空氣預熱器殼程流場模擬與振動分析

胡 珺，周 政，薄德臣，張 英

(1.中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001；2.中國石化中原油田分公司天然氣處理廠)

空氣預熱器殼程流場模擬與振動分析

胡 珺1，周 政2，薄德臣1，張 英1

(1.中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001；2.中國石化中原油田分公司天然氣處理廠)

針對中國石化某分公司空氣預熱器在實際操作過程中經常產生振動、噪音的情況，利用Fluent1 4.0軟件對空氣預熱器的殼程進行流場模擬和振動分析，分析產生振動的原因并提出解決措施。結果表明，空氣預熱器殼程管束的背面形成卡門渦流，底部空腔產生兩個較大的渦流，當卡門渦流頻率與箱體固有頻率接近時，空氣預熱器會產生振動和噪音。結合現場布置及裝置實際情況，確定改造方案，即在搪瓷管段沿管束方向增加隔板、底部空腔添加導流板以及煙道系統內部增加“井”字形隔墻。改造后，空氣預熱器未產生明顯的振動和噪音。

空氣預熱器 殼程 流場 振動

空氣預熱器利用加熱爐燃燒產生的熱煙氣預熱空氣，從而提高加熱爐效率[1]。國內外許多學者對空氣預熱器進行了研究與開發設計[2-3]，分析并解決空氣預熱器操作過程中存在的問題[4-9]，對影響空氣預熱器換熱效率的影響因素進行研究[10-11]，并對空氣預熱器進行優化[12-15]。

中國石化某分公司空氣預熱器在運行過程中發生振動問題，使機組被迫降負荷運行。空氣預熱器中最常發生的問題是氣室固有頻率與卡門渦流頻率的共振[16-17]。當流體橫向流過管束時，管束背面產生的渦流周期性地產生和脫落，產生一個既垂直于流動方向又垂直于管束的聲學駐波，即“卡門渦流效應”[18-19]。當卡門渦流頻率和氣室的固有頻率接近時，就會產生駐波共振的現象，使空氣預熱器產生嚴重的振動，影響其正常運行[20-22]。本課題利用Fluent軟件，對該空氣預熱器建立模型，分別對其含管束部分的殼程流場和殼程底部空腔的流場進行模擬，并進行詳細的振動分析；結合流場模擬與振動分析結果，提出消除空氣預熱器振動的方案，解決該空氣預熱器在操作過程中存在的振動和噪音問題。

1 物理模型

中國石化某分公司空氣預熱器為兩級、四程列管式空氣預熱器，高溫段為釘頭管束，低溫段為搪瓷管束。煙氣在殼程流動，從頂部進預熱器，冷煙氣從底部出預熱器。空氣預熱器殼程的模型按照現場裝置尺寸進行建模，模擬工況按照實際操作工況進行設定。

圖1為空氣預熱器殼程的幾何模型及不同管段名稱。由于空氣預熱器的幾何結構具有對稱性，因此取模型的二分之一為研究對象。同時，將殼程的管段從上至下依次命名為釘頭管段(一)、釘頭管段(二)、釘頭管段(三)、釘頭管段(四)、搪瓷管段(一)、搪瓷管段(二)、搪瓷管段(三)、搪瓷管段(四)。空氣預熱器的結構參數如表 1 所示。

圖1 殼程幾何模型及不同管段名稱 1—釘頭管段(一)；2—釘頭管段(二)；3—釘頭管段(三)； 4—釘頭管段(四)；5—搪瓷管段(一)；6—搪瓷管段(二)； 7—搪瓷管段(三)；8—搪瓷管段(四)

項 目釘頭管段搪瓷管段(一)、(二)搪瓷管段(三)、(四)氣室長度∕m545454氣室寬度∕m391391377管外徑∕m008900510051每排管數213735管束橫向間距∕m018501050105管束縱向間距∕m031201140114

2 網格劃分與流動模型的建立

采用 Solidworks2012 軟件建立空氣預熱器殼程模型，網格劃分采用 Ansys 14.0 中 ICEM CFD14.0 軟件，網格劃分后導入 Fluent 14.0 軟件進行求解。對空氣預熱器殼程整體采用四面體非結構化網格劃分，對管束部分進行網格加密處理。

模擬介質為煙氣，取平均成分煙氣(CO2，H2O，N2的體積分數分別為13%，11%，76%)。在空氣預熱器殼程平均溫度(200 ℃)下，煙氣密度為 0.748 kgm3，黏度為 2.45×10-5Pa·s。空氣預熱器殼程頂部為氣相入口，入口速度為 3.43 ms，底部為氣相出口，邊界條件設置為壓力出口，操作壓力為大氣壓。

煙氣繞過管束流動時，會在管束后發生旋渦脫落的現象，流體在空氣預熱器殼程內呈湍流流動狀態，因此流動模型采用standardk-ε雙方程模型，并用SIMPLE算法對模型進行求解。

3 頻率計算模型

卡門渦流頻率的表達式為[23]：

(1)

(2)

式中：fk為卡門渦流頻率，Hz；St為斯特勞哈數；S1為管束橫向間距，m；S2為管束縱向間距，m；v為流體流速，ms；d為管子外徑，m。

振幅和周期相同的波相對進行并互相干涉，形成駐波[24]。根據聲學原理，聲學駐波的特性頻率可以用下式表達[25]：

(3)

式中：fn為管箱固有頻率，Hz；n為駐波階次，n=1，2，3，…；c為工作條件下聲速，ms；L為管箱寬度，m。

由于煙氣中的聲速很難精確計算，因此在工程計算中通常采用以下經驗式求解：

(4)

式中，T為氣流平均溫度，K。

當卡門渦流的脫落頻率和管箱中的某階駐波頻率接近時，可能激發該階駐波，從而使空氣預熱器產生共振，共振判據一般為[26-27]：

0.8fk出

(5)

式中：fk出為管箱出口處的頻率，Hz；fk入為管箱入口處的頻率，Hz。

4 模擬結果與討論

圖2為空氣預熱器殼程的速度分布。由圖2可知，從整體上看殼程流場分布不均勻，在局部區域存在高速區；煙氣從空氣預熱器頂部向下流動，由于管束的阻力作用，部分流體趨向壁面流動，所以壁面處流體速度較大；在底部無管束的轉角區域存在著兩個大旋渦，旋渦的生成會引起空氣預熱器的振動。

圖2 殼程的速度分布

4.1 空氣預熱器含管束部分殼程的模擬分析

4.1.1流場模擬為進一步考察在管束范圍內的流場情況，分別截取釘頭管段和搪瓷管段管束的局部區域流場進行模擬分析，結果見圖 3 和圖 4。由圖 3 和圖 4 可以看出：管束兩側的流速較高，管束背面流速較低且管束后會生成旋渦，這些旋渦隨著時間延長不斷脫落和再生，當渦流的脫落頻率與管箱的固有頻率接近時，會使空氣預熱器發生振動；在相同的時間段(0.987～0.995 s)內，釘頭管段管束背面的旋渦形態變化較為緩慢，完成一次旋渦脫落需 0.005 s，而搪瓷管段管束背面旋渦完成一次旋渦脫落僅需 0.002 s；釘頭管段管束背面旋渦脫落和生成的頻率小于搪瓷管段，說明管子直徑與管束的排布方式對管束背面旋渦的脫落和生成頻率有影響。

4.1.2振動原因分析根據振動計算方法，結合流場模擬結果，對空氣預熱器不同管段的卡門渦流頻率和管箱固有頻率進行計算，分析各段管箱是否會發生共振。對操作彈性為100%時的頻率進行核算，分別計算各管箱的固有頻率和卡門渦流

圖3 0.987～0.995 s 內搪瓷管段管束的速度分布

頻率，結果如表 2 所示。由表 2 可知，當空氣預熱器操作彈性為 100% 時，搪瓷管段為空氣預熱器產生振動的主要部位。

以搪瓷管段(一)為例，操作彈性對管箱固有頻率和卡門渦流頻率的影響見表3。由表3可以看出：對于搪瓷管段，隨著煙氣處理量的增加，管箱中卡門渦流頻率增大；在操作彈性為50%～70%時，管箱中的卡門渦流不會激發管箱的駐波；當操作彈性大于70% 時，管箱中的卡門渦流會激發一階駐波，產生聲共振現象。

圖4 0.987～0.995 s 內釘頭管段管束的速度分布

項 目管箱固有頻率f1∕Hz卡門渦流頻率判據fk入∕Hzfk出∕Hz下限∕Hz上限∕Hz是否激發駐波釘頭管段(一)61783438330226414125否釘頭管段(二)60523302315925273962否釘頭管段(三)59213159300924073791否釘頭管段(四)57873009285822863611否搪瓷管段(一)56496595624949997913是搪瓷管段(二)55076249591047287498是搪瓷管段(三)53626023568845517228是搪瓷管段(四)52135688536742946826是

表3 操作彈性對管箱固有頻率和卡門渦流頻率的影響

4.1.3振動解決措施通過對空氣預熱器殼程的振動分析，提出如下振動解決措施：①增加空氣預熱器搪瓷管段管箱內的隔板數；②增大管束縱向間距，減小St系數，從而改變卡門渦流頻率。

在搪瓷管段增加一塊縱向隔板的具體做法為：對于搪瓷管段(一)和(二)，每排有37根管子，將中心管束(第19根管)拆除，然后在空間內設置隔板；對于搪瓷管段(三)和(四)，每排有35根管子，將中心管束(第17根管)拆除，然后在空間內設置隔板，如圖5所示。

在搪瓷管段增加一塊縱向隔板之后，管箱的固有頻率提高。以搪瓷管段(一)為例，操作彈性對管箱固有頻率和卡門渦流頻率的影響見表4。由表4可以看出，當操作彈性達到140% 時，卡門渦流頻率依然低于管箱固有頻率，不會產生聲共振現象。可見，增加縱向隔板后，不僅可以解決目

前的共振問題，還可以保證在提高處理量的條件下不產生聲共振現象。

圖5 增加一塊縱向隔板后搪瓷管段示意

操作彈性管箱固有頻率f1∕Hz卡門渦流頻率判據fk入∕Hzfk出∕Hz下限∕Hz上限∕Hz是否激發駐波50%112973297312424993957否60%112973957374929994748否70%112974616437434995539否80%112975276499939996331否90%112975935562444997122否100%112976595624949997913否110%112977254687454998705否120%112977913749859999496否130%1129785738123649910288否140%1129792328748699911079否

以搪瓷管段(一)為例，管束縱向間距對管箱固有頻率和卡門渦流頻率的影響見表5。由表5可以看出，隨著管束縱向間距的增大，卡門渦流頻率逐漸減小；當管束縱向間距增大為原來的1.8倍時，卡門渦流頻率低于管箱固有頻率，不會產生聲共振現象。但是，管束縱向間距的變化對卡門渦流頻率的降低幅度影響較小，需對間距進行較大幅度的調整，才能改變卡門渦流頻率。因此在工程操作上不具有優勢。

表5 管束縱向間距對管箱固有頻率和卡門渦流頻率的影響

4.2空氣預熱器殼程底部的模擬分析

4.2.1流場模擬空氣預熱器底部空腔的流場特性與搪瓷管段(四)的流場特性密切相關，因此截取搪瓷管段(四)局部區域和底部空腔進行分析。圖6為煙氣流經搪瓷管段后未進入90°大拐角彎頭前的流線圖。由圖6可以看出，煙氣流經搪瓷管段后，在無約束的空腔內由較小的旋渦發展為較大的旋渦，流體流動十分不穩定，這將嚴重影響下游的煙氣流動情況。

圖6 流體流過搪瓷管束后的流線圖

圖7 空氣預熱器底部的整體和截面流線圖

圖7為空氣預熱器底部的整體和截面流線圖。由圖7可以看出，煙氣總體上是沿著煙道向出口(即引風機入口)流動，但是受搪瓷管段旋渦的影響，這些旋渦氣流還需流過90°彎道，使氣流出現雙螺旋流形式的二次流，而且在彎頭后出現局部的渦流區。當這股不均勻的煙氣進入引風機時，將會對引風機的工作狀況產生影響。

4.2.2振動原因分析通過分析空氣預熱器底部的流場模擬結果可知，引起空氣預熱器底部振動的主要原因為：①煙氣經搪瓷管段(四)產生的旋渦氣流流過90°彎頭時，由于快速轉向流動形成雙螺旋流形式的二次流，而且在彎頭后出現局部的渦流區。空氣預熱器底部的旋渦不斷發生和脫落，當旋渦的脈動頻率與煙道腔體的固有頻率相近時會發生共振。②空氣預熱器底部煙道長度很短，流體還未充分發展就直接進入引風機。當這股不均勻的氣流通過風機葉片通道時，各通道氣流也不均衡，使得引風機內部形成嚴重的二次渦流，引風機內部的渦流也將不斷發生和脫落，從而產生噪聲和振動。③引風機入口氣流不均所誘發的引風機的噪聲和振動將在煙氣流道腔體內傳播，當聲波頻率與煙氣流道腔體的固有頻率相近時會產生聲共振現象，造成空氣預熱器底部煙氣流道產生振動。

4.2.3振動解決措施空氣預熱器底部振動問題的解決措施主要為：①增加煙道長度，使煙氣流動達到穩定、均勻后再進入引風機，有利于改善進入引風機入口的氣流分布，從而減少振動。②在引風機入口煙道上添加格柵，打破流體的雙螺旋流，使流體重新分配均勻后再進入引風機，以減小振動。③對煙道系統內部和外部進行加固，內部可采用“井”形方式進行加固，外部在振動較為強烈的部位焊槽鋼，改變煙道腔體的固有頻率，進一步使氣流均勻。④在空氣預熱器底部的空腔添加導流板，改變腔體的固有頻率并消除底部的旋渦，避免產生聲共振現象，從而減小空氣預熱器的振動。

4.3 改造方案及效果

根據上述空氣預熱器的振動解決措施，結合現場布置及裝置實際情況，提出以下改造方案：①在搪瓷管段沿管束方向增加一塊隔板，改變管箱的固有頻率。如果今后進一步提高煙氣處理量，為了有更大的操作彈性，可以在搪瓷管管箱內增加兩塊縱向隔板。②在空氣預熱器底部空腔沿煙氣流動方向添加兩塊平行導流板，消除空腔底部的渦流。③在煙道系統內部增加“井”字形隔墻，增加煙道強度，減小系統振動。

改造后，空氣預熱器未產生明顯的振動和噪音，消除了運行中存在的安全隱患，達到了預期的改造效果。

5 結 論

空氣預熱器在運行過程中容易發生振動，根據空氣預熱器的殼程流場模擬和振動分析結果，在操作彈性為100%時，搪瓷管段為主要發生的管段，針對搪瓷管段(一)進一步研究發現在操作彈性大于70%后，搪瓷管段(一)會產生聲共振現象。空氣預熱器底部的氣流分布不均勻，在搪瓷管段下方存在旋渦，這些旋渦氣流流過90°彎頭時，由于快速轉向流動形成雙螺旋流形式的二次流。通過合理控制操作彈性、在搪瓷管管箱內增加縱向隔板數和增大管子縱向間距、加長煙道長度、在引風機入口煙道添加格柵、加固煙道系統和在空氣預熱器底部空腔添加隔板等措施，可以解決空氣預熱器的振動問題。結合現場布置及裝置實際情況，改造方案主要為：在搪瓷管段沿管束方向增加隔板、底部空腔添加導流板以及煙道系統內部增加“井”字形隔墻。改造后，空氣預熱器未產生明顯的振動和噪音，消除了運行中存在的安全隱患。

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簡 訊

旭化成公司與藍星公司在中國南通建立mPPE工程塑料合資企業

旭化成公司于2017年9月5日表示，已經與中國化工集團旗下子公司中國藍星公司建立了合資企業，將建立一體化聯合體，生產改性聚苯醚(mPPE)工程塑料Xyron。旭化成公司在合資企業中占有50.07%股份，而藍星公司擁有剩余的49.93%股份。

新公司名稱為旭化成藍星(南通)工程塑料營銷有限公司，總部位于中國南通。其子公司將在上海、深圳和香港成立。該設施將包括生產中間體2，6-二甲苯酚和聚苯醚(PPE)的裝置。PPE和2，6-二甲苯酚的預計產能為30 kta，mPPE為20 kta。該項目已收到反托拉斯清關。兩家母公司將開始研究2，6二甲苯酚、PPE和mPPE制造設施的建設，并將在2018年3月之前作出最終投資決定。

旭化成公司在新加坡生產mPPE的中間材料，其Xyron的全球生產能力為62 kta。藍星公司是中國唯一的2，6-二甲苯酚和PPE生產商，正在尋求滿足日益增長的需求并開展mPPE業務。該合資公司將利用藍星公司的技術生產2，6-二甲苯酚和PPE，并利用旭化成公司的mPPE混配技術和應用能力。

[錢伯章摘譯自Chemical Week，2017-09-05]

利用CO2除去水中的顆粒物

普林斯頓大學的研究人員開發了一種水處理技術，將CO2注入污水中，將那些難以通過沉降或微生物脫除的懸浮顆粒分離出來。該技術實驗室規模系統的顆粒物脫除效率比常規過濾裝置高1 000倍，且不需要使用膜。

這種低成本、低能耗的系統將用來代替微濾或超濾，或者作為常規過濾的輔助系統，防止膜上積垢。該系統也能用于將水生細菌和病毒分離出來，而無需氯化或紫外線處理。

含有固體顆粒的水流過透氣材料(聚二甲基硅氧烷)，離子梯度誘導顆粒物沿著垂直于流體流向的方向移動，會聚集在管道的一側，分開水流就可將顆粒物分離出來。

該研究項目在普林斯頓大學的霍華德斯通(Howard Stone)實驗室由博士后研究人員Sangwoo Shin和Orest Shardt完成。該研究內容最近發表在《Nature Communications》期刊上。該團隊計劃將該技術放大。

[程薇摘譯自Chemical Engineering，2017-07-18]

FLOWFIELDSIMULATIONANDVIBRATIONANALYSISFORAIRPREHEATERSHELLSIDE

Hu Jun1， Zhou Zheng2， Bo Dechen1， Zhang Ying1

(1.FushunResearchInstituteofPetroleumandPetrochemicals，SINOPEC，Fushun，Liaoning113001； 2.NaturalGasProcessingPlantofZhongyuanOilfield，SINOPEC)

The air preheater vibration and noise often occurs during operation in a SINOPEC refinery.Fluent software was used to establish a mathematical model for simulating the flow field of shell side and analyzing the causes of vibration and to propose solutions.The results showed that a Kamen vortex exists on the back of the air preheater tube bundle，and there are two large vortices in the bottom cavity.As soon as the vortex frequency is close to the inherent frequency of tube box，vibration and noise occur.The revamping plan was confirmed：increasing clapboard along the direction of the pipes in enamel pipe sectors，adding baffle in the bottom cavity and “well” shaped partition wall in the flue system.After revamping，the vibration and noise no longer occur.

air preheater； shell side； flow field； vibration

2017-05-19；修改稿收到日期2017-07-08。

胡珺，碩士，助理工程師，從事煉油廠節能技術研究工作。

胡珺，E-mail：hujun.fshy@sinopec.com。

國家科技重大專項(2016ZX05017-004)。