第36卷第7期中國(guó)電力vo.36,No.72003年7月ELECTRIC POWERJuL,2003發(fā)電技術(shù)300Mw機(jī)組斜流式循環(huán)水泵三繼流場(chǎng)計(jì)算梁雙印,李興平2,胡三高’,張志明,康志忠,徐鴻(1.華北電力大學(xué)(北京),北京102206;2.山東電力科學(xué)研究院,山東濟(jì)南25000)摘要:針對(duì)國(guó)產(chǎn)300MW機(jī)組循環(huán)水泵現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效率低的問題,對(duì)循環(huán)水泵進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過改進(jìn)設(shè)計(jì)和制造的300MW機(jī)組斜流式循環(huán)水泵在額定工況下效率可達(dá)90%左右。為了解其變工況特性,采用商業(yè)軟件 FLUENT對(duì)其新的葉輪及泵殼型線進(jìn)行三維流場(chǎng)計(jì)算和分析,并對(duì)其在不同流量工況的流體狀態(tài)分布進(jìn)行模擬,為改進(jìn)設(shè)計(jì)以滿足變工況要求提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞:火電廠;斜流式循環(huán)水泵;三維模型中圖分類號(hào):TK264.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10049649(2003)07-000504由于電網(wǎng)調(diào)峰的需要,300MW及以上機(jī)組參度等物性參數(shù)變化時(shí)流體控制方程;還包括流體能與調(diào)峰已成為必然。日前我國(guó)300MW機(jī)組的設(shè)計(jì)量守恒的能量方程主要以帶基本負(fù)荷考慮,其變工況運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差。因此,提尚機(jī)組調(diào)峰過程變工況運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性是當(dāng)前2葉輪及泵殼幾何模型的建立火電廠節(jié)能降耗的重要任務(wù)之一。鑒于電廠絕大部分輔機(jī)如循環(huán)水泵在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮變速運(yùn)行,所以借助混流式水泵的一元流動(dòng)設(shè)計(jì)方法,首先確機(jī)組在變工況下循環(huán)水泵的運(yùn)行工況與實(shí)際τ況偏定水泵葉輪和泵殼近似外形尺寸、葉輪進(jìn)出口的幾離較大,使能耗增加。為改善這一狀況,對(duì)循環(huán)水泵何參數(shù),通過三維CAD軟件包和HENT的前處理的電機(jī)進(jìn)行了單速變雙速的改造,同時(shí)對(duì)泵的葉輪功能產(chǎn)生計(jì)算的初始幾何模型,同時(shí)進(jìn)行幾何模艱和泵殼型線進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),使新泵的實(shí)際運(yùn)行性的網(wǎng)格剖分,并將沿流動(dòng)方向葉輪和泉?dú)さ耐鞑磕艿玫胶艽筇岣?效率達(dá)到90%左右。因此,從理論分的坐標(biāo)尺寸作為計(jì)算的目標(biāo)。該幾何模型經(jīng)上進(jìn)行流場(chǎng)分析和計(jì)算,分析新泵在變工況下的運(yùn) FLUENT軟件包的流動(dòng)計(jì)算后,將不符合流線和有行特性為進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)有重要現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)回流區(qū)附近的尺寸修改后重新進(jìn)行計(jì)算。本計(jì)算所用價(jià)值使用的軟件版本還不能達(dá)到完全自動(dòng)的趨勢(shì)辯識(shí)通流部分的流動(dòng)計(jì)算在國(guó)際通用的大型計(jì)算流有時(shí)還需人為干預(yù)并進(jìn)行最趨勢(shì)調(diào)整。圖1示出體力學(xué)、燃燒和傳熱商業(yè)軟件包 FLUENT-3D上完了葉輪工作面的網(wǎng)格分布。泵殼和葉輪橫截中分面成。該軟件包和其它同類型商業(yè)軟件包如 Phoenix的網(wǎng)格劃分見圖2和Flow3D等相比,采用非結(jié)構(gòu)化單元網(wǎng)格,復(fù)雜工程問題的流動(dòng)邊界網(wǎng)格剖分和前后處理吏加簡(jiǎn)單方便。在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上,對(duì)新泵的水力特性和汽蝕性能進(jìn)行了定量分析,提出了進(jìn)一步提高該泵流動(dòng)性能和可靠性的理論建議,為完善其設(shè)計(jì)和提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性提供了理論依據(jù)。1理論模型流動(dòng)、燃燒及傳熱商業(yè)軟件包 FLUENT-3D算流體流動(dòng)主要應(yīng)用流體動(dòng)量守恒的運(yùn)動(dòng)方程(納FLUENT 5.0(d, segregated, k維?！雇锌怂狗匠?,相應(yīng)的其它控制方程包中國(guó)煤化工括:流體質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程;考慮流體密度、粘格分布CNMHG收稿日期:200209-03;修回日期:2003-0426作者簡(jiǎn)介;梁雙印(1963-),河北井陘人,副教授,從事發(fā)電廠熱經(jīng)濟(jì)性分析研究。E- mail: liangshuangyin@263nmet發(fā)電技術(shù)2003年第7期中國(guó)電力第36卷與收斂速度之間的關(guān)系曲線。4計(jì)算結(jié)果及分析經(jīng)三維流動(dòng)計(jì)算,得到葉輪及泵殼的幾何參數(shù)(見圖4):出口邊=16°的傾斜角。葉輪的出口寬度b與葉輪出口最人直徑D2之比b/D2=0.38,葉輪的出口寬度b與葉輪出口最小直徑D1之比b/D0.52,葉片包角約為84°。殼體的螺線升角α與安放角B之比為0.5May08200FLUENT 5.00d segregated, ke圖2橫截中分面上的葉輪及泵殼的3D網(wǎng)格分布3計(jì)算過程的簡(jiǎn)化及計(jì)算方案鑒丁電廠循環(huán)水泵及其T質(zhì)的運(yùn)行工況處在環(huán)圖4葉輪及泵殼的幾何參數(shù)境溫度,其物性參數(shù)一般變化不大,為簡(jiǎn)化計(jì)算,略了溫度變化對(duì)工質(zhì)粘度及密度的影響。在流量由于泵殼結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性,相應(yīng)的空間平面Z=0定時(shí),假設(shè)水流不可壓縮、水流充滿入口及出口截定義為垂直于泵軸凡通過泵殼圓形出口直徑的切面。面,即在入口(導(dǎo)流環(huán)下側(cè)截面)及出口截面(泵殼圖5為n=334rmin(Q=17500t/h,100%流量工原形出I截面)速度場(chǎng)分布均勻。葉輪入口段預(yù)旋況)計(jì)算得到的流體速度跡線分布。從圖中可看出,在及出口段環(huán)流與相應(yīng)部位的葉輪旋轉(zhuǎn)速度相同并采該型線上的流體速度跡線和葉輪及泵殼的型線吻合用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格。較好,在設(shè)計(jì)工況下沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的回流區(qū)域。說(shuō)明根據(jù)300MW機(jī)組的變上況運(yùn)行條件和一元水通過三元流設(shè)計(jì)及上面所做出的假設(shè)符合實(shí)際情況泵設(shè)計(jì)的近似估算,對(duì)以下2種工況下該水泵的流圖6為n=334r/min(100%流量T況)計(jì)算的在場(chǎng)進(jìn)行了二元流動(dòng)計(jì)算:(1)轉(zhuǎn)速n=334rmin,流量葉片T作面上的壓力分布Q=17500th,100%流量工況;(2)轉(zhuǎn)速n=375r/min圖7為n=334r/min(100%流量工況)在Z=0截流量Q=20500t/h,100%流量工況面上得到的壓力分布。為計(jì)算水泵的水力特性,對(duì)葉輪轉(zhuǎn)速n=334rmin、在轉(zhuǎn)速為334rmin、375r/min時(shí),流動(dòng)計(jì)算確Q=17500t/h及n=375 r/min、Q=20500t/h的10%、定了該水泵在不同流量工況下的H-Q變化特性及30%、50%、70%、100%、130%和150%7個(gè)不同流量v-Q曲線(見圖8、9)。工況分別進(jìn)行計(jì)算,得到泵在334r/min和375rmin表1、2分別示出了在334r/min、375r/min轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速下的流量一揚(yáng)程、效率一流量特性曲線由于上述對(duì)流動(dòng)、幾何模型進(jìn)行了合理地簡(jiǎn)化,1.19e+0加速了計(jì)算過程的收斂速度。圖3給出了疊代次數(shù)09e+0993e+00795e+006.9sc+00elocity97e+98e+000102034050607080I中國(guó)煤化工May (.2000CNMHGSealed ResidualsFLUENT 5.0(d,segregated,ke)3DSEGREGATED KE圖3蠶代次數(shù)與收斂速度之間的關(guān)系曲線圖5計(jì)算后的速度跡線分布(334rmin6方方數(shù)據(jù)第36卷梁雙印等:300MW機(jī)組斜流式循環(huán)水泵三維流場(chǎng)計(jì)算2003年第7期愛電技術(shù)下(100%流量工況)葉輪所受到的軸向、切向及徑向9+051.73e+05的總合力( FLUENT軟件計(jì)算結(jié)果)。147e+0522e+0速下葉輪所受到的軸向、切向及徑向的總合力1.89e+0479+03名稱方向水壓產(chǎn)生的力粘性力/N合力/325c404軸向(Z方向)902383477.4790161582e+043904工作面X方向1404.7412681392Y方向160211.10c+05Contours of Static Pressurei pascal)軸向(Z方向)12337661655612503May 0s, 2000非工作面X方向1075.43-1073FLUENT 5.0(D SEGREGATED, KEY方向1767.125871773圖6葉片工作面上的壓力分布(334rmin)表2375rmin轉(zhuǎn)速下葉輪所受到的軸向、切向及徑向的總合1.59c+05l19c+05方向水壓產(chǎn)生的力格性力/合力/983c+04軸向《Z方向)-1129762310767-112867.79e+04工作面X方向2651.2219.2326325.75c+04下方向813.89,14軸向(Z方向)1441940216081463616sc+04非工作面X方向2415.98-24143.54e+03下方向239+04從上述圖表中計(jì)算結(jié)果可看出,通過三維流動(dòng)646e+04850+04計(jì)算箅所得到的葉輪及泵殼型線能滿足循環(huán)水泵中水Contours of Static Pressure( pascal)May02000流的流動(dòng)過程,沒有出現(xiàn)大的回流區(qū)和擾流現(xiàn)象,說(shuō)FLUENT 5.(3D SEGREGATED. KE明三維流動(dòng)計(jì)算過程中所作的簡(jiǎn)化和假設(shè)是合理圖7z0切面上的壓力分布(334min的。它不但避免了過去沿用的元投影分割計(jì)算法利保角影射法復(fù)雜的設(shè)計(jì)工作,也可節(jié)約大量時(shí)問和節(jié)省模型試驗(yàn)所帶米昂貴的費(fèi)用。正是由于計(jì)算00機(jī)的發(fā)展使該設(shè)計(jì)方法和技術(shù)在我國(guó)水泵制造領(lǐng)域開創(chuàng)了一個(gè)新的設(shè)計(jì)手段。在334r/min轉(zhuǎn)速下50%流量負(fù)荷的速度跡線25(見圖10)顯示:出于水流無(wú)法充滿整個(gè)流道,存在軍HQ曲線較大的回流Ⅸ和渦流現(xiàn)象,使效率明顯卜降000100150020020300流量/m3sh圖8新設(shè)計(jì)水泵的性能曲線(轉(zhuǎn)速334min754e+00B:Q曲線rah中國(guó)煤化工CNMHGay0x2000500010000150002000025000300003D SEGREGATED KI流量/m3h圖9新設(shè)計(jì)水泵的性能曲線(轉(zhuǎn)速375r/min)圖10在50%流量時(shí)的速度跡線分布(334mmin)發(fā)電技宋2003年第7期中國(guó)電力第36卷最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)優(yōu)化輔助自動(dòng)設(shè)計(jì)的水平。5現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)循環(huán)水泵重新設(shè)計(jì)和制造后,將300MW機(jī)組循環(huán)水泵電機(jī)單速改雙速,因此,雙泵雙速可有5經(jīng)重新設(shè)計(jì)的循環(huán)水泵與舊泵的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)種運(yùn)行組合方式,分別滿足機(jī)組冬、夏和秋(春)季負(fù)見表3。荷的運(yùn)行要求,且大大降低了)用電率。表3新、舊泵現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)從流場(chǎng)分布看,流線在流道中沒有明顯的回流區(qū),說(shuō)明新設(shè)計(jì)的斜流式循環(huán)水泵不但經(jīng)濟(jì)性大大提高,且汽蝕性能也得到了改行方式雙泵單泵2臺(tái)餉速1臺(tái)高速1臺(tái)低速2臺(tái)低速善。該斜流式循環(huán)水泵已有多臺(tái)安裝在山東主機(jī)負(fù)荷/MW302鄒縣等電廠,節(jié)電效果十分顯著。泵轉(zhuǎn)數(shù)/rmin375/375375334334出口壓力MPa07o01701750175016001600.50150參考文獻(xiàn):出口流量/m3h238948209904l1403705032500電機(jī)功率W171m168141014041356103513么、8.301 J Prabhu S Sathyamurthy, Suhas V Patankar Block-based揚(yáng)程/m20.1520.3520851940nutigrid method for fluid flow problems[J].Numeric泉效率/%87.9Heat Transfer( Part B), 1994, 25: 375-3942: Panos Tamamidis, Dennis N Assanis Three-Dimendional incompre-6結(jié)論ssible flow calculations with altermative discretization schemes [J]在葉輪及泵殼型線的設(shè)計(jì)過程中,通過改進(jìn)的3朱家計(jì)算流體力學(xué)M1北京:科學(xué)出版社,1985元流設(shè)計(jì)方法對(duì)300MW循環(huán)水泵在不同的通流4] Patankar S V.傳熱與流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算lM.張政譯,北京:科學(xué)層面進(jìn)行葉型設(shè)計(jì),比現(xiàn)行常規(guī)一元流設(shè)計(jì)在葉型出版社,1984上有較大的改進(jìn)。在今后的設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)使用最5]關(guān)醒凡泵的理論與沒計(jì)M].北京機(jī)械工出版社,1987新版本的 FLUENT軟件,并通過元流的估算對(duì)型線的目標(biāo)變量變化趨勢(shì)進(jìn)行限定,真正達(dá)到國(guó)際上(責(zé)任編輯子禾)3D flow field calculation of diagonal flow circulating water pump for300 MW generating unitLIANG Shuang-yin, LI Xing-ping, HU San-gao', ZHANG Zhi-ming, KANG Zhi-zhong, XU Hong(1. North-China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. Shandong Electric Power Research Institute, Jinan 250002, China)Abstract: In general, the operation efficiency of home-made circulating water pump for 300 MW unit is comparatively low. For this reason,the design of circulating water pump was improved. Through the improvement of design and fabrication, the efficiency of diagonal flow type:cireulating water pump for 300 MW unit under rated working condition could reach about 90%. In order to understand the characteristics ofpump under variable working conditions, the ealculation and analysis of 3D flow field of new impeller and pump casing profile were carriedout by using commercial software package FLLENT, and also the simulation of fluid state distribution under different now workingconditions was carried out, affording the theoretical basis for improving design to meet the requirement of variable working conditionsiting water pump電廠一.、三期建設(shè)4臺(tái)600MW火電機(jī)組,同時(shí)推動(dòng)青國(guó)內(nèi)科技信總山熱電廠“油改煤”建設(shè)項(xiàng)目、沙市熱電廠燃機(jī)建設(shè)項(xiàng)日、通山縣九宮山和利川市的風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā),并全力支▲國(guó)電華電在鄂圈地建廠湖北用電持續(xù)5個(gè)月持在建的渣江水布和江埡河水由站工程。中國(guó)華電集保持13%以上的大幅增長(zhǎng)勢(shì)頭,中國(guó)國(guó)電集團(tuán)、中國(guó)華閉公中國(guó)煤化工作協(xié)議在湖北電集團(tuán)不到1個(gè)月時(shí)間內(nèi),相繼宦布在鄂大規(guī)模建電省襄CNMHG級(jí)的火電廠,且每廠。中國(guó)國(guó)電集團(tuán)與湖北省政府簽約開發(fā)電源項(xiàng)日年將投入30億元在湖北省建電廠,15年后裝機(jī)容量將括:荊門熱電廠三期擴(kuò)建2臺(tái)600MW火電機(jī)組;占全省1/3。8