进行仿真为其基本特征，计算表明[10]，在操作过程中，由于火焰形状、烟气流动状况、炉墙及火焰与辐射管的相对位置、辐射管的排列方式、炉墙的反射等因素影响，辐射管表面热强度沿炉管圆周和长度方向上，以及不同炉管之间的表面热强度都是不均匀的。以某结构为顶烧式箱型炉的在役使用制氢转化炉为模型，计算分析其辐射室炉管的温度分布，结果和标定数值对比表明，辐射室有效热负荷、辐射室热效率、烟气出辐射室温度(隧道平均值)的计算值与实测标定值偏差小于2%，烟气区平均温度的偏差小于5%，蒙特卡罗法是计算辐射传热的一种有效方法。

据此，选用蒙特卡罗法对高温壁面布设凸起物以增强辐射换热强度的作用通过换热数学模型进行了分析计算，定量计算了炉膛内壁布设凸起物的排列方式、凸起物高度、凸起物形状等因素对增强辐射换热强度的影响程度。结果表明[11]：在所讨论的条件不变时，炉壁各表面对炉底被加热表面的辐射总交换面积增加量，即在炉膛外型尺寸不改变与同样的温度水平的条件下炉膛对被加热表面的辐射换热量增加了相应的量。当凸起物高度与其横截面的定型尺寸相当时，增设内壁凸起物的效果最优，一方面在该高度下辐射总交换面积的增加幅度较大，若再增加其高度，辐射总交换面积的增加愈来愈不明显。另一方面，内壁凸起物高度过高对施工、炉膛容积、炉内气流流动以及凸起物的使用寿命都有不良影响。计算结果还表明，在炉膛高温壁面上布设不同形状的凸起物，对增强辐射换热的效果也不相同，对分别为正方体形柱体和四棱锥体、正三角形柱体和三棱锥体、圆柱体与圆锥体的计算结果比较表明，圆柱体凸起物最大，三棱锥体凸起物最小。综上所述，在炉膛高温内壁布设凸起物，能够能够有效地增加炉膛高温壁面对被加热表面的辐射总交换面积即增加炉膛辐射换热量，这种增加作用又与炉膛内壁黑度、排列方式、凸起物高度以及凸起物形状有关，因而在应用和设计时需统筹考虑上述诸因素的影响。

加热炉对流段炉墙上一般也设有凸起的烟气折流块，目的是改善气流流态。

2.2 炉膛辐射换热计算简化法

文[12]指出，分析计算辐射管炉内辐射换热的最大困难是求解炉内各个表面(辐射管、工件、炉墙)之间的角系数。尤其是对于室式辐射管炉，炉内有的炉墙布置有辐射管，而另一些炉墙未布置辐射管，被加热工件又对辐射管及炉墙有部分遮挡作用，计算甚至是不可能的。因此，有必要提出一种计算辐射管炉内辐射换热的简便方法，以满足大多数的工程要求。

当量连续灰辐射面法是将辐射管和其紧靠的一侧炉墙的综合辐射当量当作一个连续辐射面的辐射计算方法[13]，这样，辐射管炉内辐射管、炉墙及工件间的辐射换热就简化为当量连续灰辐射面、炉墙和工件间的辐射换热，各表面间的角系数计算也就容易得多了。

假想平面法的原理就是将炉膛分成多个区域，区域与区域之间通过假想平面联结，假想平面的特点是不吸收、不反射，而是透过所有的辐射，并具有漫射性质[14]。这样对每个区域建立能量平衡方程并求解，可得到整个炉膛的温度分布。而对各个区域内，求解此区域内各个表面(包括实际表面和假想平面)的角系数是很方便的。

以某一连续辐射管炉为例对加热进行计算，结果表明假想平面法计算结果与实际情况较接近(前者略大于后者)，而当量连续灰辐射面法的计算结果则略小于实际情况。另外，将炉墙与炉顶分开计算以及将炉墙与炉顶看作是同一温度炉墙计算时，两种情况下带钢出炉温度几乎相同。因此，两种计算方法的误差基本相同，而从综合结果看，假想面法更为精确些。对于需要计算炉墙温度及炉墙散热，特别是室式辐射管炉，假想面法是一种简便、精确度较高的方法[10]。

3 其它特性计算技术

3.1 炉管压降的模拟

工业炉炉管压降的模拟计算是在已完成了加热炉传热计算后进行，即已初步确定了加热炉的对流段和辐射段的炉管排列方式、炉管管径、长度和流程数。Aspen Plus模拟计算软件中的Pipe管线模块是炉管压降计算的主要单元，可解决辐射段多段变径和二相、三相流炉管阻力计算[15]。

首先打开Pipe模块，根据加热炉炉管排列和各段进出口物流绘制Pipe单元模拟流程图，一般加热炉都有对流段和辐射段，对流段的加热介质往往有多种，如蒸汽或水、分馏塔进料油和加热炉进料油等，因此需要绘制几个不同介质的Pipe模块，这样可以通过一次运算完成全部加热炉各段的炉管压降，以提高运算效率。加热炉进料油在对流段下部加热后再进入辐射段继续加热，因此需要在加热炉进料对流段模块后再串联辐射段的Pipe模块。减压炉辐射段一般都需要经过多次扩径，每改变一次管径即需要增加一个模块。有些重质原料加热炉，如焦化加热炉和润滑油加热炉，辐射段炉管需要注水蒸汽，此时需在加热炉对流段模块后增加一个Mix混合模块，混入水蒸汽后再串联辐射段模块。

其次打开绘制流程图中的Pipe模块进入输入文件的编制，分别输入各项物流的组成，物流的比重和蒸馏曲线，选用的热力学方法，各段进口物流的流量、温度、压力等操作条件。如果加热炉对流段或辐射段炉管排列方式为多程并联，炉管压降只需计算单程的压降,因为多程并联的模块物流的流量和炉管的当量长度和热负荷均需要除以程数。

目前该方法已成功地应用到常压炉、减压炉、减粘炉、焦化炉等工业炉的计算。

3.2 烟道保温优化设计

有学者开发了一种适用于流体储运保温、电力锅炉及工业炉窑排烟烟道保温、矩形工业炉窑保温使用的方管保温优化设计软件[16]。该软件将Mat lab 7.0数学运算和图形绘制功能与VB 6.0界面开发功能结合，进行VB、Mat lab和Excel混合编程，开发出方管保温温度场仿真计算软件，能够用高斯塞德迭法求解保温层温度场分布并分析保温性能随其影响因素变化规律、管内流体温降及散热损失，最终指导方管保温层的优化设计。该软件结合有限差分法和焓降法，考虑保温材料热导率随温度变化及管内壁综合表面传热热阻，软件计算与实际测量管内介质出口温度的误差小于2.1%。该软件能完成三维温度场分布计算并进行管内介质出口温度和散热损失优化计算。

4 结束语

尽管国内外已开发出多套加热型管式炉工艺计算软件，由于石油化工市场细分和资源深加工发展的需要，加热炉专业特性技术会不断细化和完善中，而智能技术本身更是当今发展最活跃的技术，如何把两者结合起来当前就面临很多颇具价值的工程课题。

(1) 长期以来，加热炉改进技术研究重点在辐射段，对流段没有得到足够的重视，有必要对加热炉对流段结构特别是段内烟气折流、模块之间的净空、模块内炉管层数、弯头段的换热面积利用等与热效率之间的规律进行更细致的研究，把潜在的技术认知显化成技术创新。还有，助燃空气每升高20℃，加热炉热效率约可提高1%，回收烟气余热来加热助燃空气的换热过程是一个独立的预热器换热模型，但是在石化设备节能减排技术发展背景下，有必要作为提高加热炉整体热效率的一个专题特性进行软件一体化研究。

(2) 与管壳式换热器等设备相比，加热炉炉管粗大，烟气流速低，故不需要进行管束防振工艺计算。随着加热炉的高等级要求和大型化大负荷发展，目前的炉管长度已达30 m，管内相变或流态变化是否需要进行管内流体引起的振动工艺计算等新课题随之而来。

(3) 随着云计算和3D技术的发展，应强化新的智能技术在加热炉设计中的应用，同时，原有的各种特性分析技术是否适用及如何修正的研究，也应强化加热炉专业最新技术成果如何及时融合到已普遍应用的智能软件中。

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Development of Speciality Analysis Software for Heat Exchange Process Design of Furnaces

CHEN Sun-yi，XU Min，CHEN Zi-qiu，WANG Yu
（Maoming Challenge Petrochemical Machinery Corporation Technology Center, Guangdong Maoming 525024，China）

In order to understand the technology development of all kinds of chemical specialty process design software of furnace at present, 7 kinds of specialty analysis software of heat exchanging were introduced. Application of specialty analysis software in industrial furnace design was discussed. Three new engineering tasks on furnace software technology were pointed out, including structure integrative design of preheat section, convection section and radiation section, calculation of furnace tube vibration，absorbability of new intelligent technology.

Intelligent technology; Software; Program; Process design; Industrial furnace; Heat exchanging

TQ 05

： A

： 1671-0460（2014）04-0540-04

2014-01-24

陈孙艺(1965-)，男，广东化州人，教授级高级工程师，工学博士，1986年毕业于华南工学院化工机械专业，从事承压设备设计开发、制造工艺、失效分析及技术管理。E-mail：sunyi_chen@sohu.com。