李生耀

（山西焦化股份有限公司，山西 臨汾 041606）

引言

鼓風(fēng)機是焦化廠中以天然氣或煤炭為原料制備焦爐煤氣過程中的關(guān)鍵設(shè)備，其主要任務(wù)是為焦爐煤氣的凈化提供穩(wěn)定動力。一般情況，可將焦爐煤氣鼓風(fēng)機安裝于煤氣初冷之后，也可安裝于煤氣凈化流程末端。在實踐生產(chǎn)中，常用的焦爐煤氣鼓風(fēng)機包括有離心式和容積式兩種類型。據(jù)統(tǒng)計表明，焦爐煤氣在生產(chǎn)中的能耗占比較大，其中由于設(shè)備效率較低導(dǎo)致無用功消耗較大[1]。因此，進一步提升焦爐煤氣鼓風(fēng)機的應(yīng)用效率、擴大其工況應(yīng)用范圍以及保證其在實際使用中的安全性對于焦爐煤氣凈化工藝具有重要意義。本文將基于對焦爐煤氣鼓風(fēng)機內(nèi)部流場分析的基礎(chǔ)上對其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

1 焦爐煤氣鼓風(fēng)機內(nèi)部流場數(shù)值模擬分析

本文重點研究對象為離心式焦爐煤氣鼓風(fēng)機，該型鼓風(fēng)機的具體參數(shù)，如表1 所示。

表1 離心焦爐煤氣鼓風(fēng)機關(guān)鍵參數(shù)

參照上述離心式鼓風(fēng)機的關(guān)鍵參數(shù)基于Solid-Works 軟件建立其三維模型，從整體上分為進口、出口以及蝸殼三部分。為了兼顧仿真時長和計算精度，合理設(shè)置仿真模型的網(wǎng)格數(shù)量尤為重要。綜合上述因素，設(shè)定離心式焦爐煤氣鼓風(fēng)機葉輪進口網(wǎng)格數(shù)量為283 064，設(shè)定焦爐煤氣鼓風(fēng)機葉輪出口網(wǎng)格數(shù)量為228 646，設(shè)定焦爐煤氣鼓風(fēng)機蝸殼的網(wǎng)格數(shù)量為1 640 046。

仿真條件設(shè)置如下：仿真操作中設(shè)定設(shè)備的入口壓力為101 325 Pa，溫度設(shè)定為20 ℃；葉輪轉(zhuǎn)速按照其額定轉(zhuǎn)速計算。為保證仿真計算結(jié)果與實際生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)更為相似，設(shè)定設(shè)備表面壁厚度均為0.2 mm。

基于上述數(shù)值模擬計算模型，得出如下仿真結(jié)論：

1）仿真計算所得的模型在出口靜壓力值和多變效率值兩方面的誤差分別控制在3%和2%的允許范圍之內(nèi)，即說明所搭建模型是可靠的[2]。

2）在鼓風(fēng)機全工況運行情況，焦爐煤氣鼓風(fēng)機葉輪內(nèi)部的壓力、速度以及溫度變化處于平穩(wěn)狀態(tài)，具體表現(xiàn)為：葉輪正面所承受的壓力大于反面，說明葉輪在做正功；蝸殼回流區(qū)域呈現(xiàn)了較為嚴重的回流現(xiàn)象[3]。

通過仿真計算，可以總結(jié)得出該型離心式焦爐煤氣鼓風(fēng)機葉輪和蝸殼的相互匹配性之間存在較大的優(yōu)化空間。

2 焦爐煤氣鼓風(fēng)機的優(yōu)化設(shè)計

通過上述仿真分析，本節(jié)重點對焦爐煤氣鼓風(fēng)機的葉輪內(nèi)部參數(shù)和蝸殼進行優(yōu)化設(shè)計。

2.1 焦爐煤氣鼓風(fēng)機葉輪內(nèi)部參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計

鼓風(fēng)機葉輪內(nèi)部參數(shù)的優(yōu)化重點從其轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)量、出口角度等方面對其在不同參數(shù)下整機的性能進行對比分析。

2.1.1 轉(zhuǎn)速對鼓風(fēng)機性能的影響

重點對焦爐煤氣鼓風(fēng)機葉輪轉(zhuǎn)速分別為2 600、3 100、3 300和3 600 r/min 時設(shè)備的出口靜壓力值、多變效率、全壓效率以及葉輪輸入功率四類參數(shù)隨著流量變化的情況進行分析。仿真結(jié)果，如第207 頁圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)速對整機性能仿真結(jié)果

如圖1 所示，當離心式鼓風(fēng)機運行的轉(zhuǎn)速越高，其對應(yīng)鼓風(fēng)機的各類參數(shù)的性能曲線越陡，說明焦爐煤氣鼓風(fēng)機穩(wěn)定運行流量范圍越小。因此，應(yīng)保證焦爐煤氣轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)運行，盡量不超過額定轉(zhuǎn)速值。

2.1.2 葉片數(shù)量對鼓風(fēng)機性能的影響

重點對焦爐煤氣鼓風(fēng)機葉片數(shù)量分別為18 個、19 個、20 個和21 個時設(shè)備的出口靜壓力值、多變效率、全壓效率以及軸功率四類參數(shù)隨著流量變化的情況進行分析。鑒于本離心式鼓風(fēng)機一般在400 m3/min的工況下運行，重點對流量為400 m3/min 的工況進行分析，仿真結(jié)果，如表2 所示。

表2 流量為400 m3/min 時整機的性能分析

如表2 所示，當葉片數(shù)量為20 個時，對應(yīng)整機的軸功率、出口靜壓力、多變效率以及全壓效率的值均高[4]。因此，將葉輪葉片數(shù)量設(shè)定為20 個。

同理可以得出：當葉片出口安裝角度增大至57°時，焦爐煤氣鼓風(fēng)機的有效軸功率可增加11.83 kW，對應(yīng)的出口靜壓力提升至1 847 Pa，多變效率和全壓效率分別增加量為1.239%和0.532%。

綜上所述，重點對焦爐煤氣鼓風(fēng)機的葉片數(shù)量和出口安裝角度進行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果為：葉片數(shù)量為20 個，出口安裝角度為57°。

2.2 蝸殼的優(yōu)化

針對鼓風(fēng)機蝸殼的優(yōu)化重點從蝸殼形狀和蝸殼錐角進行優(yōu)化，同樣采用數(shù)值模擬手段。其中，將蝸殼形狀優(yōu)化為圓形或偏心結(jié)構(gòu)，蝸殼錐角為35°和45°的情況進行仿真分析，并與原機型對比，對比結(jié)果，如表3 所示。

表3 不同蝸殼參數(shù)對應(yīng)整機的性能對比

分別對比表3 數(shù)據(jù)可知，上述四種優(yōu)化方式均能夠明顯提升焦爐煤氣鼓風(fēng)機的整體性能，進一步對比可知：圓形蝸殼和錐角為35°時整體性能為最佳。因此，針對蝸殼的優(yōu)化將其形狀改進為圓形，錐角改進為35°。

3 結(jié)語

鼓風(fēng)機為焦爐煤氣凈化的關(guān)鍵設(shè)備，其工作穩(wěn)定性直接決定焦爐煤氣的凈化質(zhì)量和效率。目前，焦爐煤氣鼓風(fēng)機的實際使用的能耗較大，重點表現(xiàn)為其機械葉輪的無功能耗較大[5]。因此，本文通過對其葉輪內(nèi)部流程仿真分析得出離心式鼓風(fēng)機葉片和蝸殼的匹配性具有極大的優(yōu)化空間，并通過仿真分析對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，得出如下結(jié)論：

1）當離心式鼓風(fēng)機運行的轉(zhuǎn)速越高，其對應(yīng)鼓風(fēng)機的各類參數(shù)的性能曲線越陡，說明焦爐煤氣鼓風(fēng)機穩(wěn)定運行流量范圍越小。因此，應(yīng)保證焦爐煤氣轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)運行，盡量不超過額定轉(zhuǎn)速值。

2）當葉片出口安裝角度增大至57°時，焦爐煤氣鼓風(fēng)機的有效軸功率可增加11.83 kW，對應(yīng)的出口靜壓力提升至1 847 Pa，多變效率和全壓效率分別增加量為1.239%和0.532%。

3）當葉片數(shù)量為20 個時，對應(yīng)整機的軸功率、出口靜壓力、多變效率以及全壓效率的值均高。

4）圓形蝸殼和錐角為35°時鼓風(fēng)機的整機性能最佳。