FRNC-5PC软件在原油稳定加热炉改造设计的应用

李泽龙，李悦原

（1.中国矿业大学电力工程学院，江苏徐州221116；2.大庆华凯石油化工设计工程有限公司，黑龙江大庆163711）

FRNC-5PC软件在原油稳定加热炉改造设计的应用

李泽龙1，李悦原2

（1.中国矿业大学电力工程学院，江苏徐州221116；2.大庆华凯石油化工设计工程有限公司，黑龙江大庆163711）

大庆某公司油气厂为适应新增原油加工能力的要求，消除因原油稳定加热炉炉管超设计寿命带来的安全隐患，对一套原油稳定装置进行消除瓶颈和安全隐患的技术改造。在加热炉的改造设计过程中采用了FRNC-5PC软件进行模拟计算，加热炉各项设计指标均满足设计规范。

原油稳定装置；原油稳定加热炉；FRNC-5PC

大庆某公司油气厂为适应新增原油加工任务的要求，并消除因原油稳定加热炉炉管超设计寿命带来的安全隐患，对一套原油稳定装置进行消除瓶颈和安全隐患的技术改造。在加热炉的改造设计过程中采用了FRNC-5PC软件进行模拟计算，在模拟计算基础上设计的加热炉负荷满足该厂原油加工要求，加热炉各项设计指标均满足设计规范的要求。

1 原始数据

1.1 原料来源及性质

大庆某公司油气厂原油数据见表1、表2。

1.2 燃料气数据

加热炉燃料气主要来源是自原油稳定塔顶气轻烃回收装置来干燃料气（压力：0.5~0.6 MPaG，温度：≤40℃）和外管网来的天然气（庆葡站输气压力0.5~0.6 MPaG），燃料气组成分别见表3、表4。

表1 稳前原油实沸点蒸馏数据

表2 稳前原油物理数据

表3 干燃料气组成

表4 天然气组分（宋一联至庆葡站输气管道）

1.3 计算热负荷及进出口条件

根据油气处理厂的原油产能规划，以及现有市场需求，原油稳定装置处理量按300 t/h考虑，操作弹性70%～110%。根据工艺流程模拟计算结果：原油加热炉进口温度180℃，出口温度220℃；进口压力300 kPaG，出口压力150 kPaG，加热炉计算热负荷9.826 MW，加热炉设计热负荷11.2 MW。

1.4 炉管管程数

设计将原油分为两路进入加热炉，每路设有流量计及自控调节阀，容易实现原油均匀流动，使加热炉运行效果更佳。

1.5 炉体结构

加热炉根据热负荷范围采用圆筒形,炉管沿炉墙单排敷设。

2 原稳加热炉设计

2.1 原稳加热炉设计思路

参考同类原稳加热炉基本结构，换热升温后原油首先进入加热炉对流室加热，再经转油线进入辐射室继续加热升温达到指标后，经炉外转油线进入原油稳定塔进行分馏或闪蒸，满足加工要求；在辐射室燃料燃烧产生的烟气向辐射室炉管释放辐射热量后，烟气进入对流室，依次与原油、助燃空气进行对流换热，最后经烟囱排入大气。

2.2 原稳加热炉FRNC-5PC计算

FRNC-5PC是由PFR公司开发的加热炉专业模拟软件，采用分段（Stepwise）的传热与压降计算方法进行换热工艺流程模拟，广泛用于加热炉的设计。FRNC-5属于校核型软件，需要用户先给出炉子布置方案，然后对此方案进行校核，判断该方案是否合适，不合适则需根据校核结果修改方案，再次计算直至合格为止。对于初步确定辐射炉管的扩径方案，设计人员的经验就显得尤为重要[1]。根据加热炉设计经验和多次调试修改加热炉尺寸，确定上表加热炉数据，加热炉计算结果略。

加热炉系统更新改造后数据见表5，炉体结构见图1。

表5 加热炉工艺设计计算数据

2.3 原稳加热炉FRNC-5PC模拟计算结果分析

（1）热负荷：该原稳加热炉计算热负荷为9.83 MW，设计热负荷为11.2 MW，为计算热负荷的114%，规范要求为110%[2]，满足要求。

（2）辐射管平均表面热强度：该原稳加热炉辐射管平均表面热强度为25~25.5 kW/m2，规范要求为22~28 kW/m2，满足要求。

图1 原稳加热炉F-101总图

（3）辐射管质量流速：该原稳加热炉辐射管质量流速1 339.1 kg/（m2·s），规范要求为1 290~2 400 kg/（m2·s），满足要求。

（4）辐射段体积热强度：该原稳加热炉辐射段体积热强度为51.75 kW/m3，规范要求为不大于125~ 165 kW/m3，满足要求。

（5）热效率：该原稳加热炉热效率为92%，规范要求为不小于90%，满足要求。

（6）辐射段烟气出口温度：该原稳加热炉辐射段烟气出口温度为760℃，一般加热炉炉膛烟气出口温度为不大于850℃[3]，满足要求。

（7）热负荷分配：该原稳加热炉辐射室70.8%，规范要求辐射室为70%~80%，满足要求。

（8）炉管流型：对流炉管为分散气泡流，辐射炉管为环状流，均满足要求。

2.4 FRNC-5PC模拟计算原稳加热炉体会和经验

（1）模拟前明确原稳加热炉所加热的原油性质、燃料性质或组成。

（2）模拟前明确原稳加热炉结构：辐射室、对流室、空气预热器的结构，最好有一套现成的原稳加热炉设备图供参考。

（3）以现成的原稳加热炉设备图按照该炉的工艺条件用FRNC-5PC进行模拟计算，模拟收敛后，将加热炉工艺参数修改为新炉数据，不断调整加热炉结构数据，直至加热炉各项指标满足规范要求。如果对FRNC-5PC计算步骤不熟悉，可多次练习《FRNC-5火焰加热炉模拟软件计算机手册》附录中常压炉例题，直到熟练为止。

（4）不断调整FRNC-5PC辐射室、对流室、盘管组、炉管尺寸，使其计算结果在收敛的条件下在加热炉设计规范指标范围内。

（5）国内原稳加热炉热负荷大多小于30 MW，FRNC-5PC模拟计算的原稳加热炉基本采用圆筒炉，辐射室高径比1.7～2.5，辐射室炉管沿炉墙垂直并排布置，根据原油炉管管程数确定每管程炉管数量。炉管管间距为2 d，炉管中心离炉墙距离为1.5 d。

（6）FRNC-5PC模拟计算原稳加热炉时，原油炉管管程数尽量采用2/4，炉管管径尽量采用常用管径如Φ114、Φ152、Φ168、Φ219，炉管壁厚采用常用壁厚6 mm/8 mm/10 mm/12 mm。原稳加热炉由于气化量小，炉管基本不扩径。炉管材质方面根据进出口温度、硫含量、酸值选用20#、合金Cr5Mo、TP316L不锈钢等材质，炉管选材也要符合设计规范。

（7）对流室有2~3个盘管组，烟气最先接触遮蔽管组，遮蔽管组一般3排管，遮蔽管采用光管；其它1~2对流盘管组采用翅片管或钉头管，气体燃料一般采用翅片管，液体燃料采用钉头管。

（8）空气预热器管组号一般放在对流室排管组最后，FRNC-5PC空气预热器仅能模拟工艺参数，无法得出其具体尺寸，工艺参数一般提供给空气预热器厂家，由厂家供货。原稳加热炉的空气预热器由于重量小，一般采用顶置式，不采用落地式。

（9）原稳加热炉排烟温度决定加热炉效率，在利用空气预热器降低排烟温度提高加热炉效率时，不要忘记烟气露点腐蚀是其限制因素。

（10）FRNC-5PC模拟计算原稳加热炉不要忘记在炉管两侧输入污垢热阻，原油污垢热阻可参考常压炉0.000 5～0.000 86（m2·℃）/W；在辐射室，燃油或油、气混烧时，烟气侧污垢热阻0.008 6（m2·℃）/W；燃气时，烟气侧污垢热阻0.000 88（m2·℃）/W[4]；在对流室，燃油或油、气混烧时，烟气侧污垢热阻0.008 6（m2·℃）/W，燃气时，烟气侧污垢热阻0.000 88（m2·℃）/W。

3 结语

在原油稳定加热炉的改造设计过程中采用了FRNC-5PC软件进行模拟计算，在模拟计算基础上设计的加热炉负荷满足该厂原油加工要求，加热炉各项设计指标均满足设计规范。采用FRNC-5PC软件模拟计算原油稳定加热炉的过程中获得的以上几点体会和经验供同行斟酌探讨。

[1]吴振松，刘福生，王金昌，等.减压炉辐射炉管扩径探讨及设计中FRNC-5PC软件的应用[J].石油和化工设备,2012,15(2)：27-30.

[2]SY/T 0538-2012管式加热炉规范[S].北京：石油工业出版社，2012.

[3]钱家麟.管式加热炉[M].北京：中国石化出版社,2009.

[4]刘纪福.翅片管换热器的原理及设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2013.

Application of FRNC-5PC Software Applied in Reconstruction of Crude Stabilization Furnace

LIZelong1,LI Yueyuan2
（1.College of Electric Power Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116, China;2.Daqing Huakai Petrochemical Design&Engineering Co.,Ltd,Daqing 163711,China）

For meeting the demands of the oil processing ability and eliminating the potential risk of crude stabilization furnace tubes for exceeding design life,the technological innovation of an oil stabilization device in a Daqing oil-air plant was made to eliminate bottlenecks and security hidden danger.The FRNC-5PC software was used for simulation computation during the redesign process,and all calculated results ofthe furnacecould meetthe design specification.

crude oil stabilizing plant;crude stabilization furnace;FRNC-5PC

TE963；TP311.51

B

1001-6988（2016）06-0042-04

2016-07-21

李泽龙（1995—），男，本科在读，研究方向为热工设备模拟计算.