台车式热处理炉加热过程模拟与分析

李春泉

国家管网集团西部管道有限责任公司

热处理是提升油气管材及附件产品质量的重要工序。台车式热处理炉是一种处理三通的尺寸较大的热处理设施，也是工业炉中对设施性能要求较高的设备，要求炉膛内温度场较为均匀且温度控制灵敏[1]。台车式热处理炉的炉内流动属于湍流范畴[2]，在理论上无法得到精确解，可采用成熟的计算流体动力学（CFD）技术[3]，通过设定合适的边界条件、物理参数，选择正确的物理模型，再结合实际情况给予合理初始条件，经过计算得到炉膛内各位置处温度、流速、组分、浓度等物理参量，从而可以详细、直观地了解炉膛内流场和温度场分布状况[4]。刘宇佳等利用CFD 方法对辊底式热处理炉进行了研究，得到炉膛内流场和温度场分布，与现场监测值相近，认为建立的模型和方法可靠，可为优化设计提供依据[5]。黄贞益等建立了辊底式热处理炉内板坯二维温度场有限元模型，利用测试数据验证了模型计算结果的准确性，优化了板坯在加热炉内的加热策略[6]。金立国等建立了底部烧嘴台车式热处理炉三维模型，研究了交错烧嘴布置对流场和温度场的影响，认为交错布置可提高炉膛内温度的均匀性[7]。崔勇利用CFD 方法对高速脉冲燃烧的狭长炉膛进行了数值计算，获得不同位置处压力和温度分布，并据此优化方案设计[8]。章杰建立了台车式热处理炉的三维CFD 模型，得到不同工况下流场和温度场的分布规律，进而提出优化设计方案[2]。从以上研究情况来看，CFD 模拟技术可较为真实地反映实际情况，准确度较高，可作为实际工况分析和优化设计的有效手段。此外，从现存文献来看，未见有关炉膛内处理件的摆放位置对流场和温度场的影响等相关研究。为研究某台车式热处理炉内三通摆放位置对流场和温度场的影响，分别对炉膛内均匀分布三通和非均匀分布三通工况下的流场进行模拟计算与分析，得到各工艺参数的变化情况，为现场操作提供指导。

1 台车式热处理炉

采用某台车式热处理炉对长距离高压输气管线上的三通进行热处理。热处理炉炉膛尺寸5.5 m×3.6 m×2.8 m（图1），台车高度0.5 m，台车尺寸5.5 m×2.6 m×0.5 m，炉膛两侧分别布置3 个燃烧喷嘴，错开布置，水平向相差0.5 m，喷嘴高于台车顶面0.6 m。热处理炉喷嘴采用百斯特40 型燃气机，燃料气与空气以预混方式进入喷嘴，喷嘴直径0.168 m，进气流量20～40 m3/h(标况)，工作模式为大火与小火间隔喷射。为防止高温烟气直接与三通接触，喷火嘴前有挡火墙，挡火墙与炉体之间距离0.25 mm。三通在淬火阶段，要求炉内温度保持在910 ℃，根据现场反馈，三通温度处于900～920 ℃范围内均能满足处理要求。烟囱位于热处理炉的后侧，直径0.63 m，高度15 m，烟气通过炉底两侧地下烟道通至烟囱。炉内排烟口宽0.115 m，长0.25 m，间距0.5 m，排烟口位于台车两侧，烟口底面与台车上面平齐。三通主管长0.185 8 m，壁厚0.065 m；支管长0.853 m，壁厚0.055 m。

图1 热处理炉结构Fig.1 Structure of the heat treatment furnace

2 三维模型

2.1 建模及网格划分

根据台车式热处理炉参数建立三维模型。其中，6个喷嘴截面为进口速度边界，模拟过程中适时调整混合气体流速，以满足炉膛内淬火温度达到910 ℃的要求[9]。为加快模型收敛和计算的可靠性，燃气按照纯甲烷考虑。烟囱出口为压力边界，压力值为标准大气压。炉门、炉体及台车面为壁面边界。炉膛内流场区域划分网格，为提高计算精度，对喷嘴及喷入方向做局部加密处理，网格数量260×104个，经试算，计算结果达到网格无关性。湍流模型采用标准k-ε模型，辐射模型选用Rosseland 模型[10]，燃烧采用PDF 模型[11]，数值计算采用分离式求解器。

为方便后续分析，定义三个截面。其中，平行于台车平台（水平面）且与喷嘴中心点重合的平面为截面1，平行于截面1 且与三通顶面重合的平面为截面2，沿炉深方向（垂直于炉门）且与炉膛宽的中点重合的平面为截面3（图2）。

图2 定义的各截面Fig.2 Defined sections

2.2 模拟工况

根据现场反馈，在实际热处理过程中，三通摆放位置难以做到均匀布置。为研究三通摆放位置对流场、温度分布及热处理质量的影响，分别模拟外侧三通移至炉门附近（工况1，图3a）、三通均匀布置（工况2，图3b）和外侧三通远离炉门附近（工况3，图3c）三种工况，观测炉膛内流动和温度分布情况。

图3 炉膛内三通不同摆放位置（俯视图）Fig.3 Different positions of tee inside the furnace(top view)

3 模拟计算与分析

3.1 炉膛内气体密度

甲烷与空气以预混方式进入炉膛内，并在炉膛内的高温作用下快速燃烧，经挡火墙的“阻拦”，烟气流动方向发生改变，向四周扩散，一方面避免了高温烟气与三通直接接触引起局部过高温度[12]，另一方面有利于炉膛内烟气温度的扩散均匀性[13-14]（图4～图7）。从炉膛内烟气密度分布来看（表1）：当外侧三通靠近炉门时炉膛内（除喷嘴附近）烟气的平均密度为0.292 1 kg/m3，最大密度差异仅0.001 3 kg/m3，最大相对差异0.44%，说明炉膛内烟气分布均匀；当炉膛内三通均匀分布时，炉膛内（除喷嘴附近）的烟气平均密度为0.292 1 kg/m3，最大密度差异仅0.000 4 kg/m3，最大相对差异0.14%，即炉膛内各处烟气密度相同；当外侧三通远离炉门时，炉膛内（除喷嘴附近）的平均密度为0.292 1 kg/m3，最大密度差异仅0.000 7 kg/m3，最大相对差异0.24%，炉膛内各处烟气密度几乎相同。对比可知，三种工况下，炉膛内烟气密度相同，且分布均匀，即炉膛内三通的摆放位置基本不影响烟气的扩散程度。

表1 各截面处烟气密度及差异Tab 1 Gas density and its difference at each section

图4 炉膛内截面1处气体密度分布Fig.4 Distribution of gas density at Section 1 inside the furnace

图5 炉膛内截面1处速度矢量Fig.4 Distribution of velocity vector at Section 1 inside the furnace

图6 炉膛内截面2处气体密度分布Fig.6 Distribution of gas density at Section 2 inside the furnace

图7 炉膛内截面3处气体密度分布Fig.7 Distribution of gas density at Section 3 inside the furnace

3.2 炉膛内烟气流速

炉膛内烟气的流速直接反应炉膛内烟气的流动强度、均匀情况和炉膛设计的合理性[15]。计算结果见图8～图10。对于同一种工况，例如外侧三通靠近炉门时，截面1～截面3 处烟气平均流速分别为1.09、0.93 和0.68 m/s（表2），炉膛内各截面处烟气扩散速度存在差异，越靠近炉膛上部，烟气流速越小，主要由于烟气的进口和出口均处于炉膛的下部，烟气流动强度更大。对于同一截面，在不同工况下烟气流速稍有差异，如截面1在工况1～工况3下，烟气平均流速为1.09、1.08 和1.10 m/s，说明三通位置的不同会在一定程度上影响炉膛内烟气的流动情况，但不影响炉膛内整体烟气流速趋势。

图8 炉膛内截面1处流速大小Fig.8 Distribution of gas velocity at Section 1 inside the furnace

图9 炉膛内截面2处流速大小Fig.9 Distribution of gas velocity at Section 2 inside the furnace

图10 炉膛内截面3处流速大小Fig.10 Distribution of gas velocity at Section 3 inside the furnace

表2 各截面处烟气平均流速Tab.2 Average flow velocity of gas at each section

3.3 炉膛内温度分布

炉膛内的温度分布情况直接影响三通的处理效果和质量。燃烧的高温气体以较快速度从底部穿越台车顶面，消除了台车底部中心的低温区，驱替炉内原有低温气体而充满炉膛，温度快速上升至要求温度[16]，待稳定后整个炉膛温度基本达到要求的处理温度（图11～图13）。从表3 中的计算结果来看：当外侧三通靠近炉门时炉膛内（除喷嘴附近）的平均温度为910 ℃，最大温度差异仅6 ℃，未超过要求温度的±10 ℃范围，说明炉膛内温度分布均匀，两侧三通最大温差仅1 ℃；当炉膛内存在均匀分布的三通时，炉膛内（除喷嘴附近）的平均温度为910 ℃，最大温度差异仅8 ℃，未超过要求温度的±10℃范围，两侧三通在各截面处的温度差仅1℃；当外侧三通远离炉门时，炉膛内（除喷嘴附近）的平均温度为910 ℃，最大温度差异仅3 ℃，未超过要求温度±10 ℃工作范围，说明炉膛内温度分布均匀，两侧三通无温差。对比来看，三种工况下，炉膛内平均温度相同，且分布均匀，由此可见，三通摆放位置会引起两侧三通温度不同，但幅度非常有限，不会因为温度分布不同而造成三通质量上的差异。

图11 炉膛内截面1处温度分布Fig.11 Distribution of gas temperature at Section 1 inside the furnace

图12 炉膛内截面2处温度分布Fig.12 Distribution of gas temperature at Section 2 inside the furnace

图13 炉膛内截面3处温度分布Fig.13 Distribution of gas temperature at Section 3 inside the furnace

表3 各截面处烟气温度及差异Tab.3 Gas temperature and its difference at each section

4 结论

从总体来看，炉膛内三通摆放位置不同对炉膛内的烟气分布和温度分布几乎不产生影响，对炉膛内烟气流速（紊流度）稍有影响，但三通的质量不会因为温度的差异而产生差异。三种工况下炉膛内烟气密度相同（0.292 1 kg/m3），且分布均匀，炉膛内外侧三通的摆放位置基本不影响烟气的扩散；三通的摆放位置会在一定程度上影响炉膛内烟气的流动速度，但不影响炉膛内烟气整体流速趋势；三通摆放位置不同时炉膛内平均温度相同，且分布均匀，虽会引起两侧三通温度不同，但幅度非常有限，不会因为温度分布不同而引起三通质量上的差异。