FRNC5PC工艺计算软件操作指南.docx
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FRNC5PC工艺计算软件操作指南
FRNC-5PC工艺计算软件操作指南
1总则
1.1主要应用
本手册规定了FRNC-5PC软件的使用方法和步骤等。
本手册适用于以气体、液体为燃料的管式加热炉、裂解炉、烃类转化炉等常用的工业炉的传热计算。
1.2相关标准及参考书籍
DIRECTFIREDHEATERSIMULATIONSOFTWARECOMPUTERMANUAL
PFR公司加热炉模拟软件操作指南
HG/T20541-2006化学工业炉结构设计规定
HG/T20525-2006化学工业管式炉传热计算设计规定
SH/T3036-2003一般炼油装置用火焰加热炉
SH/T3045-2003石油化工管式炉热效率设计计算
SY/T0538-2004管式加热炉规范
SY/T0540-2006石油工业用加热炉型式与基本参数
钱家麟等.管式加热炉(第二版).中国石化出版社.2009.9
李少萍、徐心茹。
石油加工过程设备.华东理工大学.2009.5
2软件简介
FRNC-5PC软件是PFR公司的一款加热炉工艺计算软件,它的适用范围包括炼油厂除制氢转化炉外的所有加热炉,既可以用于新炉子的设计计算,迅速的进行多方案比较和优化设计;也可以模拟在役炉子的操作工况,对操作数据进行评价以改善工艺操作,预测物料组成、注汽(水)量和位置以及燃料类型等的改变对加热炉的影响,目前我国北京院、洛阳院等设计院的加热炉工艺计算都使用的是这个软件。
2.1软件使用范围
FRNC-5PC软件能对炼油厂和石化厂大部分的加热炉进行性能模拟和效率预测,其中包括:
常压炉
减压炉
重整炉
焦化炉
减粘炉
煤炭液化炉
余热回收和蒸汽发生炉
重沸炉
润滑油馏分油和蜡加热炉
热解炉
加热炉关键的过程和条件都可以在加热炉任何部位进入、输出,流程模拟、预测热量转换和压降等方法先进科学。
可以模拟加热炉的部分包括:
综合工艺过程
多个盘管布局
多个燃烧室
多个管路和翅片类型
对流室部分
转油线
管道
流体形态
烟囱
配件
FRNC-5PC软件的计算范围包括:
辐射及全炉热效率
两相流流型
火墙温度
两相流沸腾形式
各部位烟气温度
两相流传热及压降
辐射及对流热强度
烟气侧传热及抽力
管壁金属温度
露点腐蚀温度
翅片或顶头尖端温度
烘炉预测
该软件可以模拟多股物料的复杂工况,对工艺、设计和运营部门的工程师来说,它是一个科学、节省时间的高效软件。
2.1软件计算方法
该软件可以按照两种方式进行模拟,一种是固定发热量(固定燃料量),另一种是固定热负荷。
2.1.1固定发热量(固定燃料量)
即燃料速率由用户给定,软件计算出热负荷(吸热量)、每种物料的最终条件和中间结果以及其它性能参数,其计算步骤如下:
2.1.2固定热负荷
即物流吸热由用户给定,所需的供热量及燃料量由程序求出,同时计算出其它性能参数,其计算步骤如下:
3输入部分
FRNC-5PC软件的输入部分主要有下面几部分:
机械数据:
燃烧室,对流,管道,烟囱,管道,管路配置和炉管尺寸;
过程数据:
物料流量和终端工艺条件(温度,压力);
物理性质:
油气流的可自动生成的热力学和输运性质;
燃烧信息:
燃油流量,燃料成分,燃烧空气温度和过剩空气系数。
输入部分是按照加热炉的各个部分分为不同的逻辑块,每一部分的输入都会有一个关键词和描述,表2.1说明加热炉各个部分的关键词和相应的描述。
表2.1加热炉主要部分和需要的数据
表
关键字
数据
1
FURNACE加热炉
字母数字说明情况
3
FIREBOX燃烧室
燃烧室机械数据
4
CONVECTIVE对流室
对流段机械数据
5
STACK烟囱
烟囱数据
6
COILSECT管路
每个管路的说明
7
TUBEDATA炉管数据
炉管尺寸
8
PROCESS物料
工艺流条件(流量、温度和压力)
10
FIRING燃烧
燃烧条件(燃料和空气的数据资料)
12&32
FUELDATA燃料数据
燃料成分
3.1燃烧室输入
燃烧室是加热炉热量输入部位,在FRNC-5PC软件中至少应输入一个燃烧室的数据,本软件最多可模拟五个不同的燃烧室,已成功建立燃烧室模型的类型有:
圆筒炉、箱式炉和梯台炉。
3.1.1Characteristic
本部分包括三个输入部分。
1.FireboxID
燃烧是号和输入一到两位数字,这个数不不需要唯一,可与后面的管路系统、炉管数据、燃料的号一样。
2.Numberofparallel“identical”firebox(默认为1)
如果平行的燃烧室具有相同工艺流、燃烧状态,它们就称为“相同”,此时只需要输入一组数据就行.
3.ParallelfireboxIDnumber
如果平行的燃烧室具有不同的工艺流、燃烧状态,它们就称为“不相同”,使用者在此输入一个数,同时软件将在输入部分出现它的号。
以上输入界面见下图。
3.1.2Furnacetype
加热炉型式有圆筒炉、箱式炉、屋型炉和梯台炉。
其界面如下:
3.1.3Furnacedimension
加热炉直径输入是用来计算燃烧室耐火数量,直径指的是从内防火墙之间的尺寸,各个炉型的尺寸表示如下图:
如果加热炉中间有火墙,其数据应输入,输入界面如下:
3.1.4FlueGas“Take-Off”
1.烟气离开燃烧室的开口位置及尺寸输入是为了对燃烧室进行粗计算,默认的方式为“顶、中心”。
2.InnerDimensionsofFlueGasTake-Off
如果烟气离开燃烧室开口形状为长方形,则在此处输入长和宽,如果开口为圆型,则在第一个里面输入圆的直径,第二个不输入。
这个尺寸决定了燃烧室辐射到对流室光管的面积。
3.ScreenOpeningCode(默认为“不”)
不打对号表示开口没有遮挡,打对号表示开口被辐射管和光管遮挡,如果出口被耐火材料遮蔽使热量辐射回燃烧室,这种情况也应打对号,对于对流室有光管的情况也要打对号,
这部分的输入界面如下:
3.1.5TheID’sofCoilSectionsinFirebox
至少一组管路数据或者“Q-Bank”数据应该输入,最多可以输入9组数据。
管路系统是具有相同工艺流和机械数据的炉管组成
Q-Bank
它是一组从烟气中增加或移出热量的管路系统,它没有具体的机械数据,编号从90~99,Q-Bank在对对流室进行热交换研究时起作用。
其输入界面如下:
3.2对流室输入
在对流室里,炉管相对于烟气串联或平行,烟气可能向上、向下或水平穿过这些炉管,光管部分的辐射热量度部分来自燃烧室,对流室的其它部分的辐射热量则来自耐火墙和烟气的直接辐射得来。
如果在对流室热量损失的比例较大,那么在后面的HeatLoss章节就应该输入数据。
3.2.1Characteristic
本部分包含三个输入,ID输入方法与前面的燃烧室相同,第二部分输入的是烟气进入和离开的加热炉部分的ID号,第三部分为流动阻力阻尼,默认为0.
3.2.2InternalDuctDimensions
如果对流室为长方形,那么输入它的长宽高,如果为圆柱形,那么在第一个里输入它的直径,第二个不填,在第三个里输入高度。
选择上、下还是水平根据的是摩擦气流的方向,它的作用是粗略计算,摩擦、动量和重力在烟气穿过加热炉的过程中一直存在,因此气流方向对于粗略计算就有很大意义。
其输入界面如下:
3.2.3CoilSection,Q-Bank,orAirPreheaterID
软件支持10组数据的输入,其输入方法与燃烧室相同。
3.3烟囱输入
烟囱是加热炉中垂直圆筒形的部分,如果烟囱数据没有输入,软件将不会对输入的加热炉数据进行模拟,但烟气压降会在加热炉的各个部分显现。
烟囱的热损失在粗略计算时有很大作用。
3.3.1Characteristic
本部分包含两个输入,ID输入方法与前面的相同,一个加热炉最多允许有两个平行的烟囱;第二部分输入的是烟气进入烟囱的ID号。
3.3.2Geometry
为了避免不同的外径DI和内径DE,软件输入的是几何直径DG,其公式如下:
输入的时候注意:
烟囱直径的单位为mm,高度单位为m。
流体阻力阻尼(默认为1.5倍速度头)
3.4管路输入
软件支持最少1组最多89组的管路数据输入,管路是一个或多个炉管的组成,他们具有以下特征:
1.具有相同的方向和直径;
2.具有相同的工艺流;
3.进入管路的物料来自于同一个入口,并且物料具有相同的温度和压力;
4.位于加热炉的位置相同;
5.在燃烧室炉管相对于火焰的朝向相同;
6.过程流体一直保持和入口一样的管程数。
3.4.1Geometry
此输入包含三部分,管路系统ID、平行管路系统数量和平行部分ID,其输入方法与前面相同。
3.4.2Processfluid
1.流入此管路系统的物料ID号,其号与后面要输入的“PROCESS”号要一致。
2.,如果此管路系统的物料进来自上一管路系统,则在此处输入上一管路系统的ID号,不输入默认为入口。
3.如果此管路系统的物料进入到下一管路,在此输入下一管路的ID号,如果空白或输入“0,”,则认为此处为出口。
4.平行进入此管路系统的物料路数,在次输入,下面第二张图分别表示的是1路、3路和4路物料的情况
输入界面如下:
3.4.3GeometryI
此处包含4处输入部分。
1.炉管方向(默认水平),如果炉管为水平,则输入0,垂直为90.
2.炉管内物料的方向(向上、向下或水平),此处输入关系到重力是如何作用到关内物料的压力降的。
如果是垂直管,那应该选择上或下,选择下,则减去重力的影响;选择上,则加上重力的影响,水平管不考虑重力作用。
3.炉管内物料与烟气的方向关系,“Cocurrentflow”表示两者方向相同,“Countercurrentflow”表示两者方向相反。
此处只是需要对流室炉管输入。
4.炉管ID号,此处的号要与后面的Tube号一致。
输入界面如下:
3.4.4GeometryII
此处包含5处输入部分。
1.此处输入一组管路系统炉管的总根数。
2.炉管的排数。
对于燃烧室,只能输入1或2,当输入2时,软件假设物料先进入1,然后再进入2,再进入1,轮流交替,且默认1排为靠墙近的炉管;对于对流室,排数为烟气穿过的管排数,如下图所示。
3.管子布局。
选择Staggered是交错布局,选择in-line是沿线布局,如果管排只有一排炉管,那么根据与它相邻的管排的位置输入,如果燃烧室管排数为2,则软件假设它们为交错布置。
4.为一排管子中相邻管子间的距离,在下图中以S表示。
如果这个数据没有输入,软件默认为1.5倍外径。
5.为相邻管排简单距离,这个数据是用来确定管排高度和计算管排热损失的。
在下图中以L表示。
输入界面如下图:
3.4.5Additionaldata
此处包含3处输入部分。
输入界面如下:
1.Fitting、HeaderandmanifoldTypeID(炉管连接件和弯头类型)
进入管路系统的连接件和弯头的类型(默认为1)
管路系统内部炉管连接弯头的类型(默认为1)
离开管路系统的连接件和弯头的类型(默认为1)
连接件和弯头类型ID共有1~5个,其主要特征如下表所示,如果类型特殊,可在后面的FITTING输入部分输入。
连接件类型1~5和K-LOSS
ID
主要特征
LOSS
1
U型弯头,加热炉外
0.75
2
U型弯头,加热炉内
0.75
3
骡子耳朵,加热炉外
1.5
4
跳头(转油线),加热炉外
1.0
5
90O弯头,加热炉外
0.5
2.CentertoCenterDistancetoAdjacentUpstreamCoilSection(相邻管路系统距离)
这一部分的输入只适用于对流室,它的输入是用来确定管排距离对烟气热交换的影响。
如果输入的距离大于10倍管心距,那么烟气的湍流强度就会很低,如果空白或输入数据小于10倍管心距,那么湍流强度很大,热交换系数取最大值。
3.Non-IdealTubeBank
牛腿是连接在耐火墙上,隔一段伸出一段距离,它的作用是让烟气在对流室中有不同的流向,增加它的湍流强度,它的伸出长度有1/2管心距、1/2管排距。
3.4.6Additionaldata
此处包含3处输入部分。
1.TypeofCoilSection
炉管类型,
Radiant辐射管,位于燃烧室,它的热量来源主要来自辐射传热。
Shock光管,位于辐射室或对流室。
Neither除了上面两种管子外的类型,位于对流室。
2.LocationofCoilSection
炉管位置。
此处输入只适用于燃烧室炉管,其位置有:
耐火墙、炉顶、炉底、中心和中间耐火墙上。
3.TubeCentertoRefractorySpacingDistance
炉管中心距耐火墙的距离。
此处输入只适用于位置位于燃烧室墙、顶和底的辐射管和光管。
输入界面如下:
3.5炉管数据输入
炉管的各种数据在此处输入,最多允许20种管子数据的输入。
不同的管路系统可以使用相同的管子ID号。
3.5.1Generalcharacteristics
此处输入包括以下几部分。
1.管子ID号,此处ID号要与前面管路系统输入的ID号对应。
2.管子外径和平均管子厚度。
3.OverallandEffectiveTubeLengthPerTube
管子的总长度是用于计算压力降,管子的有效长度是用来计算管子传热有效表面积。
4.TubeMaterialCode
炉管材料,如果空白,那么软件默认为炉管材料为碳钢,炉管材料在输入不封闭可以用下拉菜单选择,这个选择是用来进行传热计算和进行炉管最高温度时的强度校核。
6.TubeMaterialThermalConductivity
炉管材料导热率。
如果空白,软件默认为炉管材料导热率为上面选择材料的数据,如果想要修改,则软件采用修改后的数据
输入界面如下:
3.5.2Fintypeanddiameter
此处输入包括以下几部分。
管子表面形状选择,其形状有:
翅片管,锯齿型管和钉头管,其中管子的长度L、翅片或钉头的高度H、厚度D1、D2如下图所示,当选择的管表面形状不同时,上面的字母表示的意义不同,软件会在输入界面有提示。
输入界面如下图:
3.5.3Findata
此部分输入有以下几部分。
每单位长度上翅片和钉头的数量;每环上翅片和钉头的数量;翅片和钉头的材料(默认为碳钢);翅片和钉头的热导率;翅片和钉头和光管的粘合抗力;每单位长度上伸出部分的面积。
3.6物料数据输入
最多10组不同的物料数据可以输入,物料速度和进出口条件(温度、压力蒸汽百分比和焓)可以输入,不同的物料可以有相同的物理属性,软件提供“固定燃烧速率”和“固定热负荷”两种计算方法。
3.6.1ProcessstreamCharacteristic
本部分包括以下输入。
1.物料ID号,此部分要与前面的管路系统的输入的ID号一致。
2.物料状态,有固定出口状态、固定入口状态和固定出入口状态三种。
其中固定出口状态时,软件计算入口状态;固定入口状态时,软件计算出口状态。
固定出入口状态,且前面的热负荷没有输入时,那么程序变成固定热负荷计算方法;如果固定出入口状态和前面的热负荷都输入时,软件会根据出入口状态进行计算,并会把计算结果与输入的热负荷进行比较,如果两者之间相差1%时,软件会特别进行报告。
3.物料速率,此处输入部分必须输入,如果蒸汽注入到物料中,那输入物料速度时不包括注入的蒸汽量。
4.热负荷输入。
输入此部分软件变为固定热负荷模拟。
5.污垢阻力。
如果管子光洁,那么此部分空白,如果输入数据,那么这个数据会加到每跟炉管上面,这个数据在计算炉管热交换时起作用。
3.6.2Condition
此部分包含物料的温度、压力、焓和蒸汽质量四部分的输入。
其中物料的出口状态必须输入,如果进口状态不输入,软件会计算出一个宽松的结果;如果物料的P、T、H都输入时,软件会使用P、H而忽略T。
输入界面如下图:
3.7燃烧数据输入
每一个燃烧室对应一个燃烧输入,燃烧输入部分包括下面几部分:
燃烧速率或燃料流速
燃烧情况:
过剩空气系数和混合空气温度
最多四种燃料数据的输入
燃气离开燃烧室的温度
3.7.1Firingdata
此部分包含以下输入:
1.ID号,此部分的ID号要与燃烧室的一一对应。
2.燃烧速率。
燃烧室的燃料速率根据燃料燃烧的低发热量(LHV)来输入。
如果燃烧速率输入,而前面没有指定为固定热负荷时,软件就变成固定燃烧速率的模拟计算,如果前面指定为固定热负荷时,则此处输入被忽略,它的作用为粗略计算。
3.过剩空气系数的输入。
过剩空气系数对于燃烧室的燃烧效率有很大作用,对于气体燃料它的范围最好位于10~15%,对于液体燃料,它的范围最好为20-30%,它的选取与空气中氧的含量有关,也可根据烟气中氧的含量进行选取,其选取数据图片如下:
4.进入燃烧室的空气温度。
如果空白,软件默认为200C,如果加热炉有空气预热器(APH),那么此部分应输入空气离开预热器时的温度。
注意:
每一个新的空气温度对应一个烟气流速。
输入界面如下:
3.7.2Bridgewalltemperature
这一温度指的是离开辐射传热的燃烧室时烟气的温度。
软件通过迭代计算的方法计算出这一温度。
如果一个正确假设的温度输入,那么将会对软件进行后面的传热计算有很大帮助。
输入界面如下;
3.7.3Fuel#1
对于每一个燃烧室,一共四种燃料的数据可以输入,此部分的输入包含以下几方面的输入:
1.燃料的ID号,如果用户要输入混合燃料,那么就需要在后面的FUELDATA输入界面输入数据,此处的输入ID要与后面的FUELDATA里的ID对应.
2.燃料温度输入。
3.燃料速度单位。
主要包括:
MSCF千立方英尺/天;BPD桶/天;LB/H磅/小时;WTFR质量分数(仅用于超过一种燃料的混合燃料的情况)。
如果用户使用的是国际通用单位,此部分不用输入。
4.此处输入加入到燃料中的蒸汽的流速。
如果流速输入,那么输入的单位一定要设置好。
5.加入到燃料中的蒸汽的压力。
6.加入到燃料中的蒸汽的温度。
输入界面如下图:
3.8燃料数据输入
此部分输入的是燃料的发热量,比热和组成。
3.8.1Identification
本部分输入主要包括以下输入:
1.燃料ID和燃料名称。
此部分燃料ID要与前面FIRINGDATA输入的ID号保持一致。
燃料名称输入是方便使用者区分各种燃料,没其它意义。
2.下面两个输入是关于气、液燃料的,如果加热炉的燃料为液体,则输入第一个SpecificGravity(比重),此时输入的数据为液体燃料密度与1000Kg/m3的水密度的比值。
如果加热炉的燃料为气体,此时输入的数据为气体燃料密度与1.22Kg/m3的空气密度的比值,一般来说,气体燃料输入的是下面的MolecularWeight(分子量),如果气体燃料两个空格都输入数据,那么软件使用的是比重里的数据。
3.燃料比热。
如果空白,软件将采用一个估计数据。
4.燃料发热量、单位。
燃料的发热量有高发热量HHV和低发热量LHV两种,一般使用的是低发热量。
单位有kJ/kg和kJ/nm3两中。
数值在上面的表格中输入。
输入界面如下:
3.8.2Composition
此处输入的是燃料C、H和其它成分的质量分数。
关于C、H有两个选择,CH组合的质量分数和C、H各自的质量分数。
其余的O2、N2和S的含量视情况输入。
最下边两个为灰和水的质量分数输入,它只是液体燃料时输入。
输入界面如下:
3.9热损失输入
FRNC-5软件提供加热炉热损失的计算,如果用户不输入,那么软件默认热损失为燃料用量的1.5%,输入0为无损失。
它的输入包含以下几部分:
1.加热炉热损失部位的ID号。
2.热损失部位外墙的厚度。
3.热损失部位墙的材料。
4.热损失部位墙导热系数,如果墙的材料输入的话,这一项可不填。
输入界面如下图:
3.10注入水蒸气/水数据
注入到一个工艺流中的水蒸气和水受下面的两条限制:
1.只能选择一个注入点;
2.不会在一个管路系统的入口处注入。
此部分输入包含以下几方面:
1.加热炉注入部分的ID号。
2.注入部分的流速。
3.注入部分的温度、压力和焓
输入界面如下:
3.11Q-Bank输入
Q-bank是一项没有过程数据和材料数据的管路系统,它可以向烟气中加加热量(输入-Q)和减热量(输入+Q),主要用来对对流室热量回收研究起作用。
软件支持十组Q-bank的输入,ID号从90-99。
输入界面如下:
3.12空气数据输入
当以下条件成立时,气流可以作为烟气进入加热炉的一部分:
1.在对流室直接定义烟气状态;
2.烟气回流燃烧室;
3.补充燃烧模型;
4.空气漏入加热炉的某个部分。
加热炉的每个部分都允许有废气流,需要输入的是加热炉部分的ID号,气流的流速、温度和组成。
气流没有燃烧,但它被假设为随烟气燃烧产生的。
其输入界面如下面两图所示
3.13空气预热器输入
空气预热器模型在燃烧室的燃烧空气和对流室的烟气间建立热平衡,它可以位于加热炉的任意部位。
进入进热炉燃烧室的燃烧空气应在进入前预热,空气预热器应位于对流室,并且应在“CoilSectionID”和CONVECTIVE部分输入其ID号。
FRNC-5通过迭代计算算出燃烧室的燃烧空气,如果进入燃烧室的预热空气的温度输入的话,那么在进行燃烧室传热计算有很大帮助。
3.13.1GeneralCharacteristic
本部分包含以下输入:
1.空气预热器ID号。
此处的输入ID必须与对流室中CoilSectionID部分的ID号一致,一个加热炉只允许有一个空气预热器。
2.第一个燃烧室的ID号。
此处输入预热空气进入的燃烧室的ID号,后面的第二、第三都是此意思。
3.进入预热器时空气的温度,如果默认,为室温。
其输入界面如下:
3.13.2Specification
本部分包含以下输入:
1.空气预热热负荷。
它是指空气预热器热交换的负荷,如果它输入的数值远大于空气预热器的最大负荷,那么最大负荷将作为计算的数据,软件会在最后的输出报告中给出一个警告。
2.空气在预热器出口的温度。
这个温度是期望的出口温度,根据这个温度算出的热负荷如果远大于空气预热器的最大负荷,那么最大负荷将作为计算的数据,软件会在最后的输出报告中给出一个警告。
3.有效系数。
它是真实热负荷与预热器最大热负荷的比值,它的数值应该在0~1之间,如果前面两个数值输入的话,那么这个数值会被忽略。
4.空气与烟气的流动方向。
它包含三种相对方向:
Cocurrent顺流;Counte
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