儲(chǔ)油罐機(jī)械清洗系統(tǒng)清洗泵輸送高粘性流體的數(shù)值研究

2014-03-20 龐雷 合肥通用機(jī)械研究院

  通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)儲(chǔ)油罐機(jī)械清洗設(shè)備上的清洗泵在輸送高粘性介質(zhì)時(shí)的性能與輸送水時(shí)性能進(jìn)行對(duì)比。從泵內(nèi)的壓力分布、速度分布分析粘性對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響,以及粘性的變化對(duì)泵揚(yáng)程的影響。輸送高粘性介質(zhì)時(shí)離心泵的性能發(fā)生偏離,偏離程度隨著粘性的增加而增大。

1、前言

  儲(chǔ)油罐在使用一定時(shí)間以后,油中的泥沙、蠟等重組分沉積在油罐底部形成油泥。當(dāng)需要對(duì)儲(chǔ)油罐進(jìn)行檢修時(shí),必須將罐底油泥清除,并將油罐罐底、罐頂和罐壁清洗干凈,以達(dá)到動(dòng)火檢修的條件。目前原油儲(chǔ)罐的清洗主要有機(jī)械清洗和人工清洗兩種方式。機(jī)械清洗具有清洗效率高、原油回收率高、環(huán)境污染小、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn),有利于工人的人身安全和身體健康,并能夠明顯縮短清罐周期,因此,機(jī)械清洗在原油儲(chǔ)罐的清洗中將占有愈加重要的位置。

  清洗泵作為儲(chǔ)油罐機(jī)械清洗成套設(shè)備中的核心設(shè)備,在整個(gè)機(jī)械清洗過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。清洗泵將清洗介質(zhì)(原油、水等)加壓輸送至清洗機(jī)(噴槍),以達(dá)到擊碎、溶解油泥和清洗罐內(nèi)表面的目的。目前,國(guó)內(nèi)外成套設(shè)備機(jī)組中,一般選用大功率離心泵作為清洗泵。離心泵的設(shè)計(jì)和性能試驗(yàn)皆以清水為介質(zhì),而機(jī)械清洗過(guò)程中則用于輸送粘度與清水相差較大的油類介質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)離心泵抽送運(yùn)動(dòng)粘度與清水接近,而密度與清水差別較大的油類流體時(shí),泵的揚(yáng)程、體積流量和效率均與輸水時(shí)相同,只是軸功率發(fā)生了變化;而當(dāng)抽送運(yùn)動(dòng)粘度與清水相差較大的油類流體時(shí),泵的性能發(fā)生偏離。

  目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)離心泵輸送粘性流體的研究也有一定進(jìn)展。粘性流體在離心泵內(nèi)流動(dòng)時(shí),葉輪流道內(nèi)附面層變厚,流動(dòng)排擠作用增強(qiáng)。陳曉玲在計(jì)算分析葉片邊界層厚度的基礎(chǔ)上,在一定輸送介質(zhì)粘度范圍內(nèi),研究了離心泵輸送粘性流體時(shí)葉輪出口寬度的設(shè)計(jì)新方法,并研究了輸送粘性油時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)離心泵性能的影響。曹廣軍通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了離心油泵輸送粘性流體時(shí)的空蝕性能和油泵的空蝕性能與輸送介質(zhì)粘度的關(guān)系,結(jié)果表明,相同流量時(shí)輸送粘性流體比輸送清水具有較高的臨界空蝕余量。

  本文通過(guò)Pro/E建立葉輪與蝸殼耦合的三維計(jì)算模型,利用商業(yè)CFD軟件FLUENT計(jì)算清洗泵流場(chǎng),研究清洗泵在輸送高粘性介質(zhì)(原油)時(shí)內(nèi)部三維湍流流場(chǎng)的流動(dòng)規(guī)律,揭示內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)特征。通過(guò)分析清洗泵在非額定工況運(yùn)行時(shí)的內(nèi)部流動(dòng)特征,并根據(jù)數(shù)值計(jì)算的信息給出泵的預(yù)測(cè)性能,與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行比較,分析兩者出現(xiàn)偏差的原因。

2、清洗泵整機(jī)數(shù)值計(jì)算

  2.1、控制方程和湍流模型

  不可壓縮流體的相對(duì)定常流動(dòng)的雷諾時(shí)均方程為:

不可壓縮流體的相對(duì)定常流動(dòng)的雷諾時(shí)均方程

  2.2、葉輪與蝸殼耦合計(jì)算模型

  利用三維繪圖軟件Pro/E的混合掃描功能建立葉輪流道和蝸殼流道的實(shí)體模型,如圖1所示。生成的實(shí)體模型導(dǎo)入Gambit劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格是CFD計(jì)算的載體,其質(zhì)量好壞影響到計(jì)算的精度和效率。本文的葉輪流道和蝸殼流道的三維模型劃分網(wǎng)格時(shí)都采用TGrid混合網(wǎng)格,劃分結(jié)果如圖2所示。

葉輪和蝸殼流道三維實(shí)體模型

圖1 葉輪和蝸殼流道三維實(shí)體模型

網(wǎng)格劃分

圖2 網(wǎng)格劃分

2.3、邊界條件設(shè)置

  進(jìn)口邊界條件設(shè)置為速度進(jìn)口,出口邊界條件設(shè)置為出流,壁面處設(shè)置為無(wú)滑移邊界條件。在所研究的三維模型中,離心泵的葉輪是旋轉(zhuǎn)的,而蝸殼和進(jìn)口管靜止,所以在葉輪和蝸殼以及葉輪和進(jìn)口管的結(jié)合面處,需要進(jìn)行一定的設(shè)置才能完成動(dòng)靜區(qū)域的數(shù)據(jù)交換。本文選擇多參考坐標(biāo)系模型,同時(shí),結(jié)合面設(shè)置為interface。

4、結(jié)論

  (1)本文通過(guò)對(duì)輸送高粘性介質(zhì)時(shí)泵的流場(chǎng)計(jì)算,證實(shí)了數(shù)值計(jì)算方法對(duì)研究離心泵輸送粘性介質(zhì)這一問(wèn)題的可行性和可靠性,為進(jìn)一步的研究打下基礎(chǔ);

  (2)離心泵在輸送粘性較高的介質(zhì)時(shí),在額定工況附近泵的揚(yáng)程有所降低,原因是泵內(nèi)水力損失隨流量的增大而增大。為保證額定工況的工作參數(shù),則須降低水力損失,需要從改善泵內(nèi)流場(chǎng)的角度入手,調(diào)整葉輪、蝸殼參數(shù),減少內(nèi)部流場(chǎng)的回流、軸向漩渦等;

  (3)從數(shù)值計(jì)算的數(shù)據(jù)可以看出,相同流量時(shí),泵的吸入壓力產(chǎn)生的負(fù)壓,粘性大時(shí)負(fù)壓也大。此負(fù)壓是否會(huì)導(dǎo)致泵產(chǎn)生氣蝕及影響的程度大小,有待深入研究。