原油調(diào)和離心泵運(yùn)行特性數(shù)值模擬

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(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816)

原油調(diào)和離心泵運(yùn)行特性數(shù)值模擬

馮秋月，談金祝，姚國(guó)軍

(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816)

在離心泵運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常遇到操作工況偏離設(shè)計(jì)工況，導(dǎo)致離心泵工作異常的情況，研究離心泵的運(yùn)行特性至關(guān)重要。以1臺(tái)原油調(diào)和離心泵為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬技術(shù)研究該原油調(diào)和離心泵在設(shè)計(jì)工況和非設(shè)計(jì)工況條件下的運(yùn)行特性。結(jié)果表明，采用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)得到的原油調(diào)和離心泵的性能曲線與實(shí)際性能曲線變化趨勢(shì)是一致的。在設(shè)計(jì)工況下，原油調(diào)和離心泵內(nèi)部流動(dòng)的壓力分布和速度分布變化較?。辉诜窃O(shè)計(jì)工況下，原油調(diào)和離心泵內(nèi)部流動(dòng)的壓力分布和速度分布變化較大。

離心泵； 原油調(diào)和； 運(yùn)行特性； 數(shù)值模擬； 設(shè)計(jì)工況； 非設(shè)計(jì)工況

泵作為流體輸送中最重要的機(jī)械之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。離心泵廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域，在石化行業(yè)當(dāng)中的耗電量占企業(yè)電能消耗的30%～50%，其性能的好壞直接影響到石化行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)離心泵輸送介質(zhì)的密度、黏度與水的物性參數(shù)不同時(shí)，其性能曲線將隨著介質(zhì)的不同而產(chǎn)生變化，工況點(diǎn)也會(huì)隨著介質(zhì)的不同發(fā)生偏移。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，離心泵的工作點(diǎn)不在高效區(qū)，運(yùn)行效率往往很低，造成過(guò)大的節(jié)流損失和能源的浪費(fèi)[1，2]。

離心泵的整機(jī)效率只有50%～60%，國(guó)內(nèi)離心泵的運(yùn)行效率平均比國(guó)外低10%～30%[3-5]。原油調(diào)和離心泵對(duì)于原料的參數(shù)是有控制要求的，而來(lái)自世界不同地區(qū)不同種原油的硫含量、酸值、實(shí)沸點(diǎn)、密度以及黏度等物性參數(shù)差異很大，當(dāng)各種類型原油交替加工時(shí)，原油調(diào)和離心泵的工況點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)研究領(lǐng)域的日趨成熟，利用CFD數(shù)值模擬軟件對(duì)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析和性能預(yù)測(cè)，已經(jīng)成為泵科研工作者廣泛使用的技術(shù)手段之一。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者利用CFD數(shù)值模擬對(duì)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了分析[6-9]。張愛霞對(duì)不同轉(zhuǎn)速的低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵的葉輪進(jìn)行了切割試驗(yàn)，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速越低其理論值與實(shí)際值相差越大[10]。談高明等人利用數(shù)值模擬軟件Fluent對(duì)6臺(tái)離心泵在不同葉輪外徑下的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了葉輪和蝸殼的耦合數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)每臺(tái)泵葉輪外徑切割后的性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并分析了葉輪外徑變化對(duì)泵內(nèi)部流場(chǎng)的影響[11]。牟介剛等利用CFD數(shù)值模擬和試驗(yàn)的方法對(duì)離心泵葉片出口邊三角切割方法進(jìn)行了研究，模擬和試驗(yàn)得出的泵外特性曲線變化一致[12]。Furukawa等人通過(guò)采用奇點(diǎn)計(jì)算法研究離心泵的切割性能，并將葉片切割后的性能通過(guò)計(jì)算后與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合[13]。Mario等人研究了葉輪切割對(duì)離心泵效率的影響， 分析得到隨著葉輪直徑的減小，效率顯著下降[14]。從以上分析可知，上述離心泵的研究主要集中于傳統(tǒng)研究，并且大都用于水泵研究，有關(guān)采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)原油調(diào)和離心泵的研究報(bào)道較少。

文中以某石化公司一臺(tái)原油調(diào)和離心泵為研究對(duì)象，采用理論分析數(shù)值模擬的方法，研究原油調(diào)和離心泵在設(shè)計(jì)工況和非設(shè)計(jì)工況下的內(nèi)部流場(chǎng)及壓力分布。

1 原油調(diào)和離心泵數(shù)值模擬數(shù)學(xué)模型

原油調(diào)和離心泵的數(shù)值計(jì)算模型采用的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程以及能量守恒方程[15]。連續(xù)性方程又稱為質(zhì)量守恒方程，按照質(zhì)量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)流入控制體的質(zhì)量等于控制體內(nèi)質(zhì)量的增加。動(dòng)量守恒方程又稱為運(yùn)動(dòng)方程，按照動(dòng)量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)流入控制體的動(dòng)量與作用于控制面以及控制體上外力之和等于單位時(shí)間內(nèi)控制體內(nèi)動(dòng)量的增加。按照能量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)流入控制體的能量、外部傳入的熱量以及外力所作功的總和等于單位時(shí)間內(nèi)控制體內(nèi)能量的增加。

當(dāng)對(duì)離心泵內(nèi)進(jìn)行定常流動(dòng)分析時(shí)，假設(shè)流體不可壓縮，熱交換量忽略不計(jì)，不用考慮能量守恒方程。當(dāng)進(jìn)行非定常流動(dòng)分析時(shí)，流體的密度和動(dòng)力黏度需根據(jù)溫度和壓力計(jì)算得到，能量方程控制流場(chǎng)的溫度。因此，非定常流動(dòng)的控制方程必須由連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程3個(gè)方程組成，其中包含壓力、速度和溫度3個(gè)變量。

2 原油調(diào)和離心泵計(jì)算模型

2.1參數(shù)

此離心泵為雙吸式泵，輸送介質(zhì)為工業(yè)調(diào)和原油，密度900 kg/m3，動(dòng)力黏度0.18 Pa·s，體積流量454 m3/h，揚(yáng)程128 m，效率69%，軸功率為252 kW，泵的額定轉(zhuǎn)速2 950 r/min。

原油調(diào)和離心泵有7個(gè)葉片，葉片包角為135°，葉輪進(jìn)、出口直徑分別為180 mm、340 mm，葉輪進(jìn)、出口寬度分別為40 mm、30 mm，葉輪的主要尺寸見圖1。

圖1 葉輪尺寸圖

2.2建立幾何模型

根據(jù)離心泵的水利模型，采用Solidworks對(duì)原油調(diào)和離心泵的葉輪和蝸殼進(jìn)行實(shí)體建模，其流道主要由進(jìn)口流道、葉輪區(qū)域流道和蝸殼3部分組成。

葉輪由葉片和前、后蓋板組成，對(duì)其分別建模，通過(guò)定位點(diǎn)進(jìn)行重合就形成了一個(gè)葉輪。

葉輪由7個(gè)葉片組成，在做出單側(cè)流道葉片后需要通過(guò)對(duì)稱方法做出另一側(cè)的實(shí)際葉片，兩側(cè)對(duì)稱葉片在后蓋板部位還需要連接在一起。

前、后蓋板以葉輪軸的中心線為中心，以蓋板輪廓線做截面旋轉(zhuǎn)360°得到。流道則是通過(guò)前后蓋板的旋轉(zhuǎn)輪廓線生成的實(shí)體與葉片的布爾運(yùn)算得到的。蝸殼是通過(guò)放樣命令連接幾個(gè)典型的斷面得到的，建立的離心泵內(nèi)液體三維模型見圖2。

圖2 離心泵內(nèi)流道模型

2.3網(wǎng)格劃分

離心泵葉片幾何形狀復(fù)雜，流動(dòng)區(qū)域大多為不規(guī)則區(qū)域。因此，采用適用性強(qiáng)、對(duì)復(fù)雜邊界模型特別有效的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。將幾何模型分為液體進(jìn)口部分、葉輪部分和蝸殼部分，各部分之間采用連續(xù)拼接網(wǎng)格技術(shù)。采用ANSYS workbench14.0中Mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在葉輪流道邊界層設(shè)置Inflation命令處理邊界層網(wǎng)格，見圖3。

圖3 葉輪流道邊界層

一般情況下，認(rèn)為合格網(wǎng)格的等角斜率和等尺寸斜率應(yīng)不超過(guò)0.85的質(zhì)量要求。經(jīng)過(guò)檢查，此模型網(wǎng)格的等角斜率和等尺寸斜率均不超過(guò)0.80，網(wǎng)格質(zhì)量比較好[16]，其網(wǎng)格示意圖見圖4。

圖4 離心泵非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

2.4設(shè)置邊界條件

本文假設(shè)離心泵流體為不可壓縮流體，且不考慮工作過(guò)程中密度、黏度的變化和重力的影響。

(1)采用速度進(jìn)口邊界條件，假定進(jìn)口速度在軸向均勻分布，具體數(shù)值由流量與進(jìn)口面積比值給定。

(2)采用質(zhì)量出口邊界條件。質(zhì)量出口邊界條件不需要給定出口條件，此類出口條件是通過(guò)Fluent內(nèi)部計(jì)算得到的。

(3)采用無(wú)滑移的壁面邊界條件，其中前、后蓋板和各葉片均設(shè)置為移動(dòng)的壁面，移動(dòng)的方向和速度與葉輪旋轉(zhuǎn)的方向和速度一致，而其余都默認(rèn)設(shè)置成靜止壁面，速度為0。

(4)交界面模型采用多參考坐標(biāo)系模型，將定子與轉(zhuǎn)子之間交界面類型由wall轉(zhuǎn)變?yōu)閕nterior，交界面類型wall-shadow自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閕nterior類型，轉(zhuǎn)變后的交界面兩側(cè)為流體單元，不需要進(jìn)行其他邊界條件的設(shè)置。

3 原油調(diào)和離心泵數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1設(shè)計(jì)工況下離心泵內(nèi)部流場(chǎng)

設(shè)計(jì)工況下葉片靜壓分布圖見圖5，泵內(nèi)靜壓分布圖見圖6，葉輪內(nèi)的動(dòng)壓分布圖見圖7，葉輪內(nèi)相對(duì)速度矢量圖見圖8。

圖5 設(shè)計(jì)工況下葉片靜壓分布圖

圖6 設(shè)計(jì)工況下泵內(nèi)靜壓分布圖 圖7 設(shè)計(jì)工況下葉輪內(nèi)動(dòng)壓分布圖 圖8 設(shè)計(jì)工況下葉輪內(nèi)相對(duì)速度矢量圖

從圖5中得知，葉輪的壓力最大值在葉片壓力面的出口處，葉輪進(jìn)口處葉片的非工作面上壓力最小。在距離葉輪中心相同距離處，葉片工作面壓力大于葉片非工作面壓力。但是在葉輪的出口處，工作面的壓力值約等于非工作面的壓力值，這與葉片的工作原理一致。從總體上看，離心泵內(nèi)部的流場(chǎng)是非軸對(duì)稱性分布的。

由圖6、圖7可知，①在離心泵葉輪的進(jìn)口處有顯著的低壓區(qū)，這是因?yàn)橐毫骼@葉片的頭部時(shí)流體加速轉(zhuǎn)彎流速加快，導(dǎo)致在葉片背面進(jìn)口處形成葉輪內(nèi)的低壓區(qū)，此處很容易形成氣蝕，與原油調(diào)和離心泵實(shí)際運(yùn)行時(shí)易發(fā)生氣蝕的位置較吻合。②葉輪各流道內(nèi)壓力最低點(diǎn)出現(xiàn)在葉片進(jìn)口處的非工作面上，最高點(diǎn)出現(xiàn)在出口處的壓力面上，葉片工作面上的壓力和非工作面上的壓力從進(jìn)口到出口逐漸增加，并且非工作面的壓力小于工作面的壓力。③靜壓和動(dòng)壓沿周向非對(duì)稱分布，靠近蝸殼出口的流道

內(nèi)的壓力與其他流道內(nèi)壓力分布不同，蝸殼內(nèi)壓力變化不大，只是蝸舌附近存在較大的壓力梯度，導(dǎo)致蝸舌處壓力升高。

由圖8可知，①葉輪在進(jìn)口處的流動(dòng)比較均勻，進(jìn)口流速較低，流速?gòu)娜~輪進(jìn)口到出口逐漸增大。②流體在葉輪進(jìn)口處主要沿非工作面流動(dòng)。③隨著距葉輪旋轉(zhuǎn)中心線軸距離的增加，液體靠近工作面的相對(duì)速度變大，非工作面的速度則減小。④在非工作面和工作面的附近，相對(duì)速度趨于相等。

整體來(lái)說(shuō)，各流道流速變化趨勢(shì)良好，沒(méi)有出現(xiàn)太大的流動(dòng)分離現(xiàn)象，這與理論分析結(jié)果一致。

3.2非設(shè)計(jì)工況下離心泵內(nèi)部流場(chǎng)

為了研究非設(shè)計(jì)工況下原油調(diào)和離心泵內(nèi)部的流動(dòng)特性，模擬80 m3/h、460 m3/h、600 m3/h這3種體積流量分布，原油調(diào)和離心泵葉輪內(nèi)相對(duì)速度矢量圖見圖9，不同體積流量下原油調(diào)和離心泵的靜壓分布見圖10。

圖9 不同體積流量下葉輪內(nèi)相對(duì)速度矢量圖

從圖9可以看出，①雖然體積流量大小不同，但原油調(diào)和離心泵內(nèi)的相對(duì)速度變化規(guī)律相同。②當(dāng)體積流量大于設(shè)計(jì)體積流量時(shí)，漩渦現(xiàn)象消失，相對(duì)速度值增大。③在葉輪內(nèi)部，流體的相對(duì)速度沿著徑向方向逐漸增加。

從圖10可以看出，①雖然體積流量大小不同，但原油調(diào)和離心泵內(nèi)的壓力變化分布規(guī)律基本相同，沒(méi)有較大的差異。②蝸殼內(nèi)流體的靜壓趨勢(shì)是在大范圍內(nèi)沿程遞增的。③在葉輪內(nèi)部，流體的靜壓沿著徑向方向逐漸增加。④在相同半徑處，工作面的靜壓值大于非工作面的靜壓值。這是由于在蝸殼內(nèi)動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力能后使得主油泵內(nèi)的靜壓值達(dá)到了最大，后因沿程出現(xiàn)的水力損失使得靜壓值略微降低。

圖10 不同體積流量下原油調(diào)和離心泵靜壓分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

基于數(shù)值模擬技術(shù)，研究了設(shè)計(jì)工況和非設(shè)計(jì)工況條件下原油調(diào)和離心泵內(nèi)部流動(dòng)特性，得到了壓力分布圖、速度矢量圖。計(jì)算結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)工況下，原油調(diào)和離心泵內(nèi)部流動(dòng)的壓力分布以及速度的分布變化較?。辉诜窃O(shè)計(jì)工況下，原油調(diào)和離心泵內(nèi)部流動(dòng)的壓力及速度分布的變化較大。

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OperationPerformanceNumericalSimulationofCentrifugalPumpUsedforPetroleumCrudeMixture

FENGQiu-yue,TANJin-zhu,YAOGuo-jun

(College of Mechanical and Power Engineering, Nanjing Tech. University, Nanjing 211816, China)

During the operation of centrifugal pump, the centrifugal pump to have the situation in which the operating parameters deviate from its design parameters often occurred. Consequently, the centrifugal pump can not work very well. It is significant to study the operation performance of centrifugal pumps. A centrifugal pump used for petroleum crude mixture was selected. Based on numerical simulation technique, the operational performance of the centrifugal pump used for petroleum crude mixture was studied both in the design condition and in the off-design operating condition. The results indicate that the trend of performance curve of the centrifugal pump used for petroleum crude mixture obtained by numerical simulation was similar to that obtained experimentally. The change of both internal flow pressure distribution and velocity distribution for the centrifugal pump is small in the design condition. However, both the internal flow pressure distribution and the velocity distribution of the centrifugal pump used for petroleum crude mixture changed significantly in the off-design conditions.

centrifugal pump; petroleum crude mixture; operation performance; numerical simulation; design conditions; off-design conditions

TQ050.2； TE969

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.006

1000-7466(2017)04-0028-06①

2017-02-26

馮秋月(1991-)，女，河南商丘人，在讀研究生，主要從事新能源技術(shù)研究。