1 前言
CFD( Computational Fluid Dynamics，计算流体力学)是流体力学、计算数学和数值传热学等多学科的交叉学科[1-3]。质量、动量和能量守恒三个方程构成CFD技术的基本控制方程组，与石油化工领域“三传一反（质量、动量、能量传递和化学反应）”相同。随着计算机硬件和CFD技术的发展，CFD方法能够对石油化工领域常见的传热、燃烧、多相流动及化学反应等复杂过程进行仿真模拟，特别是在石油化工装置大型化的趋势下，CFD仿真能够模拟苛刻的操作条件，安全、快速、经济地得到装置各个单元的流体力学性能，为设计人员提供设备内部的详细数据，具有耗费少、速度快、安全和重复性好的优点，切合石油化工领域无危险、效率高的要求，对提高工程设计和研究开发水平及自主知识产权占有率具有相当价值。
SEI是我国以设计为主体的炼油、化工一体化的大型工程公司，隶属中国石油化工集团公司。SEI在50多年的发展历史中，承担设计和建设的大型炼油和化工生产基地遍布全国各地，先后建设了国内外1500余套炼油和石化装置。同时SEI还承担了大量各种级别的工程技术研究开发任务，被国家建设部授予“十五”全国建筑业技术创新先进企业称号，是中国石化系统唯一获奖单位，为我国石化行业健康、持续、有效发展和技术进步做出了突出贡献。
SEI于2000年引进CFX软件，并投入大量人力物力进行CFD技术的应用开发，为相关工程技术进步和研究开发提供了有力的技术支撑。
2 CFD技术在SEI的应用
SEI根据CFX软件的特点，结合石油化工工程设计和研究开发的特点，进行了大量的二次开发应用，包括新设备开发、故障诊断、优化设计等方面。
2.1 新设备开发
加氢装置采用气液凝聚器脱除循环氢中液滴等杂质，防止循环氢与胺液接触时起泡，影响整个装置的正常操作。过去由于不掌握该项技术，须花费大量外汇购买国外产品。循环氢气液凝聚器的开发难点在于其内部的气液两相流高度非线性与高压热态环境的特殊性难以研究。SEI在CFX软件平台上，开发出凝聚器计算模型，对气液凝聚器内的气液两相流动进行仿真计算。
图1 凝聚器结构及流线
图2 入口速度对凝聚器分离效率的影响
CFD模拟计算得到了气液凝聚器内的液体聚集情况，如图3所示。计算结果表明对气液凝聚器分离效率影响最为显著的是凝聚器内部构件结构参数的匹配。气液两相在凝聚器内的一次分离将大量的液体分离出来，在折流板附近形成了大量的液体层。在含有少量液体的气体进入升气管时，由于升气管下端特殊的套管式结构设计将少量的液体凝聚下来。在升气管与出气管楔形缝隙处实现二次分离的液体经折流管从折流板中心的开孔流出。图3清楚地显示了凝聚器内各构件对液体的分离情况。
图3凝聚器内的液体聚集
SEI在CFX平台上对循环氢气液凝聚器内气液两相流动情况进行了大量、多尺寸参数的热态模拟计算，弄清了气液凝聚器实现气液分离的机理，研究其内部构件结构参数对分离效率的影响规律，气液凝聚器内构件的结构参数匹配对分离效率有显著影响，特别是必须保证凝聚器内适宜的压力场，确保楔形缝隙处液体向出气管外流出，如果出现倒流将导致分离效率急剧下降。在大量计算的基础上，SEI掌握了高效循环氢气液凝聚器的设计方法，开发出不同处理能力、多种直径的系列结构，替代进口产品。CFD技术在循环氢气液凝聚器的研究开发过程中发挥了重要作用。
循环氢气液凝聚器的研究开发于2005年9月通过中国石化集团公司科技开发部组织的鉴定，填补了国内空白。目前该循环氢气液凝聚器已经在金山150万吨/年加氢裂化、湛江120万吨/年加氢裂化、海南120万吨/年加氢裂化、海南310万吨/年加氢预处理、燕山200万吨/年加氢裂化等多套加氢装置中应用，已经开工的装置情况表明自主开发的循环氢气液凝聚器性能可靠，保证了加氢装置的正常运行。
此外，SEI还成功应用CFD技术进行了成套的加氢反应器内构件（包括反应器入口扩散器、冷氢箱、气液分配盘和出口收集器）、大型烟气轮机叶轮设计、新型焦化塔自动顶盖机的进料方式等多项新工艺设备的开发工作，取得良好的经济效益。
2.2 优化设计
乙烯裂解炉是乙烯装置的核心设备之一[4-5]，是技术含量极高的管式工艺炉。目前世界上仅有少数公司掌握乙烯技术，国内对发展乙烯技术历来十分重视。作为乙烯装置的龙头工艺设备，乙烯裂解炉管内发生着剧烈的传热和裂解反应，炉膛内的热量分布直接影响炉管内裂解反应的进程。因此采用CFD技术进行辐射炉膛的优化设计以保证裂解炉效率具有重要的意义。SEI在CFX软件平台上，开发出乙烯裂解炉辐射炉膛的计算模型，对炉膛内烟气流动、燃烧和辐射传热的复杂过程进行仿真计算。
CFD模拟计算比较了某厂10万吨/年乙烯裂解炉两种燃料布置方案的炉膛燃烧与传热情况。两种燃料的布置方案情况见表1。
图4 两种方案的炉膛温度分布
图5 两种方案的辐射强度分布（沿底部燃烧器中心线高度）
图5表明在炉膛的7米高度处，B方案由于增加了一排贴壁燃烧器，及时补充热量，辐射强度没有继续下降；而A方案中，7米高度附近的辐射强度偏低。综合对比两种设计方案，B方案的温度分布和辐射强度分布均优于A方案，新增加的一排贴壁燃烧器有助于在炉膛7米高度处及时补充热量，避免辐射强度偏低。最终采用第二种设计方案。CFD模拟计算为优化乙烯裂解炉设计提高工程设计的准确性提供了有力的技术指导。
此外，SEI采用CFD技术对连续重整径向反应器结构、制氢转化炉烟道开孔结构、悬浮床加氢反应器入口结构、苯乙烯装置烷基化反应器乙烯分布器结构、聚乙烯反应器入口导流环等多个关键设备进行优化设计，取得良好的应用效果。
2.3 故障诊断
石油化工装置中有大量钢结构烟囱高度超过50米，作为高耸圆柱结构在风力较大时易发生横风振动，成为安全隐患。烟囱发生横风振动是因为空气吹过圆柱结构时形成卡曼涡街，卡曼涡街周期性脱落导致烟囱受到与风向垂直的横向力。当烟囱受到的横向力变化频率与烟囱固有频率接近并且强度足够时，烟囱将发生强烈的横向振动。人类历史上因为该原因曾有惨重教训。一般通过在烟囱上安装扰流板破坏卡曼涡街的周期性，降低其强度来减轻破坏。
SEI采用CFX软件进行烟囱横风振动的非稳态模拟计算，考察不同扰流板结构的抗风性能。图6和7是两种常见的扰流板结构。交错直板式扰流板在原有的烟囱中应用较多，计算对该结构和螺旋板结构进行了不同风速下横向力的对比。
图6交错直板结构
图7 螺旋板结构
图8 风速10m/s两种烟囱横向力
图9 风速15m/s两种烟囱横向力
图10 风速20m/s两种烟囱横向力
CFD模拟计算表明，两种烟囱所受到的横向力的大小都随着风速的增加而增大，并且频率加快，符合卡曼涡街的特性。10m/s风速下交错直板结构受力振幅为螺旋板结构的9倍；15m/s风速下交错直板结构受力振幅为螺旋板结构的7倍；20m/s风速下交错直板结构受力振幅为螺旋板结构的6倍；三种风速下螺旋板结构受力的振动周期约为原结构的2倍。从理论上分析，螺旋板结构具有360度的相位角变化，可以尽可能使烟囱受到的横向力相互抵消，具有更佳的抗风性能。
以上分析表明，螺旋板的扰流效果明显优于原交错直板结构。针对某石化厂烟囱在强风情况下发生横向振动，烟囱底座板与炉梁连接的缝隙处可以观察到一张一合的危险现象。将原烟囱的交错直板扰流板结构改为螺旋板结构，并加固连接，成功解决了这一重大安全隐患。
此外，SEI采用CFD技术分析了加氢反应系统注水点结构腐蚀、加氢反应进料炉炉管振动、高压空冷器管头泄露等多项生产实际中碰到的问题，找到故障原因并对多个可能的改进措施进行对比确定非常好的的改造方案，成功解决问题，取得良好的社会效益和经济效益。
3 结论
CFD技术以其快速、高效、直观、安全和经济的优点切合了SEI在工程设计和科技开发方面的特殊需求，为提高精细设计水平、科技开发水平和赢利能力提供了有力的技术支持，获得丰硕的应用成果。
作为一个高技术手段，CFD技术打开了一个个过去依靠经验设计或进口产品的黑匣子，从全新视角将工艺设备内部详细的流体行为以直接、科学的方式展现给工程设计和研发人员，为技术改进和革新提供了更加直观的技术支持。
同时SEI在CFX软件应用过程中积累了大量的经验，相信而不迷信模拟计算结果，根据工程实际数据及时调整CFD模型参数以得到更加准确的计算结果，从丰富的计算结果中获得有益的信息指导工程设计和技术开发。
在SEI的应用情况表明，CFX软件具有良好的二次开发适应性，为高温、高压、临氢、易燃的石油化工行业的工程设计及研究开发提供了一种安全、快速、经济、可靠的技术手段，能够加深工程设计和研发人员对各种核心单元设备内混合、传热、反应、多相流动等复杂流体行为的理解，可以满足石油化工领域对安全、经济和时效日益苛刻的要求，具有良好。(E-works)
