曹西 舒安慶 丁克勤

摘 ?要：在求解焦炭塔的整體溫度場(chǎng)的問題時(shí)，對(duì)焦炭塔模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，將焦炭塔展開為二維平面矩形，并通過重構(gòu)二維矩形面的溫度場(chǎng)來得到焦炭塔的整體溫度場(chǎng)。文章通過采用的11個(gè)溫度傳感器在焦炭塔上進(jìn)行布置，并對(duì)簡(jiǎn)化的焦炭塔進(jìn)行展開，通過找到相鄰節(jié)點(diǎn)間的溫度關(guān)系式建立方程組，進(jìn)而求解出矩形面內(nèi)的所有的節(jié)點(diǎn)溫度。所求節(jié)點(diǎn)溫度即為劃分網(wǎng)格后的各個(gè)小矩形面的頂點(diǎn)溫度。最后，采用形函數(shù)內(nèi)插的方式，得到各個(gè)小矩形面內(nèi)的溫度并進(jìn)行拼接可以得到最終所需要的焦炭塔的二維平面矩形溫度場(chǎng)。

關(guān)鍵詞：焦炭塔;傳感器的布設(shè);溫度場(chǎng)重構(gòu)

中圖分類號(hào)：TE962 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）24-0014-03

Abstract： In order to solve the problem of the whole temperature field of the coke drum， the structure of the coke drum model is simplified， the coke drum is expanded into a two-dimensional plane rectangle， and the whole temperature field of the coke drum is obtained by reconstructing the temperature field of the two-dimensional rectangle. In this paper， 11 temperature sensors are arranged on the coke drum， and the simplified coke drum is expanded. By finding the temperature relationship between adjacent nodes， a set of equations is established， and then all the node temperatures in the rectangular plane are solved. The calculated node temperature is the vertex temperature of each small rectangular surface after mesh generation. Finally， the temperature in each small rectangle can be obtained by shape function interpolation， and the final two-dimensional temperature field of coke drum can be obtained by splicing.

Keywords： coke drum; layout of sensor; temperature field reconstruction

1 概述

延遲焦化工藝在煉油工業(yè)占據(jù)著重要地位，焦炭塔是延遲焦化裝置中的核心設(shè)備。焦炭塔一個(gè)完整的工藝流程主要包括蒸汽預(yù)熱、油氣預(yù)熱、進(jìn)油生焦、蒸汽冷卻及給水冷卻等階段[1]，溫度變化復(fù)雜且最高溫度可達(dá)500℃。故焦炭塔溫度周期變化導(dǎo)致的熱應(yīng)力是其產(chǎn)生塔體變形乃至失效的關(guān)鍵因素[2]。

目前對(duì)焦炭塔溫度的研究，大部分文獻(xiàn)都是通過ANSYS仿真分析去求解焦炭塔的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)[3-6]。溫度作為影響焦炭塔性能的一項(xiàng)重要因素，人們通常采用構(gòu)建合適的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)去監(jiān)測(cè)焦炭塔關(guān)鍵部位的溫度變化，以此來保障焦炭塔的結(jié)構(gòu)健康。本文則是在監(jiān)測(cè)焦炭塔的關(guān)鍵部位溫度的基礎(chǔ)上，提出了一種基于溫度傳感器提供的監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度，進(jìn)而重構(gòu)出焦炭塔整體溫度場(chǎng)的方法。

2 溫度傳感器在焦炭塔上的結(jié)構(gòu)布設(shè)

對(duì)焦炭塔進(jìn)行整體溫度場(chǎng)重構(gòu)時(shí)，為了使問題簡(jiǎn)化，將焦炭塔視為有著高度的短圓柱，如圖1所示。溫度傳感器安裝在焦炭塔的內(nèi)保溫層，在考慮問題時(shí)認(rèn)為測(cè)量溫度即是焦炭塔外壁溫度。

在對(duì)焦炭塔進(jìn)行溫度傳感器布設(shè)的時(shí)候，采用的是周向，軸向布設(shè)溫度傳感器。周向采用4個(gè)溫度傳感器進(jìn)行布設(shè)，相鄰兩個(gè)傳感器之間的圓心夾角為90°。因?yàn)榻固克芟虻臏囟冉葡嗟?，故采用?個(gè)溫度傳感器對(duì)焦炭塔的周向位置進(jìn)行布設(shè)。周向溫度傳感器布設(shè)位置圖如圖2所示。

軸向位置布設(shè)時(shí)，采用了均布的方式，研究該問題時(shí)，在軸向均勻布置了5個(gè)溫度傳感器的測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。編號(hào)為1、2、3、4、5。

為了下一步求解展開后的焦炭塔的二維平面溫度場(chǎng)，本文布置了兩圈周向溫度傳感器，分別位于軸向的第1個(gè)溫傳感器處和第5個(gè)溫度傳感器處。最終的溫度傳感器布設(shè)圖如圖4所示，共11個(gè)溫度傳感器監(jiān)測(cè)該焦炭塔，且展開后的二維平面?zhèn)鞲衅鞑荚O(shè)圖如圖5所示。

3 二維平面溫度場(chǎng)的重構(gòu)

由第二節(jié)內(nèi)容得知二維平面的溫度傳感器布設(shè)圖，在圖中可以知道，實(shí)心圓圈為溫度傳感器的監(jiān)測(cè)溫度點(diǎn)，此點(diǎn)的溫度均為已知溫度點(diǎn)。且圓柱展開后，矩形左邊的溫度應(yīng)等于矩形右邊的溫度。對(duì)圖5進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到溫度網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)圖如圖6所示。

由圖6可以得知圖中實(shí)心圓圈為已知溫度的節(jié)點(diǎn)，而圖中空心圓圈為未知溫度的節(jié)點(diǎn)。接下來需求解出圖中空心節(jié)點(diǎn)的溫度。

假設(shè)存在一塊有著溫度的矩形區(qū)域，將矩形區(qū)域劃分網(wǎng)格（如圖7所示），并取出從矩形區(qū)域中取一塊子區(qū)域，中心點(diǎn)（i，j）（如圖8所示），網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)代表了它所在網(wǎng)格單元的平均溫度。

由式（6）可知，當(dāng)?shù)弥司匦纹矫娴?個(gè)頂點(diǎn)溫度，可以得到矩形平面內(nèi)所有位置的溫度。通過求解方程組（4）可以得到矩形面內(nèi)所有的節(jié)點(diǎn)溫度。即圖6中的各個(gè)小矩形的頂點(diǎn)溫度都可以求解出來。采用matlab編程的得到各個(gè)小矩形面內(nèi)的溫度，再通過hold on命令，并改變各個(gè)單元定義域的方式對(duì)所有的小矩形溫度場(chǎng)進(jìn)行拼接，得到最終所重構(gòu)出來的整個(gè)大矩形的溫度場(chǎng)。

4 結(jié)論

本文將焦炭塔模型簡(jiǎn)化為有著高度的短圓柱后，將其展開為二維矩形平面。通過布設(shè)的溫度測(cè)點(diǎn)，提出了一種用重構(gòu)焦炭塔展開后得到的二維矩形平面溫度場(chǎng)的方法，來得到焦炭塔的整體溫度場(chǎng)。該方法可以顯示在某一時(shí)刻，焦炭塔各個(gè)位置處的溫度值。這對(duì)保障焦炭塔的結(jié)構(gòu)健康提供了一定的幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡堯良.延遲焦化裝置技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2013：1-24.

[2]寧志華.焦炭塔鼓脹變形與開裂幾個(gè)問題的研究[D].暨南大學(xué)，2010：6.

[3]李國(guó)成，王為良，李榮生.焦炭塔瞬態(tài)溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力分析[J].壓力容器，2010，27（9）：21-25+37.

[4]王正，鄭靜，茅慶飛，等.焦炭塔工作過程溫度場(chǎng)仿真分析[J].壓力容器，2011，28（4）：28-34.

[5]楊鎧銓.大型焦炭塔結(jié)構(gòu)可靠性分析研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2013：47-100.

[6]謝龍.基于失效模式的焦炭塔應(yīng)力分析及疲勞壽命預(yù)測(cè)[D].中國(guó)石油大學(xué)，2014：10-31.

[7]王省哲.計(jì)算力學(xué)[M].蘭州：蘭州大學(xué)出版社，2006：122-126.