基于CFD技術(shù)的脫硫漿液泵節(jié)能技術(shù)研究

潘作為，高新新，梁雙印

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206)

0 引言

國家相關(guān)規(guī)定，要求火電廠加大脫硫力度，因此已不再是2009年以前的要求，對脫硫循環(huán)水泵的改造以節(jié)能為主(降低循環(huán)水泵電機(jī)電流，以達(dá)到降低廠用電)變?yōu)楸ＷC在任何工況下都要滿足國家對脫硫效率的要求，即電廠脫硫效率必須保持在90%以上［1－4］。而在實際運行當(dāng)中，由于電廠負(fù)荷總是處在波動中，當(dāng)增大負(fù)荷時脫硫效率就會降低，如果脫硫效率降低至90%以下，按照相關(guān)規(guī)定，這將導(dǎo)致電廠效益損失。因此，脫硫循環(huán)泵的設(shè)計應(yīng)在滿足機(jī)組負(fù)荷需求的情況下，保持流量，并保證脫硫效率在最大負(fù)荷時保持在90%以上。過去的葉輪不能滿足瞬間負(fù)荷增大時的要求，經(jīng)常在調(diào)峰瞬間時脫硫效率瞬間降低到89%以下。針對該問題，本課題將基于泵葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能的影響，通過軟件模擬，對漿液泵的性能進(jìn)行預(yù)測，通過增大泵的出口直徑以及增大出口安裝角來改善泵的性能，提高泵的脫硫效率，為分析節(jié)能優(yōu)化效果奠定了基礎(chǔ)。

1 設(shè)計參數(shù)

表1 循環(huán)泵及電機(jī)的設(shè)計參數(shù)Table1 .thedesign parameters of circulating pump and motor

表2 改造前泵的水力參數(shù)Table2 .thehydraulic parameters of pump before transformation

2 FLUENT數(shù)值模擬及分析

2.1 網(wǎng)格劃分

課題根據(jù)脫硫泵模型不規(guī)則的特點，選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型選取適應(yīng)性較強(qiáng)的四面體。數(shù)值計算時，逐漸加密網(wǎng)格，通過考察相對速度值和等值線分布情況來獲得合適的網(wǎng)格數(shù)量。

2.2 數(shù)值計算

數(shù)值計算的步驟分為求解器的定義、模型及控制方程定義、邊界條件的設(shè)定以及迭代運算等。

(1)求解器定義

選取分離、隱式、3D求解器;

(2)模型及控制方程定義

選取Euler多相流模型、擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模型。

2.3 定義邊界條件

由泵設(shè)計流量與泵進(jìn)口面積可以計算出進(jìn)口面的液流速度為4.65 m/s;湍動能和耗散率取默認(rèn)值;選擇出口遠(yuǎn)流邊界條件;固體壁面都采用無滑移壁面邊界條件，將葉輪流動區(qū)域設(shè)置移動壁面，并指定一個切向速度，其他固體壁面都設(shè)置成無滑移的壁面。

2.4 計算的初始化和迭代計算

先對葉輪進(jìn)口進(jìn)行初始化，接下來迭代計算，在對話框中輸入迭代的步數(shù)，打開參差圖進(jìn)行計算監(jiān)測。［混流泵內(nèi)流場的數(shù)值模擬］關(guān)于判斷迭代收斂問題，除了使用殘差曲線圖判斷以外，還可以利用監(jiān)測泵出口和入口的流量、出口處的壓力值是否穩(wěn)定來判斷。

3 計算結(jié)果分析

表3 循環(huán)泵葉片改造參數(shù)對比表Table3 .the comparison table of circulating pump blades transformation parameter

3.1 葉片非工作面壓力對比

由圖1、圖2顯示，當(dāng)出口直徑增大和葉片出口安裝角增大后，葉片非工作面的壓力分布趨于均勻，且在進(jìn)出口處壓力集中程度也較改造前低，因此有利于泵抗汽蝕性能的提高。根據(jù)現(xiàn)場反饋，改造后循環(huán)水泵運行狀況良好，沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的汽蝕現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因為當(dāng)增大葉片出口邊直徑，葉片流道面積隨之增大，在葉片出口流體充分發(fā)展，壓力分布均勻;而葉片出口安裝角的增大也有利于泵出力的提高，并降低了葉片入口處發(fā)生汽蝕的可能性［5－9］。

圖1 改造前葉片非工作面壓力云圖

圖2 改造后葉片非工作面壓力云圖

3.2 葉片工作面壓力對比

圖3、圖4顯示，改造后葉片工作面的壓力比較均勻，而改造前葉片工作面在入口處存在壓力集中現(xiàn)象，使得這兩區(qū)域發(fā)生磨損的可能性增大。而改造后壓力分布趨于均勻，運行更加穩(wěn)定。

圖3 改造前葉片工作面壓力云圖

圖4 改造后葉片工作面壓力云圖

3.3 等值面z=150 mm上的流體速度矢量圖對比

監(jiān)測泵內(nèi)部液相水的速度矢量時，建立垂直于泵軸的剖面圖，令泵的旋轉(zhuǎn)軸為z軸，則圖5和圖6為z=150 mm時的泵體剖面圖。

圖5 改造前液相水矢量圖

比較圖5與圖6，圖7與圖8可知，由于固體顆粒的存在，液相水的速度分布與單相水流體的速度分布有較大差異。固液兩相流體中固體顆粒速度與液相水速度分布在泵的進(jìn)口處基本相同，在泵的出口處，速度差異變大，其主要原因是，由于固體顆粒的跟隨性比較好。由于固體顆粒密度大于液相水的密度，加上葉片旋轉(zhuǎn)作用產(chǎn)生的向心力作用，固體顆粒運動的速度大于液相水的速度。隨著固體顆粒對蝸殼的沖擊加劇，導(dǎo)致蝸殼壁面發(fā)生嚴(yán)重的磨損。

圖6 改造后液相水速度矢量圖

圖7 改造前固相顆粒速度矢量圖

圖8 改造后固相顆粒速度矢量圖

由圖7和圖8得，改造后的固液兩相流動趨勢趨于不穩(wěn)定，局部顆粒濃度較為集中，出口處流動紊亂加劇，其原因可能為隨著出口直徑與出口安裝角的增大，流體速度加快，固體顆粒在葉片出口處濃度增加，與葉片工作面撞擊加劇，導(dǎo)致流動局部紊亂。

4 模擬結(jié)果與實際運行性能比較

由現(xiàn)場數(shù)據(jù)可得知

由圖9所示，比較改造前揚程－流量曲線與改造后揚程－流量曲線可知，改造后泵運行偏向大流量區(qū)，此時揚程增加，脫硫效率提高，這與實際運行情況相符。而比較改造后揚程－流量曲線與改造后數(shù)值模擬揚程－流量曲線可知，利用數(shù)值模擬計算結(jié)果與實際運行數(shù)據(jù)相差不大，約為1%～4%(由表6所示)，說明數(shù)值模擬效果可預(yù)測分析改造后泵性能的發(fā)展態(tài)勢。

由表4、表5、表6得出揚程－流量曲線和效率揚程曲線如圖9、圖10。

由圖10可知，改造后泵效率確實有所提高。雖然改后電機(jī)電流增大約10 A，但泵的揚程、流量相應(yīng)提高，泵效率隨之提高，有利于泵的節(jié)能優(yōu)化。

表4 改造前泵效率Table4 the data of pump before transformation

表5 改造后泵效率Table5 the data of pump after transformation

表6 模擬數(shù)據(jù)監(jiān)測值Table6 monitoring the value of theanalog data Table5 the data of pump after transformation

圖9 改造前后泵揚程－流量圖

圖10 改造前后泵效率－流量圖

5 結(jié)論

(1)葉片工作面與非工作面的壓力分布趨于均勻，入口與出口處壓力集中程度降低，因此有效改善了汽蝕與磨損現(xiàn)象，使得泵運行更加穩(wěn)定;

(2)由于固體顆粒的存在，液相水的速度矢量有所改變，且由于固體顆粒的跟隨性強(qiáng)，固體顆粒主要集中于葉片工作面，使得葉片與蝸殼磨損嚴(yán)重，而改后泵流道雖然有所改善，但由于葉片出口安裝角的增大，固體顆粒仍然存在局部濃度偏大的現(xiàn)象，不利于磨損的減輕。

將改造后泵數(shù)值模擬結(jié)果與實際現(xiàn)場運行參數(shù)對比，數(shù)值模擬結(jié)果驗證了泵揚程、流量的增大與脫硫系統(tǒng)效率的提高的趨勢，提高電廠的效益，符合電廠節(jié)能降耗的標(biāo)準(zhǔn)，為以后的節(jié)能改造奠定了基礎(chǔ)。

［1］吳民強(qiáng).泵與風(fēng)機(jī)節(jié)能技術(shù)問答［M］.北京:中國電力出版社，1998.

［2］李龍，陳黎明.泵優(yōu)化設(shè)計國內(nèi)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.水泵技術(shù)，2003(2):8－12.

［3］顧繼先.燃料電池發(fā)電的電站應(yīng)用［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2013，29(4):96－99.

［4］張博庭，雷定演.加速水電開發(fā)亟需推進(jìn)減排溫室氣體的立法［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2011，27(2):4－9.

［5］黃社華，程良駿.含沙水流中水力機(jī)械過流部件表面波紋的成因探討［J］.水利學(xué)報，1996(5):76－80.

［6］趙敬亭，劉衛(wèi)偉.離心泵葉輪出口處水沙兩相流動分析計算［j］.水泵技術(shù)，1990(1):1－6.

［7］彭維明，程良駿.水渦輪機(jī)械中軸對稱固液兩相流動的研究［J］.水利學(xué)報，1994(4):55－62.

［8］趙敬亭，蔣道振.葉輪流道中固液兩相流流動規(guī)律的研究［J］.水泵技術(shù)，1992(1):1－8.

［9］許洪元，吳玉林.稀相固粒在離心泵葉輪內(nèi)的運動試驗研究和數(shù)值分析［J］.水利學(xué)報，1997(9):12－17.