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IH化工離心泵作為水輪機系統的變速及過渡過程研究

來源:www.x8qqyl.com    發布時間:2022-08-27

  能源發展面臨著需求壓力巨大、能源供應受到更多限制、能源生產和消費對生態環境造成嚴重破壞、能源技術水平總體落后等挑戰。當前,正在經歷新一輪能源技術革命,以綠色低碳為導向的節能高效能源技術已經上升到發展和安全的戰略高度。泵換向為液力透平稱為泵換向透平(PAT)。這種能量回收裝置用于石化、冶金、煤炭、廢水處理等行業,回收介質中的剩余壓力能,達到節能降耗的效果。
  目前上述重點工業領域幾乎全部采用進口透平機組回收液體的殘余壓能,國內廠家面臨的問題主要是回收率低、可靠性低。就工業應用而言,對該裝置運行安全性的研究關系到整個汽輪機系統。尤其是系統的瞬態效應,包括變速的瞬態過程,是一個很有價值的課題。本文從固有的科學問題出發,研究了離心泵水輪機系統的變速和過渡工況特性,從水輪機選型和性能預測,到水輪機系統構造和參數匹配,從設計轉速工況到其他轉速工況,再到連續過渡工況。在此基礎上,有針對性地進行了數值計算和實驗。
本文開展的研究工作如下:
  (1)PAT系統不同過程的實驗和數值計算策略類比工業試驗和實驗室研究用IH化工離心泵作為渦輪試驗臺的特性,對PAT系統的穩態、準穩態和瞬態過程提出了合理的試驗方案,并建立了相應的試驗臺和控制系統,成功實現了泵作為渦輪在瞬態過渡過程中的性能試驗和振動試驗;對比相同瞬態條件下雷諾平均法和大渦模擬法的計算結果,在穩態計算的基礎上,提出了較為完善的瞬態數值計算策略。通過CFX-CEL和用戶函數定義不同的轉速,得到PAT內部流動和瞬態過程的瞬態特性。
  (2)基于蝸殼與轉輪的匹配理論,工況點預測和PAT系統配置參考了經典一維IH化工離心泵葉輪與蝸殼的匹配理論,通過理論分析推導了考慮葉片出口滑移和有限葉片數影響的水輪機轉輪特性方程,提出了PAT理想工況點參數的預測公式和相應的泵與水輪機性能換算公式。該公式不以比轉速為變量,通過實例驗證了其較高的精度;研究了不同負載泵對PAT系統的影響,探討了高效PAT系統中PAT與負載的參數匹配特性。PAT和負載的理想參數范圍為/0.4~0.6T PQ Q=,/3.57~4.35T PH H=,揭示了變速過程中負載和系統的性能特性。
  (3)恒速時PAT的內部流動和外部特性。采用CFD方法研究了PAT在設計速度下的內部流場和外部特性。重點探索了非定常條件下PAT流場的流場變化、流量分配和水力負荷等問題,提出了內部流場的流動分析方法,直觀地揭示了PAT計算簡化前后泵腔誤差較大的內部流場機理,即前后泵腔與環形間隙之間存在顯著的分流和流量損失。發現流體在某些地方是固定的。從拉格朗日和歐拉的角度監測轉輪的瞬時流量信息,在一定程度上量化了流場的演化特征,為相關研究提供參考。研究了設計轉速下不同工況下的水力損失分布、轉輪水力負荷和壓力脈動、軸向力和徑向力等特性。
  (4)討論了PAT在變速時的內外特性,找到了不同BEP點(理想效率點)的內部流場分布。PAT在不同轉速和工況下的運行效率差異較大,因此研究變速透平系統的一般規律是大有裨益的。選取不同轉速的三個典型BEP工況點,研究流場差異、葉片載荷、徑向力、軸向力和水力脈動的變化特性,即不同BEP工況點的水力穩定性。結果表明,PAT的徑向力和軸向力的幅值遠小于一般泵的幅值。隨著轉速的增加,軸向力逐漸增大,脈動加劇,當PAT偏離設計工況和轉速時,蝸殼內壓力脈動幅值增大。振動測試結果與壓力脈動計算結果一致。
  (5)瞬態過程中PAT系統的瞬態特性研究。分析了廣義歐拉方程在水力機械中的應用,發現它不能直接用于計算PAT系統過渡過程中的過渡水頭。對PAT系統的轉子轉動進行整體分析,建立了瞬態過程流場瞬態計算的總體策略。對恒壓加減速和恒流加減速下的PAT瞬態流場進行了數值計算,分析了PAT在此過程中瞬態性能參數的變化和流場演化特征。發現準穩態計算值大于過渡態計算值和實驗值,過渡態過程計算值略大于實驗值,與實驗值吻合較好。
  通過對PAT內部流場的分析,發現過渡過程中流線分布和葉片通道渦的位置都有明顯的變化,流場紊亂的時刻出現在過渡工況的開始。采用非線性速度函數優化暫態過程的計算,得到PAT和負荷同步的計算結果,提高了暫態過程數值計算的精度。將空化模型加入到具體的瞬態計算模型中,得到了顯著的空化效應,證明了兩者之間的相關性。

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