FRNC-5PC軟件在原油穩(wěn)定加熱爐改造設(shè)計(jì)的應(yīng)用

李澤龍，李悅原

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，江蘇徐州221116；2.大慶華凱石油化工設(shè)計(jì)工程有限公司，黑龍江大慶163711）

FRNC-5PC軟件在原油穩(wěn)定加熱爐改造設(shè)計(jì)的應(yīng)用

李澤龍1，李悅原2

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，江蘇徐州221116；2.大慶華凱石油化工設(shè)計(jì)工程有限公司，黑龍江大慶163711）

大慶某公司油氣廠為適應(yīng)新增原油加工能力的要求，消除因原油穩(wěn)定加熱爐爐管超設(shè)計(jì)壽命帶來(lái)的安全隱患，對(duì)一套原油穩(wěn)定裝置進(jìn)行消除瓶頸和安全隱患的技術(shù)改造。在加熱爐的改造設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了FRNC-5PC軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，加熱爐各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。

原油穩(wěn)定裝置；原油穩(wěn)定加熱爐；FRNC-5PC

大慶某公司油氣廠為適應(yīng)新增原油加工任務(wù)的要求，并消除因原油穩(wěn)定加熱爐爐管超設(shè)計(jì)壽命帶來(lái)的安全隱患，對(duì)一套原油穩(wěn)定裝置進(jìn)行消除瓶頸和安全隱患的技術(shù)改造。在加熱爐的改造設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了FRNC-5PC軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，在模擬計(jì)算基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的加熱爐負(fù)荷滿足該廠原油加工要求，加熱爐各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

1 原始數(shù)據(jù)

1.1 原料來(lái)源及性質(zhì)

大慶某公司油氣廠原油數(shù)據(jù)見表1、表2。

1.2 燃料氣數(shù)據(jù)

加熱爐燃料氣主要來(lái)源是自原油穩(wěn)定塔頂氣輕烴回收裝置來(lái)干燃料氣（壓力：0.5~0.6 MPaG，溫度：≤40℃）和外管網(wǎng)來(lái)的天然氣（慶葡站輸氣壓力0.5~0.6 MPaG），燃料氣組成分別見表3、表4。

表1 穩(wěn)前原油實(shí)沸點(diǎn)蒸餾數(shù)據(jù)

表2 穩(wěn)前原油物理數(shù)據(jù)

表3 干燃料氣組成

表4 天然氣組分（宋一聯(lián)至慶葡站輸氣管道）

1.3 計(jì)算熱負(fù)荷及進(jìn)出口條件

根據(jù)油氣處理廠的原油產(chǎn)能規(guī)劃，以及現(xiàn)有市場(chǎng)需求，原油穩(wěn)定裝置處理量按300 t/h考慮，操作彈性70%～110%。根據(jù)工藝流程模擬計(jì)算結(jié)果：原油加熱爐進(jìn)口溫度180℃，出口溫度220℃；進(jìn)口壓力300 kPaG，出口壓力150 kPaG，加熱爐計(jì)算熱負(fù)荷9.826 MW，加熱爐設(shè)計(jì)熱負(fù)荷11.2 MW。

1.4 爐管管程數(shù)

設(shè)計(jì)將原油分為兩路進(jìn)入加熱爐，每路設(shè)有流量計(jì)及自控調(diào)節(jié)閥，容易實(shí)現(xiàn)原油均勻流動(dòng)，使加熱爐運(yùn)行效果更佳。

1.5 爐體結(jié)構(gòu)

加熱爐根據(jù)熱負(fù)荷范圍采用圓筒形,爐管沿爐墻單排敷設(shè)。

2 原穩(wěn)加熱爐設(shè)計(jì)

2.1 原穩(wěn)加熱爐設(shè)計(jì)思路

參考同類原穩(wěn)加熱爐基本結(jié)構(gòu)，換熱升溫后原油首先進(jìn)入加熱爐對(duì)流室加熱，再經(jīng)轉(zhuǎn)油線進(jìn)入輻射室繼續(xù)加熱升溫達(dá)到指標(biāo)后，經(jīng)爐外轉(zhuǎn)油線進(jìn)入原油穩(wěn)定塔進(jìn)行分餾或閃蒸，滿足加工要求；在輻射室燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣向輻射室爐管釋放輻射熱量后，煙氣進(jìn)入對(duì)流室，依次與原油、助燃空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，最后經(jīng)煙囪排入大氣。

2.2 原穩(wěn)加熱爐FRNC-5PC計(jì)算

FRNC-5PC是由PFR公司開發(fā)的加熱爐專業(yè)模擬軟件，采用分段（Stepwise）的傳熱與壓降計(jì)算方法進(jìn)行換熱工藝流程模擬，廣泛用于加熱爐的設(shè)計(jì)。FRNC-5屬于校核型軟件，需要用戶先給出爐子布置方案，然后對(duì)此方案進(jìn)行校核，判斷該方案是否合適，不合適則需根據(jù)校核結(jié)果修改方案，再次計(jì)算直至合格為止。對(duì)于初步確定輻射爐管的擴(kuò)徑方案，設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)就顯得尤為重要[1]。根據(jù)加熱爐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和多次調(diào)試修改加熱爐尺寸，確定上表加熱爐數(shù)據(jù)，加熱爐計(jì)算結(jié)果略。

加熱爐系統(tǒng)更新改造后數(shù)據(jù)見表5，爐體結(jié)構(gòu)見圖1。

表5 加熱爐工藝設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)

2.3 原穩(wěn)加熱爐FRNC-5PC模擬計(jì)算結(jié)果分析

（1）熱負(fù)荷：該原穩(wěn)加熱爐計(jì)算熱負(fù)荷為9.83 MW，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為11.2 MW，為計(jì)算熱負(fù)荷的114%，規(guī)范要求為110%[2]，滿足要求。

（2）輻射管平均表面熱強(qiáng)度：該原穩(wěn)加熱爐輻射管平均表面熱強(qiáng)度為25~25.5 kW/m2，規(guī)范要求為22~28 kW/m2，滿足要求。

圖1 原穩(wěn)加熱爐F-101總圖

（3）輻射管質(zhì)量流速：該原穩(wěn)加熱爐輻射管質(zhì)量流速1 339.1 kg/（m2·s），規(guī)范要求為1 290~2 400 kg/（m2·s），滿足要求。

（4）輻射段體積熱強(qiáng)度：該原穩(wěn)加熱爐輻射段體積熱強(qiáng)度為51.75 kW/m3，規(guī)范要求為不大于125~ 165 kW/m3，滿足要求。

（5）熱效率：該原穩(wěn)加熱爐熱效率為92%，規(guī)范要求為不小于90%，滿足要求。

（6）輻射段煙氣出口溫度：該原穩(wěn)加熱爐輻射段煙氣出口溫度為760℃，一般加熱爐爐膛煙氣出口溫度為不大于850℃[3]，滿足要求。

（7）熱負(fù)荷分配：該原穩(wěn)加熱爐輻射室70.8%，規(guī)范要求輻射室為70%~80%，滿足要求。

（8）爐管流型：對(duì)流爐管為分散氣泡流，輻射爐管為環(huán)狀流，均滿足要求。

2.4 FRNC-5PC模擬計(jì)算原穩(wěn)加熱爐體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)

（1）模擬前明確原穩(wěn)加熱爐所加熱的原油性質(zhì)、燃料性質(zhì)或組成。

（2）模擬前明確原穩(wěn)加熱爐結(jié)構(gòu)：輻射室、對(duì)流室、空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)，最好有一套現(xiàn)成的原穩(wěn)加熱爐設(shè)備圖供參考。

（3）以現(xiàn)成的原穩(wěn)加熱爐設(shè)備圖按照該爐的工藝條件用FRNC-5PC進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬收斂后，將加熱爐工藝參數(shù)修改為新爐數(shù)據(jù)，不斷調(diào)整加熱爐結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，直至加熱爐各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。如果對(duì)FRNC-5PC計(jì)算步驟不熟悉，可多次練習(xí)《FRNC-5火焰加熱爐模擬軟件計(jì)算機(jī)手冊(cè)》附錄中常壓爐例題，直到熟練為止。

（4）不斷調(diào)整FRNC-5PC輻射室、對(duì)流室、盤管組、爐管尺寸，使其計(jì)算結(jié)果在收斂的條件下在加熱爐設(shè)計(jì)規(guī)范指標(biāo)范圍內(nèi)。

（5）國(guó)內(nèi)原穩(wěn)加熱爐熱負(fù)荷大多小于30 MW，F(xiàn)RNC-5PC模擬計(jì)算的原穩(wěn)加熱爐基本采用圓筒爐，輻射室高徑比1.7～2.5，輻射室爐管沿爐墻垂直并排布置，根據(jù)原油爐管管程數(shù)確定每管程爐管數(shù)量。爐管管間距為2 d，爐管中心離爐墻距離為1.5 d。

（6）FRNC-5PC模擬計(jì)算原穩(wěn)加熱爐時(shí)，原油爐管管程數(shù)盡量采用2/4，爐管管徑盡量采用常用管徑如Φ114、Φ152、Φ168、Φ219，爐管壁厚采用常用壁厚6 mm/8 mm/10 mm/12 mm。原穩(wěn)加熱爐由于氣化量小，爐管基本不擴(kuò)徑。爐管材質(zhì)方面根據(jù)進(jìn)出口溫度、硫含量、酸值選用20#、合金Cr5Mo、TP316L不銹鋼等材質(zhì)，爐管選材也要符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

（7）對(duì)流室有2~3個(gè)盤管組，煙氣最先接觸遮蔽管組，遮蔽管組一般3排管，遮蔽管采用光管；其它1~2對(duì)流盤管組采用翅片管或釘頭管，氣體燃料一般采用翅片管，液體燃料采用釘頭管。

（8）空氣預(yù)熱器管組號(hào)一般放在對(duì)流室排管組最后，F(xiàn)RNC-5PC空氣預(yù)熱器僅能模擬工藝參數(shù)，無(wú)法得出其具體尺寸，工藝參數(shù)一般提供給空氣預(yù)熱器廠家，由廠家供貨。原穩(wěn)加熱爐的空氣預(yù)熱器由于重量小，一般采用頂置式，不采用落地式。

（9）原穩(wěn)加熱爐排煙溫度決定加熱爐效率，在利用空氣預(yù)熱器降低排煙溫度提高加熱爐效率時(shí)，不要忘記煙氣露點(diǎn)腐蝕是其限制因素。

（10）FRNC-5PC模擬計(jì)算原穩(wěn)加熱爐不要忘記在爐管兩側(cè)輸入污垢熱阻，原油污垢熱阻可參考常壓爐0.000 5～0.000 86（m2·℃）/W；在輻射室，燃油或油、氣混燒時(shí)，煙氣側(cè)污垢熱阻0.008 6（m2·℃）/W；燃?xì)鈺r(shí)，煙氣側(cè)污垢熱阻0.000 88（m2·℃）/W[4]；在對(duì)流室，燃油或油、氣混燒時(shí)，煙氣側(cè)污垢熱阻0.008 6（m2·℃）/W，燃?xì)鈺r(shí)，煙氣側(cè)污垢熱阻0.000 88（m2·℃）/W。

3 結(jié)語(yǔ)

在原油穩(wěn)定加熱爐的改造設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了FRNC-5PC軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，在模擬計(jì)算基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的加熱爐負(fù)荷滿足該廠原油加工要求，加熱爐各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。采用FRNC-5PC軟件模擬計(jì)算原油穩(wěn)定加熱爐的過(guò)程中獲得的以上幾點(diǎn)體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)供同行斟酌探討。

[1]吳振松，劉福生，王金昌，等.減壓爐輻射爐管擴(kuò)徑探討及設(shè)計(jì)中FRNC-5PC軟件的應(yīng)用[J].石油和化工設(shè)備,2012,15(2)：27-30.

[2]SY/T 0538-2012管式加熱爐規(guī)范[S].北京：石油工業(yè)出版社，2012.

[3]錢家麟.管式加熱爐[M].北京：中國(guó)石化出版社,2009.

[4]劉紀(jì)福.翅片管換熱器的原理及設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)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

李澤龍（1995—），男，本科在讀，研究方向?yàn)闊峁ぴO(shè)備模擬計(jì)算.