空气预热器壳程流场模拟与振动分析

胡 珺，周 政，薄德臣，张 英

(1.中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺 113001；2.中国石化中原油田分公司天然气处理厂)

空气预热器壳程流场模拟与振动分析

胡 珺1，周 政2，薄德臣1，张 英1

(1.中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺 113001；2.中国石化中原油田分公司天然气处理厂)

针对中国石化某分公司空气预热器在实际操作过程中经常产生振动、噪音的情况，利用Fluent1 4.0软件对空气预热器的壳程进行流场模拟和振动分析，分析产生振动的原因并提出解决措施。结果表明，空气预热器壳程管束的背面形成卡门涡流，底部空腔产生两个较大的涡流，当卡门涡流频率与箱体固有频率接近时，空气预热器会产生振动和噪音。结合现场布置及装置实际情况，确定改造方案，即在搪瓷管段沿管束方向增加隔板、底部空腔添加导流板以及烟道系统内部增加“井”字形隔墙。改造后，空气预热器未产生明显的振动和噪音。

空气预热器 壳程 流场 振动

空气预热器利用加热炉燃烧产生的热烟气预热空气，从而提高加热炉效率[1]。国内外许多学者对空气预热器进行了研究与开发设计[2-3]，分析并解决空气预热器操作过程中存在的问题[4-9]，对影响空气预热器换热效率的影响因素进行研究[10-11]，并对空气预热器进行优化[12-15]。

中国石化某分公司空气预热器在运行过程中发生振动问题，使机组被迫降负荷运行。空气预热器中最常发生的问题是气室固有频率与卡门涡流频率的共振[16-17]。当流体横向流过管束时，管束背面产生的涡流周期性地产生和脱落，产生一个既垂直于流动方向又垂直于管束的声学驻波，即“卡门涡流效应”[18-19]。当卡门涡流频率和气室的固有频率接近时，就会产生驻波共振的现象，使空气预热器产生严重的振动，影响其正常运行[20-22]。本课题利用Fluent软件，对该空气预热器建立模型，分别对其含管束部分的壳程流场和壳程底部空腔的流场进行模拟，并进行详细的振动分析；结合流场模拟与振动分析结果，提出消除空气预热器振动的方案，解决该空气预热器在操作过程中存在的振动和噪音问题。

1 物理模型

中国石化某分公司空气预热器为两级、四程列管式空气预热器，高温段为钉头管束，低温段为搪瓷管束。烟气在壳程流动，从顶部进预热器，冷烟气从底部出预热器。空气预热器壳程的模型按照现场装置尺寸进行建模，模拟工况按照实际操作工况进行设定。

图1为空气预热器壳程的几何模型及不同管段名称。由于空气预热器的几何结构具有对称性，因此取模型的二分之一为研究对象。同时，将壳程的管段从上至下依次命名为钉头管段(一)、钉头管段(二)、钉头管段(三)、钉头管段(四)、搪瓷管段(一)、搪瓷管段(二)、搪瓷管段(三)、搪瓷管段(四)。空气预热器的结构参数如表 1 所示。

图1 壳程几何模型及不同管段名称 1—钉头管段(一)；2—钉头管段(二)；3—钉头管段(三)； 4—钉头管段(四)；5—搪瓷管段(一)；6—搪瓷管段(二)； 7—搪瓷管段(三)；8—搪瓷管段(四)

项 目钉头管段搪瓷管段(一)、(二)搪瓷管段(三)、(四)气室长度∕m545454气室宽度∕m391391377管外径∕m008900510051每排管数213735管束横向间距∕m018501050105管束纵向间距∕m031201140114

2 网格划分与流动模型的建立

采用 Solidworks2012 软件建立空气预热器壳程模型，网格划分采用 Ansys 14.0 中 ICEM CFD14.0 软件，网格划分后导入 Fluent 14.0 软件进行求解。对空气预热器壳程整体采用四面体非结构化网格划分，对管束部分进行网格加密处理。

模拟介质为烟气，取平均成分烟气(CO2，H2O，N2的体积分数分别为13%，11%，76%)。在空气预热器壳程平均温度(200 ℃)下，烟气密度为 0.748 kgm3，黏度为 2.45×10-5Pa·s。空气预热器壳程顶部为气相入口，入口速度为 3.43 ms，底部为气相出口，边界条件设置为压力出口，操作压力为大气压。

烟气绕过管束流动时，会在管束后发生旋涡脱落的现象，流体在空气预热器壳程内呈湍流流动状态，因此流动模型采用standardk-ε双方程模型，并用SIMPLE算法对模型进行求解。

3 频率计算模型

卡门涡流频率的表达式为[23]：

(1)

(2)

式中：fk为卡门涡流频率，Hz；St为斯特劳哈数；S1为管束横向间距，m；S2为管束纵向间距，m；v为流体流速，ms；d为管子外径，m。

振幅和周期相同的波相对进行并互相干涉，形成驻波[24]。根据声学原理，声学驻波的特性频率可以用下式表达[25]：

(3)

式中：fn为管箱固有频率，Hz；n为驻波阶次，n=1，2，3，…；c为工作条件下声速，ms；L为管箱宽度，m。

由于烟气中的声速很难精确计算，因此在工程计算中通常采用以下经验式求解：

(4)

式中，T为气流平均温度，K。

当卡门涡流的脱落频率和管箱中的某阶驻波频率接近时，可能激发该阶驻波，从而使空气预热器产生共振，共振判据一般为[26-27]：

0.8fk出

(5)

式中：fk出为管箱出口处的频率，Hz；fk入为管箱入口处的频率，Hz。

4 模拟结果与讨论

图2为空气预热器壳程的速度分布。由图2可知，从整体上看壳程流场分布不均匀，在局部区域存在高速区；烟气从空气预热器顶部向下流动，由于管束的阻力作用，部分流体趋向壁面流动，所以壁面处流体速度较大；在底部无管束的转角区域存在着两个大旋涡，旋涡的生成会引起空气预热器的振动。

图2 壳程的速度分布

4.1 空气预热器含管束部分壳程的模拟分析

4.1.1流场模拟为进一步考察在管束范围内的流场情况，分别截取钉头管段和搪瓷管段管束的局部区域流场进行模拟分析，结果见图 3 和图 4。由图 3 和图 4 可以看出：管束两侧的流速较高，管束背面流速较低且管束后会生成旋涡，这些旋涡随着时间延长不断脱落和再生，当涡流的脱落频率与管箱的固有频率接近时，会使空气预热器发生振动；在相同的时间段(0.987～0.995 s)内，钉头管段管束背面的旋涡形态变化较为缓慢，完成一次旋涡脱落需 0.005 s，而搪瓷管段管束背面旋涡完成一次旋涡脱落仅需 0.002 s；钉头管段管束背面旋涡脱落和生成的频率小于搪瓷管段，说明管子直径与管束的排布方式对管束背面旋涡的脱落和生成频率有影响。

4.1.2振动原因分析根据振动计算方法，结合流场模拟结果，对空气预热器不同管段的卡门涡流频率和管箱固有频率进行计算，分析各段管箱是否会发生共振。对操作弹性为100%时的频率进行核算，分别计算各管箱的固有频率和卡门涡流

图3 0.987～0.995 s 内搪瓷管段管束的速度分布

频率，结果如表 2 所示。由表 2 可知，当空气预热器操作弹性为 100% 时，搪瓷管段为空气预热器产生振动的主要部位。

以搪瓷管段(一)为例，操作弹性对管箱固有频率和卡门涡流频率的影响见表3。由表3可以看出：对于搪瓷管段，随着烟气处理量的增加，管箱中卡门涡流频率增大；在操作弹性为50%～70%时，管箱中的卡门涡流不会激发管箱的驻波；当操作弹性大于70% 时，管箱中的卡门涡流会激发一阶驻波，产生声共振现象。

图4 0.987～0.995 s 内钉头管段管束的速度分布

项 目管箱固有频率f1∕Hz卡门涡流频率判据fk入∕Hzfk出∕Hz下限∕Hz上限∕Hz是否激发驻波钉头管段(一)61783438330226414125否钉头管段(二)60523302315925273962否钉头管段(三)59213159300924073791否钉头管段(四)57873009285822863611否搪瓷管段(一)56496595624949997913是搪瓷管段(二)55076249591047287498是搪瓷管段(三)53626023568845517228是搪瓷管段(四)52135688536742946826是

表3 操作弹性对管箱固有频率和卡门涡流频率的影响

4.1.3振动解决措施通过对空气预热器壳程的振动分析，提出如下振动解决措施：①增加空气预热器搪瓷管段管箱内的隔板数；②增大管束纵向间距，减小St系数，从而改变卡门涡流频率。

在搪瓷管段增加一块纵向隔板的具体做法为：对于搪瓷管段(一)和(二)，每排有37根管子，将中心管束(第19根管)拆除，然后在空间内设置隔板；对于搪瓷管段(三)和(四)，每排有35根管子，将中心管束(第17根管)拆除，然后在空间内设置隔板，如图5所示。

在搪瓷管段增加一块纵向隔板之后，管箱的固有频率提高。以搪瓷管段(一)为例，操作弹性对管箱固有频率和卡门涡流频率的影响见表4。由表4可以看出，当操作弹性达到140% 时，卡门涡流频率依然低于管箱固有频率，不会产生声共振现象。可见，增加纵向隔板后，不仅可以解决目

前的共振问题，还可以保证在提高处理量的条件下不产生声共振现象。

图5 增加一块纵向隔板后搪瓷管段示意

操作弹性管箱固有频率f1∕Hz卡门涡流频率判据fk入∕Hzfk出∕Hz下限∕Hz上限∕Hz是否激发驻波50%112973297312424993957否60%112973957374929994748否70%112974616437434995539否80%112975276499939996331否90%112975935562444997122否100%112976595624949997913否110%112977254687454998705否120%112977913749859999496否130%1129785738123649910288否140%1129792328748699911079否

以搪瓷管段(一)为例，管束纵向间距对管箱固有频率和卡门涡流频率的影响见表5。由表5可以看出，随着管束纵向间距的增大，卡门涡流频率逐渐减小；当管束纵向间距增大为原来的1.8倍时，卡门涡流频率低于管箱固有频率，不会产生声共振现象。但是，管束纵向间距的变化对卡门涡流频率的降低幅度影响较小，需对间距进行较大幅度的调整，才能改变卡门涡流频率。因此在工程操作上不具有优势。

表5 管束纵向间距对管箱固有频率和卡门涡流频率的影响

4.2空气预热器壳程底部的模拟分析

4.2.1流场模拟空气预热器底部空腔的流场特性与搪瓷管段(四)的流场特性密切相关，因此截取搪瓷管段(四)局部区域和底部空腔进行分析。图6为烟气流经搪瓷管段后未进入90°大拐角弯头前的流线图。由图6可以看出，烟气流经搪瓷管段后，在无约束的空腔内由较小的旋涡发展为较大的旋涡，流体流动十分不稳定，这将严重影响下游的烟气流动情况。

图6 流体流过搪瓷管束后的流线图

图7 空气预热器底部的整体和截面流线图

图7为空气预热器底部的整体和截面流线图。由图7可以看出，烟气总体上是沿着烟道向出口(即引风机入口)流动，但是受搪瓷管段旋涡的影响，这些旋涡气流还需流过90°弯道，使气流出现双螺旋流形式的二次流，而且在弯头后出现局部的涡流区。当这股不均匀的烟气进入引风机时，将会对引风机的工作状况产生影响。

4.2.2振动原因分析通过分析空气预热器底部的流场模拟结果可知，引起空气预热器底部振动的主要原因为：①烟气经搪瓷管段(四)产生的旋涡气流流过90°弯头时，由于快速转向流动形成双螺旋流形式的二次流，而且在弯头后出现局部的涡流区。空气预热器底部的旋涡不断发生和脱落，当旋涡的脉动频率与烟道腔体的固有频率相近时会发生共振。②空气预热器底部烟道长度很短，流体还未充分发展就直接进入引风机。当这股不均匀的气流通过风机叶片通道时，各通道气流也不均衡，使得引风机内部形成严重的二次涡流，引风机内部的涡流也将不断发生和脱落，从而产生噪声和振动。③引风机入口气流不均所诱发的引风机的噪声和振动将在烟气流道腔体内传播，当声波频率与烟气流道腔体的固有频率相近时会产生声共振现象，造成空气预热器底部烟气流道产生振动。

4.2.3振动解决措施空气预热器底部振动问题的解决措施主要为：①增加烟道长度，使烟气流动达到稳定、均匀后再进入引风机，有利于改善进入引风机入口的气流分布，从而减少振动。②在引风机入口烟道上添加格栅，打破流体的双螺旋流，使流体重新分配均匀后再进入引风机，以减小振动。③对烟道系统内部和外部进行加固，内部可采用“井”形方式进行加固，外部在振动较为强烈的部位焊槽钢，改变烟道腔体的固有频率，进一步使气流均匀。④在空气预热器底部的空腔添加导流板，改变腔体的固有频率并消除底部的旋涡，避免产生声共振现象，从而减小空气预热器的振动。

4.3 改造方案及效果

根据上述空气预热器的振动解决措施，结合现场布置及装置实际情况，提出以下改造方案：①在搪瓷管段沿管束方向增加一块隔板，改变管箱的固有频率。如果今后进一步提高烟气处理量，为了有更大的操作弹性，可以在搪瓷管管箱内增加两块纵向隔板。②在空气预热器底部空腔沿烟气流动方向添加两块平行导流板，消除空腔底部的涡流。③在烟道系统内部增加“井”字形隔墙，增加烟道强度，减小系统振动。

改造后，空气预热器未产生明显的振动和噪音，消除了运行中存在的安全隐患，达到了预期的改造效果。

5 结 论

空气预热器在运行过程中容易发生振动，根据空气预热器的壳程流场模拟和振动分析结果，在操作弹性为100%时，搪瓷管段为主要发生的管段，针对搪瓷管段(一)进一步研究发现在操作弹性大于70%后，搪瓷管段(一)会产生声共振现象。空气预热器底部的气流分布不均匀，在搪瓷管段下方存在旋涡，这些旋涡气流流过90°弯头时，由于快速转向流动形成双螺旋流形式的二次流。通过合理控制操作弹性、在搪瓷管管箱内增加纵向隔板数和增大管子纵向间距、加长烟道长度、在引风机入口烟道添加格栅、加固烟道系统和在空气预热器底部空腔添加隔板等措施，可以解决空气预热器的振动问题。结合现场布置及装置实际情况，改造方案主要为：在搪瓷管段沿管束方向增加隔板、底部空腔添加导流板以及烟道系统内部增加“井”字形隔墙。改造后，空气预热器未产生明显的振动和噪音，消除了运行中存在的安全隐患。

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简 讯

旭化成公司与蓝星公司在中国南通建立mPPE工程塑料合资企业

旭化成公司于2017年9月5日表示，已经与中国化工集团旗下子公司中国蓝星公司建立了合资企业，将建立一体化联合体，生产改性聚苯醚(mPPE)工程塑料Xyron。旭化成公司在合资企业中占有50.07%股份，而蓝星公司拥有剩余的49.93%股份。

新公司名称为旭化成蓝星(南通)工程塑料营销有限公司，总部位于中国南通。其子公司将在上海、深圳和香港成立。该设施将包括生产中间体2，6-二甲苯酚和聚苯醚(PPE)的装置。PPE和2，6-二甲苯酚的预计产能为30 kta，mPPE为20 kta。该项目已收到反托拉斯清关。两家母公司将开始研究2，6二甲苯酚、PPE和mPPE制造设施的建设，并将在2018年3月之前作出最终投资决定。

旭化成公司在新加坡生产mPPE的中间材料，其Xyron的全球生产能力为62 kta。蓝星公司是中国唯一的2，6-二甲苯酚和PPE生产商，正在寻求满足日益增长的需求并开展mPPE业务。该合资公司将利用蓝星公司的技术生产2，6-二甲苯酚和PPE，并利用旭化成公司的mPPE混配技术和应用能力。

[钱伯章摘译自Chemical Week，2017-09-05]

利用CO2除去水中的颗粒物

普林斯顿大学的研究人员开发了一种水处理技术，将CO2注入污水中，将那些难以通过沉降或微生物脱除的悬浮颗粒分离出来。该技术实验室规模系统的颗粒物脱除效率比常规过滤装置高1 000倍，且不需要使用膜。

这种低成本、低能耗的系统将用来代替微滤或超滤，或者作为常规过滤的辅助系统，防止膜上积垢。该系统也能用于将水生细菌和病毒分离出来，而无需氯化或紫外线处理。

含有固体颗粒的水流过透气材料(聚二甲基硅氧烷)，离子梯度诱导颗粒物沿着垂直于流体流向的方向移动，会聚集在管道的一侧，分开水流就可将颗粒物分离出来。

该研究项目在普林斯顿大学的霍华德斯通(Howard Stone)实验室由博士后研究人员Sangwoo Shin和Orest Shardt完成。该研究内容最近发表在《Nature Communications》期刊上。该团队计划将该技术放大。

[程薇摘译自Chemical Engineering，2017-07-18]

FLOWFIELDSIMULATIONANDVIBRATIONANALYSISFORAIRPREHEATERSHELLSIDE

Hu Jun1， Zhou Zheng2， Bo Dechen1， Zhang Ying1

(1.FushunResearchInstituteofPetroleumandPetrochemicals，SINOPEC，Fushun，Liaoning113001； 2.NaturalGasProcessingPlantofZhongyuanOilfield，SINOPEC)

The air preheater vibration and noise often occurs during operation in a SINOPEC refinery.Fluent software was used to establish a mathematical model for simulating the flow field of shell side and analyzing the causes of vibration and to propose solutions.The results showed that a Kamen vortex exists on the back of the air preheater tube bundle，and there are two large vortices in the bottom cavity.As soon as the vortex frequency is close to the inherent frequency of tube box，vibration and noise occur.The revamping plan was confirmed：increasing clapboard along the direction of the pipes in enamel pipe sectors，adding baffle in the bottom cavity and “well” shaped partition wall in the flue system.After revamping，the vibration and noise no longer occur.

air preheater； shell side； flow field； vibration

2017-05-19；修改稿收到日期2017-07-08。

胡珺，硕士，助理工程师，从事炼油厂节能技术研究工作。

胡珺，E-mail：hujun.fshy@sinopec.com。

国家科技重大专项(2016ZX05017-004)。