基于Fluent油田注水管道余壓發(fā)電水輪機(jī)葉輪優(yōu)化

王世明，馬晨倍，張成林，劉安東，丁成林

（1.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306；2.上海海洋可再生能源工程技術(shù)研究中心，上海 201306；3.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092）

0 引言

新疆油田注水系統(tǒng)功率損失主要環(huán)節(jié)為站內(nèi)機(jī)組和配套管網(wǎng)，占總損失功率的60%以上，為注水系統(tǒng)關(guān)鍵工藝指標(biāo)的主要制約因素。配套管網(wǎng)地層層間差異性大、非均質(zhì)強(qiáng)、注水井分布散等特點(diǎn)造成了注水井的注水量、壓力及位置分布不均勻，每一個(gè)井口需要的壓力都不相同，從配水站輸配時(shí)采用減壓閥減壓，平均節(jié)流減壓達(dá)5.26MPa，最大節(jié)流減壓達(dá)19.5MPa，這導(dǎo)致了能量的嚴(yán)重浪費(fèi)。新疆油田公司通過整體降壓局部增壓、優(yōu)化注水泵及注水管線調(diào)整、分壓分層注水等一系列措施提高了注水系統(tǒng)效率，但仍無法避免單井注水節(jié)流問題。同時(shí)隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場工藝的改進(jìn)，注水井的數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)傳、恒流配水裝置等都需要用到電能，其負(fù)荷很低（<160W)，引電力線投資較高，經(jīng)濟(jì)性差。因此出于節(jié)能減排與節(jié)約引電成本的需求，可以利用水輪機(jī)代替部分減壓閥的降壓作用[1]，利用注水管道剩余壓力能發(fā)電，滿足油井井口監(jiān)測設(shè)備的供電需求。

由于油田注水系統(tǒng)的水壓極高，最高的井口水壓可達(dá)20MPa，但是管道直徑很小，僅為50mm，油田注水管內(nèi)的流速很低，多數(shù)井口的工作流速不超過1.5m/s，無法通過水輪機(jī)型譜選型[3]。因此項(xiàng)目設(shè)計(jì)了多級葉輪-電機(jī)一體化發(fā)電設(shè)備。由于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備水壓最高可達(dá)10MPa，出于安全和保護(hù)設(shè)備密封性的考慮，無法頻繁更換葉輪做實(shí)驗(yàn)。水輪機(jī)葉輪的翼型和葉片數(shù)目是影響水輪機(jī)的水力性能的重要因素[4]，因此本文利用計(jì)算機(jī)仿真軟件Fluent對葉輪翼型和葉片數(shù)目進(jìn)行仿真計(jì)算優(yōu)化葉輪。

1 葉片翼型優(yōu)化

水輪機(jī)葉片翼型是影響水輪機(jī)獲能效率極其重要的因素[5]，由于本文項(xiàng)目的水輪機(jī)并沒有可以參考的翼型選型，因此目前設(shè)備選用了能夠良好地適用于低流速水流的航空翼型NACA4412[6]。本文通過Profili軟件分別改變翼型的最大相對彎度和最大相對厚度，然后利用Fluent軟件仿真計(jì)算，分析比較各個(gè)翼型在低流速工況下的水動力特性，采用控制變量法，得出更適用于油田注水管道的水輪機(jī)翼型。

1.1 翼型模型建立和網(wǎng)格劃分

本文使用Profili軟件讀取翼型的點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)[7]，再利用該軟件修改翼型，首先改變NACA4412的最大相對彎度為1%、7%記為W-1、W-7。通過數(shù)據(jù)對比，選擇更優(yōu)的翼型后，再將最大相對厚度改為8%、16%記為H-8、H-16.

圖1 NACA4412翼型幾何圖形

從Profili獲得翼型坐標(biāo)數(shù)據(jù)后，將其處理并導(dǎo)入到軟件ANSYS-ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了獲得更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，本文采用C型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格的左邊界和翼型的前緣點(diǎn)設(shè)置為弦長的9倍，翼型的右邊界和后緣點(diǎn)設(shè)置為弦長的20倍，上下邊界為設(shè)置為機(jī)翼弦長的10倍。對翼型的邊緣網(wǎng)格進(jìn)行加密，如圖2所示。邊界條件設(shè)置：將左邊界和上下邊界定義為速度入口，速度為0.15m/s,將右邊界定義為outflow。通過從-5°到20°的攻角變化來仿真對比。將網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent后，在不同的攻角下監(jiān)視每個(gè)翼型的升力系數(shù)，阻力系數(shù)和升阻比。

圖2 翼型網(wǎng)格劃分圖

圖3 翼型網(wǎng)格放大圖

1.2 控制方程和湍流模型

在仿真計(jì)算時(shí)管道內(nèi)水流可視為不可壓縮流體，因此控制方程為二維連續(xù)性方程和二維不可壓縮N-S方程[8]。

本文采用基于壓力求解器的穩(wěn)態(tài)計(jì)算，為了結(jié)果有一定的計(jì)算精度，使用Viscous中的Standardk-ε模型[11]。選取SIMPLE算法，其壓力差值格式都設(shè)置為二階精度，對連續(xù)性方程和不可壓縮N-S方程求解。

1.3 計(jì)算結(jié)果和翼型選取

將三個(gè)翼型NACA4412、W-1、W-7劃分好網(wǎng)格后，分別導(dǎo)入Fluent，通過改變X和Y方向的速度分量改變來流迎角得出計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 最大相對彎度水力性能數(shù)據(jù)圖

由圖可知，在0.15m/s的流速下，三個(gè)翼型的阻力系數(shù)差距不大，小于7°攻角時(shí)W-1的阻力系數(shù)更小，大于7°攻角時(shí)W-7的阻力系數(shù)更小。而相比之下W-7翼型的升力系數(shù)和升阻比在各個(gè)攻角下都為最大，且當(dāng)攻角為4°時(shí)升力系數(shù)達(dá)到最大值，當(dāng)攻角為11°時(shí)升阻比達(dá)到最大值，其流場分布如圖5所示。因此為了應(yīng)對低流速工況下水輪機(jī)有更好的水力性能，選用最大相對彎度更大的翼型。

圖5 不同攻角下W-7的流場分布圖

在確定W-7為上文中更優(yōu)的翼型后，通過控制變量法，僅將W-7翼型的最大相對厚度更改為8%和16%，即H-8、H-16。將其劃分好網(wǎng)格后，導(dǎo)入Fluent采用與上文相同的設(shè)置，計(jì)算不同攻角下翼型的水力性能數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 最大相對厚度水力性能數(shù)據(jù)圖

由圖可知，流速設(shè)定為0.15m/s時(shí)，當(dāng)攻角為-3°～20°時(shí)，H-8翼型的升力系數(shù)最大。當(dāng)攻角在-5°～-3°和8°～20°范圍內(nèi)時(shí)，H-16翼型的阻力系數(shù)最小，而H-8翼型在攻角-2°～7°范圍內(nèi)阻力系數(shù)最小，在攻角-3°到8°范圍內(nèi)升阻比最大。H-8翼型在攻角為10°時(shí)升力系數(shù)最大，在攻角為3°時(shí)升阻比最大，其流場分布如圖7所示。在綜合分析三者的水力性能數(shù)據(jù)曲線后，可以發(fā)現(xiàn)總體上H-8有著更好的水力性能表現(xiàn)，因此本文水輪機(jī)葉輪使用H-8翼型，即7%的最大相對彎度和8%的最大相對厚度。

圖7 不同攻角下H-8的流場分布圖

2 葉片數(shù)量優(yōu)化

由于油田注水管道流速低，管徑小，壓力大，項(xiàng)目設(shè)計(jì)了多級葉輪串聯(lián)的發(fā)電設(shè)備，簡圖如圖8所示。為減少計(jì)算量，提高仿真精確度，本文利用SolidWorks對其中單級葉輪建立不同葉片數(shù)目的三維模型，再利用Fluent動網(wǎng)格并使用6 DOF計(jì)算方法仿真得出葉輪轉(zhuǎn)速，然后在該轉(zhuǎn)速下仿真計(jì)算葉輪的功率，效率和水頭損失情況[12]。

圖8 多級串聯(lián)式葉輪簡圖

2.1 三維模型與fluent設(shè)置

本文利用SolidWorks對單級導(dǎo)葉、葉輪和管道建立與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備相同尺寸的簡化三維模型。如圖9所示，管道出入口直徑為50mm，葉輪出管道直徑為100mm，導(dǎo)葉高度為10mm，翼型選用上文中的H-8翼型，選取葉片數(shù)為14、15、16、17、18、19、20，分別將模型導(dǎo)入ICEM軟件分區(qū)域劃分網(wǎng)格，并加密葉輪旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格，如圖10所示。生成足夠質(zhì)量的網(wǎng)格后導(dǎo)入Fluent，首先選擇壓力求解器進(jìn)行瞬態(tài)動網(wǎng)格計(jì)算，設(shè)置RNGk-ε湍流模型，導(dǎo)入U(xiǎn)DF動網(wǎng)格，使用6DOF方法。將入口設(shè)置為速度入口，取速度為0.7m/s，出口設(shè)置為壓力出口，取壓力為6MPa。選取算法為 SIMPLE算法。瞬態(tài)計(jì)算時(shí)選取Time Step Size為0.0001，Number of Iterations設(shè)置為100000。

圖9 單級葉輪簡化三維模型

圖10 葉輪分區(qū)域劃分網(wǎng)格圖

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

經(jīng)過Fluent軟件仿真計(jì)算后，得出葉輪的轉(zhuǎn)速和葉片數(shù)的關(guān)系，如圖11所示。由圖可知，當(dāng)葉片數(shù)在14～20范圍內(nèi)，葉輪轉(zhuǎn)速與葉片數(shù)的關(guān)系并不明顯在250r/min上下。

圖11 葉輪轉(zhuǎn)速與葉片數(shù)的關(guān)系

由圖12流場的速度云圖與圖13流場XY平面跡線圖可知，水流從導(dǎo)葉流出后速度增加方向改變后沖擊葉輪，由于流道變窄，葉輪兩側(cè)流速增大，最大流速可達(dá)2.36m/s，葉輪轉(zhuǎn)體內(nèi)為不均勻流速區(qū)域，水流流經(jīng)葉輪和泄水錐后降速，并產(chǎn)生渦流，因此多級葉輪串聯(lián)時(shí)需要合適的導(dǎo)葉導(dǎo)流。葉片由于曲度變化各位置受壓力不同，如圖14所示。

圖12 流場XY平面速度云圖

圖13 流場XY平面跡線圖

圖14 葉輪葉片各位置壓力云圖

在瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果得出轉(zhuǎn)速后，利用Fluent定轉(zhuǎn)速仿真，監(jiān)控葉輪的轉(zhuǎn)矩。水輪機(jī)輸出功率的公式：

式(6)中，M—力矩N·m；W—角速度rad/s；n—轉(zhuǎn)速r/min。

高壓管道進(jìn)出口的流速大小可視為不變，水平管道中也無重力勢能變化，因此水輪機(jī)的工作水頭公式[13]：

式中，z1、z2—管道進(jìn)出口相對位置高度m；P1、P2—葉輪進(jìn)出口壓力Pa；v1、v2—進(jìn)出口水流速度m/s；ρ—水的密度，取1kg/m3；g—重力加速度，取9.81m/s2。

則效率公式：

式(9)中，中Q—流量m3/s。

在Fluent中監(jiān)控葉片的轉(zhuǎn)矩，將計(jì)算結(jié)果代入上述公式后，可以計(jì)算得到不同葉片數(shù)葉輪的發(fā)電功率和發(fā)電效率，計(jì)算結(jié)果如圖15，圖16所示。由圖可知，在葉片數(shù)為14～20的范圍內(nèi)，隨著葉片數(shù)目增大，葉輪的輸出功率增大，但葉輪輸出效率隨之降低。當(dāng)葉片數(shù)為20時(shí)，葉輪的輸出功率最高，為48W，且效率最低，為67.3%。當(dāng)葉片數(shù)為14時(shí)，葉輪的輸出效率最高，為78.2%，且輸出功率最低，為30W。由于石油注水系統(tǒng)管道內(nèi)的水壓極高，最高壓力可達(dá)20MPa，在輸配工程中平均需要減壓5.26MPa，最大需要減壓19.5MPa，因此在選擇葉片時(shí)，以提高輸出功率為主，對效率沒有過高要求，冗余壓力任由減壓閥減壓。故本文選擇葉片數(shù)為20。

圖15 葉片數(shù)與輸出功率曲線

圖16 葉片數(shù)與輸出效率曲線

3 實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)與實(shí)驗(yàn)

對于石油注水管道高壓余壓發(fā)電，實(shí)驗(yàn)室已制造樣機(jī)如圖17，其設(shè)計(jì)原理如圖18所示。將多級葉輪中的葉輪更換為優(yōu)化后的葉輪，利用樣機(jī)做多工況下的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)，改變壓力泵輸出功率，使葉輪入口壓力表顯示2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa，通過發(fā)電機(jī)實(shí)際發(fā)電由上位機(jī)實(shí)際顯示出優(yōu)化前后該樣機(jī)的發(fā)電功率和發(fā)電效率，如表2所示。由于優(yōu)化單級葉輪，多級串聯(lián)后各葉輪工況并非理想工況，水域互有干擾，水力損失加大，實(shí)際實(shí)驗(yàn)得出輸出功率并非單級葉輪發(fā)電功率直接累加，符合實(shí)際情況。由數(shù)據(jù)可知，在各工況下，隨著壓力增大，樣機(jī)發(fā)電功率增加，優(yōu)化后的葉輪發(fā)電效率雖然都比優(yōu)化前有所下降，但是優(yōu)化后的葉輪發(fā)電功率有了顯著的提升，滿足優(yōu)化目的。

圖17 實(shí)驗(yàn)室余壓發(fā)電設(shè)備

圖18 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備原理圖

表1 葉輪優(yōu)化前后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

本文利用Fluent仿真計(jì)算，優(yōu)化石油注水管道余壓發(fā)電專用水輪機(jī)葉輪，得出以下結(jié)論：

1）通過Fluent對NACA4412翼型做最低工況下的仿真計(jì)算，當(dāng)流速為0.15m/s時(shí)，最大相對彎度大的翼型水力性能更優(yōu)，最大相對厚度小的翼型水力性能更優(yōu)，因此在低流速下，本文選擇最大相對彎度為7%，最大相對厚度為8%的翼型；

2）選擇優(yōu)化后的翼型進(jìn)行建模后，通過Fluent仿真，得出葉輪隨著葉片數(shù)目增加，輸出功率增大，但發(fā)電效率降低，由于石油注水管道發(fā)電壓力能冗余過多，只注重發(fā)電功率的需求，因此優(yōu)化后選擇葉片數(shù)為20，此時(shí)仿真結(jié)果功率為48W，效率為67.3%。

3）利用實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)替換優(yōu)化后葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)，由于串聯(lián)后的葉輪都非理想工況，因此比單級葉輪仿真計(jì)算結(jié)果累加的水力損失大，但優(yōu)化后葉輪在各工況下都有效提高了發(fā)電功率，滿足對葉輪的優(yōu)化目的。