300 MW機組斜流式循環(huán)水泵三維流場(chǎng)計算

第36卷第7期中國電力vo.36,No.72003年7月ELECTRIC POWER4,208“愛(ài)電技術(shù)300Mw機組斜流式循環(huán)水泵三維流場(chǎng)計算梁雙印,李興平2,胡三高1,張志明2,康志忠!,徐鴻(1.華北電力大學(xué)(北京),北京10206;2.山東電力科學(xué)研究院,山東濟南250002)摘要:針對國產(chǎn)300MW機組循環(huán)水泵現場(chǎng)運行效率低的間題,對循環(huán)水泵進(jìn)行改進(jìn)設計。通過(guò)改進(jìn)設計和制造的300MW機組斜流式循環(huán)水泵在額定工況下效率可達90%左右。為了解其變工況特性,采用商業(yè)軟件 FLUENT對其新的葉輪及泵殼型線(xiàn)進(jìn)行三維流場(chǎng)計算和分析,并對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)設計以滿(mǎn)足變工況要求提供了理論依據。關(guān)鍵詞:火電廠(chǎng);斜流式循環(huán)水泵;三維模型中圖分類(lèi)號:TK264.1文獻標識碼:A文章編號:10049649(2003)07-000504由于電網(wǎng)調峰的需要,300MW及以上機組參度等物性參數變化時(shí)流體控制方程;還包括流體能與調峰已成為必然。日前我國300MW機組的設計量守恒的能量方程。主要以帶基本負荷考慮,其變工況運行經(jīng)濟性較差因此,提高機組調峰過(guò)程變工況運行經(jīng)濟性是當前2葉輪及泵殼幾何模型的建立火電廠(chǎng)節能降耗的重要任務(wù)之一。鑒于電廠(chǎng)絕大部分輔機如循環(huán)水泵在設計時(shí)未考慮變速運行,所以借助混流式水泵的一元流動(dòng)設計方法,首先確機組在變工況下循環(huán)水泵的運行工況與實(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,對循環(huán)水泵何參數,通過(guò)三維CAD軟件包和 FL UENT的前處理的電機進(jìn)行了單速變雙速的改造,同時(shí)對泵的葉輪功能產(chǎn)生計算的初始幾何模型,同時(shí)進(jìn)行幾何模型和泵殼型線(xiàn)進(jìn)行了改進(jìn)設計,使新泵的實(shí)際運行性的網(wǎng)格剖分,并將沿流動(dòng)方向葉輪和泵殼的通流部能得到很大提高,效率達到90%左右。因此,從理論分的坐標尺寸作為計算的目標。該幾何模型經(jīng)上進(jìn)行流場(chǎng)分析和計算,分析新泵在變工況下的運 FLUENT軟件包的流動(dòng)計算后,將不符合流線(xiàn)和有行特性為進(jìn)一步改進(jìn)設計有重要現實(shí)意義和工程應回流區附近的尺寸修改后重新進(jìn)行計算。本計算所用價(jià)值使用的軟件版本還不能達到完全自動(dòng)的趨勢辯識通流部分的流動(dòng)計箅在國際通用的大型計算流有時(shí)還需人為千預并進(jìn)行最偉趨勢調整。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(lèi)型商業(yè)軟件包如 Phoenix的網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2和Flow3D等相比,采用非結構化單元網(wǎng)格,復雜工程問(wèn)題的流動(dòng)邊界網(wǎng)格剖分和前后處理吏加簡(jiǎn)單方便。在理論計算的基礎上,對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,為完善其設計和提高運行的經(jīng)濟性提供了理論依據。1理論模型動(dòng)、燃燒及傳熱商業(yè)軟件包 FLUENT-3D計算流體流動(dòng)主要應用流體動(dòng)量守恒的運動(dòng)方程(納May 0s, 2000FLUENT 50(d segregated, ke)維?！雇锌怂狗匠?相應的其它控制方程包括:流體質(zhì)量守恒的連續性方程:考慮流體密度、粘圖1葉輪工作面上的網(wǎng)格分布收稿日期:2002-09-03;修回日期:2003-04-26;作者簡(jiǎn)介;梁雙印(1963-),河北井陘人,副教授,從事發(fā)電廠(chǎng)熱經(jīng)濟性分析研究。E-mail:liangshuangyin@263.net發(fā)電技術(shù)2003年第7期中國電力第36卷與收斂速度之間的關(guān)系曲線(xiàn)。4計算結果及分析經(jīng)三維流動(dòng)計算,得到葉輪及泵殼的幾何參數(見(jiàn)圖4):出口邊=16°的傾斜角。葉輪的出口寬度b與葉輪出口最大直徑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(xiàn)升角α與安放角B之比為0.5。LUENT 5.0(d, segregated ke)圖2橫截中分面上的葉輪及泵殼的3D網(wǎng)格分布3計算過(guò)程的簡(jiǎn)化及計算方案鑒于電廠(chǎng)循環(huán)水泵及其T質(zhì)的運行工況處在環(huán)圖4葉輪及泵殼的幾何參數境溫度,其物性參數一般變化不大,為簡(jiǎn)化計算,忽略了溫度變化對工質(zhì)粘度及密度的影響。在流量由于泵殼結構的不對稱(chēng)性,相應的空間平面Z=(定時(shí),假設水流不可壓縮、水流充滿(mǎn)入口及出口截定義為垂直丁泵軸通過(guò)泵殼圓形出口直徑的切面。面,即在入口(導流環(huán)下側截面)及出口截面(泵殼圖5為n=334r/min(Q=17500t/h,100%流量工原形出1截面)速度場(chǎng)分布均勻。葉輪入口段預旋況)計算得到的流體速度跡線(xiàn)分布。從圖中可看出,在及出口段環(huán)流與相應部位的葉輪旋轉速度相同并采該型線(xiàn)上的流體速度跡線(xiàn)和葉輪及泵殼的型線(xiàn)吻合用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格。較好,在設計工況下沒(méi)有出現嚴重的回流區域。說(shuō)明根據300MW機組的變上況運行條件和一元水通過(guò)三元流設計及上面所做出的假設符合實(shí)際情況。泵設計的近似估算,對以下2種工況下該水泵的流6為n=334r/min(100%流量T況)計算的在場(chǎng)進(jìn)行了三元流動(dòng)計算:(1)轉速n=334r/min,流量葉片T作面上的壓力分和。Q=17500th,100%流量工況;(2)轉速n=375rmin圖7為n=334rmin(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。為計算水泵的水力特性,對葉輪轉速m=334mmin在轉速為334rmin、375r/min時(shí),流動(dòng)計算確Q=17500t/h及n=375r/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(xiàn)(見(jiàn)圖8、9)。工況分別進(jìn)行計算,得到泵在334r/min和375r/min表1、2分別示出了在334r/min、375r/min轉速轉速下的流量一揚程、效率一流量特性曲線(xiàn)。由于上述對流動(dòng)、幾何模型進(jìn)行了合理地簡(jiǎn)化,加速了計算過(guò)程的收斂速度。圖3給出了疊代次數09e+0993c+008.94e+00795e+006.95c+0096e+D0497e+00397c+0098e+00e031e44b-102030Path Lines Colored by Velocity Magnitude(mis)082000Sealed ResidualsMay02000FLUENT SD(d screened, keFLUENT 50(D SEGREGATED. KE圖3蠶代次數與收斂速度之間的關(guān)系曲線(xiàn)圖5計算后的速度跡線(xiàn)分布(334rmin)第9卷梁雙印等:30M機姐斜流式循環(huán)水泵三維流場(chǎng)計算203年第7期愛(ài)電技和下(100%流量工況)葉輪所受到的軸向、切向及徑向1.%c10s1.73e+05的總合力( LUENT軟件計算結果)。47e+0522e+0表1334r/min轉速下葉輪所受到的軸向、切向及徑向的總合力703c+04.8c+04水壓產(chǎn)生的力.79+03名稱(chēng)方向粘性力/合力/325c+04582e+04軸向(Z方向)90238347747-916J904作面X方向1404.7413921.10+05Y方向Contours of Stats Presu非工作面(若方向)12036151m3FLUENT 500D SEGREGATED KE1767.125871773圖6葉片工作面上的壓力分布(334rmin表2375rmin轉速下葉輪所受到的軸向、切向及徑向的總合力159e+05名稱(chēng)方向水壓產(chǎn)生格性力/合力l.19e+05983c+04軸向(Z方向)-1129762310767-1128697.7%+04工作面X方向265122-19.23下方向81389-9143.72+04軸向(Z方向)14419402160814636非工作面X方向241598-2414354+03下方向2669.30-8.27-2678從上述圖表中計算結果可看出,通過(guò)三維流動(dòng)計算所得到的葉輪及泵殼型線(xiàn)能滿(mǎn)足循環(huán)水泵中水Contours of Static Pressure(pascal)My02000流的流動(dòng)過(guò)程,沒(méi)有出現大的回流區和擾流現象,FLUENT 5.013D SEGREGATED KE明三維流動(dòng)計算過(guò)程中所作的簡(jiǎn)化和假設是合理圖7z0切面上的壓力分布(334rmin的。它不但避免了過(guò)去沿用的一元投影分割計算法利保角影射法復雜的設計工作,也可節約大量時(shí)間和節省模型試驗所帶來(lái)昂貴的費用。正是由于計算機的發(fā)展使該設計方法和技術(shù)在我國水泵制造領(lǐng)域開(kāi)創(chuàng )了一個(gè)新的設計手段在334r/min轉速下50%流量負荷的速度跡線(xiàn)(見(jiàn)圖10)顯示:由于水流無(wú)法充滿(mǎn)整個(gè)流道,存在較大的回流Ⅸ和渦流現象,使效率明顯↑降。n·Q幽00100150200002503000流量/m3h圖8新設計水泵的性能曲線(xiàn)(轉速334rmin}03m215n·Q曲Path Lines Colored by Velocity Magnitude(m'a0500101Bo2002500300FLUENT 50(3D SEGREGATED KI流量/m3h圖9新設計水泵的性能曲線(xiàn)(轉速375rmin)在50%流量時(shí)的速度跡線(xiàn)分布(334rmin)發(fā)電技術(shù)2003年第7期中國電力第36卷最先進(jìn)的計算機優(yōu)化輔助自動(dòng)設計的水平。5現場(chǎng)試驗結果對循環(huán)水泵重新設計和制造后,將300MW機組循環(huán)水泵電機單速改雙速,因此,雙泵雙速可有5經(jīng)重新設計的循環(huán)水泵與舊泵的現場(chǎng)試驗數據種運行組合方式,分別滿(mǎn)足機組冬、夏和秋(春)季負見(jiàn)表3荷的運行要求,且大大降低了)用電率。表3新、舊泵現場(chǎng)試驗數據從流場(chǎng)分布看,流線(xiàn)在流道中沒(méi)有明顯的回流區,說(shuō)明新設計的斜流式循環(huán)水泵不但經(jīng)濟性大大提高,且汽蝕性能也得到了改行方式雙泵單泵2臺速1臺高速1臺低速2臺低速善。該斜流式循環(huán)水泵已有多臺安裝在山東主機負荷/MW鄒縣等電廠(chǎng),節電效果十分顯著(zhù)泵轉數/rmin2375/375375334334出口壓力/MPa00o01701750175016001600.0150參考文獻出口流景/m3h3894820990411403705032500揚程/m20.1520.3520.8518.30[1 Prabhu S Sathyamurthy, Suhas V Patankar. Block-based電機功率AW17171681401404013561035138110202100 multigrid method for fluid flow problems. Nurrerica泉效率/%68.212: Panos Tamamidis, Dennis N Assanis, Three- Dimendional incompre-6結論ssible flow calculations with altermative discretization schemes [J]Numerical Heat Transfcr(Part B). 1993, 24: 57-76.在葉輪及泵殼型線(xiàn)的設計過(guò)程中,通過(guò)改進(jìn)的3朱家計算流體力學(xué)M北京:科學(xué)出版社,1985元流設計方法對300MW循環(huán)水粲在不同的通流4 Patankar S V.傳熱與流動(dòng)的數值計算M張政譯,北京:科學(xué)層面進(jìn)行葉型設計,比現行常規一元流設計在葉型出版社,1984上有較大的改進(jìn)。在今后的設計過(guò)程中,應使用最5】關(guān)醒凡泵的理論與沒(méi)計M].北京機械工W出版社,1987新版本的 FLUENT軟件,并通過(guò)元流的估算對型線(xiàn)的目標變量變化趨勢進(jìn)行限定,真正達到國際上(責任編輯子禾)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-Cltric Power University, Beijing 1022062. Shandong Electric Power Research Institute, Jinan 250002, China)Abstract: In general, the operation efficiency of homc-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:circulating watcr 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 calculation and analysis of 3D flow field of new impeller and pump casing profile were carriedt by using commereial software package FILENT, and also the simulation of fluid state distribution under different now workiconditions was carried out, affording the theoretical basis for improving design to meet the requirement of variable working conditionsKey words: thermal power plant; diagonal flow type circulating water pump; 3D model國內科技信總電廠(chǎng)一,三期建設4臺600MW火電機組,同時(shí)推動(dòng)青山熱電廠(chǎng)“油改煤”建設項目、沙市熱電廠(chǎng)燃機建設項日、通山縣九宮山和利川市的風(fēng)電項目開(kāi)發(fā),并全力支▲國電華電在鄂圈地建廠(chǎng)湖北用電持續5個(gè)月持在建的清江水布埡和江坪河水電站工程。中國華電集保持13%以上的大幅增長(cháng)勢頭,中國國電集團、中國華閉公司與湖北省政府簽訂了“戰略合作協(xié)議”,在湖北電集團不到1個(gè)月時(shí)間內,相繼宦布在鄂大規模建電省襄樊、孝感、荊州市等地各建GW級的火電廠(chǎng),且每廠(chǎng)。中國國電集閉與湖北省政府簽約開(kāi)發(fā)電源項目年將投入30億元在湖北省建電廠(chǎng),15年后裝機容量將括:荊門(mén)熱電廠(chǎng)三期擴建2臺600MW火電機組;鄂州占余省1/3