一種關于焦炭塔展開后的二維平面溫度場的重構方法

曹西 舒安慶 丁克勤

摘 ?要：在求解焦炭塔的整體溫度場的問題時，對焦炭塔模型進行了結構簡化，將焦炭塔展開為二維平面矩形，并通過重構二維矩形面的溫度場來得到焦炭塔的整體溫度場。文章通過采用的11個溫度傳感器在焦炭塔上進行布置，并對簡化的焦炭塔進行展開，通過找到相鄰節點間的溫度關系式建立方程組，進而求解出矩形面內的所有的節點溫度。所求節點溫度即為劃分網格后的各個小矩形面的頂點溫度。最后，采用形函數內插的方式，得到各個小矩形面內的溫度并進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。

關鍵詞：焦炭塔;傳感器的布設;溫度場重構

中圖分類號：TE962 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：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占據著重要地位，焦炭塔是延遲焦化裝置中的核心設備。焦炭塔一個完整的工藝流程主要包括蒸汽預熱、油氣預熱、進油生焦、蒸汽冷卻及給水冷卻等階段[1]，溫度變化復雜且最高溫度可達500℃。故焦炭塔溫度周期變化導致的熱應力是其產生塔體變形乃至失效的關鍵因素[2]。

目前對焦炭塔溫度的研究，大部分文獻都是通過ANSYS仿真分析去求解焦炭塔的溫度場和應力場[3-6]。溫度作為影響焦炭塔性能的一項重要因素，人們通常采用構建合適的溫度監測系統去監測焦炭塔關鍵部位的溫度變化，以此來保障焦炭塔的結構健康。本文則是在監測焦炭塔的關鍵部位溫度的基礎上，提出了一種基于溫度傳感器提供的監測點溫度，進而重構出焦炭塔整體溫度場的方法。

2 溫度傳感器在焦炭塔上的結構布設

對焦炭塔進行整體溫度場重構時，為了使問題簡化，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保溫層，在考慮問題時認為測量溫度即是焦炭塔外壁溫度。

在對焦炭塔進行溫度傳感器布設的時候，采用的是周向，軸向布設溫度傳感器。周向采用4個溫度傳感器進行布設，相鄰兩個傳感器之間的圓心夾角為90°。因為焦炭塔同周向的溫度近似相等，故采用了4個溫度傳感器對焦炭塔的周向位置進行布設。周向溫度傳感器布設位置圖如圖2所示。

軸向位置布設時，采用了均布的方式，研究該問題時，在軸向均勻布置了5個溫度傳感器的測點，如圖3所示。編號為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，本文布置了兩圈周向溫度傳感器，分別位于軸向的第1個溫傳感器處和第5個溫度傳感器處。最終的溫度傳感器布設圖如圖4所示，共11個溫度傳感器監測該焦炭塔，且展開后的二維平面傳感器布設圖如圖5所示。

3 二維平面溫度場的重構

由第二節內容得知二維平面的溫度傳感器布設圖，在圖中可以知道，實心圓圈為溫度傳感器的監測溫度點，此點的溫度均為已知溫度點。且圓柱展開后，矩形左邊的溫度應等于矩形右邊的溫度。對圖5進行網格劃分，得到溫度網格節點圖如圖6所示。

由圖6可以得知圖中實心圓圈為已知溫度的節點，而圖中空心圓圈為未知溫度的節點。接下來需求解出圖中空心節點的溫度。

假設存在一塊有著溫度的矩形區域，將矩形區域劃分網格（如圖7所示），并取出從矩形區域中取一塊子區域，中心點（i，j）（如圖8所示），網格的節點代表了它所在網格單元的平均溫度。

由式（6）可知，當得知了矩形平面的4個頂點溫度，可以得到矩形平面內所有位置的溫度。通過求解方程組（4）可以得到矩形面內所有的節點溫度。即圖6中的各個小矩形的頂點溫度都可以求解出來。采用matlab編程的得到各個小矩形面內的溫度，再通過hold on命令，并改變各個單元定義域的方式對所有的小矩形溫度場進行拼接，得到最終所重構出來的整個大矩形的溫度場。

4 結論

本文將焦炭塔模型簡化為有著高度的短圓柱后，將其展開為二維矩形平面。通過布設的溫度測點，提出了一種用重構焦炭塔展開后得到的二維矩形平面溫度場的方法，來得到焦炭塔的整體溫度場。該方法可以顯示在某一時刻，焦炭塔各個位置處的溫度值。這對保障焦炭塔的結構健康提供了一定的幫助。

參考文獻：

[1]胡堯良.延遲焦化裝置技術手冊[M].北京：中國石化出版社，2013：1-24.

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

[3]李國成，王為良，李榮生.焦炭塔瞬態溫度場及熱應力分析[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仿真分析[J].壓力容器，2011，28（4）：28-34.

[5]楊鎧銓.大型焦炭塔結構可靠性分析研究[D].天津：河北工業大學，2013：47-100.

[6]謝龍.基于失效模式的焦炭塔應力分析及疲勞壽命預測[D].中國石油大學，2014：10-31.

[7]王省哲.計算力學[M].蘭州：蘭州大學出版社，2006：122-126.