工業(yè)蒸汽裂解爐的管排優(yōu)化設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種工業(yè)蒸汽裂解爐的管排優(yōu)化設(shè)計方法，采用計算流體力學(xué)建立爐膛的流動、燃燒、傳熱模型；爐管模型中，管內(nèi)過程采用分子或自由基反應(yīng)動力學(xué)模型。然后以熱通量及管壁溫度分別作為邊界條件，進(jìn)行爐膛爐管的耦合計算直至收斂。該模型能夠獲得爐管內(nèi)裂解氣速度、溫度、壓力、主要裂解產(chǎn)物收率，爐管外壁的溫度和熱通量沿管長的分布，以及爐膛內(nèi)煙氣速度、溫度、濃度分布等詳細(xì)信息，可用于驗證設(shè)計方案能否達(dá)到預(yù)計結(jié)果，由于建立了精確的裂解爐幾何模型，通過對爐膛煙氣流場、溫度場以及爐管內(nèi)裂解氣溫度、壓力、濃度和管壁溫度分布等數(shù)據(jù)的分析，可以為裂解爐管排的設(shè)計優(yōu)化提供指導(dǎo)。
【專利說明】工業(yè)蒸汽裂解爐的管排優(yōu)化設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種工業(yè)蒸汽裂解爐的管排優(yōu)化設(shè)計方法，利用該方法建立的模型可用于工業(yè)蒸汽裂解爐管排的設(shè)計驗證和優(yōu)化。
【背景技術(shù)】
[0002]裂解爐是乙烯裝置的龍頭，而輻射段爐管又是裂解爐的心臟，是操作條件最惡劣、故障率較高的部位。其主要特點是操作壓力低，約為0.3MPa ;操作溫度高，管壁最高溫度可達(dá)110(TC或更高；操作介質(zhì)為石腦油及各種尾油等烴類介質(zhì)[1]。在裂解爐運行過程中，爐管內(nèi)表面不斷結(jié)焦，導(dǎo)致爐管壓降增大，同時管壁溫度升高導(dǎo)致局部出現(xiàn)過熱點。因此，通常通過測定管壁溫度，當(dāng)溫度接近爐管材料的耐熱極限時即停爐清焦，這使裂解爐需要周期性地開、停車。在周期性的開、停車過程中，周期性的熱應(yīng)力沖擊也會對爐管的使用壽命產(chǎn)生影響。
[0003]縱觀各種爐管失效的方式和原因，無論是由于燃燒系統(tǒng)的燃料負(fù)荷分配不合理，還是諸如周期性開停車、燒焦、原料帶液等操作系統(tǒng)因素，它們都引起了一個共同的現(xiàn)象，就是爐膛內(nèi)溫度分布不合理，爐管受熱不均勻，出現(xiàn)局部過熱超溫，最終導(dǎo)致爐管發(fā)生滲碳、蠕變、腐蝕、熱沖擊和疲勞損傷等。因此，可以這樣說，裂解爐爐管的失效或多或少都與爐膛溫度分布有關(guān)。而針對爐管受熱不均，局部過熱超溫等問題，目前的解決方案主要是調(diào)節(jié)燒嘴燃料量和風(fēng)量的配比，但主要是憑經(jīng)驗，也有采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Kalman濾波技術(shù)[2，3]對管壁溫度進(jìn)行預(yù)測和推斷來實施現(xiàn)場調(diào)控，但依據(jù)的只是“黑箱”模型，外延性較差。因而當(dāng)前更需要從整體上將管外爐膛側(cè)的煙氣流動、燃燒、傳熱過程與管內(nèi)原料的加熱、裂解反應(yīng)過程結(jié)合，建立較為完整的機理模型，并采用高效的計算方法對爐子進(jìn)行改進(jìn)或調(diào)整，以期取得更好的生產(chǎn)效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明全面系統(tǒng)地分析了工業(yè)蒸汽裂解爐反應(yīng)管內(nèi)物質(zhì)流動、傳熱、傳質(zhì)和裂解反應(yīng)以及爐膛內(nèi)流動、傳熱、傳質(zhì)和燃燒反應(yīng)等復(fù)雜過程，同時分析了這些復(fù)雜過程之間強烈的耦合作用，基于流體力學(xué)的湍流流動模型、輻射傳熱模型、燃燒模型和裂解反應(yīng)動力學(xué)模型，將裂解爐反應(yīng)管內(nèi)傳遞和裂解反應(yīng)過程與爐膛中燃燒傳熱過程相耦合，設(shè)計了一種工業(yè)蒸汽裂解爐爐膛燃燒及爐管內(nèi)裂解反應(yīng)的耦合數(shù)值建模方法。爐膛模型中，爐膛煙氣流動采用雷諾平均模型，并采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε雙方程模型封閉其中的湍流項；根據(jù)燃料和空氣的混合程度采用相應(yīng)的燃燒模型，如非預(yù)混燃燒選用概率密度函數(shù)(ProbabilityDensity Function,簡稱FOF)模型，預(yù)混燃燒選用有限速率/潤耗散模型(Finite Rate/Eddy-Dissipation model,簡稱FR/EDM);爐膛的福射傳熱采用離散坐標(biāo)(Discreteordinate,簡稱DO)模型，并米用灰氣體加權(quán)平均模型(Weighted-sum-of-gray-gasesmodel，簡稱WSGGM)計算煙氣輻射特性。爐管模型中，管內(nèi)過程采用分子反應(yīng)或自由基裂解反應(yīng)模型。爐膛模型與爐管模型耦合模擬的迭代變量選用爐管外壁溫度和熱通量。由此可以獲得爐膛內(nèi)煙氣溫度、速度、組分濃度分布，爐管內(nèi)外壁溫度分布，爐管熱通量分布以及管內(nèi)裂解氣溫度、速度、組分濃度分布，從而更加準(zhǔn)確了解工業(yè)蒸汽裂解爐內(nèi)在特性，為裂解爐的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的優(yōu)化提供理論支持。
[0005]具體而言，該工業(yè)蒸汽裂解爐的管排優(yōu)化設(shè)計方法包括以下步驟:
[0006]步驟1:確定工業(yè)蒸汽裂解爐的設(shè)計操作數(shù)據(jù)，包括裂解爐爐膛、爐管的詳細(xì)尺寸結(jié)構(gòu)，裂解原料進(jìn)料量、溫度和壓力，裂解原料屬性，裂解氣出口溫度，出口壓力，以及出口主要產(chǎn)物收率，燃料氣的組成、進(jìn)料量、溫度和壓力，過?？諝庀禂?shù)；
[0007]步驟2:將工業(yè)蒸汽裂解爐的建模過程分為爐膛建模和爐管建模；
[0008]步驟2.1:建立爐膛模型。采用計算流體力學(xué)方法，對爐膛進(jìn)行準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)建模和網(wǎng)格劃分，在爐管附近采用細(xì)化的網(wǎng)格進(jìn)行描述；在此基礎(chǔ)上建立爐膛內(nèi)的流動、燃燒、輻射模型，計算得到輻射段煙氣的速度、溫度、壓力、各組分濃度分布，以及爐膛對爐管外壁的熱通量；
[0009]步驟2.2:建立爐管模型。采用分子反應(yīng)或自由基反應(yīng)動力學(xué)建模。通過爐管模型計算可以得到沿管長的管壁溫度分布，裂解氣溫度、壓力和各組分濃度隨管長的變化，以及出口溫度，出口壓力及出口處各組分的收率；
[0010]步驟3:爐膛與爐管模型存在能量的耦合關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗或者初始化爐管外壁溫度分布的初值，作為邊界條件帶入爐膛模型中進(jìn)行計算，然后將爐膛計算獲得的管壁熱通量分布再作為邊界條件代入爐管模型中計算，獲得新的爐管外壁溫度分布，如此反復(fù)迭代直至收斂。
[0011 ] 較佳的，所述爐膛模型包含了爐管的詳細(xì)三維結(jié)構(gòu)，建立與實際爐管排布一致的幾何模型。
[0012]較佳的，所述爐管的詳細(xì)三維結(jié)構(gòu)參數(shù)可進(jìn)行修改，以來考察改變爐管結(jié)構(gòu)對結(jié)果的影響。
[0013]較佳的，所述爐管的詳細(xì)三維結(jié)構(gòu)參數(shù)包括爐管的各管程的結(jié)構(gòu)、排布和位置以及各管程連接件的結(jié)構(gòu)和位置等。
[0014]較佳的，所述爐膛模型包含了僅有底部燒嘴或僅有側(cè)壁燒嘴或底部和側(cè)壁燒嘴均有的情況；底部燒嘴空氣和燃料氣通過不同的位置分別進(jìn)入爐膛內(nèi)部，為非預(yù)混燃燒過程，采用概率密度函數(shù)(PDF)模型；側(cè)壁燒嘴空氣和燃料氣混合之后進(jìn)入爐膛，為預(yù)混燃燒過程，采用有限速率/渦耗散模型(FR/EDM);既有底部燒嘴又有側(cè)壁燒嘴的燃燒過程，采用FR/EDM 模型。
[0015]較佳的，所述迭代收斂判據(jù)為一前后兩次計算獲得的爐管外壁溫度最大值的差距是否小于一預(yù)設(shè)閾值，如小于該閾值，則為收斂。
[0016]本發(fā)明提供一種工業(yè)蒸汽裂解爐的管排優(yōu)化設(shè)計方法，采用計算流體力學(xué)建立爐膛的流動、燃燒、傳熱模型，爐管采用分子反應(yīng)模型或自由基反應(yīng)動力學(xué)模型，然后以熱通量及管壁溫度分別作為邊界條件，進(jìn)行爐膛爐管的耦合計算直至收斂。該模型能夠獲得爐管內(nèi)裂解氣速度、溫度、壓力、主要裂解產(chǎn)物收率，爐管外壁的溫度和熱通量沿管長的分布，以及爐膛內(nèi)煙氣溫度、濃度分布和火焰的形狀和高度等結(jié)果，可用于驗證設(shè)計方案能否達(dá)到預(yù)計結(jié)果，由于建立了精確的裂解爐幾何模型，通過對爐膛煙氣流場、溫度場以及爐管內(nèi)裂解氣溫度、壓力、濃度和管壁溫度分布等數(shù)據(jù)的分析，可以為裂解爐管排的設(shè)計優(yōu)化提供指導(dǎo)。本方法適應(yīng)性較為廣泛，可用于不同類型的工業(yè)蒸汽裂解爐。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1-1?圖1-3為某USC型裂解爐結(jié)構(gòu)及其細(xì)節(jié)示意圖；
[0018]圖1-1為裂解爐爐膛三維視圖；
[0019]圖1-2為裂解爐爐管細(xì)節(jié)放大圖；
[0020]圖1-3為圖1-1的A-A剖局部放大圖；
[0021]圖2-1?圖2-3為某USC型裂解爐改進(jìn)管排的結(jié)構(gòu)及其細(xì)節(jié)示意圖；
[0022]圖2-1為裂解爐爐膛三維視圖；
[0023]圖2-2為裂解爐爐管細(xì)節(jié)放大圖；
[0024]圖2-3為圖2-1的A-A剖局部放大圖；
[0025]圖3為耦合迭代求解步驟；
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合某工業(yè)石腦油裂解爐的建模實例進(jìn)行說明:
[0027]圖1是某USC型裂解爐結(jié)構(gòu)示意圖。該爐采用兩程分支變徑爐管設(shè)計，其構(gòu)型為“U”型，即1根進(jìn)口管聯(lián)一根出口管，垂直地懸掛在爐膛中央；爐膛底部靠近兩側(cè)墻壁裝配有兩排底部燃燒器。該爐型的輻射爐管是采用將部分進(jìn)口管、出口管分別集中放在一起排成一排，進(jìn)口管分列在出口管的兩側(cè)，進(jìn)口管經(jīng)過S彎和U彎后才到達(dá)出口管。這種排布方式會使進(jìn)口管的傳熱效率降低，出口管的管壁溫度較高，從而導(dǎo)致進(jìn)口和出口管的管壁溫差較大，這對裂解爐的運行周期是不利的。圖2為將圖1所示的某USC型石腦油裂解爐改進(jìn)管排后的三維結(jié)構(gòu)示意圖。該爐是將原來爐管的一排排布改為三排排布。該爐型的輻射爐管是采用將進(jìn)口管分布在出口管兩側(cè)、離燒嘴較近的位置，進(jìn)口管與出口管經(jīng)過一個較短的“U”型彎管連接。這樣改進(jìn)的爐管排列方式有利于爐管溫度分布均勻，有效吸收熱量；使管長縮短，從而縮短停留時間。
[0028]裂解爐爐膛內(nèi)的流體發(fā)生著復(fù)雜的質(zhì)量、動量、能量和組分傳遞過程。爐膛CFD模擬過程為:(1)建立描述爐膛內(nèi)的流動，燃燒、輻射的數(shù)學(xué)模型。(2)劃分爐膛計算區(qū)域的網(wǎng)格，實現(xiàn)用一組有限個離散的點來代替原來的連續(xù)空間。(3)在求解域內(nèi)建立離散方程，通過數(shù)值方法把計算域內(nèi)有限數(shù)量位置上的因變量值當(dāng)作基本未知量來處理，從而建立一組關(guān)于這些未知量的代數(shù)方程組，然后通過求解代數(shù)方程組來得到這些節(jié)點值，而計算域內(nèi)其他位置上的值則根據(jù)節(jié)點位置上的值來確定。(4)求解離散方程。
[0029]1.建立爐膛CFD模型
[0030](1)流動模型
[0031]煙氣在爐膛內(nèi)的流動屬于湍流，且存在燃燒，傳熱等復(fù)雜過程，因此需要考慮控制體內(nèi)部的質(zhì)量、動量及能量守恒。對于三維的可壓湍流流動，通常采用雷諾平均Navier-Stokes方程進(jìn)行描述，并采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程進(jìn)行封閉。對于穩(wěn)態(tài)過程建立如下方程。
[0032]連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒):[0033]
【權(quán)利要求】
1.一種工業(yè)蒸汽裂解爐的管排優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，步驟1:確定工業(yè)蒸汽裂解爐的設(shè)計操作數(shù)據(jù)，包括裂解爐爐膛、爐管的詳細(xì)尺寸結(jié)構(gòu)，裂解原料進(jìn)料量、溫度和壓力，裂解原料屬性，裂解氣出口溫度，出口壓力，以及出口主要產(chǎn)物收率，燃料氣的組成、進(jìn)料量、溫度和壓力，過?？諝庀禂?shù)；步驟2:將工業(yè)蒸汽裂解爐的建模過程分為爐膛建模和爐管建模；步驟2.1:建立爐膛模型，采用計算流體力學(xué)方法，對爐膛進(jìn)行準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)建模和網(wǎng)格劃分，在爐管附近采用細(xì)化的網(wǎng)格進(jìn)行描述，該爐膛模型包含了爐管的詳細(xì)三維結(jié)構(gòu)，包括爐管的各管程的結(jié)構(gòu)、排布和位置以及各管程連接件的結(jié)構(gòu)和位置；在此基礎(chǔ)上建立爐膛內(nèi)的流動、燃燒、輻射模型，計算得到輻射段煙氣的速度、溫度、壓力、各組分濃度分布，以及爐膛對爐管外壁的熱通量；步驟2.2:建立爐管模型，采用分子反應(yīng)或自由基反應(yīng)動力學(xué)建模，通過爐管模型計算可以得到沿管長的管壁溫度分布，裂解氣溫度、壓力和各組分濃度隨管長的變化，以及出口溫度，出口壓力及出口處各組分的收率；步驟3:爐膛與爐管模型存在能量的耦合關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗或者初始化爐管外壁溫度分布的初值，作為邊界條件帶入爐膛模型中進(jìn)行計算，然后將爐膛計算獲得的管壁熱通量分布再作為邊界條件代入爐管模型中計算，獲得新的爐管外壁溫度分布，如此反復(fù)迭代直至收斂。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述爐管的詳細(xì)三維結(jié)構(gòu)參數(shù)可進(jìn)行修改，以來考察改變爐管結(jié)構(gòu)對結(jié)果的影響。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述爐膛模型包含了僅有底部燒嘴或僅有側(cè)壁燒嘴或底部和側(cè)壁燒嘴均有的情況。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述底部燒嘴空氣和燃料氣通過不同的位置分別進(jìn)入爐膛內(nèi)部，為非預(yù)混燃燒過程，采用概率密度函數(shù)模型進(jìn)行模擬；側(cè)壁燒嘴空氣和燃料氣混合之后進(jìn)入爐膛，為預(yù)混燃燒過程，采用有限速率/渦耗散模型；既有底部燒嘴又有側(cè)壁燒嘴的燃燒過程，采用有限速率/渦耗散模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述迭代收斂判據(jù)為一前后兩次計算獲得的爐管外壁溫度最大值的差距是否小于一預(yù)設(shè)閾值，如小于該閾值，則為收斂。
【文檔編號】G06F17/50GK103678759SQ201310422493
【公開日】2014年3月26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(jìn)龍, 梅華 申請人:華東理工大學(xué)