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1通用加热炉工艺计算软件FRNC-5使用入门1.FRNC-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（PFREngineeringSystem，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.FRNC-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2（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。3一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4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APIRP530计算的最小管壁平均厚度，按API560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、5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APIRP530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6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