油田水套爐的數(shù)值分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、本文使用數(shù)值模擬工具FLUENT對水套爐內(nèi)天然氣燃燒過程進行了數(shù)值模擬研究，分析了火筒內(nèi)流場、各組分分布、溫度分布和NOx污染物排放規(guī)律。火筒殼體的溫度分布特性分析表明，火筒殼體煙氣出口周圍形成局部高溫區(qū)，導致熱應(yīng)力增大，應(yīng)采取必要保護措施或進行加固；天然氣三維湍流擴散燃燒規(guī)律數(shù)值模擬結(jié)果表明，過高的速度比不但會造成火筒內(nèi)O2和NOx濃度升高，還會造成火筒出口及火筒殼體出口附近溫度升高；與其他情況相比較，180m3/h的燃料量能形成良好

2、的低氧燃燒環(huán)境，降低火筒出口和火筒殼體出口附近溫度并降低NOx污染物排放。
　　 對于內(nèi)肋套管，在雷諾數(shù)Re=200～1200范圍內(nèi)，平均換熱系數(shù)和范寧摩擦系數(shù)的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果偏差小于20％。通過多參數(shù)擬合得到了努謝爾特數(shù)、范寧摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)、肋幾何參數(shù)的關(guān)聯(lián)式，分析了每周肋片個數(shù)、肋片的結(jié)構(gòu)參數(shù)(肋片高度、長度、寬度等)對換熱和阻力性能的影響。通過對正交實驗結(jié)果的比較分析，指出了肋幾何參數(shù)的優(yōu)化方向，綜合性能最優(yōu)的內(nèi)肋管

3、與光管的對比表明，優(yōu)化的肋參數(shù)與換熱能力增強之間的關(guān)系滿足強化換熱的場協(xié)同理論。在所采用的實驗條件下首次發(fā)現(xiàn)存在一個“熱力性能增速不穩(wěn)定區(qū)”，在此區(qū)域內(nèi)，平均換熱系數(shù)會有一個陡變的過程，這一發(fā)現(xiàn)為工程中內(nèi)肋管管內(nèi)流態(tài)的判斷提供了理論依據(jù)。此外，實驗研究了含水率及蒸汽溫度對流動和傳熱性能的影響規(guī)律。所得的實驗關(guān)聯(lián)式及優(yōu)化參數(shù)對于換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工程應(yīng)用具有重要的指導作用。
　　 針對不同的換熱管和換熱介質(zhì)的換熱過程，分別建立了

4、數(shù)學物理模型，運用FLUENT軟件進行了數(shù)值模擬。首先對原油在三維波紋內(nèi)肋管內(nèi)的流動與換熱規(guī)律進行了分析，通過對不同結(jié)構(gòu)尺寸和不同運行參數(shù)下的流動與換熱規(guī)律的對比得出了強化換熱的條件和最優(yōu)的運行參數(shù)，進而得出煙氣物性變化對流動與換熱性質(zhì)的影響以及波紋內(nèi)肋管的強化傳熱效果和壓力損失特性。火筒熱力特性的模擬結(jié)果說明火筒表面熱負荷設(shè)計值不宜超過96kW/m2。
　　 最后，建立了新型水套加熱爐整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型，對1750KW新

5、型高效水套爐的殼體、加熱盤管和加熱系統(tǒng)等整體結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，1750KW新型水套爐設(shè)計熱效率由83％提高到90％，同時，所需鋼材耗量由17.7噸降低到9噸，即水套爐的鋼材耗量由11.6t/MW，降低到6t/MW，鋼材耗量減少48％，達到國際先進水平。通過采用強化傳熱技術(shù)，將煙管火筒的長度減少50％、寬度減少40％，將火筒煙管結(jié)構(gòu)布置在加熱爐筒體的底部，增大了筒體的空間利用率;筒體直徑由2.8m調(diào)整到2.2m，筒體直徑減少21.4％，