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最佳的改造方案，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，具有良好的经济和社会效益。

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[4] 王松汉，何细藕主编.乙烯工艺与技术. 北京：中国石化出版社，2000.
[5] 黄祖祺等编著.石油化工管式炉的模拟与计算机计算. 北京：化学工业出版社，1993.

    注：本稿件来自安世亚太10周年优秀论文。

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