程微

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

管式加熱爐遮蔽管的模擬計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)

程微

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

針對管式加熱爐對流段遮蔽管的選材要求，采用PFR FRNC-5PC軟件來模擬對流段模型，計(jì)算遮蔽管模塊的管壁最高溫度，從對流傳熱和輻射傳熱角度進(jìn)行綜合傳熱分析，并分析了遮蔽管的物理位置對于管壁溫度的影響。最后提出從管內(nèi)氣化率、換熱流向和模塊間凈空高度的角度來優(yōu)化設(shè)計(jì)。

加熱爐；PFR FRNC-5PC；對流段；遮蔽管

管式加熱爐是煉油廠主要設(shè)備之一， 一般由輻射段和對流段組成。在輻射段內(nèi)，火焰及煙氣主要以輻射的方式將熱量傳給輻射段爐管。煙氣離開輻射段至對流段的溫度約為700 ～ 1 000 ℃，在對流段中煙氣以對流、三原子氣體（CO2和H2O）輻射和耐火磚壁輻射的方式將熱量傳給對流段爐管[1]。對流段的設(shè)計(jì)計(jì)算包括管內(nèi)流體阻力降、煙道氣阻力降、各段管排的熱量平衡及分配、管排內(nèi)外的傳熱問題等[2]。每一個問題的解決都是復(fù)雜的計(jì)算過程，需要大量的工程數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式，并借助專業(yè)的計(jì)算軟件。

長期以來，加熱爐改進(jìn)技術(shù)研究的重點(diǎn)在輻射段，對流段沒有得到足夠的重視。特別是對流段中的遮蔽管模塊，其示意圖見圖1。遮蔽管是對流段煙氣入口處的幾排爐管（一般為兩排光管），因其位置在輻射段與對流段的交接處，所以和輻射管一樣受到爐膛中火焰的直接輻射，同時又受到高速煙氣的對流傳熱，其傳熱復(fù)雜而具有代表性[2]。本文中使用PFR FRNC-5PC軟件來模擬計(jì)算遮蔽管的管壁溫度，然后確定爐管材質(zhì)，從而保證工程的安全性。

圖1 遮蔽管示意圖Fig.1 Sketch map of shock section

1 軟件簡介

PFR FRNC-5PC（以下簡稱5PC）是由PFR公司開發(fā)的加熱爐專業(yè)模擬軟件，目前業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用于工藝流程模擬，V 9.0是其最新的版本。5PC屬于校核型軟件，需要用戶先給出加熱爐布置方案，然后對此方案進(jìn)行校核，并判斷方案是否合適，不合適則需根據(jù)校核結(jié)果修改方案，依次往復(fù)直至滿足要求為止。

2 軟件的計(jì)算方法

5PC軟件的計(jì)算是基于羅波－伊萬斯法，通過迭代試差計(jì)算出遮蔽管模塊的熱負(fù)荷和管壁溫度。

遮蔽管的傳熱速率方程[2]

式中 QS—遮蔽管的傳熱速率，W；

QSr— 煙氣以輻射方式對遮蔽管的傳熱速率，W；

QSc— 煙氣以對流方式對遮蔽管的傳熱速率，W；

（αAcp）S—遮蔽管的當(dāng)量冷平面面積，m2；

α—有效吸收因素，無因次；

Acp—遮蔽管的冷平面面積，m2；

F—總交換因素，無因次；

Tg—煙氣出輻射室時的溫度，K；

Tw—遮蔽管的外壁平均溫度，K；

hSc— 煙氣對遮蔽管外表面的膜傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

AR—遮蔽管的外表面面積，m2。

遮蔽管內(nèi)介質(zhì)的熱平衡方程式

式中 m—遮蔽管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流率，kg/s；

Cp—遮蔽管內(nèi)介質(zhì)的比熱，J/（kg·K）；

Tout—遮蔽管內(nèi)介質(zhì)出遮蔽管時的溫度，K；

Tin—遮蔽管內(nèi)介質(zhì)進(jìn)遮蔽管時的溫度，K。

在迭代試差的過程中，首先假設(shè)遮蔽管的熱負(fù)荷Qi，則根據(jù)公式（2）可得。

式中 Ai，Am—管內(nèi)表面積和管壁平均表面積，m2；

hi—管內(nèi)膜傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

Ri—管內(nèi)結(jié)垢熱阻，m2·K/W；

δ—管壁厚度，m；

kw—管壁金屬導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

根據(jù)公式（1）可計(jì)算得Qi+1，迭代過程進(jìn)行至

式中 ε—迭代要求的精度，可取為0.01。

即可求得遮蔽管的熱負(fù)荷Qs= Qi+1和管壁溫度Tw。5PC為了追求精確，在計(jì)算過程中會將模塊中的每一排爐管進(jìn)行如上的迭代試差計(jì)算，并將上一排的出口條件作為下一排的入口條件，直至計(jì)算結(jié)束。

迭代試差法的程序框圖如圖2所示。

圖2 迭代試差法計(jì)算框圖Fig.2 Calculation diagram of iterative trial and error method

3 計(jì)算舉例

某裝置加熱爐，對流段的遮蔽管模塊用于鍋爐發(fā)汽，管外煙氣溫度約為1 000 ℃，管內(nèi)水溫約為250 ℃，制造商建議該模塊的材質(zhì)使用碳鋼。根據(jù)SH/T 3037—2002《煉油廠加熱爐爐管壁厚計(jì)算》，碳鋼的極限設(shè)計(jì)金屬溫度為540 ℃；根據(jù)GB 50316— 2000《工業(yè)金屬管道規(guī)范（2008版）》的附錄A，碳鋼的許用應(yīng)力在425 ℃時急劇下降。一般實(shí)際工程中碳鋼管材的最高管壁溫度應(yīng)不高于400 ℃，現(xiàn)使用5PC軟件來校核該遮蔽管的管壁最高溫度。

4 綜合傳熱分析

在對流段中，氣體與爐管的傳熱通常是對流傳熱與輻射傳熱同時存在，即綜合傳熱。

4.1 對流傳熱

由于管外煙氣的膜傳熱系數(shù)較低，決定了對流總傳熱系數(shù)不會很高。因此，管內(nèi)介質(zhì)膜傳熱系數(shù)的大小起到了決定性作用。如果管內(nèi)介質(zhì)為液相水，其膜傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于管外煙氣的膜傳熱系數(shù)，管壁溫度應(yīng)接近于傳熱系數(shù)較大一側(cè)的流體溫度，所以管壁溫度應(yīng)更接近于250 ℃。反之，如果管內(nèi)介質(zhì)為水蒸氣，在相同的體積流率下，管壁溫度應(yīng)更接近于1 000 ℃。在本例中，情況較為復(fù)雜，管內(nèi)液體呈核狀沸騰，屬于氣液混相流動。考慮到鍋爐發(fā)汽的循環(huán)倍率，管內(nèi)流體的氣化率較低，液相所占的比例較大，所以管壁溫度應(yīng)更接近于冷側(cè)的溫度。根據(jù)5PC計(jì)算的結(jié)果如表1所示。

表1 不同相態(tài)下管壁溫度的比較Tab.1 Comparing of tubing temperature in different condition

由表1可以看出，當(dāng)管內(nèi)介質(zhì)為氣相時，管內(nèi)膜傳熱系數(shù)只有560.6 W/（m2·K），導(dǎo)致其管壁最高溫度可達(dá)827.8 ℃，需要選擇耐高溫的不銹鋼材料才能滿足其設(shè)計(jì)要求。而在本例中，遮蔽管模塊用于鍋爐發(fā)汽，管內(nèi)介質(zhì)處于氣液混相狀態(tài)，管內(nèi)膜傳熱系數(shù)為28 110.63 W/（m2·K），管壁最高溫度為342.6 ℃，采用碳鋼管材就能滿足設(shè)計(jì)需要，制造商的選材是合理的。

4.2 輻射傳熱

在加熱爐中，高溫氣體與管壁之間的傳熱不僅包含對流傳熱，而且還包含熱輻射。氣體輻射與固體輻射有很大的區(qū)別，在工業(yè)中常遇到的高溫范圍內(nèi)，分子結(jié)構(gòu)對稱的雙原子氣體，如O2、N2等可視為透明體，既無輻射能力，也無吸收能力；但是，分子結(jié)構(gòu)不對稱的雙原子及多原子氣體，如CO、CO2和H2O等一般都具有相當(dāng)大的輻射和吸收能力，且氣體只能輻射和吸收一定波長范圍內(nèi)的輻射能[3]。

因此，氣體的輻射傳熱具有選擇性，輻射傳熱過程中輻射、吸收和透過是同時存在的。在對流段的高溫區(qū)段內(nèi)，有一定煙氣層厚度時有明顯的輻射傳熱量，包括煙氣輻射傳熱和爐墻反射傳熱。表2是5PC計(jì)算的結(jié)果，恰恰證明了氣體輻射傳熱的選擇性。

表2 不同煙氣組成下熱強(qiáng)度的比較Tab.2 Comparing of heat flux with different composition of flue gas

由表2可知，當(dāng)N2組成為100 %時，輻射傳熱強(qiáng)度為零；當(dāng)CO2組成為100 %時，其輻射傳熱強(qiáng)度與實(shí)際組成的輻射熱強(qiáng)度相比增加并不明顯，說明分子結(jié)構(gòu)不對稱的三原子氣體組成不是越高越好，其輻射傳熱具有選擇性，當(dāng)CO2含量達(dá)到一定峰值后輻射熱強(qiáng)度增加并不明顯。在實(shí)際生產(chǎn)中，燃燒過程中燃料和過?？諝庀禂?shù)決定了煙氣的組成，在接下來的換熱過程中煙氣的組成并不可控，所以通常不會刻意追求煙氣的組成。

4.3 遮蔽管

遮蔽管特殊的物理位置使遮蔽管會受火焰直接熱輻射并遮蔽其他對流段的爐管，熱強(qiáng)度相當(dāng)于輻射室內(nèi)爐管的熱強(qiáng)度。在5PC軟件中可以人為設(shè)置該模塊是否為遮蔽管，由此計(jì)算所得結(jié)果見表3。

由表3可知，遮蔽管的輻射熱強(qiáng)度直接導(dǎo)致其管壁溫度較高，因此在對流段中要特別注意管排的物理位置是否在火焰輻射的范圍內(nèi)。由于遮蔽管不僅受到高溫?zé)煔獾膶α鱾鳠岷蜔彷椛?，而且或多或少受到火焰的直接熱輻射，因此設(shè)計(jì)過程中也要注意將遮蔽管置于適當(dāng)?shù)奈恢貌⒑侠磉x材，避免由于設(shè)置或設(shè)計(jì)失誤使遮蔽管處于危險(xiǎn)的工作環(huán)境下。

表3 模塊型式對管壁溫度的比較Tab.3 Comparing of tubing temperature with different section

5 遮蔽段的設(shè)計(jì)優(yōu)化

5.1 管內(nèi)氣化率的設(shè)計(jì)優(yōu)化

遮蔽管模塊用于鍋爐發(fā)汽時，管內(nèi)水的氣化率會顯著影響管內(nèi)膜傳熱系數(shù)，從而影響管壁溫度。在本例中，由于循環(huán)倍率的要求，管內(nèi)水的氣化率較低，液相所占比例較大，管壁溫度更接近于水側(cè)的溫度。但是隨著氣化率的升高，氣相所占比例升高，管壁溫度也隨之升高。5PC計(jì)算的結(jié)果如表4所示。

表4 管內(nèi)氣化率對管壁溫度影響的比較Tab.4 Comparing of tubing temperature with different vapor fraction

由表4可以看出，隨著氣化率的升高，管內(nèi)核狀沸騰經(jīng)過臨界點(diǎn)逐漸變成不穩(wěn)定膜狀沸騰，管內(nèi)膜傳熱系數(shù)降低，管壁溫度升高。一旦管壁最高溫度超過400 ℃，其許用應(yīng)力會顯著下降，容易造成管材的破裂。同時，氣化率的升高很可能會導(dǎo)致爐管內(nèi)介質(zhì)的流型從氣泡流變?yōu)橐汗?jié)流，由于液節(jié)流會產(chǎn)生水擊，發(fā)出很大的噪聲，嚴(yán)重時會損害爐管，所以爐管內(nèi)不允許出現(xiàn)液節(jié)流。因此，鍋爐發(fā)汽時爐管內(nèi)的氣化率一般要控制在5 %以內(nèi)來保證工程的安全性。

特別需要注意的是，本例中的遮蔽管模塊內(nèi)要杜絕液相斷流狀態(tài)的發(fā)生，一旦管內(nèi)飽和水被大量蒸發(fā)為氣體，管內(nèi)膜傳熱系數(shù)將急劇下降，管壁溫度急速升高，其許用應(yīng)力會急劇降低，極易將遮蔽管燒毀而引發(fā)事故。

5.2 換熱相對流向的設(shè)計(jì)優(yōu)化

對流段的各模塊主要功能是管內(nèi)介質(zhì)與煙氣的換熱，從有利于傳熱的角度來說，管內(nèi)介質(zhì)與煙氣的相對流向?yàn)槟媪鲿r，能使換熱對數(shù)平均溫度差增大，節(jié)省換熱面積。但是，由于管材設(shè)計(jì)溫度的限制，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，應(yīng)盡可能降低管材壁溫，因?yàn)殡S著金屬管材壁溫的升高，管材的許用應(yīng)力會顯著降低。5PC計(jì)算的結(jié)果如表5所示。

表5 換熱相對流向?qū)鼙跍囟扔绊懙谋容^Tab.5 Comparing of tubing temperature with different relative flow direction

由表5可以看出，采用逆流方式，由于加熱到高溫的流體與高溫?zé)煔庵苯訐Q熱，管壁溫度較高；而采用順流方式，用低溫流體與高溫?zé)煔鈸Q熱，高溫流體與低溫?zé)煔鈸Q熱，管壁溫度有所降低。為了保證工程的安全性，在熱負(fù)荷不變的前提下盡可能降低管壁溫度，該模塊應(yīng)采用順流方式。

5.3 模塊間凈空的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對流段中，模塊之間的凈空會影響管外煙氣流動的紊流度，進(jìn)而影響管外煙氣的膜傳熱系數(shù)。一般為了便于施工和吹灰，各模塊之間會留有一定的凈空高度，該高度內(nèi)沒有任何障礙。自模塊出來的煙氣流動處在高速紊流區(qū)，當(dāng)凈空高度較低時，凈空段內(nèi)煙氣流動的紊流度不變，相應(yīng)的對流傳熱強(qiáng)度較大；當(dāng)凈空到達(dá)一定高度時，煙氣流動的紊流度逐漸降低，此時對流傳熱強(qiáng)度也相應(yīng)降低。5PC計(jì)算的結(jié)果如表6所示。

表6 凈空高度對管壁溫度影響的比較Tab.6 Comparing of tubing temperature with different headroom

由表6可以看出，凈空高度較小時傳熱強(qiáng)度較大，但是管壁溫度也相應(yīng)增高至350.8 ℃。由于管材設(shè)計(jì)溫度的限制，在設(shè)計(jì)時應(yīng)盡可能降低壁溫，金屬溫度的升高會使管材的許用應(yīng)力顯著降低。所以，在確保工程經(jīng)濟(jì)性的前提下，遮蔽管模塊與下一個模塊之間應(yīng)設(shè)置較大的凈空高度來降低煙氣的對流傳熱強(qiáng)度，從而降低管壁最高溫度，保證工程的安全。

6 結(jié)論

（1）5PC的計(jì)算結(jié)果證明遮蔽管的選材是合理的。在選擇爐管材質(zhì)時借助5PC軟件來確定管壁溫度，對于加熱爐設(shè)計(jì)和選材具有極高的參考價值。

（2）對流段中的綜合傳熱包括對流傳熱和輻射傳熱，決定對流傳熱的關(guān)鍵因素是管內(nèi)外介質(zhì)的膜傳熱系數(shù)；輻射傳熱與煙氣中分子結(jié)構(gòu)不對稱的三原子氣體的組成有關(guān)；遮蔽管的物理位置是否在火焰輻射的范圍內(nèi)對管壁溫度也有一定影響。

（3）遮蔽管的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以通過改變管內(nèi)氣化率、換熱相對流向和模塊間的凈空高度來實(shí)現(xiàn)，控制管內(nèi)較低的氣化率，換熱采用順流方式，模塊間設(shè)置較大的凈空高度可以增加工程的安全性。

7 存在的問題與展望

隨著管式加熱爐技術(shù)的進(jìn)步，對流段的設(shè)計(jì)與優(yōu)化將朝著緊湊排管的方向發(fā)展。緊湊排管能增加換熱面積，提高加熱爐的經(jīng)濟(jì)性；但是，緊湊排管也意味著對流段內(nèi)的空間狹窄，很容易影響爐管表面的吹灰效果，反而不利于爐管的換熱。5 PC軟件的模擬計(jì)算可以為實(shí)際工程提供參考，在工程的經(jīng)濟(jì)性和安全性之間尋找一個恰當(dāng)?shù)钠胶恻c(diǎn)。同時，吹灰技術(shù)的進(jìn)步能在一定程度上帶動加熱爐的發(fā)展，希望有新的技術(shù)推廣到實(shí)際應(yīng)用中，來滿足不斷提高的優(yōu)化設(shè)計(jì)要求。

[1]石油化工工業(yè)部石油化工規(guī)劃設(shè)計(jì)院.管式加熱爐工藝計(jì)算[M].北京： 石油化學(xué)工業(yè)出版社， 1976.

[2]錢家麟， 于遵宏， 李文輝， 等.管式加熱爐（第二版）[M].北京：中國石化出版社， 2013.

[3]陳敏恒， 叢德滋， 方圖南，等.化工原理[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 1999.

Simulation and Optimum Design for Shock Section of Furnace

Cheng Wei
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd.Shanghai, 200120）

In view of the requirements for selecting materials used for shock section in pipe furnace, heat transfer in this section was simulated by using PFR PRNC-5PC software to build a model.The maximum temperature on pipe shell was calculated.Comprehensive heat transfer analysis was performed account for convection and radiation, and the effect of the location of shock section to shell temperature was also analyzed.Finally, the design method optimized in the respects of tubing vapor fraction, relative flow direction and section head room was presented.

furnace, PFR FRNC-5PC； convection section； shock section

TQ 15

：A

：2095-817X（2015）03-001-005

2015-03-24

作者簡介：程微（1985—），女，工程師，主要從事石油化工工藝設(shè)計(jì)。