基于響應(yīng)面法的油田蓄熱式加熱爐燃燒器優(yōu)化設(shè)計

張永學(xué), 于丹丹, 胡承云, 王元華, 孫 東

(1.中國石油大學(xué)機械與儲運工程學(xué)院,北京 102249; 2.華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室,上海 200237;3.中國石化勝利油田技術(shù)檢測中心,山東東營 257000)

基于響應(yīng)面法的油田蓄熱式加熱爐燃燒器優(yōu)化設(shè)計

張永學(xué)1, 于丹丹1, 胡承云2, 王元華2, 孫 東3

(1.中國石油大學(xué)機械與儲運工程學(xué)院,北京 102249; 2.華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室,上海 200237;3.中國石化勝利油田技術(shù)檢測中心,山東東營 257000)

為提高水套加熱爐熱效率,降低污染物排放濃度,設(shè)計適用于油田水套加熱爐的蓄熱式燃燒器,并確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)?；陧憫?yīng)面法采用三因素五水平的中心復(fù)合試驗設(shè)計和嶺嵴分析方法,通過數(shù)值模擬分析加熱爐燃燒器燃料氣噴口與二次空氣噴口之間相對高度、二者之間徑向距離和二次空氣大直徑噴口間夾角三因素對輻射管內(nèi)NO濃度的影響機制,確定燃燒器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)果表明:二次空氣大直徑噴口間夾角的變化對響應(yīng)值的影響最為顯著,較小的夾角能夠獲得更均勻的溫度分布和更低的NO排放濃度(體積分數(shù));采用優(yōu)化后燃燒器的加熱爐NO濃度明顯降低,理論熱效率也有一定提高。數(shù)值模擬結(jié)果與建立的響應(yīng)函數(shù)模型預(yù)測值基本一致,采用響應(yīng)面法優(yōu)化水套加熱爐蓄熱式燃燒器結(jié)構(gòu)的方法是可行的。

響應(yīng)面法; 數(shù)值模擬; 結(jié)構(gòu)優(yōu)化; 蓄熱式燃燒器; NOx排放

在原油和天然氣集輸系統(tǒng)中水套加熱爐廣泛應(yīng)用于油田聯(lián)合站。長期以來,在役的水套加熱爐熱量利用效率低,NOx等污染物排放量大,不利于節(jié)能減排[1];為提高熱效率,多采用設(shè)置空氣預(yù)熱器回收余熱的方式,但依靠回收煙氣熱量提高加熱爐效率效果不明顯。新型高效蓄熱式燃燒(high temperature air combustion, HTAC)技術(shù)是20世紀90年代初發(fā)展起來的一項新型燃燒技術(shù),在發(fā)達國家得到了普遍的應(yīng)用和推廣。在提高熱效率的同時大幅節(jié)能,且大量降低CO2、NOx排放,在國際燃燒界被譽為最具發(fā)展?jié)摿Φ男滦腿紵夹g(shù)之一[2]。HTAC目前在鋼鐵、玻璃等行業(yè)的應(yīng)用較為成熟,改造后的工業(yè)爐在達到設(shè)計產(chǎn)量的同時節(jié)能效果很顯著[3];但到目前為止該技術(shù)在石油領(lǐng)域的應(yīng)用不多。隨著計算機技術(shù)和燃燒學(xué)的飛速發(fā)展,數(shù)值模擬方法作為研究高溫復(fù)雜燃燒過程的有效手段被廣泛應(yīng)用到工程中,其為改善燃燒過程,提高加熱爐熱效率,減小煙氣污染物排放等提供理論依據(jù)[4]。Liu 等[5]使用 Fluent 軟件研究了某燃燒器噴嘴出口位置及噴嘴直徑對NOx排放的影響,根據(jù)結(jié)果選取了優(yōu)化尺寸。Su 等[6]和陸曉峰等[7]也運用了CFD手段對燃燒器進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。江華等[8]采用數(shù)值模擬方法分析了結(jié)構(gòu)變化對燃燒器性能的影響。響應(yīng)面法(response surface methodology,RSM)是數(shù)學(xué)方法和統(tǒng)計方法結(jié)合的產(chǎn)物,用來對受多個變量影響的響應(yīng)值進行建模和分析,從而優(yōu)化響應(yīng)值。許多學(xué)者對響應(yīng)面法進行了研究,在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、工程學(xué)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[9]。筆者以某油田聯(lián)合站800 kW水套加熱爐為研究對象,對燃燒器進行蓄熱式改造,使用Statistica軟件對新型燃燒器的數(shù)值模擬結(jié)果進行響應(yīng)面分析,研究燃氣噴口與二次空氣噴口的相對高度、徑向距離和二次空氣大直徑噴口間夾角對蓄熱式水套加熱爐NOx排放濃度的影響。

1 數(shù)值模擬模型

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬的幾何模型為油田某蓄熱式燃氣水套加熱爐,設(shè)計工藝負荷為0.8 MW,爐內(nèi)輻射管為U型管,長度為6.6 m,管內(nèi)徑為600 mm(圖1)。改造后的加熱爐在輻射管兩端安裝蓄熱式燃燒器,以一定的頻率切換進氣方向,用以吸收煙氣余熱,預(yù)熱助燃空氣。該蓄熱式燃燒器為空氣分級燃燒器,一次助燃空氣為常溫,二次助燃空氣經(jīng)過燃燒器內(nèi)部蓄熱體加熱,以高速噴入爐膛;6個一次空氣噴口圍繞燃料噴口均勻布置,二次空氣噴口分為5個大噴口與2個小噴口,在外圍呈偏心分布(圖2)。燃氣噴口與二次空氣噴口之間相對高度h、徑向距離L和二次空氣大直徑噴口之間夾角α為燃燒器待優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 原水套爐爐管結(jié)構(gòu)Fig.1 Fire tube structure of original water jacket furnace

模擬計算區(qū)域為蓄熱式燃燒器(暫不考慮蓄熱體)與U形輻射管。采用混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格處理結(jié)構(gòu)復(fù)雜的燃燒器，由于噴嘴和火道等區(qū)域各參數(shù)的梯度較大，故進行局部加密[10]。爐膛內(nèi)結(jié)構(gòu)簡單，為保證計算精度、節(jié)省計算時間，采用六面體網(wǎng)格。燃燒器模型網(wǎng)格劃分見圖3(a)，整體U形輻射管網(wǎng)格劃分見圖3(b)。最終得到的網(wǎng)格數(shù)為210萬。

圖2 燃燒器結(jié)構(gòu)待優(yōu)化參數(shù)Fig.2 Optimizing parameters of burner structure

圖3 數(shù)值模擬區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh generation of calculation region

1.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

綜合考慮工程數(shù)值模擬精度和計算工作量,輻射管內(nèi)的湍流計算基于雷諾平均控制方程組,選擇標準k-ε湍流模型和標準壁面函數(shù)。該蓄熱式燃燒器為非預(yù)混燃燒器,輻射管內(nèi)的燃燒為擴散燃燒,因此燃燒模型采用混合分數(shù)PDF模型,爐內(nèi)輻射選擇離散坐標DO模型。該加熱爐所采用的燃氣不含氮化物,因此NOx的生成選擇熱力型和快速型生成模型,同時由于燃燒過程中NO生成量占NOx生成量的95%以上[11],所以后續(xù)計算只考慮NO的排放。

燃氣和空氣入口選用流量入口邊界條件,出口采用壓力出口邊界條件。燃氣入口流量為0.019 kg/s,溫度為293 K;設(shè)置一次、二次空氣入口分級比為1∶9,一次空氣入口流量為0.029 1 kg/s,溫度為293 K,二次空氣入口流量為0.261 9 kg/s,溫度為1 073 K(通過蓄熱體換熱預(yù)熱),過剩空氣系數(shù)為1.05。U型管壁面采用定溫壁面條件。出口壓力為-800 Pa。燃料氣組分主要為CH4,占81.85%;其他烷烴氣體占9.8%,N2和O2體積分數(shù)分別為4.21%和 0.72%。

2 響應(yīng)面法應(yīng)用

2.1 響應(yīng)面理論

在合理的試驗基礎(chǔ)上通過構(gòu)造一個多元二次回歸方程用于擬合因素與響應(yīng)值的函數(shù)關(guān)系,通過分析該回歸方程,得到最優(yōu)參數(shù)組合,從而解決多因素問題[12-13]。響應(yīng)值Y與因素X1,X2,…,Xk的函數(shù)關(guān)系表示為

Y=f(X1,X2,…,Xk)+ε.

(1)

式中,ε為響應(yīng)值Y的觀測誤差和隨機誤差;f為響應(yīng)面,用來表述函數(shù)與因素的關(guān)系。

引入一階線性項、二階交互項和平方項,最終得到響應(yīng)面法的逼近函數(shù)式為

(2)

式中,β0為常數(shù)項;βi為各線性項的系數(shù);βij為交互項的系數(shù);βii為平方項的系數(shù)[14]。

2.2CCD中心復(fù)合設(shè)計

為了確定式(2)中的所有系數(shù),數(shù)值試驗設(shè)計必須保證每個因素至少為三水平。CCD中心復(fù)合設(shè)計是常用的二階對稱設(shè)計中的一種,是響應(yīng)面法最常用的試驗設(shè)計法。以三因素試驗為例,CCD包括:①完全析因設(shè)計或者部分析因設(shè)計,試驗點位于立方體頂點,稱為立方點;②附加設(shè)計,通常是星點設(shè)計,試驗點稱為軸向點,位于中心軸線上;③中心點,位于立方體中心[15]。三因素CCD試驗設(shè)計點分布見圖4。

圖4 三因素中心復(fù)合設(shè)計Fig.4 Central composite design for three variables

2.3 試驗設(shè)計及響應(yīng)模擬結(jié)果

為了考查燃料噴口與二次空氣噴口相對高度h、二者徑向距離L和二次空氣噴口夾角α的組合對NO排放濃度(體積分數(shù))的影響,對以上三因素進行CCD中心復(fù)合設(shè)計。對h、L、α三因素進行編碼,編碼水平見表1(h、L的單位為mm,α單位為(°))。

表1 響應(yīng)面試驗因素和水平Table 1 Experimental factors and levels design

根據(jù)CCD原理,設(shè)計了三因素五水平共17個試驗點的響應(yīng)面分析試驗。其中14個為析因子(立方點與軸向點),3個為零點(中心點)。零點試驗重復(fù)3次,用以估計試驗誤差[16]。試驗設(shè)計表及模擬結(jié)果見表2。

表2 CCD設(shè)計表及模擬結(jié)果Table 2 CCD design and response results

3 結(jié)果及其討論

3.1 回歸模型分析

用Statistica軟件對所有數(shù)據(jù)進行回歸擬合,得到以NO排放濃度為響應(yīng)值的回歸方程為

Y=24.26+1.97h-2.45h2+2.77L-0.93L2+9.26α+2.16α2-3.34hL-2.87hα+12.84Lα.

(3)

回歸方程的擬合結(jié)果見表3。

表3 回歸方程的擬合分析Table 3 Fitting analysis of response surface quadratic model

方差分析結(jié)果見表4。如表4所示,模型擬合系數(shù)R2=0.814 5,表明模型中81.45%以上的數(shù)據(jù)變異性均能通過模型進行解釋,說明模擬試驗是可靠的。一般認為,當(dāng)某項P<0.05時,證明該項指標影響顯著,若某項P<0.01,則表明該項指標的影響極為顯著。模型的P值小于0.001,達到極為顯著的標準,再次證明模擬試驗的可靠性。模型失擬項不顯著(P>0.05),表明回歸模型正確。

表4 回歸方程的方差分析Table 4 Variance analysis for response surface quadratic model

3.2 各因素對NOx生成量的響應(yīng)面分析

由表3、 4可見,各因素中,L、α乘積項的P值小于0.01,為極顯著的模型項,說明L、α存在明顯的交互作用。α線性項小于0.05,為顯著的模型項。對比P值,各因素對NO排放濃度的影響程度由大到小依次為α>L>h。

為了對結(jié)果有更清晰的理解,通過Statistica軟件繪制各因素對NO濃度產(chǎn)生影響的響應(yīng)面3D圖,如圖5所示。由圖5(a)、(b)可見,當(dāng)h>0時,響應(yīng)值變化平緩,梯度值較小,此時主要是h的平方項發(fā)揮作用。當(dāng)h<0時,響應(yīng)值梯度增大,說明h的線性項在此區(qū)間占主導(dǎo)地位。同時,當(dāng)h為定值時,響應(yīng)值沿L和α方向變化梯度明顯,尤其沿α方向,此時h對響應(yīng)值影響可忽略不計。由圖5(a)、5(c)可見,當(dāng)L>0時,響應(yīng)值變化平緩,梯度值較小,此時主要是L的平方項發(fā)揮作用。當(dāng)L<0時,響應(yīng)值梯度增大,說明L的線性項在此區(qū)間占主導(dǎo)地位,同時,在L為定值時,響應(yīng)值沿h和α方向變化梯度值較大,尤其是沿α方向。由圖5(b)、5(c)可見,響應(yīng)值沿α方向變化梯度最明顯,說明α對響應(yīng)值的影響占主導(dǎo)地位,同時由圖5(c)可知,響應(yīng)值在α方向和L方向上梯度均很大,再次證明α和L存在明顯的交互作用。

圖5 響應(yīng)面分析圖Fig.5 Analysis of response surface plots

以NO排放濃度為指標,三因素中α取值的變化對指標影響最為明顯。分析認為,較小的α值偏流卷吸的效果更加明顯,降低了燃燒區(qū)域的氧濃度,延緩了預(yù)熱后的二次助燃空氣與燃料氣的混合,使燃燒區(qū)位置升高,范圍擴大,局部高溫區(qū)減小,更有助于燃燒火焰的彌散;而較大的α值則使預(yù)熱空氣與燃氣的混合區(qū)域降低,燃燒環(huán)境氧含量更高,燃燒速率和強度加大,局部高溫明顯,從而為NOx的生成創(chuàng)造了條件。這一解釋也可以從分布云圖上得到驗證。圖6為α值對溫度分布的影響。

圖6 α值對溫度分布的影響Fig.6 Effect of α on temperature distribution

在其余因素不變的條件下,圖6(a)為CCD第9試驗點的溫度云圖,α編碼尺寸為1;圖6(b)為CCD第4試驗點的溫度云圖,α編碼尺寸為-1。相對于圖6(a),圖6(b)在整個燃燒區(qū)域溫度分布更加彌散,局部高溫區(qū)不明顯。

3.3 嶺嵴分析及驗證

由響應(yīng)面分析結(jié)果可看出,二次響應(yīng)面是鞍面,沒有唯一最佳值,因此使用SAS軟件嶺嵴分析,以進一步確定燃燒器結(jié)構(gòu)的最優(yōu)值。嶺嵴分析是以原始設(shè)計中心點為球心(本試驗取球心小于0,等于0,大于0),在以R為半徑的超球面與響應(yīng)面的交點(即嵴點)形成的軌跡范圍內(nèi)找出最佳響應(yīng)值。嶺嵴分析的結(jié)果是對每個坐標從球心開始不斷擴大,半徑R不能超過試驗范圍,本文中選取R在0.1、0.2、…、1.0范圍內(nèi)計算嵴點。當(dāng)R>0.8時,標準誤差較大,因此不予考慮。在本試驗水平范圍,最小響應(yīng)值時R=0.8,此時燃料、二次空氣噴口相對高度h為96 mm,徑向距離L為130 mm,二次空氣噴口夾角α為29°。

按照上述優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)做驗證模擬計算,NO濃度實際模擬結(jié)果為7.24×10-6,與預(yù)測值7.18×10-6基本一致,驗證了RSM分析的正確性。

圖7為沿中心軸線方向3種結(jié)構(gòu)的NO體積分數(shù)分布對比,三種結(jié)構(gòu)分別為優(yōu)化結(jié)構(gòu)、原始結(jié)構(gòu)(CCD零點)和最差結(jié)構(gòu)(CCD 第 2 試驗點,(h,L,α)編碼尺寸為(-1,1,1))。由圖7可見,各結(jié)構(gòu)燃燒器NO體積分數(shù)在1 ～ 2 m區(qū)域達到峰值。第2組結(jié)構(gòu)輻射管的出口NO體積分數(shù)最高,接近60×10-6,而優(yōu)化結(jié)構(gòu)輻射管出口NO體積分數(shù)僅約為7×10-6。這說明經(jīng)過 RSM分析和嶺嵴分析得到的優(yōu)化結(jié)構(gòu)有效控制了NOx的生成,實現(xiàn)了 NOx減排效果,達到了預(yù)期目的。

圖7 NO濃度云圖對比Fig.7 Comparison of NO concentration distributions

3.4 節(jié)能效果評價

在20 ℃的環(huán)境溫度下,現(xiàn)役水套加熱爐的排煙溫度為167.5 ℃,熱效率為79.70%,其中不完全燃燒損失為3.12%,排煙損失為14.28%,散熱損失為2.9%。同樣條件下優(yōu)化改造后的蓄熱式加熱爐的排煙溫度約為150 ℃,排煙損失為5.43%;采用改造后燃燒器的加熱爐內(nèi)燃燒過程更加緩慢均勻,燃料能夠完全燃燒,因此不完全燃燒損失為0%;散熱損失為2.9%。計算得到優(yōu)化后的加熱爐理論熱效率為91.67%,比現(xiàn)役加熱爐的熱效率提高了11.97%。

4 結(jié) 論

(1)運用響應(yīng)面分析方法得到的回歸模型中81.45%以上的數(shù)據(jù)變異性均能通過模型進行解釋,模擬試驗有效可靠。

(2)以NO排放濃度為響應(yīng)值,燃料氣噴口與二次空氣噴口相對高度h、徑向距離L和二次空氣大噴口之間夾角α三個因素對響應(yīng)值的影響程度依次為α>L>h,其中,α和L存在明顯的交互作用。

(3)基于嶺嵴分析得到燃燒器的優(yōu)化結(jié)構(gòu):燃料、二次空氣噴口相對高度h為96 mm,徑向距離L為130 mm,二次空氣噴口夾角α為29°。采用最優(yōu)結(jié)構(gòu)燃燒器的輻射管出口NO體積分數(shù)為7.24×10-6,顯著降低了NOx排放;且該模擬結(jié)果與預(yù)測值吻合良好。

(4)經(jīng)優(yōu)化改造后的蓄熱式水套加熱爐的理論熱效率為91.67%,比現(xiàn)役加熱爐的熱效率提高了11.97%。

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(編輯 沈玉英)

Optimization design of oilfield regenerative heating furnace burner based on response surface method

ZHANG Yongxue1, YU Dandan1, HU Chengyun2, WANG Yuanhua2, SUN Dong3

(1.CollegeofMachineryandTransportationEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.State-KeyLaboratoryofChemicalEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China;3.TechnologyTestingCenterinShengliOilfield,SINOPEC,Dongying257000,China)

In order to improve the thermal efficiency of the jacket heater and reduce the pollutant concentration, it is aimed to design a regenerative burner which is suitable for water jacket furnaces, and the purpose is also to determine the optimal structural parameters. Based on the response surface method (RSM) with the central composite design (CCD) of 3 factors and 5 levels and in combination with the ridge analysis method, the numerical simulation was carried out. The relative height, radial distance between the fuel nozzle and secondary air nozzle and the spray angle of secondary air nozzles on the NO emission of the burner were analyzed, then the optimal structural parameters can be obtained. The result shows that the variation of the angle of secondary air nozzles has the most significant effect on the responsive values, and the smaller angle can reach more homogeneous temperature distribution and lower NO emission concentration (volume fraction). It is also found that the NO emission concentration of the burner has been reduced greatly after optimization, and the theoretical efficiency is also enhanced. It indicates that the numerical simulation is consistent with the RMS model result, and the route to optimize the structures of the regenerative burner in the jacket heater is possible to realize.

response surface method; numerical simulation; structural optimization; regenerative burner; NOxemission

2016-04-12

張永學(xué)(1977-)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為熱能及流體計算。E-mail:zhyx@cup.edu.cn。

于丹丹(1990-)，女，碩士研究生，研究方向為熱力過程優(yōu)化與節(jié)能。E-mail: yudandan613@163.com。

1673-5005(2017)02-0156-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.02.019

TK 175

A

張永學(xué),于丹丹,胡承云,等.基于響應(yīng)面法的油田蓄熱式加熱爐燃燒器優(yōu)化設(shè)計[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,41(2):156-162.

ZHANG Yongxue, YU Dandan, HU Chengyun, et al. Optimization design of oilfield regenerative heating furnace burner based on response surface method[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Sciences), 2017,41(2):156-162.