原油調和離心泵運行特性數值模擬

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(南京工業大學 機械與動力工程學院， 江蘇 南京 211816)

原油調和離心泵運行特性數值模擬

馮秋月，談金祝，姚國軍

(南京工業大學 機械與動力工程學院， 江蘇 南京 211816)

在離心泵運行過程中經常遇到操作工況偏離設計工況，導致離心泵工作異常的情況，研究離心泵的運行特性至關重要。以1臺原油調和離心泵為研究對象，采用數值模擬技術研究該原油調和離心泵在設計工況和非設計工況條件下的運行特性。結果表明，采用數值模擬方法預測得到的原油調和離心泵的性能曲線與實際性能曲線變化趨勢是一致的。在設計工況下，原油調和離心泵內部流動的壓力分布和速度分布變化較小；在非設計工況下，原油調和離心泵內部流動的壓力分布和速度分布變化較大。

離心泵； 原油調和； 運行特性； 數值模擬； 設計工況； 非設計工況

泵作為流體輸送中最重要的機械之一，在國民經濟中占有重要的地位。離心泵廣泛應用于石油化工領域，在石化行業當中的耗電量占企業電能消耗的30%～50%，其性能的好壞直接影響到石化行業的可持續發展。當離心泵輸送介質的密度、黏度與水的物性參數不同時，其性能曲線將隨著介質的不同而產生變化，工況點也會隨著介質的不同發生偏移。在實際生產過程中，離心泵的工作點不在高效區，運行效率往往很低，造成過大的節流損失和能源的浪費[1，2]。

離心泵的整機效率只有50%～60%，國內離心泵的運行效率平均比國外低10%～30%[3-5]。原油調和離心泵對于原料的參數是有控制要求的，而來自世界不同地區不同種原油的硫含量、酸值、實沸點、密度以及黏度等物性參數差異很大，當各種類型原油交替加工時，原油調和離心泵的工況點會發生變化。

隨著計算機技術的不斷發展和計算流體力學(CFD)研究領域的日趨成熟，利用CFD數值模擬軟件對離心泵內部流場進行分析和性能預測，已經成為泵科研工作者廣泛使用的技術手段之一。近年來國內外一些學者利用CFD數值模擬對離心泵內部流場進行了分析[6-9]。張愛霞對不同轉速的低比轉數離心泵的葉輪進行了切割試驗，結果表明，轉速越低其理論值與實際值相差越大[10]。談高明等人利用數值模擬軟件Fluent對6臺離心泵在不同葉輪外徑下的內部流場進行了葉輪和蝸殼的耦合數值模擬，根據數值模擬的結果對每臺泵葉輪外徑切割后的性能進行了預測，并分析了葉輪外徑變化對泵內部流場的影響[11]。牟介剛等利用CFD數值模擬和試驗的方法對離心泵葉片出口邊三角切割方法進行了研究，模擬和試驗得出的泵外特性曲線變化一致[12]。Furukawa等人通過采用奇點計算法研究離心泵的切割性能，并將葉片切割后的性能通過計算后與實驗結果進行對比分析，結果表明計算結果和實驗結果吻合[13]。Mario等人研究了葉輪切割對離心泵效率的影響， 分析得到隨著葉輪直徑的減小，效率顯著下降[14]。從以上分析可知，上述離心泵的研究主要集中于傳統研究，并且大都用于水泵研究，有關采用數值模擬技術對原油調和離心泵的研究報道較少。

文中以某石化公司一臺原油調和離心泵為研究對象，采用理論分析數值模擬的方法，研究原油調和離心泵在設計工況和非設計工況下的內部流場及壓力分布。

1 原油調和離心泵數值模擬數學模型

原油調和離心泵的數值計算模型采用的控制方程包括連續性方程、動量守恒方程以及能量守恒方程[15]。連續性方程又稱為質量守恒方程，按照質量守恒定律，單位時間內流入控制體的質量等于控制體內質量的增加。動量守恒方程又稱為運動方程，按照動量守恒定律，單位時間內流入控制體的動量與作用于控制面以及控制體上外力之和等于單位時間內控制體內動量的增加。按照能量守恒定律，單位時間內流入控制體的能量、外部傳入的熱量以及外力所作功的總和等于單位時間內控制體內能量的增加。

當對離心泵內進行定常流動分析時，假設流體不可壓縮，熱交換量忽略不計，不用考慮能量守恒方程。當進行非定常流動分析時，流體的密度和動力黏度需根據溫度和壓力計算得到，能量方程控制流場的溫度。因此，非定常流動的控制方程必須由連續性方程、動量方程和能量方程3個方程組成，其中包含壓力、速度和溫度3個變量。

2 原油調和離心泵計算模型

2.1參數

此離心泵為雙吸式泵，輸送介質為工業調和原油，密度900 kg/m3，動力黏度0.18 Pa·s，體積流量454 m3/h，揚程128 m，效率69%，軸功率為252 kW，泵的額定轉速2 950 r/min。

原油調和離心泵有7個葉片，葉片包角為135°，葉輪進、出口直徑分別為180 mm、340 mm，葉輪進、出口寬度分別為40 mm、30 mm，葉輪的主要尺寸見圖1。

圖1 葉輪尺寸圖

2.2建立幾何模型

根據離心泵的水利模型，采用Solidworks對原油調和離心泵的葉輪和蝸殼進行實體建模，其流道主要由進口流道、葉輪區域流道和蝸殼3部分組成。

葉輪由葉片和前、后蓋板組成，對其分別建模，通過定位點進行重合就形成了一個葉輪。

葉輪由7個葉片組成，在做出單側流道葉片后需要通過對稱方法做出另一側的實際葉片，兩側對稱葉片在后蓋板部位還需要連接在一起。

前、后蓋板以葉輪軸的中心線為中心，以蓋板輪廓線做截面旋轉360°得到。流道則是通過前后蓋板的旋轉輪廓線生成的實體與葉片的布爾運算得到的。蝸殼是通過放樣命令連接幾個典型的斷面得到的，建立的離心泵內液體三維模型見圖2。

圖2 離心泵內流道模型

2.3網格劃分

離心泵葉片幾何形狀復雜，流動區域大多為不規則區域。因此，采用適用性強、對復雜邊界模型特別有效的非結構化網格。將幾何模型分為液體進口部分、葉輪部分和蝸殼部分，各部分之間采用連續拼接網格技術。采用ANSYS workbench14.0中Mesh模塊進行網格劃分，在葉輪流道邊界層設置Inflation命令處理邊界層網格，見圖3。

圖3 葉輪流道邊界層

一般情況下，認為合格網格的等角斜率和等尺寸斜率應不超過0.85的質量要求。經過檢查，此模型網格的等角斜率和等尺寸斜率均不超過0.80，網格質量比較好[16]，其網格示意圖見圖4。

圖4 離心泵非結構化網格

2.4設置邊界條件

本文假設離心泵流體為不可壓縮流體，且不考慮工作過程中密度、黏度的變化和重力的影響。

(1)采用速度進口邊界條件，假定進口速度在軸向均勻分布，具體數值由流量與進口面積比值給定。

(2)采用質量出口邊界條件。質量出口邊界條件不需要給定出口條件，此類出口條件是通過Fluent內部計算得到的。

(3)采用無滑移的壁面邊界條件，其中前、后蓋板和各葉片均設置為移動的壁面，移動的方向和速度與葉輪旋轉的方向和速度一致，而其余都默認設置成靜止壁面，速度為0。

(4)交界面模型采用多參考坐標系模型，將定子與轉子之間交界面類型由wall轉變為interior，交界面類型wall-shadow自動轉變為interior類型，轉變后的交界面兩側為流體單元，不需要進行其他邊界條件的設置。

3 原油調和離心泵數值模擬結果及分析

3.1設計工況下離心泵內部流場

設計工況下葉片靜壓分布圖見圖5，泵內靜壓分布圖見圖6，葉輪內的動壓分布圖見圖7，葉輪內相對速度矢量圖見圖8。

圖5 設計工況下葉片靜壓分布圖

圖6 設計工況下泵內靜壓分布圖 圖7 設計工況下葉輪內動壓分布圖 圖8 設計工況下葉輪內相對速度矢量圖

從圖5中得知，葉輪的壓力最大值在葉片壓力面的出口處，葉輪進口處葉片的非工作面上壓力最小。在距離葉輪中心相同距離處，葉片工作面壓力大于葉片非工作面壓力。但是在葉輪的出口處，工作面的壓力值約等于非工作面的壓力值，這與葉片的工作原理一致。從總體上看，離心泵內部的流場是非軸對稱性分布的。

由圖6、圖7可知，①在離心泵葉輪的進口處有顯著的低壓區，這是因為液流繞葉片的頭部時流體加速轉彎流速加快，導致在葉片背面進口處形成葉輪內的低壓區，此處很容易形成氣蝕，與原油調和離心泵實際運行時易發生氣蝕的位置較吻合。②葉輪各流道內壓力最低點出現在葉片進口處的非工作面上，最高點出現在出口處的壓力面上，葉片工作面上的壓力和非工作面上的壓力從進口到出口逐漸增加，并且非工作面的壓力小于工作面的壓力。③靜壓和動壓沿周向非對稱分布，靠近蝸殼出口的流道

內的壓力與其他流道內壓力分布不同，蝸殼內壓力變化不大，只是蝸舌附近存在較大的壓力梯度，導致蝸舌處壓力升高。

由圖8可知，①葉輪在進口處的流動比較均勻，進口流速較低，流速從葉輪進口到出口逐漸增大。②流體在葉輪進口處主要沿非工作面流動。③隨著距葉輪旋轉中心線軸距離的增加，液體靠近工作面的相對速度變大，非工作面的速度則減小。④在非工作面和工作面的附近，相對速度趨于相等。

整體來說，各流道流速變化趨勢良好，沒有出現太大的流動分離現象，這與理論分析結果一致。

3.2非設計工況下離心泵內部流場

為了研究非設計工況下原油調和離心泵內部的流動特性，模擬80 m3/h、460 m3/h、600 m3/h這3種體積流量分布，原油調和離心泵葉輪內相對速度矢量圖見圖9，不同體積流量下原油調和離心泵的靜壓分布見圖10。

圖9 不同體積流量下葉輪內相對速度矢量圖

從圖9可以看出，①雖然體積流量大小不同，但原油調和離心泵內的相對速度變化規律相同。②當體積流量大于設計體積流量時，漩渦現象消失，相對速度值增大。③在葉輪內部，流體的相對速度沿著徑向方向逐漸增加。

從圖10可以看出，①雖然體積流量大小不同，但原油調和離心泵內的壓力變化分布規律基本相同，沒有較大的差異。②蝸殼內流體的靜壓趨勢是在大范圍內沿程遞增的。③在葉輪內部，流體的靜壓沿著徑向方向逐漸增加。④在相同半徑處，工作面的靜壓值大于非工作面的靜壓值。這是由于在蝸殼內動能轉換成壓力能后使得主油泵內的靜壓值達到了最大，后因沿程出現的水力損失使得靜壓值略微降低。

圖10 不同體積流量下原油調和離心泵靜壓分布圖

4 結語

基于數值模擬技術，研究了設計工況和非設計工況條件下原油調和離心泵內部流動特性，得到了壓力分布圖、速度矢量圖。計算結果表明，在設計工況下，原油調和離心泵內部流動的壓力分布以及速度的分布變化較小；在非設計工況下，原油調和離心泵內部流動的壓力及速度分布的變化較大。

[1] 伍年青, 蓋學輝，于景龍. 不同工況條件下離心泵調速運行的節能分析[J]. 石油機械，2000(7): 40-43.

(WU Nian-qing，GAI Xue-hui，YU Jing-long.Energy Saving of Centrifugal Pump by Speed Control[J].China Petroleum Machinery，2000(7): 40-43.)

[2] 王宇，龍秉文，黃海，等. 離心泵的流量調節與節能控制[J]. 北京化工大學學報(自然科學版)，2007，34(3): 12-15.

(WANG Yu，LONG Bing-wen，HUANG Hai，et al. Flow Control of a Centrifugal Pump and Its Energy-saving Operation Control[J].Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Science Edition)，2007，34(3):12-15.)

[3] 袁周，黃志堅.工業泵常見故障及維修技巧[M].北京：化學工業出版社, 2008.

(YUAN Zhou，HUANG Zhi-jian. Common Failures and Repair Techniques of Industrial Pumps[M].Beijing:Chemical Industry Press，2008.)

[4] 錢錫俊，陳弘.泵和壓縮機[M].東營：石油大學出版社, 2007.

(QIAN Xi-jun,CHEN Hong.Pumps and Compressors[M].Dongying:Petroleum University Press，2007.)

[5] 宦月慶.泵系統的經濟運行評價及節能增效技術研究[D].南京：南京工業大學, 2010.)

(HUAN Yue-qing.Economic Operation Evaluation of Pump System and Research on Energy Saving and Efficiency Enhancement Technology[D].Nanjing：Nanjing TECH University，2010.)

[6] 宇曉明，邵春雷，顧伯勤. 葉輪切割方式對IS 100-65-200型離心泵性能的影響[J].南京工業大學學報(自然科學版)， 2013(1): 109-113.

(YU Xiao-ming，SHAO Chun-lei，GU Bo-qin.Effects of Impeller Cutting Ways on Performances of IS 100-65-200 Type Centrifugal Pump[J].Journal of Nanjing University of Technology(Natural Science Edition)，2013(1): 109-113.)

[7] 宇曉明，顧伯勤，邵春雷. 葉輪切割形式對中比轉數離心泵性能的影響[J]. 農業工程學報， 2012(21): 29-36.

(YU Xiao-ming, GU Bo-qin , SHAO Chun-lei.Effects of Impeller Cutting Method on Performance of Middle Specific Centrifugal Pump[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2012(21): 29-36.)

[8] 趙偉國,孫建平.基于CFD的離心葉輪切割研究[C]//中國農業機械學會2006年學術年會論文集(上冊).鎮江:中國農業機械學會,2006:98-101.

(ZHAO Wei-guo，SUN Jian-ping. Study on Centrifugal Impeller Trim Based on CFD[C]//The Annual Conference Proceedings of China Agricultural Machinery Association in 2006(Part I).Zhenjiang:China Agricultural Machinery Association，2006：98-101.)

[9] Barrio R, Blanco E, Parrondo J, et al. The Effect of Impeller Cutback on the Fluid-dynamic Pulsations and Load at the Blade-passing Frequency in a Centrifugal Pump[J]. Journal of Fluids Engineering,2008,130(11): 1-11.

[10] 張愛霞.低比速離心泵葉輪切割實踐[J].水泵技術,2004(5)：37-38.

(ZHANG Ai-xia.Practice of Low Specific Speed Centrifugal Pump Impeller Cutting[J].Pump Technology，2004(5)：37-38.)

[11] 談明高,劉厚林,王勇，等.葉輪外徑對離心泵內流影響的CFD分析[J].排灌機械, 2009，27(5)：48-52.

(TAN Ming-gao，LIU Hou-lin，WANG Yong，et al.CFD Analysis on Effects of Impeller Outlet Diameter on Flow Field in Centrifugal Pump[J].Drainage and Irrigation Machinery，2009，27(5)：48-52.)

[12] 牟介剛,李思,鄭水華，等.離心泵葉輪出口蓋板形狀對水力性能的影響[J].排灌機械, 2009,27(5): 57-60.

(MOU Jie-gang，LI Si，ZHENG Shui-hua，et al.Relationship Between Hydraulic Performance of Centrifugal Pump and Shape of Impeller Shroud[J].Drainage and Irrigation Machinery，2009，27(5): 57-60.)

[13] Furukawa A， Cheng C C，Takamatsu Y. Studies on Change in the Performance with Cutting Down the Blade Outlet-edge of a Centrifugal Pump Impeller[J]. Memoirs of the Faculty of Engineering，1988，48(4): 241-252.

[15] 顧伯勤.流體力學[M].北京：中國科學文化出版社，2002.

(GU Bo-qin. Fluid Mechanics[M].Beijing：China Science and Culture Press，2002.)

[16] 邵國輝，賴喜德，唐立新.扭曲葉片雙吸離心泵內部流場的三維數值模擬[J].水利發電, 2007,33(6),49-52.

(SHAO Guo-hui，LAI Xi-de，TANG Li-xin.3D Numerical Simulation of Inside Flow in the Double-suction Centrifugal Pump with Twisted-blade[J].Water Power，2007，33(6)：49-52.)

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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

馮秋月(1991-)，女，河南商丘人，在讀研究生，主要從事新能源技術研究。