解海龍，李海強(qiáng)，劉 袖，房子俊

(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林吉林132012)

吉林省某電廠由于以熱定電的負(fù)荷特點(diǎn)，使機(jī)組經(jīng)常在偏離額定工況較多的情況下運(yùn)行，并且采暖期負(fù)荷調(diào)節(jié)頻繁。由于給水泵的揚(yáng)程(7.99 MPa)遠(yuǎn)大于汽包的壓力(5.83 MPa)，原調(diào)節(jié)方式為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥節(jié)流調(diào)節(jié)。

針對(duì)這種情況該廠母管制給水系統(tǒng)進(jìn)行了變頻改造，采取變頻調(diào)節(jié)方式。該廠共4臺(tái)DG85-80×10多級(jí)離心給水泵(其中一臺(tái)備用)，1-3號(hào)給水泵工頻運(yùn)行，4號(hào)給水泵變頻運(yùn)行。進(jìn)行變頻改造后節(jié)能效果明顯，但是運(yùn)行一段時(shí)間之后發(fā)現(xiàn)變頻泵運(yùn)行時(shí)有振動(dòng)現(xiàn)象并伴有較大噪音。初步判斷泵發(fā)生了汽蝕，檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)變頻泵葉輪及導(dǎo)葉損壞嚴(yán)重，確實(shí)發(fā)生了汽蝕。針對(duì)上述情況本文采用CFD軟件Fluent對(duì)泵內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行研究。采用變頻調(diào)節(jié)時(shí)，節(jié)流閥開(kāi)度隨頻率的降低逐漸增大，母管壓力逐漸降低，工頻泵的流量將逐步增加，母管總流量保持不變，變頻泵的轉(zhuǎn)速、流量和揚(yáng)程隨頻率減小都將下降;當(dāng)頻率降低到一定程度，變頻泵的揚(yáng)程小于工頻泵時(shí)，變頻泵的流量將會(huì)降為零。而此過(guò)程中當(dāng)水泵流量小于最小允許流量時(shí)，葉輪仍以交高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，這種情況下水泵極易發(fā)生汽蝕。汽蝕會(huì)使水泵的各項(xiàng)參數(shù)下降，能耗增加，更嚴(yán)重的是會(huì)損壞水泵，見(jiàn)圖1。

圖1 葉輪汽蝕破壞

1 模型的建立

1.1 水泵參數(shù):

葉片數(shù)為6片，徑向式導(dǎo)葉，實(shí)際運(yùn)行時(shí)的流量75 t/h，進(jìn)口水溫104℃，必須汽蝕余量NPSHr=4.5 m。

1.2 建立模型

以該熱電廠母管制運(yùn)行的鍋爐給水泵的變頻泵為研究對(duì)象，根據(jù)水泵的幾何參數(shù)，應(yīng)用Solidworks三維繪圖軟件進(jìn)行建模，見(jiàn)圖2剖面圖。

選取給水泵的首級(jí)為研究對(duì)象，將實(shí)體模型另存為.stp格式導(dǎo)入Fluent前處理器Gambit對(duì)模型進(jìn)行處理，為減少邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)水泵的首級(jí)的進(jìn)出口計(jì)算區(qū)域進(jìn)行了延伸［1］，采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，合計(jì)網(wǎng)格數(shù)量2 189 579，見(jiàn)圖2。

1.3 控制方程及算法

本文用Mixture汽蝕模型，應(yīng)用壓力基求解，所用求解器的基本方程是三維不可壓縮N-S方程，湍流模型采用RNG型k-ε模型。壓強(qiáng)-速度關(guān)聯(lián)算法選擇SIMPLEC格式，由于模型較為復(fù)雜，適當(dāng)?shù)臏p小亞松弛因子以確保曲線收斂。離心泵中的流動(dòng)，可認(rèn)為是絕熱過(guò)程，不考慮能量守恒方程，只求解質(zhì)量方程和動(dòng)量方程即可［2］。

圖2 水泵模型剖面圖

1.4 滑移網(wǎng)格技術(shù)和邊界條件設(shè)置

使用滑移網(wǎng)格模型(Sliding mesh)求解給水泵的汽蝕問(wèn)題。水泵入口采用速度入口邊界條件，出口為壓力邊界條件，湍流參數(shù)的指定方式采用湍流動(dòng)能和湍流耗散率。由水泵的相似定律確定不同頻率下的水泵的轉(zhuǎn)速，通過(guò)改變進(jìn)口速度大小以及葉輪的轉(zhuǎn)速大小來(lái)模擬給水泵在不同工況下的流場(chǎng)分布。當(dāng)流量為0時(shí)，將入口流速設(shè)置為0。

1.5 并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)

圖4中，曲線M/N為各水泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的特性曲線，曲線M+N為兩臺(tái)泵都在工頻下并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的特性曲線。R為管路特性曲線，虛線n1、n2、n3分別是變頻泵在不同轉(zhuǎn)速下的特性曲線。n3為變頻泵的最小允許轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的性能曲線，如果頻率繼續(xù)降低，轉(zhuǎn)速繼續(xù)減小，變頻泵的出口壓力就會(huì)小于母管壓力，無(wú)法向外輸出流量，假設(shè)為曲線n4。此時(shí)兩泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的性能曲線就相當(dāng)于單臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)的曲線，即n0曲線。變頻泵只消耗功率沒(méi)有流量輸出，其效率降到最低，在此狀態(tài)下運(yùn)行水泵極易發(fā)生汽蝕。實(shí)線n1、n2、n3分別是變頻泵在不同的轉(zhuǎn)速下與工頻泵并聯(lián)時(shí)的特性曲線。

圖3 流場(chǎng)模型及網(wǎng)格劃分

圖4 變頻調(diào)節(jié)并聯(lián)運(yùn)行特性曲線

額定工況下兩臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)工作點(diǎn)C的流量是QC，兩臺(tái)水泵的工況點(diǎn)都為D，流量為QD，轉(zhuǎn)速為n0。負(fù)荷較小時(shí)工頻泵單獨(dú)運(yùn)行，其工況點(diǎn)為A;隨著負(fù)荷增加，單臺(tái)水泵的輸出已經(jīng)不能滿足鍋爐需求，此時(shí)變頻泵和工頻泵并聯(lián)運(yùn)行，工頻泵正常工作，變頻泵轉(zhuǎn)速隨頻率在可調(diào)節(jié)范圍依次由n1、n2、n3進(jìn)行調(diào)節(jié)，則并聯(lián)工況點(diǎn)依次為1、2、3，總流量依次減小。此時(shí)，變頻泵的工況點(diǎn)依次為4、5、6，其流量依次減小，工頻泵的工況點(diǎn)依次為9、8、7，由于母管閥門(mén)不斷打開(kāi)，母管壓力有序降低，造成工頻泵流量依次增加。

變頻泵工況點(diǎn)分別為D、4、5、6，因此需要考慮各工況運(yùn)行時(shí)，給水泵的穩(wěn)定性和效率;工頻泵工況點(diǎn)分別為D、7、8、9、A，同時(shí)也要監(jiān)測(cè)電機(jī)是否過(guò)載。采用“一變多定”的調(diào)節(jié)方式時(shí)，更要嚴(yán)格控制變頻泵的調(diào)速范圍［3］。當(dāng)調(diào)速范圍過(guò)大頻率過(guò)低時(shí)，母管閥門(mén)開(kāi)度增大，母管壓力降低，致使工頻泵流量過(guò)大，則變頻泵流量則會(huì)相應(yīng)的減少，水泵在小流量高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，容易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，這也是本文重點(diǎn)討論的方面。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

冬季負(fù)荷較高時(shí)，負(fù)荷變化時(shí)，變頻泵通過(guò)變頻調(diào)節(jié)來(lái)滿足鍋爐需要，水泵在47 Hz以上頻率時(shí)根據(jù)相似定律可知水泵出口壓力均大于母管壓力，可以向母管輸出流量。給水泵在47 Hz運(yùn)行時(shí)的葉輪壓力分布和速度分布，如圖5所示。

圖5 葉輪壓力和速度分布

水泵流場(chǎng)內(nèi)部壓力全部在汽化壓力以上，不會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象，在47 Hz以上頻率下給水泵可以安全運(yùn)行，不會(huì)發(fā)生汽蝕。

根據(jù)相似定律:

式中:D為幾何尺寸;n為轉(zhuǎn)速;η為流動(dòng)效率。

水泵揚(yáng)程之比與水泵幾何尺寸比的平方成正比，與轉(zhuǎn)速比的平方成正比，與流動(dòng)效率的一次方成正比［4］。因此，變頻泵在不同頻率運(yùn)行時(shí)其揚(yáng)程只與轉(zhuǎn)速有關(guān)。當(dāng)變頻的轉(zhuǎn)速隨頻率而下降時(shí)，揚(yáng)程降低，同時(shí)母管調(diào)節(jié)閥逐漸打開(kāi)，導(dǎo)致母管壓力降低，工頻泵流量增加，由于鍋爐負(fù)荷不變，變頻泵則減小相應(yīng)的流量。當(dāng)流量降低到水泵的最小允許流量，這時(shí)水泵運(yùn)行極易發(fā)生汽蝕。當(dāng)頻率下降到某一值時(shí)變頻泵的揚(yáng)程小于母管壓力時(shí)便不再有流量輸出，此時(shí)水泵只消耗功率而不輸出流量。

非采暖期，當(dāng)頻率為46.1 Hz時(shí)，揚(yáng)程為6.82 MPa，母管壓力為6.83 MPa，此時(shí)變頻泵的揚(yáng)程已經(jīng)小于母管壓力，將不再輸出流量。若再增加閥門(mén)開(kāi)度，汽包水位已有明顯下降趨勢(shì)。其實(shí)，當(dāng)水泵的流量減小到一定程度時(shí)，水泵的流道內(nèi)的局部壓力已經(jīng)降低到汽化壓力以下，便發(fā)生汽蝕。

當(dāng)頻率變化時(shí)變頻泵的流量為5t/h的壓力分布圖形，見(jiàn)圖6。從圖中可以看到，在小流量運(yùn)行時(shí)，水的壓力在葉輪進(jìn)口處最低，在葉輪出口處達(dá)到最大，并且葉輪的工作面的壓力大于背面。水泵在這種工況下運(yùn)行，局部的壓力已經(jīng)低于了水的汽化壓力，水泵已經(jīng)發(fā)生了汽蝕［5-12］。

除了葉輪進(jìn)口處，在葉輪出口處也有一部分低壓區(qū)，該處的壓力同樣也低于了水的氣化壓力，此處也發(fā)生了汽蝕。工質(zhì)的壓力在葉輪出口處的值應(yīng)該是達(dá)到最高，但是此處卻出現(xiàn)了低壓區(qū)，這正是由于工質(zhì)從葉輪流出后，流向?qū)~進(jìn)口的過(guò)程中，水的流線和導(dǎo)葉進(jìn)口的葉片形狀存在一定的角度偏差。水從葉輪流出后進(jìn)入導(dǎo)葉時(shí)，產(chǎn)生了二次流，從而在葉輪出口和導(dǎo)葉進(jìn)口處的形成了一個(gè)漩渦，見(jiàn)圖7。

圖6 汽蝕時(shí)壓力分布

圖7 流道內(nèi)速度分布

由于此漩渦的存在，使局部壓力降低，當(dāng)汽泡產(chǎn)生后，周圍的壓力遠(yuǎn)高于當(dāng)時(shí)水溫的汽化壓力，因而汽泡迅速潰滅［13-16］。也正因?yàn)樵诖颂幤萆珊蜐绲倪^(guò)程反復(fù)進(jìn)行，使葉輪和導(dǎo)葉間的間隙不斷有水流反復(fù)高速流動(dòng)，在此過(guò)程中有形成了間隙汽蝕，這是造成葉輪外表面損壞嚴(yán)重的原因。

4 結(jié) 論

(1)變頻泵和工頻泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，試驗(yàn)證明可以有效減少能源浪費(fèi)，一臺(tái)泵不能滿足需求時(shí)，兩臺(tái)泵又有富余量，采用該調(diào)節(jié)方式可獲得較好的節(jié)能效果。

(2)要根據(jù)機(jī)組不同負(fù)荷確定最佳的頻率，調(diào)節(jié)范圍過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水泵的流量已小于最小允許流量，流量越小效率越低，同時(shí)有汽化發(fā)生，水泵損壞嚴(yán)重，增加維護(hù)量，使用壽命也將大大縮短。

(3)當(dāng)水泵葉輪的出口發(fā)生汽蝕時(shí)，會(huì)損壞葉輪和導(dǎo)葉，由于空化的反復(fù)發(fā)生，使水泵葉輪和導(dǎo)葉之間的間隙處有水流過(guò)，水流經(jīng)此處時(shí)流速很高，造成了葉輪和導(dǎo)葉的間隙處的汽蝕，損壞非常嚴(yán)重。

(4)為了避免汽蝕損壞水泵，可在水泵進(jìn)出口間加裝回流旁路，調(diào)節(jié)范圍偏大時(shí)，可以考慮將再循環(huán)閥打開(kāi)，使水泵保持一定的最小流量，但這樣做水泵的能耗將增加。

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