1.加热炉工艺计算软件FRNC5使用入门

1.F RNC-5软件的引进与使用概况

中石化集团公司下属的若干设计院（石化工程公司）从1997年开始引进了多套美国PFR公司的通用加热炉工艺计算软件FRNC-5。此软件在加热炉工艺计算中得到很好的应用，发挥了重大作用。

美国PFR公司全称为PFR工程系统公司（PFR Engineering System，Inc ）。公司设在美国洛杉矶，创建于1972年1月，从事热力学系统设计分析和人员培训。该公司的软件产品拥有六十多个用户，遍布六大洲的十五个以上的国家。其中FRNC-5PC软件有二十年以上的使用经验。

本软件可以优化加热炉设计，并可对现有加热炉进行操作分析、加强管理，是一个较为优秀的软件。

2.F RNC-5软件功能与特点

2．1 软件应用范围

本程序可用于炼油、石油化工及热电联合等装置中大多数火焰加热炉及水管锅炉的性能模拟及效率预测。程序采用经过证明了的技术，通过综合迭代，将工艺物流模拟、传热和压力降计算等过程组合在一起。

程序沿物流及烟气流程，逐个管组逐个炉段严格迭代求解，能精确确定加热炉的工艺参数。计算中还指明不利操作状态，如发出炉膛正压、管壁和扩面元件超温、超临界流动以及酸露点腐蚀等警告信息。

程序会算出与显示加热炉的以下工艺参数或不利操作状态：

（1）加热炉总热负荷、总热效率，辐射室热负荷

（2）辐射室出口温度（桥墙温度）与烟囱入口处温度

（3）辐射和对流热强度的均值和峰值

（4）辐射段遮蔽段和对流段中所有管组的管壁金属温度和翅片尖端温度的峰值和均值（5）两相流流型及沸腾状态的确定

（6）管内两相流的传热和压降

（7）管外传热和阻力

（8）“阻塞”、“干锅”或“冷端”腐蚀的可能性

2．2 适用的加热炉类型

（1）常减压装置加热炉

（2）铂重整、铂铼重整和强化重整等装置加热炉

（3）重沸炉和过热炉

（4）一氧化碳加热炉和锅炉

（5）脱硫装置原料预热炉

（6）焦化炉和减粘加热炉

（7）润滑油蒸馏和蜡油加热炉

（8）煤炭液化加热炉

（9）螺旋管加热炉

（10）蒸汽发生器

（11）余热锅炉

本软件不适用于制氢、合成氨、甲醇等工艺装置的转化炉。

2．3 本软件的主要用途

（1）进行新、旧加热炉的模拟设计计算（实际是核算，即需先输入加热炉结构数据，才可运行）

（2）评价设计方案（可进行多种工况计算结果的比较）

（3）评价操作数据，改进工艺操作

（4）对现有加热炉存在问题进行分析，以消除瓶颈

（5）对诸如加热炉的“串联”、增加空气预热器或增加热回收管组等节能方案进行分析。

（6）预测改变进料组分、注汽或改变燃料类型的影响

（7）对工程师及操作人员进行火焰加热炉基础知识培训

（8）建立过程控制的模拟模型

（9）连续监测工艺流程，确定结垢或结焦程度

本软件非常适合于研究调整工艺方案的可行性并确定这些调整是怎样影响加热炉系统的各个方面的。

2．4 本软件的特点

（1）本软件由于其通用的建模体系，几乎可以模拟任何燃烧加热系统。比如，系统可以包括1到5个辐射室（炉膛），多达20个串联或并联的对流室或烟道（在6.5版，仅限于5个），多达89个单独的管组（在6.5版，仅限于35个），可引进或引出一部分烟气，等等。

本软件采用模块化方法来描述加热炉的工艺过程。软件将加热炉分成炉段模块、管组模块、炉管模块、物流模块、燃烧模块、燃料模块等。

A．炉段（加热段）模块

炉段模块指容纳烟气的空间，包括辐射室、对流室、烟囱等。在辐射室和对流室模块中，通过按一定次序对特定管组模块的引用，可描述各种复杂的排管形式。

B．管组模块

管组模块表示一组具有相同特点的管束。它被炉段模块所引用，同时，它引用炉管模块与物流模块。

C．炉管模块

炉管模块指具有特定材质、扩面形式和几何尺寸的单根炉管。同一个炉管模块可以被不同的管组模块所引用。

D．物流模块

物流模块被管组模块所引用。

E．燃烧模块

燃烧模块与辐射室相对应。燃烧模块定义了燃烧发热量、燃料种类等。

F．燃料模块

燃料模块被燃烧模块所引用。

正因为采用了这种模块化的组合，才能简化数据的输入，才能适应各种复杂的炉型。软件采用自由或固定格式输入均可。一般情况下，通过多级屏幕菜单的形式，在（英文）文字或图象提示下，输入原始数据。当希望更改某些输入数据时，在屏幕菜单下，或在数据文件中修改，均十分方便。

一个加热炉的数据输入后将其保存，文件后缀为fn5 。在此文件中，所有重要的结构、工艺及燃烧数据均用“关键词”格式来储存。比如，用关键词PROCESS 来引导一组工艺条件数据，用关键词FIREBOX来引导一组辐射室结构参数。

当希望更改某些输入数据时，在屏幕菜单下，或在数据文件中修改，均十分方便。

（2）本软件实际上是一个加热炉工艺核算软件。它需要预先输入加热炉结构数据，才可运行。

3 计算的输入与输出

3．1 计算数据输入

在准备好原始条件后，先要预先规划本加热炉的炉段设置、各炉段内管组设置与结构尺寸、炉管尺寸等，并画出计算简图。

要对加热炉进行全面模拟，需输入下列数据：

辐射室结构数据

对流室结构数据

烟囱尺寸

管组描述

炉管尺寸

工艺物流条件

燃烧条件

燃料组分

工艺物流物性数据

其它数据（可根据需要加以选择）

3．2 计算过程的若干问题

（1）工艺物流进出口条件（温度、压力等）一般均需输入，但固定哪一端，可有下列几种情况：

A．物流进出口条件仅固定一端（注意，必须固定一端，且对于大多数情况而言，宜固定辐射室工艺物流出口端条件），同时输入此物流的热

负荷，则程序将算出另一端的参数；

当工艺物性采用本软件所包含的“BPASE”自动生成物性网格时，尽管采用固定一端的计算方式，但非固定端的条件也是必须输入的。这关系到

物性网格生成范围的大小。

B．物流进出口条件均固定，未输入此物流的热负荷，则程序自动算出热负荷；

C．物流进出口条件均固定，又输入了此物流的热负荷，则程序将算出的热负荷与输入的物流热负荷比较，误差大于1%时，程序将报告。

（2）上述情况下，热负荷是确定的。另外还有一种模拟计算方法，即给出燃料量（或燃料总发热量），则程序计算吸热量、每个工艺物流的出入口与中间

条件以及加热炉内各部位的状态参数。

（3）对于多种工艺物流加热的炉子，只能对一种主要工艺物流固定热负荷。

（4）建立一个加热炉模型所需要的时间取决于加热炉的复杂程度和计算者的经验。从基本数据开始，建立一个加热炉模型大约需要8—24小时，而求解

可在几分钟之内完成。

（5）欲将输入完毕（或修改过）的某加热炉数据进行模拟计算运行，先要存盘，再点“RUN”键。程序会要求操作者键入（或确认与上次相同的）输出文

件名，后缀为out。运行开始时，一般情况下会询问是否将自动生成的物性

网格存至某个文件。

（6）如果数据输入不完全，或有错，程序将在输出文件中空缺计算结果，或者显示不正确的结果。此时，可检查输入数据，或根据输出文件中的错误分

析信息，查找错误。

（7）计算中，对已有的数据平台进行更改是非常迅速的。比如，如欲改变热负荷，只需要相应地对“PROCESS”输入数据中的热负荷修改一下即可。又

如，工艺物流组成发生变化，只需改变“STREAM”中的数据即可。其它

有关结构数据的改变亦然。

3．3 计算结果输出

以下列出了计算结果的主要输出项目。

应先在屏幕上检查第（1）（2）项的数据，以确保输入数据的正确性。在屏幕上确认计算数据基本正确后，再行打印。

（1）输入数据影象输出原封不动的地输出输入数据，各部分以关键词开头

（2）输入数据编排输出分块输出并解释各部分数据

（3）物性网格输出输出若干压力下各温度点的物性

（4）最终的总体结果输出加热炉总体状态参数，包括：

总热负荷，总燃烧发热量，辐射段热负荷占总热负荷的百分率，炉热效率，烟囱入口处温度，各辐射室燃烧发热量与桥墙温度，各工艺物流热负荷，出入口

状态和压力降

（5）烟气侧数据包括：

流过各加热段的烟气流量温度、负压和压力降，对流段和烟囱的烟气质量流速，各加热段的热负荷与散热损失

（6）管组内数据各管组内物流的工艺数据，包括：

各管组的热负荷，出入口端管内介质的温度、压力、热焓、汽化率、流速、临界流速、雷诺数、流型和沸型，出入口端的内外膜和总传热系数，管内外焦垢

热阻，辐射对流和总传热系数的平均值和峰值，出入口端的油膜、管内壁管外壁

管壁平均管外垢层外表面和扩面材料末端的温度平均值和峰值

（7）管组几何信息（结构数据）管组及炉管结构数据的汇总，包括：根据API RP530计算的最小管壁平均厚度，按API 560考虑的最小腐蚀余量、最小推荐壁厚、尺寸与表面积

在输出本组数据前，有一段文字，其中文意思是：

“需要厚度（REQ.THK）为API530定义的平均壁厚，指无缝管且没有考虑重量应力或压力/温度的交变荷载。设计寿命100000小时。REQ.THK包括API560

推荐采用的最小腐蚀裕量在内。如果计算的REQ.THK低于API530的下限，则打

印此下限值。转油线、非钢管以及材料代号没有输入的钢管打印0值。设计时不

要采用此厚度，因为程序中使用的许用应力可能仅仅是外推后的近似值。此厚度

仅供参考。”

（8）炉管内数据沿每种物流的流程，依次表示(一个管程)每根炉管内的重要工艺数据（一个流程最多表示前50根炉管，在6.5版，仅为20

根），包括：

每根炉管管内介质的温度、压力、汽化率和线速，每根炉管内膜传热系数，

油膜、管壁平均和管壁外表面峰值温度，平均和峰值热强度，管内介质流型、

沸型和相对结焦速率

（9）燃料数据输出各种燃料的低热值，燃料用量等

（10）燃烧数据输出各个炉膛（辐射段）的燃烧发热量，空气用量，烟气量，烟气温度，烟气组分，平均分子量，水露点，酸露点等（11）炉膛正压、管壁和扩面元件超温、超临界流动以及露点腐蚀等重要警告信息

4 软件评价

4．1 本软件具有很强的炉型适应性，便于比较与选择

软件适用于单一或多个辐射室、对流室、烟道和烟囱的各种布置形式，可以有一系列并联或串联的对流室；辐射室与对流室之间、对流室与对流室之间可以通过一系列并联或串联的烟道连接；对流室和烟囱可以顶置或底置。这种灵活性，在国内软件中还是不多见的。这主要因为本软件通过对加热炉各部分的功能进行模块化分解，然后通过模块的组合实现加热炉各部分功能的组合。

以往国内软件大多直接从炉型出发对加热炉的功能进行分解，一旦炉型考虑不周或出现新炉型则难以适应。

软件对于各种复杂炉型计算的灵活性，为加热炉设计中的炉型选择、炉型综合甚至炉型创新提供了更大的想象空间，可以设计出更加经济合理和安全适用的炉型。这一点在大型加热炉的设计中尤其显得重要。

4．2 本软件具有很强的排管适应性，使管排设计更为合理先进

软件适用于单一或多种介质在加热炉内的各种流程。

加热炉设计的传统做法是，根据管内介质流速经验数据，确定管程数和炉管外径与壁厚；根据平均热强度经验数据确定管排面积；最后根据管内介质压降限制和炉管壁厚要求进行调整。其结果比较粗糙，不够经济。本软件可计算出每根炉管的内外工艺参数以及根据API RP530计算的各管组所需最小管壁平均厚度等结构参数。设计者可据此合理选择各加热段的管程和排管面积以及每根炉管的材质、外径与壁厚，采用合理的排烟温度以避免低温腐蚀等。

4．3 本软件采用了较为先进的计算方法

本软件对传统的辐射段Lobe-Evans 方法进行了改进，将原方法中烟气对整个冷平面的辐射传热计算细化为对每个管单元的辐射传热计算；并假设了一个烟气辐射温度用于辐射传热计算，而桥墙温度用于辐射热平衡计算。此方法的桥墙温度更接近于现场标定值。

软件在内膜传热、管内压降、流型判别等方面所做的工作，无论从深度还是从广度上，都是国内大多数软件难以相比的。

4．4 本软件具有较完善的物性库

物性库中包括70种常用标准组份、用沸点和比重表示的拟组份以及用蒸馏数据表示的未定义碳氢混合物等，基本上能满足石油化工管式炉的要求。本软件还可直接输入试验数据物性网格。

4．5 本软件具有十分全面的输出信息

软件除全面提供加热炉总体和局部的设计指标、炉中各部位烟气状态、管内各部位介质状态以及传热元件工作状态等信息外，还提供炉膛正压、管壁和扩面元件超温、超临界流动以及露点腐蚀等警告信息。

4．6本软件具有十分友好的用户界面

软件通过图象屏幕界面，采用多级屏幕菜单的形式输入原始数据。所有数据项都

有图形提示或在线帮助。输出文件中包括全面的错误分析信息，便于用户查找输入数据中的错误。

5．软件的应用案例

（1）南京炼油厂30万吨/年汽油加氢装置炉前混氢加热炉F-201，辐射-对流型圆筒炉，热负荷3.49 MW (300 ×10 4 kcal / h)。加热介质: 氢气与焦化汽油（体积比500：1 ）。

以燃料气作为燃料。

1995年设计时，曾用手工进行了工艺计算。后使用本软件计算时，工艺物流中的氢气性质采用软件所含物性库数据（仅标明序号与流量即可）；而焦化汽油需输入平衡蒸发数据。

与手工计算数据进行比较，这次计算所得数据与原手算的结果基本一致。得到的大量状态数据是手算望尘莫及的。

（2）金桐化学工业有限公司7．5万吨/年烷基苯装置脱氢进料加热炉F-302，纯辐射型圆筒炉，热负荷1.74 MW (150 ×10 4 kcal / h)。工艺物流为含氢的多组份气体。以渣油为燃料。

计算时输入工艺物流的多种组份，均可与物性库内组份相对应（仅标明各组份的对应序号与流量即可）。

（3）金桐化学工业有限公司7．5万吨/年烷基苯装置再沸器油加热炉F-501，双辐射室卧管立式炉（辐射-对流管均为卧管），热负荷33.06 MW (2840×10 4 kcal / h)。加热介质: 道生油A 。以渣油为燃料。

本炉对流段设15排炉管还是17排炉管，计算中作了比较。结果显示，设15排炉管时的排烟温度比设17排炉管时要高15℃左右。最后考虑下游的蒸汽发生器需要保证一定的产汽量，故设15排炉管为好。

工艺物流原始数据输入的准确性很重要。它关系到炉子有效热负荷的准确，继而影响到其它所有计算结果数据的差异。当热负荷相差较大时，就会使计算结果不正确。

本炉计算输入工艺物流原始数据时，采用了三种方法：

①采用烷基苯厂对实际操作采样的道生油A进行恩氏蒸馏数据。

②考虑到现场的恩氏蒸馏数据可能有一定误差，换用输入道生油A的若干性质（常规沸点、比重与分子量），这就是软件中设置的输入“拟组份”性质的方式。

③因为道生油A是由73．5 ％（重量）联苯醚和26．5 ％（重量）的联苯组成，所以输入两种“拟组份”物料各自的性质和流量。

采用这三种方法的计算结果一致，误差极小。

（4）南京炼油厂500万吨/年常减压蒸馏装置常压炉F-101，双辐射室立管立式炉，设计热负荷46 ．5MW (4000×10 4 kcal / h)。加热介质: 常压塔进料以及少量蒸汽。以渣油为主要燃料。

这个计算是为炼油厂第三套常减压车间提出的一个课题而进行的。常压炉开工以后，由于进料量经常增大以及温升的增大，也由于炉管积灰日益加重，炉膛温度和出对流烟气温度上升。车间管理人员提出，炉膛温度由原设计的790℃提高到850℃，从工艺参数到材料、结构方面考虑，是否允许？

现场管理人员主要考虑炉子的材料、结构是否耐受得住较高温度。

介入这个加热炉操作管理的课题后，我们认为：炉子的结构主要服从于工艺的需要；炉子的选材依赖于工艺参数。对于炉体尺寸与排管结构已经定型了的常压炉，第一步可以通过

FRNC-5工艺计算软件进行炉子运行状况的模拟计算，以确定：

①在多大的进料量以及其它因素的影响下，炉膛温度上升至850℃。确定这些影响因素后，再去考虑高温区材料的耐受度问题；

②炉管（主要是辐射炉管）表面热强度，应使其不超过常规的控制值；

③炉管壁温，炉管最高壁温不应超过炉管金属允许的长期操作温度；

④出对流的排烟温度，此温度决定进入下游的热管式预热器的烟温。

在进行模拟计算之前，收集了现场操作数据。

根据2000年10月23日操作数据，整理成当日原料油品的TBP（实沸点蒸馏）数据（计算中作为一种物料的原始数据）；又将当日的其它操作数据（如流量、物料温度等）代入，并代入不同的炉管结垢热阻数值进行试算，当火墙温度（即辐射转对流烟气温度）以及排烟温度与当日记录数据相同时，即可认定这是操作了一年半后的炉管结垢热阻数值。

因为炉管外侧结垢热阻数值对于炉膛温度与排烟温度的计算影响很大，所以确定了它才能进行后面的模拟计算。

接着，输入不同的油品、流量、过剩空气系数、管内管外结垢热阻等数据，进行了若干种油品、多种工况（包括相同工况下考虑个别数据的微小差别）的模拟计算。

因为有一种主物流（油品）和两种副物流（蒸汽），所以将主物流出入口端条件固定，让软件计算出油品的热负荷，而副物流仅固定入口条件。

计算得出的结果表明：

①当时常压炉的辐射管管外结垢热阻约为0.004 m2·K/W，对流管管外结垢热阻约为

0.02~0.022 m2·K/W。对流管管外结垢较为严重，这与车间人员实际观察是一致的；

②原设计油品流量520t/h，热负荷46.5MW。对于现在这种混炼油品，进料量达到600t/h，加热幅度也比原设计增大，过剩空气系数1.35，那么，热负荷达55.5MW，即比原设计增加20%，火墙温度达840℃。如果管外结垢热阻进一步增加，火墙温度还会进一步上升；

③火墙温度上升达到840~850℃时，辐射段炉管平均表面热强度不会超过最大允许值；

④火墙温度上升达到840~850℃时，炉管最高壁温不会超过炉管金属允许的长期操作温度；

⑤由于处理量的加大以及结垢较重，在进料量达到600t/h或热负荷达到56 MW时，常压炉排烟温度会比原设计增加约90~100℃。这就使得常压炉与减压炉排烟混合后进入热管空气预热器的温度不符合要求，必须采取相应措施。

通过这个软件的计算，对常压炉的操作现状进行了定性、定量分析，再考虑到工艺和结构方面的诸多因素，认为此常压炉提温操作是可能的，但要注意若干问题，采取一定的防范对策。这个课题的研究为一线生产的决策提供了有力的依据。

本计算是一个分析操作现状、监测结垢系数，并且根据生产实践提出的改变工艺条件的要求，卓有成效地改进与优化加热炉操作、提高装置生产能力的实例。