原油调和离心泵运行特性数值模拟

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(南京工业大学 机械与动力工程学院， 江苏 南京 211816)

原油调和离心泵运行特性数值模拟

冯秋月，谈金祝，姚国军

(南京工业大学 机械与动力工程学院， 江苏 南京 211816)

在离心泵运行过程中经常遇到操作工况偏离设计工况，导致离心泵工作异常的情况，研究离心泵的运行特性至关重要。以1台原油调和离心泵为研究对象，采用数值模拟技术研究该原油调和离心泵在设计工况和非设计工况条件下的运行特性。结果表明，采用数值模拟方法预测得到的原油调和离心泵的性能曲线与实际性能曲线变化趋势是一致的。在设计工况下，原油调和离心泵内部流动的压力分布和速度分布变化较小；在非设计工况下，原油调和离心泵内部流动的压力分布和速度分布变化较大。

离心泵； 原油调和； 运行特性； 数值模拟； 设计工况； 非设计工况

泵作为流体输送中最重要的机械之一，在国民经济中占有重要的地位。离心泵广泛应用于石油化工领域，在石化行业当中的耗电量占企业电能消耗的30%～50%，其性能的好坏直接影响到石化行业的可持续发展。当离心泵输送介质的密度、黏度与水的物性参数不同时，其性能曲线将随着介质的不同而产生变化，工况点也会随着介质的不同发生偏移。在实际生产过程中，离心泵的工作点不在高效区，运行效率往往很低，造成过大的节流损失和能源的浪费[1，2]。

离心泵的整机效率只有50%～60%，国内离心泵的运行效率平均比国外低10%～30%[3-5]。原油调和离心泵对于原料的参数是有控制要求的，而来自世界不同地区不同种原油的硫含量、酸值、实沸点、密度以及黏度等物性参数差异很大，当各种类型原油交替加工时，原油调和离心泵的工况点会发生变化。

随着计算机技术的不断发展和计算流体力学(CFD)研究领域的日趋成熟，利用CFD数值模拟软件对离心泵内部流场进行分析和性能预测，已经成为泵科研工作者广泛使用的技术手段之一。近年来国内外一些学者利用CFD数值模拟对离心泵内部流场进行了分析[6-9]。张爱霞对不同转速的低比转数离心泵的叶轮进行了切割试验，结果表明，转速越低其理论值与实际值相差越大[10]。谈高明等人利用数值模拟软件Fluent对6台离心泵在不同叶轮外径下的内部流场进行了叶轮和蜗壳的耦合数值模拟，根据数值模拟的结果对每台泵叶轮外径切割后的性能进行了预测，并分析了叶轮外径变化对泵内部流场的影响[11]。牟介刚等利用CFD数值模拟和试验的方法对离心泵叶片出口边三角切割方法进行了研究，模拟和试验得出的泵外特性曲线变化一致[12]。Furukawa等人通过采用奇点计算法研究离心泵的切割性能，并将叶片切割后的性能通过计算后与实验结果进行对比分析，结果表明计算结果和实验结果吻合[13]。Mario等人研究了叶轮切割对离心泵效率的影响， 分析得到随着叶轮直径的减小，效率显著下降[14]。从以上分析可知，上述离心泵的研究主要集中于传统研究，并且大都用于水泵研究，有关采用数值模拟技术对原油调和离心泵的研究报道较少。

文中以某石化公司一台原油调和离心泵为研究对象，采用理论分析数值模拟的方法，研究原油调和离心泵在设计工况和非设计工况下的内部流场及压力分布。

1 原油调和离心泵数值模拟数学模型

原油调和离心泵的数值计算模型采用的控制方程包括连续性方程、动量守恒方程以及能量守恒方程[15]。连续性方程又称为质量守恒方程，按照质量守恒定律，单位时间内流入控制体的质量等于控制体内质量的增加。动量守恒方程又称为运动方程，按照动量守恒定律，单位时间内流入控制体的动量与作用于控制面以及控制体上外力之和等于单位时间内控制体内动量的增加。按照能量守恒定律，单位时间内流入控制体的能量、外部传入的热量以及外力所作功的总和等于单位时间内控制体内能量的增加。

当对离心泵内进行定常流动分析时，假设流体不可压缩，热交换量忽略不计，不用考虑能量守恒方程。当进行非定常流动分析时，流体的密度和动力黏度需根据温度和压力计算得到，能量方程控制流场的温度。因此，非定常流动的控制方程必须由连续性方程、动量方程和能量方程3个方程组成，其中包含压力、速度和温度3个变量。

2 原油调和离心泵计算模型

2.1参数

此离心泵为双吸式泵，输送介质为工业调和原油，密度900 kg/m3，动力黏度0.18 Pa·s，体积流量454 m3/h，扬程128 m，效率69%，轴功率为252 kW，泵的额定转速2 950 r/min。

原油调和离心泵有7个叶片，叶片包角为135°，叶轮进、出口直径分别为180 mm、340 mm，叶轮进、出口宽度分别为40 mm、30 mm，叶轮的主要尺寸见图1。

图1 叶轮尺寸图

2.2建立几何模型

根据离心泵的水利模型，采用Solidworks对原油调和离心泵的叶轮和蜗壳进行实体建模，其流道主要由进口流道、叶轮区域流道和蜗壳3部分组成。

叶轮由叶片和前、后盖板组成，对其分别建模，通过定位点进行重合就形成了一个叶轮。

叶轮由7个叶片组成，在做出单侧流道叶片后需要通过对称方法做出另一侧的实际叶片，两侧对称叶片在后盖板部位还需要连接在一起。

前、后盖板以叶轮轴的中心线为中心，以盖板轮廓线做截面旋转360°得到。流道则是通过前后盖板的旋转轮廓线生成的实体与叶片的布尔运算得到的。蜗壳是通过放样命令连接几个典型的断面得到的，建立的离心泵内液体三维模型见图2。

图2 离心泵内流道模型

2.3网格划分

离心泵叶片几何形状复杂，流动区域大多为不规则区域。因此，采用适用性强、对复杂边界模型特别有效的非结构化网格。将几何模型分为液体进口部分、叶轮部分和蜗壳部分，各部分之间采用连续拼接网格技术。采用ANSYS workbench14.0中Mesh模块进行网格划分，在叶轮流道边界层设置Inflation命令处理边界层网格，见图3。

图3 叶轮流道边界层

一般情况下，认为合格网格的等角斜率和等尺寸斜率应不超过0.85的质量要求。经过检查，此模型网格的等角斜率和等尺寸斜率均不超过0.80，网格质量比较好[16]，其网格示意图见图4。

图4 离心泵非结构化网格

2.4设置边界条件

本文假设离心泵流体为不可压缩流体，且不考虑工作过程中密度、黏度的变化和重力的影响。

(1)采用速度进口边界条件，假定进口速度在轴向均匀分布，具体数值由流量与进口面积比值给定。

(2)采用质量出口边界条件。质量出口边界条件不需要给定出口条件，此类出口条件是通过Fluent内部计算得到的。

(3)采用无滑移的壁面边界条件，其中前、后盖板和各叶片均设置为移动的壁面，移动的方向和速度与叶轮旋转的方向和速度一致，而其余都默认设置成静止壁面，速度为0。

(4)交界面模型采用多参考坐标系模型，将定子与转子之间交界面类型由wall转变为interior，交界面类型wall-shadow自动转变为interior类型，转变后的交界面两侧为流体单元，不需要进行其他边界条件的设置。

3 原油调和离心泵数值模拟结果及分析

3.1设计工况下离心泵内部流场

设计工况下叶片静压分布图见图5，泵内静压分布图见图6，叶轮内的动压分布图见图7，叶轮内相对速度矢量图见图8。

图5 设计工况下叶片静压分布图

图6 设计工况下泵内静压分布图 图7 设计工况下叶轮内动压分布图 图8 设计工况下叶轮内相对速度矢量图

从图5中得知，叶轮的压力最大值在叶片压力面的出口处，叶轮进口处叶片的非工作面上压力最小。在距离叶轮中心相同距离处，叶片工作面压力大于叶片非工作面压力。但是在叶轮的出口处，工作面的压力值约等于非工作面的压力值，这与叶片的工作原理一致。从总体上看，离心泵内部的流场是非轴对称性分布的。

由图6、图7可知，①在离心泵叶轮的进口处有显著的低压区，这是因为液流绕叶片的头部时流体加速转弯流速加快，导致在叶片背面进口处形成叶轮内的低压区，此处很容易形成气蚀，与原油调和离心泵实际运行时易发生气蚀的位置较吻合。②叶轮各流道内压力最低点出现在叶片进口处的非工作面上，最高点出现在出口处的压力面上，叶片工作面上的压力和非工作面上的压力从进口到出口逐渐增加，并且非工作面的压力小于工作面的压力。③静压和动压沿周向非对称分布，靠近蜗壳出口的流道

内的压力与其他流道内压力分布不同，蜗壳内压力变化不大，只是蜗舌附近存在较大的压力梯度，导致蜗舌处压力升高。

由图8可知，①叶轮在进口处的流动比较均匀，进口流速较低，流速从叶轮进口到出口逐渐增大。②流体在叶轮进口处主要沿非工作面流动。③随着距叶轮旋转中心线轴距离的增加，液体靠近工作面的相对速度变大，非工作面的速度则减小。④在非工作面和工作面的附近，相对速度趋于相等。

整体来说，各流道流速变化趋势良好，没有出现太大的流动分离现象，这与理论分析结果一致。

3.2非设计工况下离心泵内部流场

为了研究非设计工况下原油调和离心泵内部的流动特性，模拟80 m3/h、460 m3/h、600 m3/h这3种体积流量分布，原油调和离心泵叶轮内相对速度矢量图见图9，不同体积流量下原油调和离心泵的静压分布见图10。

图9 不同体积流量下叶轮内相对速度矢量图

从图9可以看出，①虽然体积流量大小不同，但原油调和离心泵内的相对速度变化规律相同。②当体积流量大于设计体积流量时，漩涡现象消失，相对速度值增大。③在叶轮内部，流体的相对速度沿着径向方向逐渐增加。

从图10可以看出，①虽然体积流量大小不同，但原油调和离心泵内的压力变化分布规律基本相同，没有较大的差异。②蜗壳内流体的静压趋势是在大范围内沿程递增的。③在叶轮内部，流体的静压沿着径向方向逐渐增加。④在相同半径处，工作面的静压值大于非工作面的静压值。这是由于在蜗壳内动能转换成压力能后使得主油泵内的静压值达到了最大，后因沿程出现的水力损失使得静压值略微降低。

图10 不同体积流量下原油调和离心泵静压分布图

4 结语

基于数值模拟技术，研究了设计工况和非设计工况条件下原油调和离心泵内部流动特性，得到了压力分布图、速度矢量图。计算结果表明，在设计工况下，原油调和离心泵内部流动的压力分布以及速度的分布变化较小；在非设计工况下，原油调和离心泵内部流动的压力及速度分布的变化较大。

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(许编)

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OperationPerformanceNumericalSimulationofCentrifugalPumpUsedforPetroleumCrudeMixture

FENGQiu-yue,TANJin-zhu,YAOGuo-jun

(College of Mechanical and Power Engineering, Nanjing Tech. University, Nanjing 211816, China)

During the operation of centrifugal pump, the centrifugal pump to have the situation in which the operating parameters deviate from its design parameters often occurred. Consequently, the centrifugal pump can not work very well. It is significant to study the operation performance of centrifugal pumps. A centrifugal pump used for petroleum crude mixture was selected. Based on numerical simulation technique, the operational performance of the centrifugal pump used for petroleum crude mixture was studied both in the design condition and in the off-design operating condition. The results indicate that the trend of performance curve of the centrifugal pump used for petroleum crude mixture obtained by numerical simulation was similar to that obtained experimentally. The change of both internal flow pressure distribution and velocity distribution for the centrifugal pump is small in the design condition. However, both the internal flow pressure distribution and the velocity distribution of the centrifugal pump used for petroleum crude mixture changed significantly in the off-design conditions.

centrifugal pump; petroleum crude mixture; operation performance; numerical simulation; design conditions; off-design conditions

TQ050.2； TE969

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.006

1000-7466(2017)04-0028-06①

2017-02-26

冯秋月(1991-)，女，河南商丘人，在读研究生，主要从事新能源技术研究。