曹西 舒安庆 丁克勤

摘  要：在求解焦炭塔的整体温度场的问题时，对焦炭塔模型进行了结构简化，将焦炭塔展开为二维平面矩形，并通過重构二维矩形面的温度场来得到焦炭塔的整体温度场。文章通过采用的11个温度传感器在焦炭塔上进行布置，并对简化的焦炭塔进行展开，通过找到相邻节点间的温度关系式建立方程组，进而求解出矩形面内的所有的节点温度。所求节点温度即为划分网格后的各个小矩形面的顶点温度。最后，采用形函数内插的方式，得到各个小矩形面内的温度并进行拼接可以得到最终所需要的焦炭塔的二维平面矩形温度场。

关键词：焦炭塔;传感器的布设;温度场重构

中图分类号：TE962 文献标志码：A         文章编号：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

延迟焦化工艺在炼油工业占据着重要地位，焦炭塔是延迟焦化装置中的核心设备。焦炭塔一个完整的工艺流程主要包括蒸汽预热、油气预热、进油生焦、蒸汽冷却及给水冷却等阶段[1]，温度变化复杂且最高温度可达500℃。故焦炭塔温度周期变化导致的热应力是其产生塔体变形乃至失效的关键因素[2]。

目前对焦炭塔温度的研究，大部分文献都是通过ANSYS仿真分析去求解焦炭塔的温度场和应力场[3-6]。温度作为影响焦炭塔性能的一项重要因素，人们通常采用构建合适的温度监测系统去监测焦炭塔关键部位的温度变化，以此来保障焦炭塔的结构健康。本文则是在监测焦炭塔的关键部位温度的基础上，提出了一种基于温度传感器提供的监测点温度，进而重构出焦炭塔整体温度场的方法。

2 温度传感器在焦炭塔上的结构布设

对焦炭塔进行整体温度场重构时，为了使问题简化，将焦炭塔视为有着高度的短圆柱，如图1所示。温度传感器安装在焦炭塔的内保温层，在考虑问题时认为测量温度即是焦炭塔外壁温度。

在对焦炭塔进行温度传感器布设的时候，采用的是周向，轴向布设温度传感器。周向采用4个温度传感器进行布设，相邻两个传感器之间的圆心夹角为90°。因为焦炭塔同周向的温度近似相等，故采用了4个温度传感器对焦炭塔的周向位置进行布设。周向温度传感器布设位置图如图2所示。

轴向位置布设时，采用了均布的方式，研究该问题时，在轴向均匀布置了5个温度传感器的测点，如图3所示。编号为1、2、3、4、5。

为了下一步求解展开后的焦炭塔的二维平面温度场，本文布置了两圈周向温度传感器，分别位于轴向的第1个温传感器处和第5个温度传感器处。最终的温度传感器布设图如图4所示，共11个温度传感器监测该焦炭塔，且展开后的二维平面传感器布设图如图5所示。

3 二维平面温度场的重构

由第二节内容得知二维平面的温度传感器布设图，在图中可以知道，实心圆圈为温度传感器的监测温度点，此点的温度均为已知温度点。且圆柱展开后，矩形左边的温度应等于矩形右边的温度。对图5进行网格划分，得到温度网格节点图如图6所示。

由图6可以得知图中实心圆圈为已知温度的节点，而图中空心圆圈为未知温度的节点。接下来需求解出图中空心节点的温度。

假设存在一块有着温度的矩形区域，将矩形区域划分网格（如图7所示），并取出从矩形区域中取一块子区域，中心点（i，j）（如图8所示），网格的节点代表了它所在网格单元的平均温度。

由式（6）可知，当得知了矩形平面的4个顶点温度，可以得到矩形平面内所有位置的温度。通过求解方程组（4）可以得到矩形面内所有的节点温度。即图6中的各个小矩形的顶点温度都可以求解出来。采用matlab编程的得到各个小矩形面内的温度，再通过hold on命令，并改变各个单元定义域的方式对所有的小矩形温度场进行拼接，得到最终所重构出来的整个大矩形的温度场。

4 结论

本文将焦炭塔模型简化为有着高度的短圆柱后，将其展开为二维矩形平面。通过布设的温度测点，提出了一种用重构焦炭塔展开后得到的二维矩形平面温度场的方法，来得到焦炭塔的整体温度场。该方法可以显示在某一时刻，焦炭塔各个位置处的温度值。这对保障焦炭塔的结构健康提供了一定的帮助。

参考文献：

[1]胡尧良.延迟焦化装置技术手册[M].北京：中国石化出版社，2013：1-24.

[2]宁志华.焦炭塔鼓胀变形与开裂几个问题的研究[D].暨南大学，2010：6.

[3]李国成，王为良，李荣生.焦炭塔瞬态温度场及热应力分析[J].压力容器，2010，27（9）：21-25+37.

[4]王正，郑静，茅庆飞，等.焦炭塔工作过程温度场仿真分析[J].压力容器，2011，28（4）：28-34.

[5]杨铠铨.大型焦炭塔结构可靠性分析研究[D].天津：河北工业大学，2013：47-100.

[6]谢龙.基于失效模式的焦炭塔应力分析及疲劳寿命预测[D].中国石油大学，2014：10-31.

[7]王省哲.计算力学[M].兰州：兰州大学出版社，2006：122-126.