數字化集成增壓裝置加熱爐數值模擬分析

王文武，仝興華

（1.中國石油大學（華東）,山東 青島 266555； 2.長慶油田分公司機械制造總廠,陜西 西安 710201）

數字化集成增壓裝置加熱爐數值模擬分析

王文武1,2，仝興華1

（1.中國石油大學（華東）,山東 青島 266555； 2.長慶油田分公司機械制造總廠,陜西 西安 710201）

運用有限元分析軟件對加熱爐燃燒器進行了數值模擬分析，并建立起了加熱爐的溫度場模型，找出了火筒內溫度場的分布規律，計算出了火筒、煙管、煙囪的溫度分布情況，重點找出了水套加熱爐結構中的薄弱環節，為現場改進水套加熱爐的結構提供了參考。

數字化集成增壓裝置；加熱爐；數值模擬；有限元分析

油田增壓站一般有有加熱爐、外輸泵、分離緩沖罐、氣液分離器等動、靜設備，其中加熱爐，通常是是單一的火焰式加熱結構，熱效率低，對原油加熱負荷不夠。為降低建設投資，適應油田提出的“數字化管理”要求，長慶科技工程公司成功開發出新型油田數字化增壓裝置[1]。如圖1所示，該裝置集加熱爐與緩沖罐于一體，優化簡化了站場流程、降低了建設和運行成本、減少了占地面積和降低了工人勞動強度，其具有功能集成、結構橇裝、油氣混輸、智能控制等優勢[2]。

圖1 數字化增壓裝置橇座布置圖Fig.1 Skid arrangement of digital pressure device

但是該裝置將加熱爐與分離緩沖罐兩個靜設備結合在一起，結構比傳統結構復雜，加熱爐結構中還存在不完善的地方，研究其火筒內溫度場的分布規律，并計算出了火筒、煙管、煙囪的溫度分布情況，對找出水套加熱爐結構中的薄弱環節，改進水套加熱爐的結構具有重要的理論和實踐意義，本文采用數值模擬對此進行了研究。

1 集成裝置加熱段建模

1.1 三維實體建模

有限單元法的基本思想：將復雜形狀連續體劃分為有限個規則形狀的單元，先研究單個單元的規律，再集合起來分析，得到復雜形狀連續體的規律[3]。

圖2 加熱爐加熱管三維模型Fig.2 3D model of heating tube in heating furnace

為了對水套加熱爐的結構、燃燒傳熱做相關的分析，利用有限元分析軟件對設計的水套加熱爐爐進行建模，模型尺寸按照設計圖紙1∶1建立，具體結構如圖2所示。

1.2 入口邊界條件

模擬過程中，入口邊界條件定義為燃料氣入口和空氣入口，分別定義入口速度，根據燃燒器功率、以及燃氣和空氣進口截面積定義燃氣和空氣流量，如表1所示。取甲烷與空氣按化學當量比理想預混燃燒，考慮空氣過剩系數為1.05。

1.3 出口邊界條件

出口邊界設煙囪出口截面為壓力出口，給定出口邊界的靜壓力，出口與大氣直接連通，由于煙氣從煙管出來后，進入尾部受熱面，煙氣需在煙管內克服阻力，繼續流動和換熱，所以煙囪出口煙氣應具有一定壓力和溫度，壓力根據內部流動計算結果給定。

1.4 壁面邊界條件

對于火筒、煙管、煙煙囪設定壁面邊界條件為：將耦合壁面設置為內壁，而外壁面為換熱邊界條件，設定火筒、煙管、煙囪壁面邊界為等壁溫。

火筒、煙管與煙箱根據加熱水的換熱邊界壁溫設為：90℃（363K）、70℃（343K）。煙囪與大氣換熱邊界壁溫設為：27℃（300K）。

表1 水套加熱模擬對應參數換算表Table 1 The water jacket heating simulation conversion corresponding parameters

1.5 計算模型的選擇

水套加熱爐模擬基于流動、傳熱、燃燒過程的變化特性，其在燃燒和傳熱過程中滿足質量、能量和動量守恒規律[4]。采用湍流流動模型中的標準k-e模型、湍流燃燒模型和輻射傳熱模型，進行耦合計算，選擇三維穩態分離隱式解算器，壓力-速度耦合選用SIMPLE算法，而動量、紊流動能、耗散率、組分及能量方程均選擇二階迎風格式[5-7]。

湍流流動模型選擇標準k-e模型：

湍流燃燒模型是通過建立燃燒過程中傳質和有限速率化學反應的模型，并用每種反應物質的對流、擴散和反應源的守恒方程，來描述和模擬反應的混合和輸運問題[8]。傳質過程的化學物質守恒方程的形式如式（2）：

其中：Ri為反應的凈產生速率；Si為因離散相或源項產生的額外產生速率；Ji為物質i的擴散通量。

2 數值模擬結果與分析

確定了數值計算的方法后就可以對加熱爐的燃燒過程進行數值模擬，從本質上看，燃料氣在火筒燃燒過程基本上包括以下三個階段:可燃氣體與空氣在火筒中混合；加熱或點燃可燃氣體；燃燒反應。

圖3至圖11分別是集成裝置在燃燒器功率200 kW，壁面溫度70℃（343K），煙囪高為8m，過剩空氣系數1.05時火筒中心、煙管側中心、火筒側截面等溫度云圖。

圖3 火筒中心y-x截面溫度云圖(tmax=2 042 K)Fig.3 The fire center temperature y-x section cloud(tmax=2 042 K)

圖4 火筒中心x-z截面溫度云圖(tmax=2 065 K)Fig.4 The fire center temperature x-z section cloud (tmax=2065 K)

圖5 煙管側中心x-z截面溫度云圖(tmax=1 877 K)Fig.5 Temperature contour of the x-z section of the smoke pipe side center(tmax=1 877 K)

圖6 火筒側截面溫度云圖(tmax=2 031 K)Fig.6 The fire side section temperature nephogram (tmax=2031 K)

圖7 火筒側截面溫度云圖(tmax=2 031 K)Fig.7 The fire side section temperature nephogram (tmax=2 031 K)

圖8 煙管側截面溫度云圖(tmax=1 762 K)Fig.8 Temperature contour(tmax=1 762 K)of smoke tube side section

加熱爐各部分的傳熱統計表見表2。通過上述各部分的模擬分析得出：在火筒中心處的溫度最高，最高值為2065K，熱負荷也最大，最大值約為1.2×105W；接下來是煙囪中心處的溫度，其值為1877K，熱負荷稍低些，其值約為5.7×104W；

圖9 煙囪部分截面溫度云圖(tmax=425 K)Fig.9 Temperature contour of the chimney section (tmax=425 K)

圖10 后煙箱中心x-z截面溫度云圖((tmax=450 K)Fig.10 Post smoke box center x-z section temperature image ((tmax=450 K)

圖11 煙囪出截面溫度云圖(tmax=366 K)Fig.11 Temperature contour of chimney out section (tmax=366 K)

煙管尾部的溫度最低，最低值為366 K，其熱負荷也達到最低，其值約為0.7×104W。整個溫度場的溫度和熱負荷分布由高到低漸變。

表2 加熱爐各部分傳熱統計表Table 2 Heat transfer statistics of each part of heating furnace

3 結 語

通過運用有限元分析軟件，建立起了加熱爐的溫度場模型，通過對該模型的研究找出了火筒內溫度場的分布規律，計算出了火筒、煙管、煙囪的溫度分布情況，找出了水套加熱爐結構中的薄弱環節，為現場改進水套加熱爐的結構具有一定的參考價值。

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Numerical SimulationAnalysis of Digital Integrated Device Heating Furnace

WANG Wen-wu1,2,TONG Xing-hua1
（1.China University of Petroleum(Huadong),Shandong Qingdao 266555，China；2.Changqing Oilfield Company Machine Manufacture Plant,Shanxi Xi'an 710201，China）

The finite element method was adopted to simulate combustion segment of heating furnace,and the model of temperature field was established.The distribution law of temperature field was found,and the temperature distribution of combustor,fume pipe and exhaust stack was calculated.At last,the weak part was found.

Digital integrated charging device;Reheating furnace;Numerical simulation;Finite element analysis

TQ054

A

1671-0460（2016）03-0579-04

2015-12-05

王文武（1968-），男，甘肅鎮原人，博士，高級工程師，1991年畢業于鄭州工學院化機專業，研究方向：從事于油氣田非標設備設計與研發工作。E-m ail：1485441000@qq.com。