加熱爐換熱工藝特性分析軟件進(jìn)展

（茂名重力石化機(jī)械制造有限公司技術(shù)中心， 廣東 茂名 525024）

加熱爐換熱工藝特性分析軟件進(jìn)展

陳孫藝，許 敏，陳自求，王 玉

（茂名重力石化機(jī)械制造有限公司技術(shù)中心， 廣東 茂名 525024）

為便于對(duì)目前各類化工加熱爐工藝特性設(shè)計(jì)技術(shù)軟件技術(shù)進(jìn)展的了解，通過7個(gè)換熱特性專題分析軟件的內(nèi)容簡(jiǎn)介，綜述了特性分析技術(shù)軟件在工業(yè)爐工藝設(shè)計(jì)專業(yè)的應(yīng)用，提出了當(dāng)前加熱爐軟件技術(shù)發(fā)展中，設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝兩者結(jié)合發(fā)展面臨的3個(gè)工程課題，分別是加熱爐預(yù)熱段、輻射段和對(duì)流段整體一體化、爐管振動(dòng)計(jì)算、新智能技術(shù)的引入。

智能技術(shù)；軟件；程序；工藝設(shè)計(jì)；加熱爐；工業(yè)爐

石油煉制和化工中需要設(shè)置很多加熱爐，20世紀(jì)80年代后期我國(guó)開始大量采用工業(yè)間接式加熱爐，又以管式加熱爐居多，管式爐是石油煉制、石油化工和化學(xué)、化纖工業(yè)中使用的工藝加熱爐，是石化行業(yè)主要耗能設(shè)備，例如，乙烯裝置是耗能大戶，其中乙烯裂解爐的能耗約占整個(gè)裝置能耗的70%～85%。管式加熱爐的計(jì)算是一個(gè)多學(xué)科的綜合課題，加熱爐工藝設(shè)計(jì)人員的專業(yè)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)十分重要，現(xiàn)在，利用通用的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算軟件可以提高復(fù)雜設(shè)計(jì)水平。除計(jì)算輻射傳熱的數(shù)學(xué)模型外，尚須已知燃料的燃燒模型、煙氣的流動(dòng)模型、管內(nèi)的過程模型等等[1]，才能計(jì)算出爐內(nèi)的溫度分布，在資料不足而進(jìn)行簡(jiǎn)化時(shí)會(huì)造成誤差，對(duì)細(xì)分的各特性專題深入分析研究很有必要。文［2］簡(jiǎn)介了18個(gè)關(guān)于管式加熱爐換熱工藝設(shè)計(jì)及化工流程模擬軟件，這里就特性專題分析和熱效率評(píng)價(jià)計(jì)算軟件簡(jiǎn)介另一些智能技術(shù)的應(yīng)用。

1 氣體橫掠換熱管束計(jì)算

1.1 釘頭管束的放熱規(guī)律

釘頭管束平均傳熱計(jì)算理論已成熟應(yīng)用，文［3］對(duì)其局部放熱規(guī)律及強(qiáng)化傳熱機(jī)理進(jìn)行深入的分析研究，實(shí)驗(yàn)在吸入式風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行，采用熱質(zhì)比擬原理及萘升華技術(shù)，即用試件表面某處萘的升華速率來模擬放熱速率。此方法的主要優(yōu)點(diǎn)是在實(shí)驗(yàn)中不必加熱，因此測(cè)量精度較高；在測(cè)量局部放熱系數(shù)時(shí)，不必在測(cè)點(diǎn)布置大量的熱電偶，提高了測(cè)量的真實(shí)性。

分析研究以釘頭管的基管外徑D作為特征尺寸，以最窄截面上的流速u作為特征流速。檢測(cè)表明，釘頭與管面上的周向放熱規(guī)律相似。放熱系數(shù)均在與流速u反向的90°處出現(xiàn)最大值、150°處出現(xiàn)最小值。釘頭與管面上的放熱系數(shù)近似相等。釘頭管的總體平均放熱系數(shù)約是相應(yīng)光滑管的約2倍，單位長(zhǎng)度上的放熱能力約是光滑管的約4倍。

1.2 順排橢圓管管束的特性

鑒于上述爐管周向放熱的不均勻性問題，近年來，隨著對(duì)節(jié)能工作的日益重視及制造技術(shù)的不斷提高，橢圓管及其他低阻力管形又重新引起了工業(yè)界的興趣，一些發(fā)達(dá)國(guó)家開始在中低壓場(chǎng)合下應(yīng)用橢圓管。文[4]根據(jù)熱質(zhì)比擬原理和萘升華技術(shù)，用橢圓萘柱代替橢圓管進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。采用橢圓的等周長(zhǎng)當(dāng)量直徑Dπ作為特征尺寸，用最窄截面上的流速u作為核算速度。

管束的縱向放熱特性檢測(cè)表明，對(duì)于順排橢圓管束，可認(rèn)為從第4排開始放熱進(jìn)入充分發(fā)展區(qū)。這與順排圓管束的規(guī)律基本一致。管束的橫向放熱特性檢測(cè)表明，當(dāng)一排爐管中的管數(shù)較多時(shí)，可以忽略側(cè)壁邊界層的影響。在進(jìn)行深層管的放熱實(shí)驗(yàn)時(shí)，總是把萘柱放在中間位置，以保證脫離側(cè)壁的影響。在實(shí)驗(yàn)的Reynold數(shù)范圍內(nèi)，順排橢圓管管束的放熱系數(shù)分別比叉排橢圓管束、叉排圓管束及順排圓管束約的放熱系數(shù)低7.30%～1.4%、18.8%～11.7%及19%～15%；而阻力分別僅為后三者的約25%～30%、14%及25%。順排橢圓管管束的綜合性能優(yōu)于相應(yīng)的叉排橢圓管束、叉排圓管束及順排圓管束。在順排橢圓管管束中，第1排的放熱低于深層各排；第2排的放熱略高于深層排；第4排以后，則進(jìn)入放熱穩(wěn)定區(qū)。

關(guān)于順排橢圓管管束的阻力特性、管束的平均阻力系數(shù)。管束的綜合性能比較表明，對(duì)于換熱設(shè)備，僅從換熱系數(shù)的高低或阻力的大小來確定其優(yōu)劣程度，是片面和不合理的。應(yīng)采用綜合指標(biāo)作為判據(jù)。其考慮方法是，當(dāng)換熱量及消耗動(dòng)力相同時(shí)，比較兩種管束的體積；換言之，當(dāng)體積及消耗動(dòng)力相同時(shí)，比較兩種管束的換熱量大小。順排橢圓管束的綜合性能優(yōu)于相應(yīng)的其他管束；且隨著Re的增加，優(yōu)越性更加顯著。在計(jì)算順排橢圓管管束每排的平均阻力時(shí)，當(dāng)排數(shù)大于13時(shí)，可以忽略排數(shù)的影響。因此，在高速操作的換熱設(shè)備中使用順排橢圓管管束，能夠收到節(jié)能降耗或節(jié)材的良好效果。但是在工程實(shí)際中，還必須考慮管程的綜合性能、承壓能力及制造成本等影響因素。

1.3 圓管管束的質(zhì)量流速

文[5]對(duì)氣體橫掠換熱管束最佳質(zhì)量流速的快速確定進(jìn)行了研究。氣流橫掠管束，一般有三種結(jié)構(gòu)：(1) 氣流橫掠光管管束；(2) 氣流橫掠圓肋片管束；(3) 氣流橫掠整體肋片管束。由于氣流橫掠光管管束換熱系數(shù)較小，故在氣液換熱時(shí)，為降低氣體側(cè)熱阻，經(jīng)常采用后兩種形式。

對(duì)熱交換器設(shè)計(jì)問題，一般已知熱、冷流體進(jìn)、出口溫度和流量(或要求達(dá)到換熱效率)，如果換熱器形式選定，則其傳熱單元數(shù)NTU也隨之確定。在對(duì)這類熱交換器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，往往難以快速準(zhǔn)確地確定氣體流速，因?yàn)闅饬髁魉賹?duì)傳熱和壓降存在雙重重要影響。

為了有效解決這個(gè)矛盾，應(yīng)用芯體質(zhì)量流速方法來進(jìn)行熱交換器設(shè)計(jì)：對(duì)一般傳熱表面，柯爾朋傳熱因子j與系數(shù)f之比j/f隨Re數(shù)變化曲線比較平坦，這說明盡管Re數(shù)變化很大，但傳熱表面j/f變化卻不大。j/f 變化小的特點(diǎn)是很有意義，因?yàn)樵谶M(jìn)行熱交換器初始設(shè)計(jì)時(shí)，熱交換器結(jié)構(gòu)未知，因而Re數(shù)未知，導(dǎo)致j無法確定，而這時(shí)可在Re數(shù)的可能流程范圍內(nèi)取一個(gè)j/f平均值，就可相當(dāng)準(zhǔn)確地確定j/f 。一臺(tái)設(shè)計(jì)較好的熱交換器，其表面效率η0應(yīng)在70%～90%之間，因此可取η0=0.8作為第一近似，其它參數(shù)也較容易確定，這樣就可快速確定氣流質(zhì)量流速，為后續(xù)的熱交換器設(shè)計(jì)打下良好基礎(chǔ)。

管內(nèi)流體質(zhì)量流速也可按類似方法分析，迭代過程更為迅速，直接得到熱交換器幾何尺寸。

2 爐墻輻射計(jì)算技術(shù)

文[1]已介紹了爐膛輻射換熱計(jì)算的多種方法，但老方法也在不斷完善中。

2.1 爐墻凸起物增強(qiáng)換熱

在高溫壁面上布設(shè)凸起物的目的就是為了增大高溫壁面表面積，即提高高溫壁面展開度以增強(qiáng)高溫壁面對(duì)物料的熱交換，這樣可以提高高溫壁面對(duì)物料的加熱速度，降低能耗，提高加熱物料質(zhì)量和加熱設(shè)備的產(chǎn)量，這一點(diǎn)已為理論分析和實(shí)踐所證實(shí)[6-9]。但是關(guān)于高溫壁面凸起物增強(qiáng)輻射換熱強(qiáng)度的理論分析和實(shí)踐應(yīng)用，都缺乏定量結(jié)果。

蒙特卡羅法(Monte Carlo Method)是老方法，又稱統(tǒng)計(jì)模擬法，以對(duì)隨機(jī)性問題進(jìn)行仿真為其基本特征，計(jì)算表明[10]，在操作過程中，由于火焰形狀、煙氣流動(dòng)狀況、爐墻及火焰與輻射管的相對(duì)位置、輻射管的排列方式、爐墻的反射等因素影響，輻射管表面熱強(qiáng)度沿爐管圓周和長(zhǎng)度方向上，以及不同爐管之間的表面熱強(qiáng)度都是不均勻的。以某結(jié)構(gòu)為頂燒式箱型爐的在役使用制氫轉(zhuǎn)化爐為模型，計(jì)算分析其輻射室爐管的溫度分布，結(jié)果和標(biāo)定數(shù)值對(duì)比表明，輻射室有效熱負(fù)荷、輻射室熱效率、煙氣出輻射室溫度(隧道平均值)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)標(biāo)定值偏差小于2%，煙氣區(qū)平均溫度的偏差小于5%，蒙特卡羅法是計(jì)算輻射傳熱的一種有效方法。

據(jù)此，選用蒙特卡羅法對(duì)高溫壁面布設(shè)凸起物以增強(qiáng)輻射換熱強(qiáng)度的作用通過換熱數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析計(jì)算，定量計(jì)算了爐膛內(nèi)壁布設(shè)凸起物的排列方式、凸起物高度、凸起物形狀等因素對(duì)增強(qiáng)輻射換熱強(qiáng)度的影響程度。結(jié)果表明[11]：在所討論的條件不變時(shí)，爐壁各表面對(duì)爐底被加熱表面的輻射總交換面積增加量，即在爐膛外型尺寸不改變與同樣的溫度水平的條件下爐膛對(duì)被加熱表面的輻射換熱量增加了相應(yīng)的量。當(dāng)凸起物高度與其橫截面的定型尺寸相當(dāng)時(shí)，增設(shè)內(nèi)壁凸起物的效果最優(yōu)，一方面在該高度下輻射總交換面積的增加幅度較大，若再增加其高度，輻射總交換面積的增加愈來愈不明顯。另一方面，內(nèi)壁凸起物高度過高對(duì)施工、爐膛容積、爐內(nèi)氣流流動(dòng)以及凸起物的使用壽命都有不良影響。計(jì)算結(jié)果還表明，在爐膛高溫壁面上布設(shè)不同形狀的凸起物，對(duì)增強(qiáng)輻射換熱的效果也不相同，對(duì)分別為正方體形柱體和四棱錐體、正三角形柱體和三棱錐體、圓柱體與圓錐體的計(jì)算結(jié)果比較表明，圓柱體凸起物最大，三棱錐體凸起物最小。綜上所述，在爐膛高溫內(nèi)壁布設(shè)凸起物，能夠能夠有效地增加爐膛高溫壁面對(duì)被加熱表面的輻射總交換面積即增加爐膛輻射換熱量，這種增加作用又與爐膛內(nèi)壁黑度、排列方式、凸起物高度以及凸起物形狀有關(guān)，因而在應(yīng)用和設(shè)計(jì)時(shí)需統(tǒng)籌考慮上述諸因素的影響。

加熱爐對(duì)流段爐墻上一般也設(shè)有凸起的煙氣折流塊，目的是改善氣流流態(tài)。

2.2 爐膛輻射換熱計(jì)算簡(jiǎn)化法

文[12]指出，分析計(jì)算輻射管爐內(nèi)輻射換熱的最大困難是求解爐內(nèi)各個(gè)表面(輻射管、工件、爐墻)之間的角系數(shù)。尤其是對(duì)于室式輻射管爐，爐內(nèi)有的爐墻布置有輻射管，而另一些爐墻未布置輻射管，被加熱工件又對(duì)輻射管及爐墻有部分遮擋作用，計(jì)算甚至是不可能的。因此，有必要提出一種計(jì)算輻射管爐內(nèi)輻射換熱的簡(jiǎn)便方法，以滿足大多數(shù)的工程要求。

當(dāng)量連續(xù)灰輻射面法是將輻射管和其緊靠的一側(cè)爐墻的綜合輻射當(dāng)量當(dāng)作一個(gè)連續(xù)輻射面的輻射計(jì)算方法[13]，這樣，輻射管爐內(nèi)輻射管、爐墻及工件間的輻射換熱就簡(jiǎn)化為當(dāng)量連續(xù)灰輻射面、爐墻和工件間的輻射換熱，各表面間的角系數(shù)計(jì)算也就容易得多了。

假想平面法的原理就是將爐膛分成多個(gè)區(qū)域，區(qū)域與區(qū)域之間通過假想平面聯(lián)結(jié)，假想平面的特點(diǎn)是不吸收、不反射，而是透過所有的輻射，并具有漫射性質(zhì)[14]。這樣對(duì)每個(gè)區(qū)域建立能量平衡方程并求解，可得到整個(gè)爐膛的溫度分布。而對(duì)各個(gè)區(qū)域內(nèi)，求解此區(qū)域內(nèi)各個(gè)表面(包括實(shí)際表面和假想平面)的角系數(shù)是很方便的。

以某一連續(xù)輻射管爐為例對(duì)加熱進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明假想平面法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較接近(前者略大于后者)，而當(dāng)量連續(xù)灰輻射面法的計(jì)算結(jié)果則略小于實(shí)際情況。另外，將爐墻與爐頂分開計(jì)算以及將爐墻與爐頂看作是同一溫度爐墻計(jì)算時(shí)，兩種情況下帶鋼出爐溫度幾乎相同。因此，兩種計(jì)算方法的誤差基本相同，而從綜合結(jié)果看，假想面法更為精確些。對(duì)于需要計(jì)算爐墻溫度及爐墻散熱，特別是室式輻射管爐，假想面法是一種簡(jiǎn)便、精確度較高的方法[10]。

3 其它特性計(jì)算技術(shù)

3.1 爐管壓降的模擬

工業(yè)爐爐管壓降的模擬計(jì)算是在已完成了加熱爐傳熱計(jì)算后進(jìn)行，即已初步確定了加熱爐的對(duì)流段和輻射段的爐管排列方式、爐管管徑、長(zhǎng)度和流程數(shù)。Aspen Plus模擬計(jì)算軟件中的Pipe管線模塊是爐管壓降計(jì)算的主要單元，可解決輻射段多段變徑和二相、三相流爐管阻力計(jì)算[15]。

首先打開Pipe模塊，根據(jù)加熱爐爐管排列和各段進(jìn)出口物流繪制Pipe單元模擬流程圖，一般加熱爐都有對(duì)流段和輻射段，對(duì)流段的加熱介質(zhì)往往有多種，如蒸汽或水、分餾塔進(jìn)料油和加熱爐進(jìn)料油等，因此需要繪制幾個(gè)不同介質(zhì)的Pipe模塊，這樣可以通過一次運(yùn)算完成全部加熱爐各段的爐管壓降，以提高運(yùn)算效率。加熱爐進(jìn)料油在對(duì)流段下部加熱后再進(jìn)入輻射段繼續(xù)加熱，因此需要在加熱爐進(jìn)料對(duì)流段模塊后再串聯(lián)輻射段的Pipe模塊。減壓爐輻射段一般都需要經(jīng)過多次擴(kuò)徑，每改變一次管徑即需要增加一個(gè)模塊。有些重質(zhì)原料加熱爐，如焦化加熱爐和潤(rùn)滑油加熱爐，輻射段爐管需要注水蒸汽，此時(shí)需在加熱爐對(duì)流段模塊后增加一個(gè)Mix混合模塊，混入水蒸汽后再串聯(lián)輻射段模塊。

其次打開繪制流程圖中的Pipe模塊進(jìn)入輸入文件的編制，分別輸入各項(xiàng)物流的組成，物流的比重和蒸餾曲線，選用的熱力學(xué)方法，各段進(jìn)口物流的流量、溫度、壓力等操作條件。如果加熱爐對(duì)流段或輻射段爐管排列方式為多程并聯(lián)，爐管壓降只需計(jì)算單程的壓降,因?yàn)槎喑滩⒙?lián)的模塊物流的流量和爐管的當(dāng)量長(zhǎng)度和熱負(fù)荷均需要除以程數(shù)。

目前該方法已成功地應(yīng)用到常壓爐、減壓爐、減粘爐、焦化爐等工業(yè)爐的計(jì)算。

3.2 煙道保溫優(yōu)化設(shè)計(jì)

有學(xué)者開發(fā)了一種適用于流體儲(chǔ)運(yùn)保溫、電力鍋爐及工業(yè)爐窯排煙煙道保溫、矩形工業(yè)爐窯保溫使用的方管保溫優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件[16]。該軟件將Mat lab 7.0數(shù)學(xué)運(yùn)算和圖形繪制功能與VB 6.0界面開發(fā)功能結(jié)合，進(jìn)行VB、Mat lab和Excel混合編程，開發(fā)出方管保溫溫度場(chǎng)仿真計(jì)算軟件，能夠用高斯塞德迭法求解保溫層溫度場(chǎng)分布并分析保溫性能隨其影響因素變化規(guī)律、管內(nèi)流體溫降及散熱損失，最終指導(dǎo)方管保溫層的優(yōu)化設(shè)計(jì)。該軟件結(jié)合有限差分法和焓降法，考慮保溫材料熱導(dǎo)率隨溫度變化及管內(nèi)壁綜合表面?zhèn)鳠釤嶙瑁浖?jì)算與實(shí)際測(cè)量管內(nèi)介質(zhì)出口溫度的誤差小于2.1%。該軟件能完成三維溫度場(chǎng)分布計(jì)算并進(jìn)行管內(nèi)介質(zhì)出口溫度和散熱損失優(yōu)化計(jì)算。

4 結(jié)束語

盡管國(guó)內(nèi)外已開發(fā)出多套加熱型管式爐工藝計(jì)算軟件，由于石油化工市場(chǎng)細(xì)分和資源深加工發(fā)展的需要，加熱爐專業(yè)特性技術(shù)會(huì)不斷細(xì)化和完善中，而智能技術(shù)本身更是當(dāng)今發(fā)展最活躍的技術(shù)，如何把兩者結(jié)合起來當(dāng)前就面臨很多頗具價(jià)值的工程課題。

(1) 長(zhǎng)期以來，加熱爐改進(jìn)技術(shù)研究重點(diǎn)在輻射段，對(duì)流段沒有得到足夠的重視，有必要對(duì)加熱爐對(duì)流段結(jié)構(gòu)特別是段內(nèi)煙氣折流、模塊之間的凈空、模塊內(nèi)爐管層數(shù)、彎頭段的換熱面積利用等與熱效率之間的規(guī)律進(jìn)行更細(xì)致的研究，把潛在的技術(shù)認(rèn)知顯化成技術(shù)創(chuàng)新。還有，助燃空氣每升高20℃，加熱爐熱效率約可提高1%，回收煙氣余熱來加熱助燃空氣的換熱過程是一個(gè)獨(dú)立的預(yù)熱器換熱模型，但是在石化設(shè)備節(jié)能減排技術(shù)發(fā)展背景下，有必要作為提高加熱爐整體熱效率的一個(gè)專題特性進(jìn)行軟件一體化研究。

(2) 與管殼式換熱器等設(shè)備相比，加熱爐爐管粗大，煙氣流速低，故不需要進(jìn)行管束防振工藝計(jì)算。隨著加熱爐的高等級(jí)要求和大型化大負(fù)荷發(fā)展，目前的爐管長(zhǎng)度已達(dá)30 m，管內(nèi)相變或流態(tài)變化是否需要進(jìn)行管內(nèi)流體引起的振動(dòng)工藝計(jì)算等新課題隨之而來。

(3) 隨著云計(jì)算和3D技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)強(qiáng)化新的智能技術(shù)在加熱爐設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，同時(shí)，原有的各種特性分析技術(shù)是否適用及如何修正的研究，也應(yīng)強(qiáng)化加熱爐專業(yè)最新技術(shù)成果如何及時(shí)融合到已普遍應(yīng)用的智能軟件中。

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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

陳孫藝(1965-)，男，廣東化州人，教授級(jí)高級(jí)工程師，工學(xué)博士，1986年畢業(yè)于華南工學(xué)院化工機(jī)械專業(yè)，從事承壓設(shè)備設(shè)計(jì)開發(fā)、制造工藝、失效分析及技術(shù)管理。E-mail：sunyi_chen@sohu.com。