加熱爐換熱工藝特性分析軟件進展

（茂名重力石化機械制造有限公司技術中心， 廣東 茂名 525024）

加熱爐換熱工藝特性分析軟件進展

陳孫藝，許 敏，陳自求，王 玉

（茂名重力石化機械制造有限公司技術中心， 廣東 茂名 525024）

為便于對目前各類化工加熱爐工藝特性設計技術軟件技術進展的了解，通過7個換熱特性專題分析軟件的內容簡介，綜述了特性分析技術軟件在工業爐工藝設計專業的應用，提出了當前加熱爐軟件技術發展中，設備結構和工藝兩者結合發展面臨的3個工程課題，分別是加熱爐預熱段、輻射段和對流段整體一體化、爐管振動計算、新智能技術的引入。

智能技術；軟件；程序；工藝設計；加熱爐；工業爐

石油煉制和化工中需要設置很多加熱爐，20世紀80年代后期我國開始大量采用工業間接式加熱爐，又以管式加熱爐居多，管式爐是石油煉制、石油化工和化學、化纖工業中使用的工藝加熱爐，是石化行業主要耗能設備，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裝置能耗的70%～85%。管式加熱爐的計算是一個多學科的綜合課題，加熱爐工藝設計人員的專業技術經驗十分重要，現在，利用通用的工藝設計計算軟件可以提高復雜設計水平。除計算輻射傳熱的數學模型外，尚須已知燃料的燃燒模型、煙氣的流動模型、管內的過程模型等等[1]，才能計算出爐內的溫度分布，在資料不足而進行簡化時會造成誤差，對細分的各特性專題深入分析研究很有必要。文［2］簡介了18個關于管式加熱爐換熱工藝設計及化工流程模擬軟件，這里就特性專題分析和熱效率評價計算軟件簡介另一些智能技術的應用。

1 氣體橫掠換熱管束計算

1.1 釘頭管束的放熱規律

釘頭管束平均傳熱計算理論已成熟應用，文［3］對其局部放熱規律及強化傳熱機理進行深入的分析研究，實驗在吸入式風洞內進行，采用熱質比擬原理及萘升華技術，即用試件表面某處萘的升華速率來模擬放熱速率。此方法的主要優點是在實驗中不必加熱，因此測量精度較高；在測量局部放熱系數時，不必在測點布置大量的熱電偶，提高了測量的真實性。

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。檢測表明，釘頭與管面上的周向放熱規律相似。放熱系數均在與流速u反向的90°處出現最大值、150°處出現最小值。釘頭與管面上的放熱系數近似相等。釘頭管的總體平均放熱系數約是相應光滑管的約2倍，單位長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，隨著對節能工作的日益重視及制造技術的不斷提高，橢圓管及其他低阻力管形又重新引起了工業界的興趣，一些發達國家開始在中低壓場合下應用橢圓管。文[4]根據熱質比擬原理和萘升華技術，用橢圓萘柱代替橢圓管進行風洞實驗。采用橢圓的等周長當量直徑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表明，對于順排橢圓管束，可認為從第4排開始放熱進入充分發展區。這與順排圓管束的規律基本一致。管束的橫向放熱特性檢測表明，當一排爐管中的管數較多時，可以忽略側壁邊界層的影響。在進行深層管的放熱實驗時，總是把萘柱放在中間位置，以保證脫離側壁的影響。在實驗的Reynold數范圍內，順排橢圓管管束的放熱系數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于相應的叉排橢圓管束、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，則進入放熱穩定區。

關于順排橢圓管管束的阻力特性、管束的平均阻力系數。管束的綜合性能比較表明，對于換熱設備，僅從換熱系數的高低或阻力的大小來確定其優劣程度，是片面和不合理的。應采用綜合指標作為判據。其考慮方法是，當換熱量及消耗動力相同時，比較兩種管束的體積；換言之，當體積及消耗動力相同時，比較兩種管束的換熱量大小。順排橢圓管束的綜合性能優于相應的其他管束；且隨著Re的增加，優越性更加顯著。在計算順排橢圓管管束每排的平均阻力時，當排數大于13時，可以忽略排數的影響。因此，在高速操作的換熱設備中使用順排橢圓管管束，能夠收到節能降耗或節材的良好效果。但是在工程實際中，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 圓管管束的質量流速

文[5]對氣體橫掠換熱管束最佳質量流速的快速確定進行了研究。氣流橫掠管束，一般有三種結構：(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較小，故在氣液換熱時，為降低氣體側熱阻，經常采用后兩種形式。

對熱交換器設計問題，一般已知熱、冷流體進、出口溫度和流量(或要求達到換熱效率)，如果換熱器形式選定，則其傳熱單元數NTU也隨之確定。在對這類熱交換器進行設計計算時，往往難以快速準確地確定氣體流速，因為氣流流速對傳熱和壓降存在雙重重要影響。

為了有效解決這個矛盾，應用芯體質量流速方法來進行熱交換器設計：對一般傳熱表面，柯爾朋傳熱因子j與系數f之比j/f隨Re數變化曲線比較平坦，這說明盡管Re數變化很大，但傳熱表面j/f變化卻不大。j/f 變化小的特點是很有意義，因為在進行熱交換器初始設計時，熱交換器結構未知，因而Re數未知，導致j無法確定，而這時可在Re數的可能流程范圍內取一個j/f平均值，就可相當準確地確定j/f 。一臺設計較好的熱交換器，其表面效率η0應在70%～90%之間，因此可取η0=0.8作為第一近似，其它參數也較容易確定，這樣就可快速確定氣流質量流速，為后續的熱交換器設計打下良好基礎。

管內流體質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 爐墻輻射計算技術

文[1]已介紹了爐膛輻射換熱計算的多種方法，但老方法也在不斷完善中。

2.1 爐墻凸起物增強換熱

在高溫壁面上布設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高溫壁面對物料的熱交換，這樣可以提高高溫壁面對物料的加熱速度，降低能耗，提高加熱物料質量和加熱設備的產量，這一點已為理論分析和實踐所證實[6-9]。但是關于高溫壁面凸起物增強輻射換熱強度的理論分析和實踐應用，都缺乏定量結果。

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

據此，選用蒙特卡羅法對高溫壁面布設凸起物以增強輻射換熱強度的作用通過換熱數學模型進行了分析計算，定量計算了爐膛內壁布設凸起物的排列方式、凸起物高度、凸起物形狀等因素對增強輻射換熱強度的影響程度。結果表明[11]：在所討論的條件不變時，爐壁各表面對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被加熱表面的輻射換熱量增加了相應的量。當凸起物高度與其橫截面的定型尺寸相當時，增設內壁凸起物的效果最優，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，內壁凸起物高度過高對施工、爐膛容積、爐內氣流流動以及凸起物的使用壽命都有不良影響。計算結果還表明，在爐膛高溫壁面上布設不同形狀的凸起物，對增強輻射換熱的效果也不相同，對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算結果比較表明，圓柱體凸起物最大，三棱錐體凸起物最小。綜上所述，在爐膛高溫內壁布設凸起物，能夠能夠有效地增加爐膛高溫壁面對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壁黑度、排列方式、凸起物高度以及凸起物形狀有關，因而在應用和設計時需統籌考慮上述諸因素的影響。

加熱爐對流段爐墻上一般也設有凸起的煙氣折流塊，目的是改善氣流流態。

2.2 爐膛輻射換熱計算簡化法

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

當量連續灰輻射面法是將輻射管和其緊靠的一側爐墻的綜合輻射當量當作一個連續輻射面的輻射計算方法[13]，這樣，輻射管爐內輻射管、爐墻及工件間的輻射換熱就簡化為當量連續灰輻射面、爐墻和工件間的輻射換熱，各表面間的角系數計算也就容易得多了。

假想平面法的原理就是將爐膛分成多個區域，區域與區域之間通過假想平面聯結，假想平面的特點是不吸收、不反射，而是透過所有的輻射，并具有漫射性質[14]。這樣對每個區域建立能量平衡方程并求解，可得到整個爐膛的溫度分布。而對各個區域內，求解此區域內各個表面(包括實際表面和假想平面)的角系數是很方便的。

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

3 其它特性計算技術

3.1 爐管壓降的模擬

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

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

其次打開繪制流程圖中的Pipe模塊進入輸入文件的編制，分別輸入各項物流的組成，物流的比重和蒸餾曲線，選用的熱力學方法，各段進口物流的流量、溫度、壓力等操作條件。如果加熱爐對流段或輻射段爐管排列方式為多程并聯，爐管壓降只需計算單程的壓降,因為多程并聯的模塊物流的流量和爐管的當量長度和熱負荷均需要除以程數。

目前該方法已成功地應用到常壓爐、減壓爐、減粘爐、焦化爐等工業爐的計算。

3.2 煙道保溫優化設計

有學者開發了一種適用于流體儲運保溫、電力鍋爐及工業爐窯排煙煙道保溫、矩形工業爐窯保溫使用的方管保溫優化設計軟件[16]。該軟件將Mat lab 7.0數學運算和圖形繪制功能與VB 6.0界面開發功能結合，進行VB、Mat lab和Excel混合編程，開發出方管保溫溫度場仿真計算軟件，能夠用高斯塞德迭法求解保溫層溫度場分布并分析保溫性能隨其影響因素變化規律、管內流體溫降及散熱損失，最終指導方管保溫層的優化設計。該軟件結合有限差分法和焓降法，考慮保溫材料熱導率隨溫度變化及管內壁綜合表面傳熱熱阻，軟件計算與實際測量管內介質出口溫度的誤差小于2.1%。該軟件能完成三維溫度場分布計算并進行管內介質出口溫度和散熱損失優化計算。

4 結束語

盡管國內外已開發出多套加熱型管式爐工藝計算軟件，由于石油化工市場細分和資源深加工發展的需要，加熱爐專業特性技術會不斷細化和完善中，而智能技術本身更是當今發展最活躍的技術，如何把兩者結合起來當前就面臨很多頗具價值的工程課題。

(1) 長期以來，加熱爐改進技術研究重點在輻射段，對流段沒有得到足夠的重視，有必要對加熱爐對流段結構特別是段內煙氣折流、模塊之間的凈空、模塊內爐管層數、彎頭段的換熱面積利用等與熱效率之間的規律進行更細致的研究，把潛在的技術認知顯化成技術創新。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獨立的預熱器換熱模型，但是在石化設備節能減排技術發展背景下，有必要作為提高加熱爐整體熱效率的一個專題特性進行軟件一體化研究。

(2) 與管殼式換熱器等設備相比，加熱爐爐管粗大，煙氣流速低，故不需要進行管束防振工藝計算。隨著加熱爐的高等級要求和大型化大負荷發展，目前的爐管長度已達30 m，管內相變或流態變化是否需要進行管內流體引起的振動工藝計算等新課題隨之而來。

(3) 隨著云計算和3D技術的發展，應強化新的智能技術在加熱爐設計中的應用，同時，原有的各種特性分析技術是否適用及如何修正的研究，也應強化加熱爐專業最新技術成果如何及時融合到已普遍應用的智能軟件中。

［1］錢家麟．管式加熱爐[M].北京：中國石化出版社，2007：42;396-397;412.

［2］陳孫藝，陳斯紅，王玉.加熱爐換熱工藝設計技術軟件進展[J].化學工程，2014，34(1)：141-144.

［3］李慶領，竇世山，李愛菊.橫掠釘頭管對流換熱的實驗研究[J].化工機械，1999，26(1)：10-12;61.

［4］李慶領，張淑華.順排橢圓管束的對流換熱及流阻特性[J].化工機械，1997，24(4)：187-190;227.

［5］龍杰，嚴衛平，游立新.氣體橫掠換熱管束最佳質量流速的快速確定[J].能源研究與利用，1997(3)：10-21.

［6］陳鴻復，等.冶金爐熱工與構造[M]..北京：冶金工業出版社，1990.

［7］秦玉琨，等.爐內傳熱[M].北京：機械工業出版社，1981.

［8］粵梅.內壁多凸起加熱爐[J].冶金能源，1991，10(4)：38-41.

［9］沈永.內壁多凸起加熱爐[J].工業爐，1991，13(4)：27-30.

［10］陳彥澤，楊向平.用蒙特卡羅法計算制氫轉化爐輻射室溫度分布[J].化學工業與工程技術，2003，24(1)：11-14.

［11］李義科，任雁秋，武文斐，等.高溫壁面凸起物對增強輻射換熱的分析與計算[J].包頭鋼鐵學院學報，1998，17(4)：313-318.

［12］韓小良.輻射管爐爐膛輻射換熱計算方法[J].工業爐，2000，22(1)：55-59.

［13］韓小良，鮑戟.北京科技大學學報[J].1993(4)：353-357.

［14］A Charette, et al. [J].Int. J. Heat Mass Transfer, 1990, 33(12), 2671-2681.

［15］徐德紅，袁保同，徐俊.管式加熱爐爐管壓降的模擬優化設計[J].石油化工設計，2005，22(2)：45-47.

［16］艾振宙，姜昌偉.管道保溫傳熱計算軟件系統[J].，管道技術與設備，2010(4)：6-9;12.

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，教授級高級工程師，工學博士，1986年畢業于華南工學院化工機械專業，從事承壓設備設計開發、制造工藝、失效分析及技術管理。E-mail：sunyi_chen@sohu.com。