第50卷第3期2021年5月
Vol.50No.3
May2021石油化工设备
PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT
试验研究
文章编号:1000-7466(2021)03-0001-09
李春亮1，段振亚"
(1.中石油华东设计院有限公司，山东青岛266071#
2.青岛科技大学机电工程学院，山东青岛266061)
摘要：运用计算流体动力学方法，对某公司2.4X106t/a渣油加氢装置阶梯型反应进料加热炉炉膛辐射段 进行数值模拟，分析和对比了加热炉整体和不同炉墙角度结构加热炉内烟气流场和温度场、炉管外壁温度和热强度的分布特征。研究结果表明，涡流是加热炉内部的正常流场状态: 90°炉墙结构加热炉和85°炉墙结构加热炉各有优点，前者可以获得更好的炉管外壁温度分布，后者可以获得更均匀的热强度和烟气温度分布，但二者获得的炉管内膜温度范围是接近的$ 关键词：加氢装置；加热炉；阶梯型；流场；温度场；分布特征
中图分类号：TQ054.4文献标志码：A doi:10.3969/j.issn.1000-7466.2021.03.001
Simulation Analysis of Terrace Wall Reactor Feed Heater
in Residue Hydrotreating Unit
LI Chun-liang B,DUAN Zhen-ya2
(l.CNPC EastChina Design Institute Co.Ltd.,Qingdao266071,China；
2.College of Electromechanical Engineering,Qingdao University of Science and Technology,
Qingdao266061,China)
Abstract:Computational fluid dynamic method(CFD)was used to simulate the terrace wall reaction feed
heater in a company's2.4X106t/a residue hydrotreating unit,the simulated flow field and temperature field distribution ofthe whole heater and the heater characterized with different furnace wall angles were analyzed
and compared.The research result show that vortex is the normal state of the flow in the furnace,the heater with a90°side wall angle can obtain better temperature distribution on the outer wall ofthe tube wall,the ones
with a85°side wall angle can obtain more even heat intensity and flue gas temperature distribution,but the inner film temperature ofthe tubes ofthe two structures is close.
Key words:hydrotreating unit；feed heater；terrace wall；flow field；temperature field；distribution characteristics
固定床渣油加氢工艺技术是国内炼油厂应对石油资源重质化挑战的重要举措，该工艺中使用的渣油加氢反应加热炉主要负责为油品升温提供热量*14+。传统渣油加氢反应加热炉为双面辐射结构，炉侧壁为垂直结构，近年来很多新建渣油加氢反应加热炉为阶梯型双面辐射结构*511]o本文利
收稿日期：2020=12=14
基金项目：中国石油集团重大科技专项(2017E-0803)
作者简介：李春亮(1986=)，男，山东青岛人，工程师，硕士，从事炼油加热炉设计和研发工作。E=mail：trychiyujian@163
・2・石油化工设备2021年第50卷
用计算流体动力学方法（CFD），对阶梯型渣油加氢反应进料加热炉进行温度场和流场模拟，根据数值模拟结果分析并对比炉墙倾斜角度对加热炉温度场和流场的影响，以期为工程设计的优化提供参考。
排屑装置
1渣油加氢反应进料加热炉概况
某公司2.4X106t/a渣油加氢装置阶梯型反应进料加热炉有4个结构相同的辐射炉膛。单个炉膛长15188mm，宽2888mm，高10700mm o每个炉膛有16台附墙燃烧器，分2侧布置，每侧分配8台。相邻2台燃烧器沿侧墙方向的间距为1700mm，炉管尺寸为0177.8mmX19mmX13400mm，共16排，炉管中心距为355.6mm，其中底部炉管中心距离炉底600mm。
2单炉膛建模及边界条件设置
2.1结构模型
以单炉膛为研究对象，兼顾其结构的对称性和计算的简便性，选取单炉膛半边进行分析，将燃烧器简化为炉底空气出口和燃料出口，得到的加热炉单炉膛1/2简化模型见图1。
图1反应进料加热炉单炉膛1/2简化模型
2.2数学模型
针对加热炉整体的燃烧和传热特别复杂、炉膛内燃烧传热与炉管内介质耦合紧密以及耦合计算收敛难度大的具体情况，将加热炉模型分为炉膛区域和炉管介质区域，采用区域耦合方法$12%将2个区域协调计算，得出2区域截面相同的温度和热强度分布，从而实现间接的耦合。
炉膛区域采用气体燃烧基本方程组描述，主要有连续性方程、动量方程、能量方程和组分输运方程，计算模型采用！-"湍流模型、P1辐射模型以及简化的快速反应扩散燃烧模型$13-15%o
炉管介质区域采用连续性方程、动量方程和能量方程，计算模型采用k-"湍流模型、混合多相流模型o鉴于该加热炉渣油气化率变化小，为简化计算，不考虑渣油气化，整个过程按照入口气化率考虑。
2.3边界条件
炉膛区域内，燃料气和助燃空气设置为质量入口，燃料质量流量为0.1055kg/s，燃料温度为40@&空气质量流量为1.7135kg/s，空气温度为508A。燃料气为混合物，其组成见表1。炉膛出口采用压力边界，出口压力为-25Pa，炉墙和炉管管壁采用标准壁面函数。炉墙采用对流传热表面，对流传热系数选取10W/（m2・K），外界温度取27D，炉膛保温层厚度250mm，传热系数按陶瓷纤维模块考虑，炉管外壁为分区耦合计算的耦合边界，其温度和热强度分布由炉膛区域和炉管区域耦合计算得出。
表1燃料气组成
组分H#CH&c#h6N#c3h*
摩尔分数18.8927.0519.648.748.92炉管介质（渣油）区域内，入口设置为质量入口 ，渣油总质量流量为12.393kg/s，其中气相质量分数为0.13063，入口温度为354E。被加热介质为渣油，渣油密度、黏度等性质数据采用多段线性差值描述，比焓采用多项式描述，介质出口采用压力边界，炉管壁面采用标准壁面函数，同样也是分区耦合计算的耦合边界。
3反应进料加热炉模拟计算结果与分析3.1流场
3・1・1烟气流线
阶梯型反应进料加热炉烟气速度流线分布云图见图2
系统升级补丁备份文件图2阶梯型反应进料加热炉烟气速度流线分布云图
由图2可以看出，烟气在炉膛内部的流动不是简单的直接排到炉外，而是以漩涡的状态流动o 该漩涡将高温烟气带到低温区域，从某种程度上
第3期李春亮!等：渣油加氢装置阶梯型反应进料加热炉模拟分析・3・
讲，漩涡搅动炉膛烟气，促进了炉膛温度的混合，使之分布更均匀。
3・1・2截面速度矢量
反应进料加热炉炉膛中间端截面的速度矢量分布云图见图3。
E iWFf———一
w2.197e+000
1.648e+000
1.098e+000
5.492e-001
■O.OOOe+OOO
y
z匕％
图3反应进料加热炉炉膛中间端截面
速度矢量分布云图
从图3可以看出，烟气沿着炉壁向上流动，到达倾斜侧面时，一部分烟气流出炉膛，其余烟气转向沿着炉管向下流动，从而在中间端截面形成2个大的对称漩涡，该漩涡将炉顶高温烟气带到炉底区域，有利于炉膛温度均匀化。
反应进料加热炉炉膛侧截面的速度矢量分布云图见图4。
■2.734e+000
2.051e+000
-1.367e+000
6.836e-001跑步机控制器
■O.OOOe+OOO
图4反应进料加热炉炉膛侧截面速度矢量分布云图
从图4可以看出，到达倾斜侧面的烟气，一部分如图3所示流向炉管和流出炉膛，其余烟气水平流动到端墙，沿着端墙转而向下流动，而后流向炉底，最后在炉膛中间汇集后向上流动，即在中间侧截面形成2个大的对称漩涡。
3・1・3流场总体特征
通过图2〜图4可以看出，燃料和空气从燃烧器喷出后，在阶梯炉炉膛内形成漩涡。总之，炉膛存在两两对称、两两垂直的多个漩涡，此漩涡搅动炉膛烟气，使得高温烟气流向低温区，对炉膛温度均匀化有积极作用。
3.2温度场
反应进料加热炉炉膛不同位置截面温度分布云图见图5。从图5可以看出，火焰沿着炉墙分布，火焰及炉膛中上部为烟气高温区，底部为低温区，与实际相符，炉顶温度为685）。
防辐射手机图5反应进料加热炉炉膛不同位置截面温度分布云图3.3管壁温度
反应进料加热炉炉管温度分布云图见图6。从图6可以看出，温度沿着高度方向降低，炉管入口处最低，炉管出口处最高，温度介于408.5, 443.4.，平均温度4240。此结果比加热炉通用工程核算软件FRNC-5计算的范围430〜4628更保守，这是因为FRNC-5根据实际情况考虑了一定的污垢系数，导致
计算的炉管外壁温度更高
图6反应进料加热炉炉管温度分布云图
3.4炉管热强度
反应加热炉炉管热强度分布云图见图7。从图7可以看出，热强度沿着高度方向增大，炉管入口处最高，炉管出口处最低，热强度介于24638；43296W/m2，平均热强度31270W/m2。由于炉膛顶部烟气温度较高，而介质温度偏低，因此热强度
・4・石油化工设备2021年第50卷
偏大&而炉膛底部烟气温度较低，介质温度偏高, 因此热强度偏低。
图7反应进料加热炉炉管管壁热强度分布云图
4炉墙角度对反应进料加热炉流场及温
度场影响
4.1结构建模
目前阶梯型加氢反应进料加热炉炉膛双面辐
射结构按侧墙结构特征分为2种，第1种侧墙下 部垂直（90°），第2种侧墙从底部开始倾斜，一般 角度在）5。〜）7。。按照侧墙倾角90。和）5。对上
述2种结构建模，见图）。
4.2流场比较
不同炉墙角度下中间端截面流线的比较见图 9o 从图9可以看出,2种结构都存在对称的2个
漩涡，不同的是,90。结构的漩涡更大，而且漩涡 的中心靠近炉膛高度方向的中心。而）5。结构的 漩涡更狭窄，烟气回流贯穿炉膛竖直方向，靠近炉
管，且在炉底区域存在2个较小的漩涡。
对沿端面外侧起，经过第1〜第4排燃烧器 端截面流线的比较见图10〜图13 o
从图10〜图13可以看出,90°结构均含有
城市规划模型对称的2个较大漩涡，分布偏向于炉膛中部o
）5。结构均含有对称的2个漩涡，分布偏向在炉膛
中下部，且距离炉管更近o 这是由于炉墙倾斜使得
%
b ) 85°
a ) 90'
I 中间端截面
■ 7第4排燃烧器 第3排燃烧器第2排燃比器第1排燃烧器
中间端截面
» F 第4排燃烧器■ ~第3排燃烧器第2二燃比器第1排燃烧器
图"反应进料加热炉炉墙结构及计算模型
■|2.196e+000
1.647e+000
■l.O98e+OOO
5.490e-001
■O.OOOe+OOO m/s
.2.196e+0001.647e+0001.098e+000
5.490e-001
I O.OOOe+OOO
m/s (a) 90°(b ) 85°
u.
图9
反应进料加热炉不同炉墙角度下中间端截面速度流线
集成电路设计流程第3期李春亮!等：渣油加氢装置阶梯型反应进料加热炉模拟分析
・5・
图10反应进料加热炉不同炉墙角度下经过第1排燃烧器端截面速度流线
誥•爲!
H 3.181e+001
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m/s
；）i iiv ，(b ) 85°
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图11反应进料加热炉不同炉墙角度下经过第2排燃烧器端截面速度流线
1.542e+00
2.542e+002
1.156e+002
7.709e+001
3.855e+001 3.855e+001
■ 0.000e+000 m/s
■ 0.000e+000 m/s
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—
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7.709e+001
1.156e+002图12反应进料加热炉不同炉墙角度下经过第3
排燃烧器端截面速度流线
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