基于區(qū)域法的工業(yè)蒸汽裂解爐爐膛實時性能預測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于區(qū)域法的工業(yè)蒸汽裂解爐爐膛實時性能預測方法。爐膛輻射模型是采用HOTTEL區(qū)域法求出區(qū)與區(qū)之間的輻射傳熱速率。煙氣流動模型是根據(jù)CFD計算結(jié)果求出熱區(qū)、冷區(qū)和橫向表面質(zhì)量流量。燃料氣燃燒模型的底部燃料氣放熱率是根據(jù)CFD計算的沿爐膛高度各區(qū)的燃料氣消耗率確定的。側(cè)壁燃料氣放熱率在側(cè)壁燒嘴附近根據(jù)區(qū)域所在的高度與燒嘴所在的高度差均勻分布。由此建立各區(qū)熱平衡方程式，利用擬牛頓法迭代計算非線性方程組，直至滿足收斂精度為止，獲得裂解爐爐膛內(nèi)各區(qū)煙氣和爐墻溫度、爐管熱通量等實時性能的預測，從而為裂解爐的設(shè)計和操作優(yōu)化提供可靠的模型依據(jù)及理論支撐。
【專利說明】基于區(qū)域法的工業(yè)蒸汽裂解爐爐膛實時性能預測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于區(qū)域法的工業(yè)蒸汽裂解爐爐膛實時性能預測方法，利用該方法建立的模型可用于烴類蒸汽裂解爐的設(shè)計和操作條件優(yōu)化。
【背景技術(shù)】
[0002]乙烯工業(yè)是石油化學工業(yè)的龍頭和核心。乙烯生產(chǎn)裝置的核心部分是裂解爐，整個乙烯裝置效益與裂解爐的設(shè)計和操作有直接的關(guān)系。輻射段是裂解反應(yīng)發(fā)生的主要位置，也是裂解爐內(nèi)最重要的部分，現(xiàn)行的裂解爐輻射段的幾何結(jié)構(gòu)較龐大，且由于裂解反應(yīng)的吸熱性，需要大量燃料燃燒供熱，因此較大流量的燃料氣通過燒嘴以高速射流方式噴入爐膛，對爐膛內(nèi)的煙氣的流動產(chǎn)生顯著影響，從而進一步影響燃料氣的混合與燃燒過程，改變爐膛內(nèi)的溫度分布。同時煙氣將熱量傳給反應(yīng)管內(nèi)的裂解原料，使之發(fā)生復雜的反應(yīng)過程，反之亦然。所以，沿爐管長度方向的熱通量分布是聯(lián)系油氣和煙氣側(cè)的紐帶。由于受到長周期、高成本和有限的測量手段的限制，對熱通量分布的實驗研究是極其困難的。因此，數(shù)值計算是優(yōu)化和設(shè)計裂解爐的一個有效工具。
[0003]計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,簡稱CFD)技術(shù)在裂解爐模擬中的應(yīng)用已有了長足的進步，而且有些還嘗試性地進行了工業(yè)應(yīng)用。但整體上講，裂解爐的CFD模擬離工業(yè)應(yīng)用還有一段距離，因其本身還有一些難題未能解決。如:CFD模擬的計算量大，計算時間長；燃燒模型和部分湍流模型不盡完善，還需要應(yīng)用燃燒等基礎(chǔ)理論來解決；工業(yè)裂解爐實際情況非常復雜，影響因素繁多，細微的偏差都會導致計算出現(xiàn)很大的偏差或不收斂等。因此，為了能使裂解爐數(shù)值模擬在工業(yè)乙烯裂解爐中得到應(yīng)用，為裂解爐的運行優(yōu)化提供指導，迫切需要尋求更適合工業(yè)操作現(xiàn)場的方法來解決。
[0004]區(qū)域法(Zone method)是霍特爾(H.C.Hottel) 1954年提出的，用于管式爐爐膛的輻射傳熱計算，因其計算速度快、計算精度高，現(xiàn)在已成為實際工程問題中使用最廣泛的方法之一。國外的乙烯商業(yè)軟件基本上都是以區(qū)域法為基礎(chǔ)的，例如Spyix)軟件。過去的二十幾年中，已經(jīng)有許多學者使用區(qū)域法對工業(yè)蒸汽裂解爐作了研究。但是他們在計算爐膛內(nèi)的輻射傳熱過程時，未對燃料燃燒過程進行模擬，而是利用燃料的放熱率估計煙氣的組成和溫度，而且還忽略了燃燒和煙氣流動過程對傳熱的影響。Detemmerman和Froment和Heynderickx等人第一次運用區(qū)域法和CFD法結(jié)合對裂解爐內(nèi)的福射傳熱進行稱合模擬。H.Barths運用CFD法與零維多區(qū)域法稱合模擬Homogeneous Charge CompressionIgnition(HCCI)燃燒。然而，他們的研究需要運用CFD計算復雜的流動模型或燃燒模型，計算速度也會因此而變慢，不適合工業(yè)實際的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服以上不足，本發(fā)明擬利用HOTTEL區(qū)域法和CFD聯(lián)合建模的方法，建立符合爐膛煙氣實際流動、燃燒情況的數(shù)學模型，進而建立爐膛區(qū)域法模型，求解爐膛模型可獲得裂解爐爐膛內(nèi)各區(qū)煙氣和爐墻溫度分布、爐管熱通量分布和煙氣質(zhì)量流量、煙氣粘度、導熱系數(shù)以及雷諾數(shù)等參數(shù)的分布，從而為工業(yè)裂解爐的設(shè)計和操作優(yōu)化提供可靠的模型依據(jù)及理論支撐。并提供了一種基于區(qū)域法的工業(yè)蒸汽裂解爐爐膛實時性能預測方法，該模型能夠用于裂解爐的設(shè)計和操作條件優(yōu)化，此模型有如下特點:
[0006]1.具有較為完善的三維爐膛輻射傳熱模型，能夠較為精確地計算爐膛內(nèi)各區(qū)煙氣和爐墻溫度分布、爐管熱通量分布。
[0007]2.考慮煙氣流動和燃燒過程對傳熱的影響，建立符合爐膛煙氣實際流動和燃燒情況的流動模型和燃燒模型。
[0008]根據(jù)以上特點，采用HOTTEL區(qū)域法和CFD聯(lián)合建模的方法，建立爐膛的輻射傳熱模型、煙氣流動模型、燃料氣燃燒模型和煙氣對流傳熱模型。由此建立各區(qū)熱平衡方程式，運用擬牛頓法迭代計算非線性方程組，直至滿足收斂精度為止。
[0009]具體而言，該基于區(qū)域法的工業(yè)蒸汽裂解爐爐膛實時性能預測方法包括以下步驟:
[0010]步驟1:確定工業(yè)烴類蒸汽裂解爐爐膛幾何結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)。
[0011]步驟2:將爐膛按照長、寬和高度方向劃分區(qū)域?？紤]爐膛輻射傳熱模型，煙氣流動模型，燃料氣燃燒模型，以及煙氣對流傳熱模型，從而建立每一區(qū)域的能量平衡式。
[0012]步驟3:利用擬牛頓法迭代計算爐膛內(nèi)能量平衡非線性方程組，直至滿足收斂精度為止，獲得裂解爐爐膛內(nèi)各區(qū)煙氣和爐墻溫度、爐管熱通量、煙氣質(zhì)量流量、煙氣粘度、導熱系數(shù)以及雷諾數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)和物性參數(shù)分布。
[0013]較佳的，所述爐膛幾何結(jié)構(gòu)包括爐膛的長、寬、高，燒嘴的幾何尺寸和個數(shù)，爐管的幾何尺寸和排布形式等；工藝參數(shù)包含底部和側(cè)壁燃料氣組成及進料流量、溫度、壓力、過剩空氣系數(shù)、側(cè)/底燃料氣比等；
[0014]較佳的，所述爐膛長度方向的分區(qū)按照爐管組數(shù)劃分；寬度方向上的分區(qū)按照熱區(qū)(燒嘴上方的區(qū)域)和冷區(qū)(近爐管的區(qū)域)劃分；高度方向上的分區(qū)可以任意劃分。區(qū)域劃分越多，計算結(jié)果越準確，但計算工作量也就越大。
[0015]較佳的，所述爐膛輻射傳熱模型是根據(jù)HOTTEL區(qū)域法求出區(qū)與區(qū)之間的直接交換面積，總交換面積及定向流面積，進而求得區(qū)與區(qū)之間的輻射傳熱速率。
[0016]較佳的，所述煙氣流動模型是根據(jù)CFD計算結(jié)果輸出熱區(qū)表面質(zhì)量流量，根據(jù)質(zhì)量守恒計算其冷區(qū)和橫向表面質(zhì)量流量。
[0017]較佳的，所述燃料氣燃燒模型的底部燃料氣放熱率是根據(jù)CFD計算的沿爐膛高度各區(qū)的燃料氣消耗率確定的。側(cè)壁燃料氣放熱率在側(cè)壁燒嘴附近根據(jù)區(qū)域所在的高度與燒嘴所在的高度差均勻分布。
[0018]較佳的，所述煙氣對流傳熱模型是根據(jù)煙氣對管壁和爐墻的給熱系數(shù)、煙氣與管壁溫差、對流換熱面積求得。
[0019]較佳的，所述利用擬牛頓法迭代計算爐膛內(nèi)能量平衡非線性方程組，直到爐膛各區(qū)的煙氣、爐墻溫度分布和爐管熱通量分布滿足收斂精度為止，輸出計算結(jié)果。否則調(diào)整管外壁溫度重新計算，反復迭代直至達到精度為止。
[0020]本發(fā)明提供了一種基于區(qū)域法的工業(yè)蒸汽裂解爐爐膛實時性能預測方法。此方法在建模中將爐膛采用HOTTEL區(qū)域法和CFD模擬結(jié)果相結(jié)合的方法，利用熱量平衡方程求解爐膛煙氣、爐墻溫度分布和爐管熱通量分布情況。此建模方法適用于各類工業(yè)烴類蒸汽裂解爐，有著廣泛的適應(yīng)性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1-1~圖1-2為爐膛結(jié)構(gòu)和區(qū)域劃分示意圖；
[0022]圖1-1為裂解爐爐膛三維視圖；
[0023]圖1-2為爐膛區(qū)域劃分示意圖；
[0024]圖2為爐膛內(nèi)煙氣流動示意圖；
[0025]圖3為區(qū)域法求解步驟。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0027]爐膛區(qū)域劃分如圖1所示。長度方向分區(qū)數(shù)為爐管組數(shù)；寬度方向分區(qū)數(shù)為2，分別為熱區(qū)(燒嘴上方的區(qū)域)和冷區(qū)(近爐管的區(qū)域)；高度方向分區(qū)數(shù)可以任意選定。
[0028](I)輻射傳熱模型(H0TTEL區(qū)域法)
[0029]①計算煙氣成分、吸收系數(shù)
[0030]根據(jù)燃料氣和空氣的組成和百分比以及空氣過剩系數(shù)進行燃燒計算，得出煙氣成分和煙氣量；在得到煙氣成分的基礎(chǔ)上，由輻射室的尺寸計算出熱射線的平均行程長度，再估計一個煙氣平均溫度，計算煙氣的吸收系數(shù)。計算吸收系數(shù)公式參見式(20)。
[0031]②計算直接交換面積
[0032]假設(shè)系統(tǒng)中充滿著灰氣體，表面為黑表面，沒有反射，不反射輻射能，任意兩個黑表面之間的凈輻射換熱，只有通過直接輻射的方式進行換熱。這樣，在有灰氣體存在時，兩個黑表面之間的交換面積稱為直接交換面積。
[0033]a.兩平行表面間的直接交換面積:
[0034]
【權(quán)利要求】
1.一種基于區(qū)域法的工業(yè)蒸汽裂解爐爐膛實時性能預測方法，其特征在于， 步驟1:確定工業(yè)烴類蒸汽裂解爐爐膛幾何結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)。 步驟2:將爐膛按照長、寬和高度方向劃分區(qū)域，基于爐膛輻射傳熱模型，煙氣流動模型，燃料氣燃燒模型，以及煙氣對流傳熱模型，建立每一區(qū)域的能量平衡式。 步驟3:利用擬牛頓法迭代計算爐膛內(nèi)能量平衡非線性方程組，直至滿足收斂精度為止，獲得裂解爐爐膛內(nèi)各區(qū)煙氣和爐墻溫度、爐管熱通量、煙氣質(zhì)量流量、煙氣粘度、導熱系數(shù)以及雷諾數(shù)的參數(shù)分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預測方法，其特征在于，所述爐膛幾何結(jié)構(gòu)包括爐膛的長、寬、高，燒嘴的幾何尺寸和個數(shù)，爐管的幾何尺寸和排布形式；工藝參數(shù)包含底部和側(cè)壁燃料氣組成及進料流量、溫度、壓力、過?？諝庀禂?shù)、側(cè)/底燃料氣比。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預測方法，其特征在于，所述爐膛長度方向的分區(qū)按照爐管組數(shù)劃分；寬度方向上的分區(qū)按照距離燒嘴的距離進行劃分；高度方向上的分區(qū)可以任意劃分。根據(jù)權(quán)利要求1所述的預測方法，其特征在于，所述爐膛輻射傳熱模型是根據(jù)HOTTEL區(qū)域法求出區(qū)與區(qū)之間的直接交換面積，總交換面積及定向流面積，進而求得區(qū)與區(qū)之間的輻射傳熱速率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預測方法，其特征在于，所述煙氣流動模型是根據(jù)計算流體力學計算結(jié)果輸出熱區(qū)表面質(zhì)量流量，根據(jù)質(zhì)量守恒計算其冷區(qū)和橫向表面質(zhì)量流量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預測方法，其特征在于，所述燃料氣燃燒模型的底部燃料氣放熱率是根據(jù)計算流體力學計算的沿爐膛高度各區(qū)的燃料氣消耗率確定的，側(cè)壁燃料氣放熱率在側(cè)壁燒嘴附近根據(jù)區(qū)域所在的高度與燒嘴所在的高度差均勻分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預測方法，其特征在于，所述煙氣對流傳熱模型是根據(jù)煙氣對管壁和爐墻的給熱系數(shù)、煙氣與管壁溫差、對流換熱面積求得。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預測方法，其特征在于，還進一步包括以下步驟，當所述步驟3無法收斂達到預設(shè)精度，則調(diào)整管外壁溫度重新執(zhí)行步驟3，反復迭代直至達到精度為止。
【文檔編號】G06F17/50GK103455684SQ201310419653
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】錢鋒, 胡貴華, 杜文莉, 李進龍, 王振雷 申請人:華東理工大學