300 MW机组斜流式循环水泵三维流场计算

第36卷第7期中国电力vo.36,No.72003年7月ELECTRIC POWER4,208“爱电技术300Mw机组斜流式循环水泵三维流场计算梁双印,李兴平2,胡三高1,张志明2,康志忠!,徐鸿(1.华北电力大学(北京),北京10206;2.山东电力科学研究院,山东济南250002)摘要:针对国产300MW机组循环水泵现场运行效率低的间題,对循环水泵进行改进设计。通过改进设计和制造的300MW机组斜流式循环水泵在额定工况下效率可达90%左右。为了解其变工况特性,采用商业软件 FLUENT对其新的叶轮及泵壳型线进行三维流场计算和分析,并对其在不同流量工况的流体状态分布进行模拟,为改进设计以满足变工况要求提供了理论依据。关键词:火电厂;斜流式循环水泵;三维模型中图分类号:TK264.1文献标识码:A文章编号:10049649(2003)07-000504由于电网调峰的需要,300MW及以上机组参度等物性参数变化时流体控制方程;还包括流体能与调峰已成为必然。日前我国300MW机组的设计量守恒的能量方程。主要以带基本负荷考虑,其变工况运行经济性较差因此,提高机组调峰过程变工况运行经济性是当前2叶轮及泵壳几何模型的建立火电厂节能降耗的重要任务之一。鉴于电厂绝大部分辅机如循环水泵在设计时未考虑变速运行,所以借助混流式水泵的一元流动设计方法,首先确机组在变工况下循环水泵的运行工况与实际τ况偏定水泵叶轮和泵壳近似外形尺寸、叶轮进出口的几离较大,使能耗增加。为改善这一状况,对循环水泵何参数,通过三维CAD软件包和 FL UENT的前处理的电机进行了单速变双速的改造,同时对泵的叶轮功能产生计算的初始几何模型,同时进行几何模型和泵壳型线进行了改进设计,使新泵的实际运行性的网格剖分,并将沿流动方向叶轮和泵壳的通流部能得到很大提高,效率达到90%左右。因此,从理论分的坐标尺寸作为计算的目标。该几何模型经上进行流场分析和计算,分析新泵在变工况下的运 FLUENT软件包的流动计算后,将不符合流线和有行特性为进一步改进设计有重要现实意义和工程应回流区附近的尺寸修改后重新进行计算。本计算所用价值使用的软件版本还不能达到完全自动的趋势辩识通流部分的流动计箅在国际通用的大型计算流有时还需人为千预并进行最伟趋势调整。图1示出体力学、燃烧和传热商业软件包 FLUENT-3D上完了叶轮工作面的网格分布。泵壳和叶轮横截中分面成。该软件包和其它同类型商业软件包如 Phoenix的网格划分见图2和Flow3D等相比,采用非结构化单元网格,复杂工程问题的流动边界网格剖分和前后处理吏加简单方便。在理论计算的基础上,对新泵的水力特性和汽蚀性能进行了定量分析,提出了进一步提高该泵流动性能和可靠性的理论建议,为完善其设计和提高运行的经济性提供了理论依据。1理论模型动、燃烧及传热商业软件包 FLUENT-3D计算流体流动主要应用流体动量守恒的运动方程(纳May 0s, 2000FLUENT 50(d segregated, ke)维埃—斯托克斯方程)相应的其它控制方程包括:流体质量守恒的连续性方程:考虑流体密度、粘图1叶轮工作面上的网格分布收稿日期:2002-09-03;修回日期:2003-04-26;作者简介;梁双印(1963-),河北井陉人,副教授,从事发电厂热经济性分析研究。E-mail:liangshuangyin@263.net发电技术2003年第7期中国电力第36卷与收敛速度之间的关系曲线。4计算结果及分析经三维流动计算,得到叶轮及泵壳的几何参数(见图4):出口边=16°的倾斜角。叶轮的出口宽度b与叶轮出口最大直径D2之比b/D2=0.38,叶轮的出口宽度b与叶轮出口最小直径D1之比b/D0.52,叶片包角约为84°。壳体的螺线升角α与安放角B之比为0.5。LUENT 5.0(d, segregated ke)图2横截中分面上的叶轮及泵壳的3D网格分布3计算过程的简化及计算方案鉴于电厂循环水泵及其T质的运行工况处在环图4叶轮及泵壳的几何参数境温度,其物性参数一般变化不大,为简化计算,忽略了温度变化对工质粘度及密度的影响。在流量由于泵壳结构的不对称性,相应的空间平面Z=(定时,假设水流不可压缩、水流充满入口及出口截定义为垂直丁泵轴通过泵壳圆形出口直径的切面。面,即在入口(导流环下侧截面)及出口截面(泵壳图5为n=334r/min(Q=17500t/h,100%流量工原形出1截面)速度场分布均匀。叶轮入口段预旋况)计算得到的流体速度迹线分布。从图中可看出,在及出口段环流与相应部位的叶轮旋转速度相同并采该型线上的流体速度迹线和叶轮及泵壳的型线吻合用动态网格。较好,在设计工况下没有出现严重的回流区域。说明根据300MW机组的变上况运行条件和一元水通过三元流设计及上面所做出的假设符合实际情况。泵设计的近似估算,对以下2种工况下该水泵的流6为n=334r/min(100%流量T况)计算的在场进行了三元流动计算:(1)转速n=334r/min,流量叶片T作面上的压力分和。Q=17500th,100%流量工况;(2)转速n=375rmin图7为n=334rmin(100%流量工况)在z=0截流量Q=20500t/h,100%流量工况面上得到的压力分布。为计算水泵的水力特性,对叶轮转速m=334mmin在转速为334rmin、375r/min时,流动计算确Q=17500t/h及n=375r/min、Q=20500t/h的10%、定了该水泵在不同流量工况下的H-Q变化特性及30%、50%、70%、100%、130%和150%7个不同流量v-Q曲线(见图8、9)。工况分别进行计算,得到泵在334r/min和375r/min表1、2分别示出了在334r/min、375r/min转速转速下的流量一扬程、效率一流量特性曲线。由于上述对流动、几何模型进行了合理地简化,加速了计算过程的收敛速度。图3给出了叠代次数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图3蚕代次数与收敛速度之间的关系曲线图5计算后的速度迹线分布(334rmin)第9卷梁双印等:30M机姐斜流式循环水泵三维流场计算203年第7期爱电技和下(100%流量工况)叶轮所受到的轴向、切向及径向1.%c10s1.73e+05的总合力( LUENT软件计算结果)。47e+0522e+0表1334r/min转速下叶轮所受到的轴向、切向及径向的总合力703c+04.8c+04水压产生的力.79+03名称方向粘性力/合力/325c+04582e+04轴向(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图6叶片工作面上的压力分布(334rmin表2375rmin转速下叶轮所受到的轴向、切向及径向的总合力159e+05名称方向水压产生格性力/合力l.19e+05983c+04轴向(Z方向)-1129762310767-1128697.7%+04工作面X方向265122-19.23下方向81389-9143.72+04轴向(Z方向)14419402160814636非工作面X方向241598-2414354+03下方向2669.30-8.27-2678从上述图表中计算结果可看出,通过三维流动计算所得到的叶轮及泵壳型线能满足循环水泵中水Contours of Static Pressure(pascal)My02000流的流动过程,没有出现大的回流区和扰流现象,FLUENT 5.013D SEGREGATED KE明三维流动计算过程中所作的简化和假设是合理图7z0切面上的压力分布(334rmin的。它不但避免了过去沿用的一元投影分割计算法利保角影射法复杂的设计工作,也可节约大量时间和节省模型试验所带来昂贵的费用。正是由于计算机的发展使该设计方法和技术在我国水泵制造领域开创了一个新的设计手段在334r/min转速下50%流量负荷的速度迹线(见图10)显示:由于水流无法充满整个流道,存在较大的回流Ⅸ和涡流现象,使效率明显↑降。n·Q幽00100150200002503000流量/m3h图8新设计水泵的性能曲线(转速334rmin}03m215n·Q曲Path Lines Colored by Velocity Magnitude(m'a0500101Bo2002500300FLUENT 50(3D SEGREGATED KI流量/m3h图9新设计水泵的性能曲线(转速375rmin)在50%流量时的速度迹线分布(334rmin)发电技术2003年第7期中国电力第36卷最先进的计算机优化辅助自动设计的水平。5现场试验结果对循环水泵重新设计和制造后,将300MW机组循环水泵电机单速改双速,因此,双泵双速可有5经重新设计的循环水泵与旧泵的现场试验数据种运行组合方式,分别满足机组冬、夏和秋(春)季负见表3荷的运行要求,且大大降低了)用电率。表3新、旧泵现场试验数据从流场分布看,流线在流道中没有明显的回流区,说明新设计的斜流式循环水泵不但经济性大大提高,且汽蚀性能也得到了改行方式双泵单泵2台速1台高速1台低速2台低速善。该斜流式循环水泵已有多台安装在山东主机负荷/MW邹县等电厂,节电效果十分显著泵转数/rmin2375/375375334334出口压力/MPa00o01701750175016001600.0150参考文献出口流景/m3h3894820990411403705032500扬程/m20.1520.3520.8518.30[1 Prabhu S Sathyamurthy, Suhas V Patankar. Block-based电机功率AW17171681401404013561035138110202100 multigrid method for fluid flow problems. Nurrerica泉效率/%68.212: Panos Tamamidis, Dennis N Assanis, Three- Dimendional incompre-6结论ssible flow calculations with altermative discretization schemes [J]Numerical Heat Transfcr(Part B). 1993, 24: 57-76.在叶轮及泵壳型线的设计过程中,通过改进的3朱家计算流体力学M北京:科学出版社,1985元流设计方法对300MW循环水粲在不同的通流4 Patankar S V.传热与流动的数值计算M张政译,北京:科学层面进行叶型设计,比现行常规一元流设计在叶型出版社,1984上有较大的改进。在今后的设计过程中,应使用最5】关醒凡泵的理论与没计M].北京机械工W出版社,1987新版本的 FLUENT软件,并通过元流的估算对型线的目标变量变化趋势进行限定,真正达到国际上(責任编辑子禾)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国内科技信总电厂一,三期建设4台600MW火电机组,同时推动青山热电厂“油改煤”建设项目、沙市热电厂燃机建设项日、通山县九宫山和利川市的风电项目开发,并全力支▲国电华电在鄂圈地建厂湖北用电持续5个月持在建的清江水布垭和江坪河水电站工程。中国华电集保持13%以上的大幅增长势头,中国国电集团、中国华闭公司与湖北省政府签订了“战略合作协议”,在湖北电集团不到1个月时间内,相继宦布在鄂大规模建电省襄樊、孝感、荆州市等地各建GW级的火电厂,且每厂。中国国电集闭与湖北省政府签约开发电源项目年将投入30亿元在湖北省建电厂,15年后装机容量将括:荆门热电厂三期扩建2台600MW火电机组;鄂州占余省1/3