臺(tái)車(chē)式熱處理爐加熱過(guò)程模擬與分析

李春泉

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西部管道有限責(zé)任公司

熱處理是提升油氣管材及附件產(chǎn)品質(zhì)量的重要工序。臺(tái)車(chē)式熱處理爐是一種處理三通的尺寸較大的熱處理設(shè)施，也是工業(yè)爐中對(duì)設(shè)施性能要求較高的設(shè)備，要求爐膛內(nèi)溫度場(chǎng)較為均勻且溫度控制靈敏[1]。臺(tái)車(chē)式熱處理爐的爐內(nèi)流動(dòng)屬于湍流范疇[2]，在理論上無(wú)法得到精確解，可采用成熟的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)[3]，通過(guò)設(shè)定合適的邊界條件、物理參數(shù)，選擇正確的物理模型，再結(jié)合實(shí)際情況給予合理初始條件，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到爐膛內(nèi)各位置處溫度、流速、組分、濃度等物理參量，從而可以詳細(xì)、直觀地了解爐膛內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布狀況[4]。劉宇佳等利用CFD 方法對(duì)輥底式熱處理爐進(jìn)行了研究，得到爐膛內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值相近，認(rèn)為建立的模型和方法可靠，可為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)[5]。黃貞益等建立了輥底式熱處理爐內(nèi)板坯二維溫度場(chǎng)有限元模型，利用測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，優(yōu)化了板坯在加熱爐內(nèi)的加熱策略[6]。金立國(guó)等建立了底部燒嘴臺(tái)車(chē)式熱處理爐三維模型，研究了交錯(cuò)燒嘴布置對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響，認(rèn)為交錯(cuò)布置可提高爐膛內(nèi)溫度的均勻性[7]。崔勇利用CFD 方法對(duì)高速脈沖燃燒的狹長(zhǎng)爐膛進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，獲得不同位置處壓力和溫度分布，并據(jù)此優(yōu)化方案設(shè)計(jì)[8]。章杰建立了臺(tái)車(chē)式熱處理爐的三維CFD 模型，得到不同工況下流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，進(jìn)而提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[2]。從以上研究情況來(lái)看，CFD 模擬技術(shù)可較為真實(shí)地反映實(shí)際情況，準(zhǔn)確度較高，可作為實(shí)際工況分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效手段。此外，從現(xiàn)存文獻(xiàn)來(lái)看，未見(jiàn)有關(guān)爐膛內(nèi)處理件的擺放位置對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響等相關(guān)研究。為研究某臺(tái)車(chē)式熱處理爐內(nèi)三通擺放位置對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響，分別對(duì)爐膛內(nèi)均勻分布三通和非均勻分布三通工況下的流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算與分析，得到各工藝參數(shù)的變化情況，為現(xiàn)場(chǎng)操作提供指導(dǎo)。

1 臺(tái)車(chē)式熱處理爐

采用某臺(tái)車(chē)式熱處理爐對(duì)長(zhǎng)距離高壓輸氣管線上的三通進(jìn)行熱處理。熱處理爐爐膛尺寸5.5 m×3.6 m×2.8 m（圖1），臺(tái)車(chē)高度0.5 m，臺(tái)車(chē)尺寸5.5 m×2.6 m×0.5 m，爐膛兩側(cè)分別布置3 個(gè)燃燒噴嘴，錯(cuò)開(kāi)布置，水平向相差0.5 m，噴嘴高于臺(tái)車(chē)頂面0.6 m。熱處理爐噴嘴采用百斯特40 型燃?xì)鈾C(jī)，燃料氣與空氣以預(yù)混方式進(jìn)入噴嘴，噴嘴直徑0.168 m，進(jìn)氣流量20～40 m3/h(標(biāo)況)，工作模式為大火與小火間隔噴射。為防止高溫?zé)煔庵苯优c三通接觸，噴火嘴前有擋火墻，擋火墻與爐體之間距離0.25 mm。三通在淬火階段，要求爐內(nèi)溫度保持在910 ℃，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋，三通溫度處于900～920 ℃范圍內(nèi)均能滿足處理要求。煙囪位于熱處理爐的后側(cè)，直徑0.63 m，高度15 m，煙氣通過(guò)爐底兩側(cè)地下煙道通至煙囪。爐內(nèi)排煙口寬0.115 m，長(zhǎng)0.25 m，間距0.5 m，排煙口位于臺(tái)車(chē)兩側(cè)，煙口底面與臺(tái)車(chē)上面平齊。三通主管長(zhǎng)0.185 8 m，壁厚0.065 m；支管長(zhǎng)0.853 m，壁厚0.055 m。

圖1 熱處理爐結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the heat treatment furnace

2 三維模型

2.1 建模及網(wǎng)格劃分

根據(jù)臺(tái)車(chē)式熱處理爐參數(shù)建立三維模型。其中，6個(gè)噴嘴截面為進(jìn)口速度邊界，模擬過(guò)程中適時(shí)調(diào)整混合氣體流速，以滿足爐膛內(nèi)淬火溫度達(dá)到910 ℃的要求[9]。為加快模型收斂和計(jì)算的可靠性，燃?xì)獍凑占兗淄榭紤]。煙囪出口為壓力邊界，壓力值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。爐門(mén)、爐體及臺(tái)車(chē)面為壁面邊界。爐膛內(nèi)流場(chǎng)區(qū)域劃分網(wǎng)格，為提高計(jì)算精度，對(duì)噴嘴及噴入方向做局部加密處理，網(wǎng)格數(shù)量260×104個(gè)，經(jīng)試算，計(jì)算結(jié)果達(dá)到網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，輻射模型選用Rosseland 模型[10]，燃燒采用PDF 模型[11]，數(shù)值計(jì)算采用分離式求解器。

為方便后續(xù)分析，定義三個(gè)截面。其中，平行于臺(tái)車(chē)平臺(tái)（水平面）且與噴嘴中心點(diǎn)重合的平面為截面1，平行于截面1 且與三通頂面重合的平面為截面2，沿爐深方向（垂直于爐門(mén)）且與爐膛寬的中點(diǎn)重合的平面為截面3（圖2）。

圖2 定義的各截面Fig.2 Defined sections

2.2 模擬工況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋，在實(shí)際熱處理過(guò)程中，三通擺放位置難以做到均勻布置。為研究三通擺放位置對(duì)流場(chǎng)、溫度分布及熱處理質(zhì)量的影響，分別模擬外側(cè)三通移至爐門(mén)附近（工況1，圖3a）、三通均勻布置（工況2，圖3b）和外側(cè)三通遠(yuǎn)離爐門(mén)附近（工況3，圖3c）三種工況，觀測(cè)爐膛內(nèi)流動(dòng)和溫度分布情況。

圖3 爐膛內(nèi)三通不同擺放位置（俯視圖）Fig.3 Different positions of tee inside the furnace(top view)

3 模擬計(jì)算與分析

3.1 爐膛內(nèi)氣體密度

甲烷與空氣以預(yù)混方式進(jìn)入爐膛內(nèi)，并在爐膛內(nèi)的高溫作用下快速燃燒，經(jīng)擋火墻的“阻攔”，煙氣流動(dòng)方向發(fā)生改變，向四周擴(kuò)散，一方面避免了高溫?zé)煔馀c三通直接接觸引起局部過(guò)高溫度[12]，另一方面有利于爐膛內(nèi)煙氣溫度的擴(kuò)散均勻性[13-14]（圖4～圖7）。從爐膛內(nèi)煙氣密度分布來(lái)看（表1）：當(dāng)外側(cè)三通靠近爐門(mén)時(shí)爐膛內(nèi)（除噴嘴附近）煙氣的平均密度為0.292 1 kg/m3，最大密度差異僅0.001 3 kg/m3，最大相對(duì)差異0.44%，說(shuō)明爐膛內(nèi)煙氣分布均勻；當(dāng)爐膛內(nèi)三通均勻分布時(shí)，爐膛內(nèi)（除噴嘴附近）的煙氣平均密度為0.292 1 kg/m3，最大密度差異僅0.000 4 kg/m3，最大相對(duì)差異0.14%，即爐膛內(nèi)各處煙氣密度相同；當(dāng)外側(cè)三通遠(yuǎn)離爐門(mén)時(shí)，爐膛內(nèi)（除噴嘴附近）的平均密度為0.292 1 kg/m3，最大密度差異僅0.000 7 kg/m3，最大相對(duì)差異0.24%，爐膛內(nèi)各處煙氣密度幾乎相同。對(duì)比可知，三種工況下，爐膛內(nèi)煙氣密度相同，且分布均勻，即爐膛內(nèi)三通的擺放位置基本不影響煙氣的擴(kuò)散程度。

表1 各截面處煙氣密度及差異Tab 1 Gas density and its difference at each section

圖4 爐膛內(nèi)截面1處氣體密度分布Fig.4 Distribution of gas density at Section 1 inside the furnace

圖5 爐膛內(nèi)截面1處速度矢量Fig.4 Distribution of velocity vector at Section 1 inside the furnace

圖6 爐膛內(nèi)截面2處氣體密度分布Fig.6 Distribution of gas density at Section 2 inside the furnace

圖7 爐膛內(nèi)截面3處氣體密度分布Fig.7 Distribution of gas density at Section 3 inside the furnace

3.2 爐膛內(nèi)煙氣流速

爐膛內(nèi)煙氣的流速直接反應(yīng)爐膛內(nèi)煙氣的流動(dòng)強(qiáng)度、均勻情況和爐膛設(shè)計(jì)的合理性[15]。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8～圖10。對(duì)于同一種工況，例如外側(cè)三通靠近爐門(mén)時(shí)，截面1～截面3 處煙氣平均流速分別為1.09、0.93 和0.68 m/s（表2），爐膛內(nèi)各截面處煙氣擴(kuò)散速度存在差異，越靠近爐膛上部，煙氣流速越小，主要由于煙氣的進(jìn)口和出口均處于爐膛的下部，煙氣流動(dòng)強(qiáng)度更大。對(duì)于同一截面，在不同工況下煙氣流速稍有差異，如截面1在工況1～工況3下，煙氣平均流速為1.09、1.08 和1.10 m/s，說(shuō)明三通位置的不同會(huì)在一定程度上影響爐膛內(nèi)煙氣的流動(dòng)情況，但不影響爐膛內(nèi)整體煙氣流速趨勢(shì)。

圖8 爐膛內(nèi)截面1處流速大小Fig.8 Distribution of gas velocity at Section 1 inside the furnace

圖9 爐膛內(nèi)截面2處流速大小Fig.9 Distribution of gas velocity at Section 2 inside the furnace

圖10 爐膛內(nèi)截面3處流速大小Fig.10 Distribution of gas velocity at Section 3 inside the furnace

表2 各截面處煙氣平均流速Tab.2 Average flow velocity of gas at each section

3.3 爐膛內(nèi)溫度分布

爐膛內(nèi)的溫度分布情況直接影響三通的處理效果和質(zhì)量。燃燒的高溫氣體以較快速度從底部穿越臺(tái)車(chē)頂面，消除了臺(tái)車(chē)底部中心的低溫區(qū)，驅(qū)替爐內(nèi)原有低溫氣體而充滿爐膛，溫度快速上升至要求溫度[16]，待穩(wěn)定后整個(gè)爐膛溫度基本達(dá)到要求的處理溫度（圖11～圖13）。從表3 中的計(jì)算結(jié)果來(lái)看：當(dāng)外側(cè)三通靠近爐門(mén)時(shí)爐膛內(nèi)（除噴嘴附近）的平均溫度為910 ℃，最大溫度差異僅6 ℃，未超過(guò)要求溫度的±10 ℃范圍，說(shuō)明爐膛內(nèi)溫度分布均勻，兩側(cè)三通最大溫差僅1 ℃；當(dāng)爐膛內(nèi)存在均勻分布的三通時(shí)，爐膛內(nèi)（除噴嘴附近）的平均溫度為910 ℃，最大溫度差異僅8 ℃，未超過(guò)要求溫度的±10℃范圍，兩側(cè)三通在各截面處的溫度差僅1℃；當(dāng)外側(cè)三通遠(yuǎn)離爐門(mén)時(shí)，爐膛內(nèi)（除噴嘴附近）的平均溫度為910 ℃，最大溫度差異僅3 ℃，未超過(guò)要求溫度±10 ℃工作范圍，說(shuō)明爐膛內(nèi)溫度分布均勻，兩側(cè)三通無(wú)溫差。對(duì)比來(lái)看，三種工況下，爐膛內(nèi)平均溫度相同，且分布均勻，由此可見(jiàn)，三通擺放位置會(huì)引起兩側(cè)三通溫度不同，但幅度非常有限，不會(huì)因?yàn)闇囟确植疾煌斐扇ㄙ|(zhì)量上的差異。

圖11 爐膛內(nèi)截面1處溫度分布Fig.11 Distribution of gas temperature at Section 1 inside the furnace

圖12 爐膛內(nèi)截面2處溫度分布Fig.12 Distribution of gas temperature at Section 2 inside the furnace

圖13 爐膛內(nèi)截面3處溫度分布Fig.13 Distribution of gas temperature at Section 3 inside the furnace

表3 各截面處煙氣溫度及差異Tab.3 Gas temperature and its difference at each section

4 結(jié)論

從總體來(lái)看，爐膛內(nèi)三通擺放位置不同對(duì)爐膛內(nèi)的煙氣分布和溫度分布幾乎不產(chǎn)生影響，對(duì)爐膛內(nèi)煙氣流速（紊流度）稍有影響，但三通的質(zhì)量不會(huì)因?yàn)闇囟鹊牟町惗a(chǎn)生差異。三種工況下?tīng)t膛內(nèi)煙氣密度相同（0.292 1 kg/m3），且分布均勻，爐膛內(nèi)外側(cè)三通的擺放位置基本不影響煙氣的擴(kuò)散；三通的擺放位置會(huì)在一定程度上影響爐膛內(nèi)煙氣的流動(dòng)速度，但不影響爐膛內(nèi)煙氣整體流速趨勢(shì)；三通擺放位置不同時(shí)爐膛內(nèi)平均溫度相同，且分布均勻，雖會(huì)引起兩側(cè)三通溫度不同，但幅度非常有限，不會(huì)因?yàn)闇囟确植疾煌鹑ㄙ|(zhì)量上的差異。