李春亮，李洪星，高兴隆

（中石油华东设计院有限公司，山东 青岛 266071）

随着对油品质量和清洁要求的不断提高，加氢成为当前质量升级的重要手段，而其中主要的氢气来源大部分来自制氢装置。烃类和水蒸气制氢是当前制氢的主要工艺手段，而制氢转换炉是此工艺的重要设备。目前随着炼厂规模的扩大，加热炉大型化发展，顶烧制氢转化炉迎来更多的发展空间。

制氢转化炉炉膛温度高达1 000℃，各种材料均在高温下运行，这就对炉膛高温烟气的均匀性有了更高的要求[1]，而由于底部烟道的特殊结构，其烟道开孔分布对制氢转化炉流场均匀性有重要影响。如果均匀开孔，靠近出口的烟道孔流量必然会很大，导致烟气分配不均，甚至出现偏烧炉管的严重问题，同时，底部烟道砖的数量有数千个，而开孔数量仅有几十或一两百个，增大了计算难度，因此如何布置制氢转化炉底部烟道开孔成为工程中的难题。

一直以来制氢转化炉大多借助国外工艺包，对该问题的研究较少，本文将通过CFD的方法，首先模拟分析10×104m3制氢转化炉底部烟道流场，然后提出等效面积法简化分析，并验证等效面积法的有效性，接着采用等效面积法，通过CFD响应面分析得出2×104m3、4×1104m3和10×104m3这几种规模下不同尺寸对流量分配的影响，采用CFD目标驱动优化，得出这几种规模下顶烧制氢转化炉底部中间烟道开孔的优化方案，最后对边侧烟道开孔布置提出建议。

1 物理模型

国内某公司10×104m3制氢装置中的制氢转化炉如图1、图2所示。烟道区域划分为6部分，分别命名为V1～V6，各区域烟道开孔砖的数量分别为25、24、23、22、20、19块。其 中 开 孔 砖 为 标 准 尺 寸230 mm×114 mm×65 mm，砖与砖之间有2 mm的粘合空间。V1远离烟气出口，V6靠近烟气出口，V6区域烟道开孔如图3所示。此开孔方案为某国外工艺包数据。

图1 制氢转化炉结构示意图

图2 制氢转化炉底部烟道侧截面

图3 烟道V6区域开孔布置图

2 计算模型及边界条件

2.1 计算模型及计算方法

底部烟道开孔处的烟气流动为纯流体流动，因此对该部分的分析可以不考虑燃烧，由于制氢转化炉模型太大，全部计算耗时耗力，考虑到底部烟道为6道平行的烟道，且中间烟道均为对称结构，取中间一个烟道的一半进行分析，借助CFD软件，建立计算模型如图4所示。

图4 计算模型示意图

计算区域采用气体燃烧基本方程组描述[2-3]，主要有连续性方程、动量方程及能量方程采用k-ε湍流模型。

2.2 边界条件

按照实际情况，入口烟气温度为1 032℃，流速2.07 m/s，相应质量流量为9.2 kg/s，计算入口水力直径为2.05 m，出口水力直径为0.724 m，壁面采用标准壁面函数，且为绝热壁面。

3 计算结果

经模拟计算，可以得到烟气流动和烟气穿过烟道孔的速度矢量，如图5～图6所示。从图5可以看出，烟气相对均匀的往下流动，水平方向偏移很小，而该加热炉现场运行平稳良好，也说明了此开孔布置的合理性。

图5 烟道横截面流线图及局部速度矢量图

图6 烟气穿过一个烟道孔的速度矢量图

为简化分析，统计V1～V6区域流量（见表1），其中流量偏差计算方法为：（计算流量-理想流量）/理想流量×100%。由于V1区域为远离烟气出口的一侧，V6区域为靠近出口的一侧，V1和V2区域流量低于理想值，而V6区域流量高于理想值，且偏差为最高6.9%，此偏差较为理想，在工程中可以接受，实际该炉运行良好。

表1 V1～V6区域流量

4 等效面积简化及验证

为方便考察烟道孔对流量的影响，并对烟道孔采用响应面分析和目标驱动优化，将底部中间烟道孔进行等面积简化。即将烟道后V1~V6区域（沿长度方向）的多个烟道开孔统一简化为一个等效面积的大孔，如图7所示。

图7 等效面积法简化模型示意图

其他条件不变，采用等效面积法对底部烟道流场进行分析，并与原结果进行对比（见表2）。可以看出，等效面积法与原始模型计算的结果相差不多，平均绝对偏差为2.37%，因此该方法可以作为优化分析的手段。其中平均绝对偏差为各部分与原始设计流量偏差的绝对值的平均数。

表2 原始设计和等效面积法的比较

5 不同规模下中间烟道开孔优化

采用等效面积法时，把烟道长度方向分为几部分，每部分开一个大孔，固定该孔的底边，将其高度作为变量，考察该变量对目标输出函数的影响，其中高度变量以初始设计数值为基准，范围为初始设计数据上下几百毫米的区间。设置目标输出函数为每部分实际流量与理想流量的差值的绝对值之和（下文中将此目标输出命名为流量偏差）。

5.1 10×104 m3制氢转化炉

采用等效面积法对10×104m3制氢底部中间烟道孔进行流场分析。每部分开孔底边为920 mm，高度 变 量P1，P2，P3，P4，P5和P6的 初 始 值 分 别 为209.4 mm，201 mm，192.6 mm，184.3 mm，321.6 mm和159.1 mm，按照面积折算，分别代表了开孔砖的数量为25块，24块，23块，22块，20块和19块，即原工艺包设计。最后以此开孔砖的数量为基准进行优化，得出调整后的数量。

图8为各区域开孔高度与烟气质量流率偏差的关系图。可以看出，V1区域开孔高度在205～240 mm之间，随着开孔高度的增大，流量偏差呈现先减少后增大的趋势，其中在225～235 mm附近到达最小值；V2区域开孔高度在200～230 mm之间，随着开孔高度的增大，流量偏差呈现先减少后增大的趋势，其中在210～217 mm附近到达最小值；V3区域开孔高度在190～220 mm之间，随着开孔高度的增大，流量偏差呈现逐渐增大；V4区域开孔高度在160～190 mm之间，随着开孔高度的增大，流量偏差呈现先减少后增大的趋势，其中在175～181 mm附近到达最小值；V5区域开孔高度在140～170 mm之间，随着开孔高度的增大，流量偏差呈现先减少后增大的趋势，其中在155～160 mm附近到达最小值；V6区域开孔高度在130～160 mm之间，随着开孔高度的增大，流量偏差呈现先减少后增大的趋势，其中在140～145 mm附近到达最小值。

图8 开孔高度与流量偏差的关系图

采用CFD目标驱动优化分析，选择设计点P1=226.1 mm，P2=217.8 mm，P3=192.6 mm，P4=175.9 mm，P5=159.1 mm和P6=142.4 mm，根据面积折算，对应开孔砖的数量分别为27块，26块，23块，21块，19块和17块。优化设计与初始设计值比较见表3。采用优化后方案，流量偏差有所优化，最高只有2%，低于工艺包方案偏差，从而获得更加均匀的流场。

表3 初始设计与优化设计比较

5.2 2×104 m3制氢转化炉

同理，采用等效面积法对2×104m3制氢转化炉烟道孔优化分析，得到表4（此规模较小，划分5个区域）。可以看出，采用优化后的方案，流量偏差大大降低，最高只有2%。值得注意的是，实际布置烟道孔时，应该考虑此区域是否能容纳此开孔数量，如不满足，应改变设计点，统一减少开孔数量。

表4 初始设计与优化设计比较

5.3 4×104 m3制氢转化炉

同理，采用等效面积法对4×104m3制氢转化炉中间烟道孔优化分析，得到表5。优化后的方案，流量偏差大大降低，最高只有3%，从而获得更加均匀的流场。

表5 初始设计与优化设计比较

从以上三种规模的制氢转化炉烟道开孔分析可以看出，远离烟道出口的区域的烟道孔数量较多，而靠近烟道出口的区域烟道孔较少。不仅如此，在实际设计过程中，应保证每一块区域（V1，V2，…，V6）内的烟道开孔数量同样保证此原则，最终从V1区域到V6区域烟道开孔数量逐渐减少。

其他规模，尤其是10×104m3以上规模的制氢转化炉，底部烟道开孔均可采用此方法计算。值得注意的是，实际操作中可以根据计算机的计算能力，将烟道划分数量增加，如10份、12份……那么结果会更加精确。

6 边侧烟道孔开孔

以上分析主要适应于中间烟道开孔，由于边侧燃烧负荷往往不同于中间燃烧器，因此边侧开孔设计会有差异。为了保证烟气在宽度方向同样垂直进入炉膛底部，进入中间烟道和边侧烟道的烟气形成较为均匀的流场，实际设计中当边侧燃烧器的热负荷为中间燃烧器热负荷的60%时，边侧开孔数量可取中间开孔数量的60%。如10万立方制氢，中间烟道孔单侧开孔为133个，那么边侧的烟道孔的数量可估算为133×2×60%=160个。

此外，制氢转化炉烟道出口往往有缩口等变径，而该变径对边侧开孔布置也会产生一定的影响，因此，针对不同的项目出口烟道变径情况，也可以采用CFD，运用等效面积法核算出边侧烟道开孔布置。

7 结论

（1）制氢转化炉底部烟道开孔分布对烟气均匀性有重要影响。

（2）等效面积法可以简化对制氢转化炉底部烟道开孔的计算，并有客观的准确性。

（3）采用等效面积法，运用CFD响应面分析和目标驱动优化分析，得出2×104m3、4×104m3和10×104m3制氢转化炉底部中间烟道理想的开孔方案。

（4）边侧烟道开孔方案应综合考虑边侧燃烧器负荷以及烟道出口变径等因素。