LNG接收站低溫罐內(nèi)潛液泵水力研發(fā)設(shè)計

張化川

(大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司, 遼寧 大連 116031)

·低溫與制冷·

LNG接收站低溫罐內(nèi)潛液泵水力研發(fā)設(shè)計

張化川

(大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司, 遼寧 大連 116031)

低溫罐內(nèi)潛液泵是LNG接收站必不可少的關(guān)鍵設(shè)備之一。為浙江寧波LNG接收站用戶研發(fā)的大型罐內(nèi)潛液泵， 現(xiàn)場一次開車成功，各項水力性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求，高汽蝕性能誘導(dǎo)輪及其它主要水力部件運行穩(wěn)定，可完全替代進(jìn)口。

低溫罐內(nèi)潛液泵；誘導(dǎo)輪

0 引言

LNG大型罐內(nèi)潛液泵是LNG接收站關(guān)鍵設(shè)備，其效率、汽蝕及振動均有嚴(yán)格的要求，泵的設(shè)計及制造水平要求高。目前，全國僅有少數(shù)幾家泵廠能夠設(shè)計生產(chǎn)，絕大部分依賴進(jìn)口。

針對該泵的市場使用情況，大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司以浙江寧波LNG接收站大型罐內(nèi)潛液泵為開發(fā)研究對象，進(jìn)行國產(chǎn)化研究，從高汽蝕性能誘導(dǎo)輪、葉輪、軸向?qū)~等水力研發(fā)開始到泵結(jié)構(gòu)設(shè)計、樣機(jī)試制、試驗驗證，結(jié)果表明該泵的國產(chǎn)化取得成功，水力性能滿足設(shè)計要求。LNG泵參數(shù)指標(biāo)見表1、表2。

研制難點：該泵汽蝕性能要求相當(dāng)苛刻，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出普通化工用離心泵汽蝕要求，泵汽蝕比轉(zhuǎn)速C達(dá)到5048。

表1 泵設(shè)計參數(shù)

表2 泵材料

1 水力模型

該泵的主要水力部件包括誘導(dǎo)輪、葉輪、軸向?qū)~等，其中葉輪水力模型選自深藍(lán)泵業(yè)優(yōu)秀水力模型庫，軸向?qū)~和誘導(dǎo)輪水力進(jìn)行全新自主研發(fā)。其中誘導(dǎo)輪主要采用了變螺距、大包角、入口大后掠角的設(shè)計研發(fā)方法。并對整機(jī)水力模型進(jìn)行了水介質(zhì)下CFD分析計算，以校核所研發(fā)的水力模型是否能夠滿足泵設(shè)計要求。

1.1 模型建立

對泵水力模型進(jìn)行簡化處理，采用Solidworks軟件對泵流體域整機(jī)第一級進(jìn)行三維建模，計算域由進(jìn)口段、誘導(dǎo)輪、整流段、葉輪、導(dǎo)葉、過渡段、出口段組成，如圖1～2所示。該泵水力模型的部分幾何參數(shù)如表3所示。

表3 水力部件主要幾何參數(shù)

圖1 整機(jī)模型

應(yīng)用ANSYS ICEM軟件對各段計算域劃分自適應(yīng)極強的四面體網(wǎng)格，對流道中曲率較大的部位(如葉片前后緣)的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密以捕捉更加細(xì)致的流場特征。各段計算域之間采用interface方式耦合以傳遞數(shù)據(jù)，因此盡可能保證每一對耦合面的網(wǎng)格尺寸相差不大。最后，網(wǎng)格整體總體數(shù)目為574萬，以quality指標(biāo)衡量的網(wǎng)格質(zhì)量在0.3以上，滿足計算要求，網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖2 葉輪及誘導(dǎo)輪模型

圖3 整機(jī)計算域網(wǎng)格模型

2 流場及汽蝕性能分析

2.1 流場分析

圖4 葉輪中間截面靜壓分布

圖5 葉輪中間截面相對速度分布

從圖4、5可以看出，葉輪內(nèi)靜壓和相對速度變化均勻。葉輪從進(jìn)口到出口壓力梯度均勻變大；葉輪中間截面上的流場內(nèi)無明顯漩渦；葉輪流面上相對速度矢量分布合理，符合流動規(guī)律，葉輪水力效率較高。

葉片進(jìn)口采用正沖角設(shè)計[1-3]，液體在葉片進(jìn)口邊背面形成小的局部低壓區(qū)，有利于提高葉輪本身抗汽蝕性能。

圖6 導(dǎo)葉速度矢量分布

圖7 導(dǎo)葉靜壓分布

圖8 整機(jī)內(nèi)部流線分布

從圖6～8可以看出，導(dǎo)葉內(nèi)壓力變化均勻，速度矢量及流線分布合理，無明顯漩渦等不良流動，導(dǎo)葉進(jìn)口安放角設(shè)計合理，與葉輪的匹配良好。

2.2 汽蝕性能分析

為保證整機(jī)汽蝕性能滿足設(shè)計要求，基于ANSYS CFX平臺，采用兩相流空化模型，分別在不同進(jìn)口壓力下對該泵在設(shè)計工況下的空化流場進(jìn)行了數(shù)值計算，分析優(yōu)化誘導(dǎo)輪及葉輪水力，并對該泵的汽蝕性能進(jìn)行了分析預(yù)測。

圖9 誘導(dǎo)輪內(nèi)部相對速度分布

圖10 誘導(dǎo)輪內(nèi)部氣相體積分布

圖11 葉輪內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)

從圖9～11可以看出，誘導(dǎo)輪內(nèi)部相對速度分布均勻，流場較好。當(dāng)入口總壓在19 800 Pa時，空化區(qū)域分布在誘導(dǎo)輪葉片入口背面靠近輪緣的位置，空化區(qū)域分布較小，葉輪內(nèi)部未發(fā)生明顯汽蝕，沒有明顯堵塞流道。

2.3 汽蝕性能預(yù)測

按照工程習(xí)慣，在流量Q=430 m3/h不變的情況下,泵揚程下降3%時的試驗汽蝕余量定義為泵的汽蝕余量NPSHr[4]。由圖12可知，通過CFD計算的額定揚程為337 m，揚程下降3%時對應(yīng)的臨界汽蝕余量NPSHr約為1.17 m，計算結(jié)果顯示該泵的汽蝕性預(yù)計能滿足設(shè)計參數(shù)要求。

圖12 泵整機(jī)CFD分析空化特性曲線

3 性能預(yù)測方法及結(jié)果

在CFD數(shù)值計算的結(jié)果文件中讀取相應(yīng)物理量的計算值，能得到模型泵在不同流量工況下運行時的外特性。其中，設(shè)計點的計算值見表4所示。計算方法如下。

3.1 揚程的預(yù)測

揚程的預(yù)測公式為：

3.2 水力效率ηh的預(yù)測

通過對計算數(shù)據(jù)的處理，可以得到葉輪葉片及前后蓋板所受到的繞z軸的合力矩M?？梢酝ㄟ^下

式來估算泵的水力效率。

式中，Q為葉輪進(jìn)口流量，m3/s；H為通過CFD方法預(yù)估的揚程，m；M指葉輪所受的繞旋轉(zhuǎn)軸z軸的合力矩，N·m；ω指葉輪旋轉(zhuǎn)的角速度，rad/s。

表4 泵整機(jī)設(shè)計工況性能預(yù)測

4 試驗驗證

圖13 LNG低溫試驗臺性能試驗

圖14 泵現(xiàn)場吊裝使用

水力研發(fā)及樣機(jī)制造完畢后，在大連深藍(lán)泵業(yè)深冷試驗臺(圖13)進(jìn)行了性能測試，該試驗臺為國內(nèi)首座深冷低溫介質(zhì)泵試驗臺，投資約1.2億，參考GB/T 3216—2005進(jìn)行建造，試驗精度優(yōu)于1級，試驗結(jié)果見表5。

【】【】

表5 最終試驗數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

該泵試驗汽蝕余量為1.19 m，效率為71.2，汽蝕比轉(zhuǎn)達(dá)到5080，試驗結(jié)果最終達(dá)到設(shè)計要求，與CFD水力分析預(yù)期一致；同時由于該泵在結(jié)構(gòu)設(shè)計上軸承采用了深溝球軸承LNG介質(zhì)自潤滑的方案，軸向力通過應(yīng)用小半徑平衡盤結(jié)構(gòu)完全平衡了軸向力，振動值較低，現(xiàn)場運行穩(wěn)定。在泵吊裝過程中，由于泵井尺寸限制，在泵向下吊裝安裝到罐內(nèi)吸入底閥過程中，為防止泵殼體與泵井刮碰，應(yīng)提前在泵殼體上設(shè)計導(dǎo)向機(jī)構(gòu)也是十分必要的。

該泵水力研發(fā)的最大難點為汽蝕余量要求極低，在進(jìn)行該泵誘導(dǎo)輪水力研發(fā)的過程中，總結(jié)出了LNG大型罐內(nèi)潛液泵高汽蝕性能誘導(dǎo)輪的一整套設(shè)計方法。即在結(jié)構(gòu)允許的情況下，盡可能采用大的變螺距誘導(dǎo)輪設(shè)計、大后掠角、輪緣到輪轂處大出口安放角誘導(dǎo)輪的水力設(shè)計方法，更有利于提高誘導(dǎo)輪本身的抗汽蝕性能和誘導(dǎo)輪揚程，該泵水力的研發(fā)成功對加快LNG接收站大型低溫罐內(nèi)潛液泵的國產(chǎn)化具有重大的作用和現(xiàn)實意義。

[1] 楊軍虎,張人會. 一種計算低比轉(zhuǎn)速離心泵加大系數(shù)的方法[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2005, 41(4): 203-205.

[2] 袁壽其,張玉臻. 低比速泵水力設(shè)計原則及優(yōu)化思想[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報, 1997, 28(2):155-158.

[3] 嚴(yán)敬. 低比轉(zhuǎn)速離心泵—原理、參數(shù)優(yōu)化及繪形[M].成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社, 1998．

[4] 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊[M].北京：中國宇航出版社，1995.

The Hydro Development of Cryogenic in Tank Submerged Pumpfor LNG Receiving Station

ZHANG Huachuan

(Dalian Deepblue Pump Co.,Ltd， Dalian 116031, China)

The cryogenic in tank submerged pump is one of the key equipment in LNG receiving station, the pump was developed for LNG receiving station customer in Ningbo city, Zhejiang province, which ran successfully in the first on-site test. All hydraulic parameters meeting the designing requirements, high cavitation inducer and other main hydraulic components of this pump performed excellent and stable operation, which could completed replace the imported products.

the cryogenic in tank submerged pump；inducer

2016-12-30

TH311

A

1007-7804(2017)01-0007-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.01.003

張化川(1983)，男，工學(xué)碩士，流體機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)為大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司副總工程師，主要從事核電、石化、深冷泵產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)研究。E-mail：mercury9923@126.com