石油化工用屏蔽泵穩態流場計算分析

王 瀾

(中國石油大慶石化分公司煉油廠，黑龍江大慶 163711)

0 引言

伴隨著社會發展與生產需要，石油化工領域的不斷發展，進一步加強了其在能源領域的主導地位。石化屏蔽泵作為石油生產裝置中原動力流體機械的一種，因其無泄漏、可靠性強、低噪音等特點，在石化領域得到廣泛應用。而通過對泵進行穩態流場分析一直是屏蔽泵水力模型優化、縮減水力設計成本的有效措施。以100-100-200型石油化工用屏蔽電泵為例，建立流體仿真模型，進行泵穩態流場定常數值模擬計算，對模型前處理流程以及網格控制進行了論述，同時仿真結果進行了分析，對石油化工屏蔽泵水力優化及穩態流場定常仿真計算方面，具有一定的借鑒意義[1～2]。

1 石油化工用屏蔽泵結構概述

本文例子為100-100-200型石油化工用屏蔽電泵，如圖1所示。電泵由泵與屏蔽電機兩部分組成，電泵的兩處密封泵體與屏蔽電機密封和屏蔽電機與端蓋密封均為靜密封，提高了密封可靠性，實現了石油工作介質的無泄漏運輸。在葉輪的作用下，石化介質由泵進口進入，經葉輪做功、泵體(壓水室)，將動能轉化為壓力勢能，高壓石化介質從泵出口流出，進而實現石化介質在管路中的運輸與工作。同時部分石油化工介質通過外部循環管依次流經后導軸承、后推力盤、屏蔽電機定子與屏蔽電機轉子之間間隙、前推力盤、前導軸承，參與屏蔽電機的冷卻與軸承潤滑。電機通過定、轉子屏蔽套分別焊接與定子與轉子鐵心上，保證石化介質與定、轉子鐵心隔離。

圖1 石油化工用屏蔽泵基本結構

屏蔽電泵電機為三相異步電動機功率45kW，石化屏蔽泵前期技術協議中選型參數包括流量、揚程、轉速、軸功率、效率見表1。

表1 石油化工泵用屏蔽泵選型參數

2 模型建立與CFD前處理

2.1 基于Creo流域模型建立

Creo為PTC公司推出2010年在Pro/E三維建模軟件的基礎上推出的一款曲面功能強大、參數化設計建模軟件，廣泛應用于通用機械、模具加工、玩具制造、電子設計等領域。

本文穩態流場計算域主要包括三大部分：蝸殼石化介質流體流域、葉輪石化介質流體流域、泵進、出口延長端石化介質流體流域。殼流域建模直接運用Creo混合掃描、曲面功能完成。

由于葉輪為扭曲葉片，首先在Creo零件建模中采用旋轉子午面形成線、曲面混合等操作完成葉片建模，然后在裝配體環境下，進行布爾操作最終得到葉輪水域模型，見圖2。利用Pro/E根據實際尺寸建立的電機內風扇模型。

圖2穩態流場計算域石化介質流體模型

2.2 石油化工用屏蔽泵穩態流場前處理

石油化工用屏蔽泵穩態流場分析前處理主要包括流體模型網格劃分、CFD邊界條件設置、流體域設置、動靜耦合面設置。

本文流域模型采用icem cfd進行網格劃分，流域劃分方式為裝配體形式，流體域裝配模型見圖3，在Creo中以x_t格式輸出，導進入icem后，對裝配模型進行拓撲，拓撲因子選擇為0.5。拓撲完成后，對模型進行修補，刪除影響網格劃分點與線，為提高求解器設置工作效率，在icem中完成石油化工屏蔽泵流體模型BODY、ilet、outlet、動、靜wall設置。

圖3 石油化工用屏蔽泵石化介質流體裝配模型

綜合考慮網格劃分經驗與流體模型結構尺寸，全局網格最大單元尺寸設置為6mm，對葉片、前、后蓋板進行面網格加密，網格最大單元尺寸為4mm，對蝸殼隔舌與葉片圓角出進行局部面網格加密，網格最大單元尺寸為2mm。石油化工工作介質流體裝配網格劃分見圖4，nodes總數747843，elemets總數4295892。

圖4 石油化工工作介質流體裝配網格

為確保CFD計算精度，對網格質量進行檢查、調整、光順。考核流體網格質量一般包括兩個因素即Min angle與Quality，對于非結構網格來說，單元最小內角最低于要求大于9°[3]，一般要求大于18°，Quality光順指標一般要求0.2，優秀網格質量為0.3以上，本文流體網格經調整、光順最后達到Quality最小0.3以上，Min angle1最小單元內角16°以上，完全可以流體計算需要，網格光順、調整結果見圖5、圖6、圖7。

圖5 光順前單元Quality質量分布

圖6 光順后單元Quality質量分布

圖7 調整后單元最小內角Min angle分布

3 石油化工用屏蔽泵穩態流場求解及計算結果分析

3.1 CFX求解器設置

應用CFX求解器，icem cfd導出cfx格式網格進行求解，求解計算設置如下：設置outlet出口邊界條件為55.55kg/s(設計的體積流量除以3.6)，入口邊界條件為1atm，即壓力入口與速度出口配對，設置電泵轉速為2950rpm，兩處為動、靜壁面設置為360°圓周耦合數據交換。計算迭代(RMS)設置值均為1×10-5，迭代布數設置為1000。

3.2 結果分析

計算結果見圖8、圖9、圖10、圖11、圖12。石油化工屏蔽泵在選型設計流量工況下定常模擬數值結果,從圖8可以看出葉輪石化介質流體流域,靜壓從inlet與葉輪進口交接處(劑輪轂外延)向外徑方向逐漸增加,葉輪外徑處靜壓最大，為3atm左右。壓強最大,即從葉片的進口到出口壓力增大,壓力梯度分布均勾,符合離心泵作用的原理,這一點也可以從圖4.5可以驗證,葉輪速度同樣由葉片進口到出口(輪緣處)逐漸增大。從靜壓分布可以看出壓力梯度的分布合理，葉片工作面為高壓區靜壓范圍1.25～3atm，葉片背面為低壓區靜壓范圍-1.4～2.5atm,已上靜壓分布與葉輪實際工作情況吻合。

圖8 葉輪石化介質流體流域穩態流場靜壓分布

從圖9、圖10可以看出,石油工作介質從由葉輪告訴旋轉形成的負壓區(inlet延長段與葉輪輪轂外延耦合處)沿葉片速度逐漸增大(絕度速度從0m/s最大增至23m/s左右)與同時壓力也逐步升高，從過程動能與壓力勢能儲蓄過程，但勢能占比較小，從流域高壓分布點在整個葉輪流域分布面積可以看出，靜壓能高點的分布比例極小，在經蝸殼(壓水室)后可以看出靜壓高點分布面積有了明顯升高，可以滿足石油介質的運輸，相反速度開始下降，此過程為動能轉化為壓力勢能的過程。圖11流場流線運動的軌跡圖，可以很明顯的看出整個三維流場的速度分布，以及石化工作介質的運動軌跡。同時利用CFX Expression功能對提取計算后結果中inlet與outlet面的massflowAve Total Pressure平均總壓值的差值，最終得出仿真揚程為31.9m，仿真揚程偏差值小于3%,進一步驗證了穩態流場計算準確性。

圖9 石油化工屏蔽泵整體流場靜壓分布

圖10 石油化工屏蔽泵整體速度流場分布

圖11 石油化工屏蔽泵整體速度流線運動軌跡圖及揚程結果

4 結語

本文以石油化工用屏蔽泵(水力型號100-100-200)為例，首先介紹了CFD前處理流程及網格控制標準與要求，然后應用ANSYS CFX求解器對屏蔽泵穩態流場進行了分析計算，得出了葉輪流域、葉片、水力裝配流場的靜壓分布、速度分布、絕對速度場流線運動軌跡圖、仿真揚程結果，速度分布規律與石油化工泵實際工作情況吻合，揚程與選型設計揚程誤差不超過3%，證明仿真結果可靠，對石油化工用屏蔽泵水力設計優化、降低水力模型試驗成以及穩態流場仿真等方面具有寶貴的借鑒意義。