石油化工用屏蔽泵穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算分析

王 瀾

(中國(guó)石油大慶石化分公司煉油廠，黑龍江大慶 163711)

0 引言

伴隨著社會(huì)發(fā)展與生產(chǎn)需要，石油化工領(lǐng)域的不斷發(fā)展，進(jìn)一步加強(qiáng)了其在能源領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。石化屏蔽泵作為石油生產(chǎn)裝置中原動(dòng)力流體機(jī)械的一種，因其無泄漏、可靠性強(qiáng)、低噪音等特點(diǎn)，在石化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。而通過對(duì)泵進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)分析一直是屏蔽泵水力模型優(yōu)化、縮減水力設(shè)計(jì)成本的有效措施。以100-100-200型石油化工用屏蔽電泵為例，建立流體仿真模型，進(jìn)行泵穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)定常數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)模型前處理流程以及網(wǎng)格控制進(jìn)行了論述，同時(shí)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，對(duì)石油化工屏蔽泵水力優(yōu)化及穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)定常仿真計(jì)算方面，具有一定的借鑒意義[1～2]。

1 石油化工用屏蔽泵結(jié)構(gòu)概述

本文例子為100-100-200型石油化工用屏蔽電泵，如圖1所示。電泵由泵與屏蔽電機(jī)兩部分組成，電泵的兩處密封泵體與屏蔽電機(jī)密封和屏蔽電機(jī)與端蓋密封均為靜密封，提高了密封可靠性，實(shí)現(xiàn)了石油工作介質(zhì)的無泄漏運(yùn)輸。在葉輪的作用下，石化介質(zhì)由泵進(jìn)口進(jìn)入，經(jīng)葉輪做功、泵體(壓水室)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力勢(shì)能，高壓石化介質(zhì)從泵出口流出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)石化介質(zhì)在管路中的運(yùn)輸與工作。同時(shí)部分石油化工介質(zhì)通過外部循環(huán)管依次流經(jīng)后導(dǎo)軸承、后推力盤、屏蔽電機(jī)定子與屏蔽電機(jī)轉(zhuǎn)子之間間隙、前推力盤、前導(dǎo)軸承，參與屏蔽電機(jī)的冷卻與軸承潤(rùn)滑。電機(jī)通過定、轉(zhuǎn)子屏蔽套分別焊接與定子與轉(zhuǎn)子鐵心上，保證石化介質(zhì)與定、轉(zhuǎn)子鐵心隔離。

圖1 石油化工用屏蔽泵基本結(jié)構(gòu)

屏蔽電泵電機(jī)為三相異步電動(dòng)機(jī)功率45kW，石化屏蔽泵前期技術(shù)協(xié)議中選型參數(shù)包括流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、軸功率、效率見表1。

表1 石油化工泵用屏蔽泵選型參數(shù)

2 模型建立與CFD前處理

2.1 基于Creo流域模型建立

Creo為PTC公司推出2010年在Pro/E三維建模軟件的基礎(chǔ)上推出的一款曲面功能強(qiáng)大、參數(shù)化設(shè)計(jì)建模軟件，廣泛應(yīng)用于通用機(jī)械、模具加工、玩具制造、電子設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。

本文穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算域主要包括三大部分：蝸殼石化介質(zhì)流體流域、葉輪石化介質(zhì)流體流域、泵進(jìn)、出口延長(zhǎng)端石化介質(zhì)流體流域。殼流域建模直接運(yùn)用Creo混合掃描、曲面功能完成。

由于葉輪為扭曲葉片，首先在Creo零件建模中采用旋轉(zhuǎn)子午面形成線、曲面混合等操作完成葉片建模，然后在裝配體環(huán)境下，進(jìn)行布爾操作最終得到葉輪水域模型，見圖2。利用Pro/E根據(jù)實(shí)際尺寸建立的電機(jī)內(nèi)風(fēng)扇模型。

圖2穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算域石化介質(zhì)流體模型

2.2 石油化工用屏蔽泵穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)前處理

石油化工用屏蔽泵穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)分析前處理主要包括流體模型網(wǎng)格劃分、CFD邊界條件設(shè)置、流體域設(shè)置、動(dòng)靜耦合面設(shè)置。

本文流域模型采用icem cfd進(jìn)行網(wǎng)格劃分，流域劃分方式為裝配體形式，流體域裝配模型見圖3，在Creo中以x_t格式輸出，導(dǎo)進(jìn)入icem后，對(duì)裝配模型進(jìn)行拓?fù)洌負(fù)湟蜃舆x擇為0.5。拓?fù)渫瓿珊?，?duì)模型進(jìn)行修補(bǔ)，刪除影響網(wǎng)格劃分點(diǎn)與線，為提高求解器設(shè)置工作效率，在icem中完成石油化工屏蔽泵流體模型BODY、ilet、outlet、動(dòng)、靜wall設(shè)置。

圖3 石油化工用屏蔽泵石化介質(zhì)流體裝配模型

綜合考慮網(wǎng)格劃分經(jīng)驗(yàn)與流體模型結(jié)構(gòu)尺寸，全局網(wǎng)格最大單元尺寸設(shè)置為6mm，對(duì)葉片、前、后蓋板進(jìn)行面網(wǎng)格加密，網(wǎng)格最大單元尺寸為4mm，對(duì)蝸殼隔舌與葉片圓角出進(jìn)行局部面網(wǎng)格加密，網(wǎng)格最大單元尺寸為2mm。石油化工工作介質(zhì)流體裝配網(wǎng)格劃分見圖4，nodes總數(shù)747843，elemets總數(shù)4295892。

圖4 石油化工工作介質(zhì)流體裝配網(wǎng)格

為確保CFD計(jì)算精度，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查、調(diào)整、光順?？己肆黧w網(wǎng)格質(zhì)量一般包括兩個(gè)因素即Min angle與Quality，對(duì)于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來說，單元最小內(nèi)角最低于要求大于9°[3]，一般要求大于18°，Quality光順指標(biāo)一般要求0.2，優(yōu)秀網(wǎng)格質(zhì)量為0.3以上，本文流體網(wǎng)格經(jīng)調(diào)整、光順最后達(dá)到Quality最小0.3以上，Min angle1最小單元內(nèi)角16°以上，完全可以流體計(jì)算需要，網(wǎng)格光順、調(diào)整結(jié)果見圖5、圖6、圖7。

圖5 光順前單元Quality質(zhì)量分布

圖6 光順后單元Quality質(zhì)量分布

圖7 調(diào)整后單元最小內(nèi)角Min angle分布

3 石油化工用屏蔽泵穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)求解及計(jì)算結(jié)果分析

3.1 CFX求解器設(shè)置

應(yīng)用CFX求解器，icem cfd導(dǎo)出cfx格式網(wǎng)格進(jìn)行求解，求解計(jì)算設(shè)置如下：設(shè)置outlet出口邊界條件為55.55kg/s(設(shè)計(jì)的體積流量除以3.6)，入口邊界條件為1atm，即壓力入口與速度出口配對(duì)，設(shè)置電泵轉(zhuǎn)速為2950rpm，兩處為動(dòng)、靜壁面設(shè)置為360°圓周耦合數(shù)據(jù)交換。計(jì)算迭代(RMS)設(shè)置值均為1×10-5，迭代布數(shù)設(shè)置為1000。

3.2 結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果見圖8、圖9、圖10、圖11、圖12。石油化工屏蔽泵在選型設(shè)計(jì)流量工況下定常模擬數(shù)值結(jié)果,從圖8可以看出葉輪石化介質(zhì)流體流域,靜壓從inlet與葉輪進(jìn)口交接處(劑輪轂外延)向外徑方向逐漸增加,葉輪外徑處?kù)o壓最大，為3atm左右。壓強(qiáng)最大,即從葉片的進(jìn)口到出口壓力增大,壓力梯度分布均勾,符合離心泵作用的原理,這一點(diǎn)也可以從圖4.5可以驗(yàn)證,葉輪速度同樣由葉片進(jìn)口到出口(輪緣處)逐漸增大。從靜壓分布可以看出壓力梯度的分布合理，葉片工作面為高壓區(qū)靜壓范圍1.25～3atm，葉片背面為低壓區(qū)靜壓范圍-1.4～2.5atm,已上靜壓分布與葉輪實(shí)際工作情況吻合。

圖8 葉輪石化介質(zhì)流體流域穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)靜壓分布

從圖9、圖10可以看出,石油工作介質(zhì)從由葉輪告訴旋轉(zhuǎn)形成的負(fù)壓區(qū)(inlet延長(zhǎng)段與葉輪輪轂外延耦合處)沿葉片速度逐漸增大(絕度速度從0m/s最大增至23m/s左右)與同時(shí)壓力也逐步升高，從過程動(dòng)能與壓力勢(shì)能儲(chǔ)蓄過程，但勢(shì)能占比較小，從流域高壓分布點(diǎn)在整個(gè)葉輪流域分布面積可以看出，靜壓能高點(diǎn)的分布比例極小，在經(jīng)蝸殼(壓水室)后可以看出靜壓高點(diǎn)分布面積有了明顯升高，可以滿足石油介質(zhì)的運(yùn)輸，相反速度開始下降，此過程為動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力勢(shì)能的過程。圖11流場(chǎng)流線運(yùn)動(dòng)的軌跡圖，可以很明顯的看出整個(gè)三維流場(chǎng)的速度分布，以及石化工作介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)軌跡。同時(shí)利用CFX Expression功能對(duì)提取計(jì)算后結(jié)果中inlet與outlet面的massflowAve Total Pressure平均總壓值的差值，最終得出仿真揚(yáng)程為31.9m，仿真揚(yáng)程偏差值小于3%,進(jìn)一步驗(yàn)證了穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算準(zhǔn)確性。

圖9 石油化工屏蔽泵整體流場(chǎng)靜壓分布

圖10 石油化工屏蔽泵整體速度流場(chǎng)分布

圖11 石油化工屏蔽泵整體速度流線運(yùn)動(dòng)軌跡圖及揚(yáng)程結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文以石油化工用屏蔽泵(水力型號(hào)100-100-200)為例，首先介紹了CFD前處理流程及網(wǎng)格控制標(biāo)準(zhǔn)與要求，然后應(yīng)用ANSYS CFX求解器對(duì)屏蔽泵穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了分析計(jì)算，得出了葉輪流域、葉片、水力裝配流場(chǎng)的靜壓分布、速度分布、絕對(duì)速度場(chǎng)流線運(yùn)動(dòng)軌跡圖、仿真揚(yáng)程結(jié)果，速度分布規(guī)律與石油化工泵實(shí)際工作情況吻合，揚(yáng)程與選型設(shè)計(jì)揚(yáng)程誤差不超過3%，證明仿真結(jié)果可靠，對(duì)石油化工用屏蔽泵水力設(shè)計(jì)優(yōu)化、降低水力模型試驗(yàn)成以及穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)仿真等方面具有寶貴的借鑒意義。