離心風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能改造方案和效果研究

蔡玲，畢克剛，畢永江，包瑜，王晗

摘 要：為解決日益嚴(yán)重的能源問題，響應(yīng)國(guó)家“十四五”戰(zhàn)略對(duì)于節(jié)能減排減耗的要求，廣泛形成綠色生產(chǎn)生活方式，構(gòu)建環(huán)境友好型社會(huì)，提出了對(duì)離心風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能改造研究，并且由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行分析。描述了離心風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的工作原理及工況，再對(duì)風(fēng)機(jī)整體內(nèi)部進(jìn)行三維建模，并且以此模型進(jìn)行數(shù)值模擬并分析數(shù)值模擬結(jié)果，最后分析出流體作用于通風(fēng)機(jī)各處的速度矢量及壓力分布，得出改進(jìn)意見。結(jié)果表明，通過計(jì)算流體力學(xué)模擬及分析，并對(duì)電廠風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能降耗改造，可以使得改造后的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)明顯降低單位電耗0.81 kW·h。

關(guān)鍵詞：離心風(fēng)機(jī)系統(tǒng);節(jié)能改造;計(jì)算流體力學(xué);綠色生態(tài)

中圖分類號(hào)：TM621.7;TQ172.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）12-0140-06

Research on the Scheme and Effect of Energy Saving Reconstruction of Centrifugal Fan System

Cai Ling1， Bi Kegang1， Bi Yongjiang2， Bao Yu3， Wang Han1

（1.Kunming Municipal Energy Conservation Supervision Branch， Kunming 650031， China;2.Chuxiong Prefecture Quality and Technical Supervision and Testing Center， Chuxiong 675000， China;3. Yunnan Institute of Product Quality Supervision and Inspection， Kunming 650000， China）

Abstract：To solve the increasingly serious energy problems， the research on energy saving reconstruction of centrifugal fan system is put forward to meet the requirements of energy saving， emission reduction and consumption reduction of national "14th Five-Year" strategy. And it helps widely foster green ways of working and living and develop an environment-friendly society. In addition， numerical simulation is used to analyze the complex structure of the fan. Firstly， the working principle and conditions of the centrifugal fan system are described. Secondly， the three-dimensional modeling of the overall fan internal is realized. Then， the model is used to perform numerical simulation， and numerical simulation results are analyzed. Finally， the velocity vector and pressure distribution of the fluid acting on the fan are analyzed to obtain the improvement suggestions. The results show that the unit power consumption of the modified fan system can be significantly reduced by 0.81 kW·h through computational fluid dynamics simulation and analysis.

Key words：Centrifugal fan system; energy saving reconstruction; computational fluid dynamics; green ecosystem

0 引言

當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中的許多領(lǐng)域應(yīng)用了離心風(fēng)機(jī)（Centrifugal fan），因此離心風(fēng)機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中是必不可少的設(shè)備。離心風(fēng)機(jī)的工作原理是依靠輸入的機(jī)械能，提高氣體壓力，將氣體泵入目標(biāo)生產(chǎn)設(shè)備中，是一種從動(dòng)的流體機(jī)械，目前被廣泛應(yīng)用于各類的通風(fēng)、除塵、冷卻場(chǎng)景。在火電廠中，離心風(fēng)機(jī)對(duì)火電廠的正常生產(chǎn)很重要，對(duì)火電生產(chǎn)工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)正常工作、保證發(fā)電的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著非常重要的作用[1]。

火電廠的生產(chǎn)需要用到大量的輔機(jī)，而輔機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性對(duì)火電廠用電量的大小起著決定性作用。因此火電廠本身就是用電大戶，并且火電廠本身用電量多少又對(duì)發(fā)電成本與原料消耗有著直接的關(guān)系。根據(jù)國(guó)內(nèi)資料統(tǒng)計(jì)，火電廠的平均用電率在8%左右，其中70%以上的用電消耗由主要輔機(jī)所提供，其中的耗電大戶即為風(fēng)機(jī)與泵，而目前大多數(shù)風(fēng)機(jī)的全壓富余在12%左右，為此對(duì)于風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造需要盡快提上日程。在“十四五”規(guī)劃中，我國(guó)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)2030年碳排放達(dá)峰的目標(biāo)，并且未來的經(jīng)濟(jì)和能源轉(zhuǎn)型路徑已經(jīng)基本清晰;但目前的主要電力生產(chǎn)方式還是火電，占比接近70%，因此要想實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，就需要控制火電煤炭的用量。如果控制火電廠自身的用電量，就控制了煤炭的用量，即對(duì)“十四五”規(guī)劃的節(jié)能減排起到了作用[2]。

隨著計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)算力來模擬實(shí)際場(chǎng)景，來代替人力去求解復(fù)雜數(shù)學(xué)方程的方法開始被推廣，用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics， CFD）作為研究工具，模擬真實(shí)世界的二維和三維物質(zhì)的流動(dòng)。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)大量應(yīng)用CFD技術(shù)，因此本文應(yīng)用CFD以檢測(cè)其在運(yùn)行情況下的內(nèi)部復(fù)雜的流體力學(xué)性質(zhì)，并且對(duì)原有模型做出適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。目前的CFD研究一般采用商業(yè)軟件，如STAR-CD、CFX、Fluent等。CFD軟件可以拓寬實(shí)驗(yàn)研究的范圍， 減少成本與工作量，并且CFD軟件一般都能推出多種優(yōu)化的物理模型，對(duì)每一種物理問題的流動(dòng)特點(diǎn)， 都有適合它的數(shù)值解法[3]。

本文針對(duì)離心風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行基于計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值模擬，建立了離心風(fēng)機(jī)模型，對(duì)其模型和模型參數(shù)進(jìn)行了全面系統(tǒng)的調(diào)整，建立適用于離心風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的模擬方法。將CFD數(shù)值模擬方法應(yīng)用于離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體模擬計(jì)算，分析工作中的離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部與出口處的流場(chǎng)，為后續(xù)的理論研究與改進(jìn)提供理論指導(dǎo)。

1 離心風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造研究應(yīng)用的技術(shù)

1.1 計(jì)算流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)

一切流體的流動(dòng)都遵循以下3個(gè)定律：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，這3個(gè)定律可以用一些數(shù)學(xué)關(guān)系式來表述，依次為連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程[4]。

1.1.1 連續(xù)性方程

流體流動(dòng)過程中，單位時(shí)間內(nèi)的流入和流出控制體的流體凈質(zhì)量總和應(yīng)等于內(nèi)部密度變化而增加或減少的質(zhì)量，連續(xù)性方程示意圖如圖1所示。

將控制體的流體表征為空間位置固定的無窮小微團(tuán)，可得守恒型微分形式;表征為隨流體運(yùn)動(dòng)質(zhì)量不變的無窮小微團(tuán)，可得非守恒型微分形式，方程見式（1）、（2）。式（1）為非守恒式，式（2）為守恒式。

式中，a為流體密度;為拉普拉斯算符;v為微元體積;τ 表示某一時(shí)刻。

隨體導(dǎo)數(shù)： 表示觀測(cè)者在流體中與流體流速完全相同的速度運(yùn)動(dòng)，方程見式（3）與式（4）：

式中，v 表示在時(shí)刻 τ某點(diǎn)處速度矢量，且v={vx，vy，vz};vx為流體質(zhì)點(diǎn)在坐標(biāo)軸 x 方向上的位移隨時(shí)間的導(dǎo)數(shù);vy為 y 方向上的位移隨時(shí)間的導(dǎo)數(shù);vz為 z 方向上的位移隨時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。

1.1.2 動(dòng)量方程

研究無限小微團(tuán)，其受力大小等于質(zhì)量與加速度的積，并且其受力有重力、體積力、壓力、表面力。其中，體積力由電磁力所引起;表面力由粘性力所引起，具體如圖2所示。

由圖2所示，v1、v、v2表示在時(shí)刻τ 某點(diǎn)處速度矢量;A1、A1'、A2、A2'表示在圓管某處的截面面積。

用下面的式（5）、式（14）進(jìn)行計(jì)算：

非守恒式：

單位質(zhì)量力為矢量力，有方向與大小，用公式（8）計(jì)算：

Fx為x方向上的單位質(zhì)量力;Fy為 y 方向上的單位質(zhì)量力;Fz為z方向上的單位質(zhì)量力。Q 為此質(zhì)點(diǎn)處的壓力;v 為x方向上的速度;ω表示 y 方向上的速度;θ表示z方向上的速度;σ 為微元邊上的切應(yīng)力;a為流體密度。

守恒式：

式中，F(xiàn)x為 x 方向上的單位質(zhì)量力;Fy為 y 方向上的單位質(zhì)量力;Fz為 z 方向上的單位質(zhì)量力。

1.1.3 能量方程

能量方程是指在忽略密度、溫度、內(nèi)能變化，反映包含內(nèi)能的能量守恒定律的方程。能量方程包含動(dòng)能、徹體力的勢(shì)能和功，表征了控制體內(nèi)機(jī)械能、內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化。其動(dòng)量方程式如下式（15）與式（16）所示。

非守恒式：

守恒式：

式中，E為液體的內(nèi)能;t 為液體的溫度;q 為液體的單位熱量;r 為液體能量系數(shù);V? 表示時(shí)刻 τ 時(shí)在x 方向上的速度;ω表示 y 方向上的速度;θ表示 z 方向上的速度。Fx為 x 方向上的單位質(zhì)量力;Fy為 y 方向上的單位質(zhì)量力;Fz為 z 方向上的單位質(zhì)量力;為拉普拉斯算符。

1.2 流體模型概述

流體的流動(dòng)狀況可分為層流和湍流，層流是流體的一種流動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于外掠圓管流來說，流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，其質(zhì)點(diǎn)沿著與管軸平行的方向作平滑直線運(yùn)動(dòng)。此種流動(dòng)稱為層流或滯流，亦有稱為直線流動(dòng)的。流體的流速在管中心處最大，其近壁處最小。管內(nèi)流體的平均流速與最大流速之比等于0.5，根據(jù)雷諾實(shí)驗(yàn)，當(dāng)雷諾準(zhǔn)數(shù)Re小于2 000時(shí)，流體的流動(dòng)狀態(tài)為層流;湍流是流體的一種流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)流速很小時(shí)，流體分層流動(dòng)，互不混合，稱為層流，也稱為穩(wěn)流或片流;逐漸增加流速，流體的流線開始出現(xiàn)波浪狀的擺動(dòng)，擺動(dòng)的頻率及振幅隨流速的增加而增加，此種流體情況稱為過渡流;當(dāng)流速增加到很大時(shí)，流線不再清楚可辨，流場(chǎng)中有許多小漩渦，層流被破壞，相鄰流層間不但有滑動(dòng)，還有混合。這時(shí)流體作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，有垂直于流管軸線方向的分速度產(chǎn)生，這種運(yùn)動(dòng)稱為湍流，又稱為亂流、擾流或紊流[5]。層流和湍流的示意圖如圖3所示。

流體的流動(dòng)狀況可分為層流和湍流，一般用雷諾數(shù)（Re）來表征，在外掠圓管流中，Re≤2 000時(shí)為層流，Re≥2 000時(shí)為湍流。不同的流動(dòng)狀況其粘性力與慣性力作用力的作用機(jī)制與大小不同，流體曾與層間互相有干擾，能夠進(jìn)行質(zhì)量與動(dòng)量的傳遞，其計(jì)算式如式（17）。

式中，? ?為流體粘性系數(shù);b為管內(nèi)徑。

傳統(tǒng)研究方法無法了解離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部的湍流;但可用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行模擬，從離散化角度對(duì)問題進(jìn)行剖析，比前者更有可操作性，其稱為湍流模型。Fluent軟件工具提供了形式豐富的湍流模型，其數(shù)值模擬的具體求解過程分為4步：a.前處理：使用GAMBIT幾何建模、邊界類型設(shè)置、生成網(wǎng)格;b.使用Fluent進(jìn)行邊界條件設(shè)置;c.使用求解器計(jì)算離心風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的流體流動(dòng);d.后處理：使用Fluent進(jìn)行計(jì)算結(jié)果處理。

1.3 對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行幾何建模、網(wǎng)格劃分與設(shè)置邊界條件

1.3.1 離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析與建模、網(wǎng)格劃分

如下圖4與表1分別為離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖與結(jié)構(gòu)尺寸表。

需要計(jì)算的流體流過的區(qū)域分為3大塊：入口集流器通道區(qū)、葉輪通道區(qū)和蝸殼出口通道區(qū)。利用軟件Pro/E對(duì)整個(gè)離心風(fēng)機(jī)的流道系統(tǒng)3個(gè)區(qū)域分別建立幾何模型，并最終組裝在一起。之后將建立起的整體模型導(dǎo)入前處理軟件GAMBIT中生成網(wǎng)格，對(duì)所建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并根據(jù)模型內(nèi)部的實(shí)際復(fù)雜度對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，比如對(duì)流動(dòng)特性變化快的地方網(wǎng)格劃分的密集一些，對(duì)流動(dòng)特性變化慢的地方網(wǎng)格劃分的疏松一些[6-7]。本實(shí)驗(yàn)中離心風(fēng)機(jī)模型三區(qū)域劃分網(wǎng)格數(shù)如下：入口區(qū)集流器通道區(qū)69 257個(gè)，葉輪通道區(qū)劃分為183 020個(gè)，蝸殼出口通道區(qū)劃分為428 310個(gè)，共計(jì)680 587個(gè)。

1.3.2 設(shè)置相關(guān)邊界條件

前一步已經(jīng)建立起了離心風(fēng)機(jī)的模型，劃分好了各個(gè)部分的網(wǎng)格，并且利用了軟件GAMBIT來設(shè)置流體研究區(qū)域與邊界條件：將蝸殼區(qū)及集流器區(qū)設(shè)置為靜止區(qū)域，將葉輪區(qū)設(shè)置為旋轉(zhuǎn)區(qū)域。邊界條件方面：集流器區(qū)域設(shè)置為速度進(jìn)口，蝸殼區(qū)出口設(shè)置為壓力出口，葉輪相關(guān)區(qū)域設(shè)置為繞著中心軸進(jìn)行單向旋轉(zhuǎn)的固體壁面，最后將3個(gè)區(qū)域間某兩個(gè)區(qū)域交界處的界面與流體各個(gè)進(jìn)出口設(shè)置為Interfaces交界面。

1.4 Fluent軟件條件設(shè)置

模型導(dǎo)入，在Fluent軟件之中進(jìn)一步進(jìn)行邊界條件設(shè)置，然后再對(duì)求解算法、離散格式、湍流模型進(jìn)行設(shè)置，之后便可以進(jìn)行迭代計(jì)算。計(jì)算方法設(shè)置：雷諾時(shí)均的納維-斯托克斯方程和分離隱式法用于定常計(jì)算，湍流模型選用k-ε標(biāo)準(zhǔn)方程模型。壓力-速度耦合應(yīng)用簡(jiǎn)單算法，湍流耗散項(xiàng)、湍動(dòng)能、動(dòng)量方程、能量方程設(shè)置為一階迎風(fēng)格式離散[8]。

設(shè)置初始條件：設(shè)置為均勻初場(chǎng)，葉輪區(qū)設(shè)置旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，離心風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口設(shè)置為速度進(jìn)口，出氣口設(shè)置為壓力出口，工質(zhì)類型設(shè)置為理想氣體，離心風(fēng)機(jī)模型速度進(jìn)口這是為16.090 5 m/s，進(jìn)口工質(zhì)溫度設(shè)置401 K，出口工質(zhì)溫度設(shè)置為406 K，出口表壓力設(shè)置為0 Pa，轉(zhuǎn)速設(shè)置為16 r/s。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及改造方案

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果

對(duì)離心風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，等到進(jìn)出口流量誤差減小到至0.001以下之后觀察到進(jìn)出口流量已經(jīng)未發(fā)生較大變化，全局各項(xiàng)的殘差均減小至0.001以下，這表明當(dāng)前的計(jì)算結(jié)果已經(jīng)完成收斂，其結(jié)果如圖5所示。

2.2 離心風(fēng)機(jī)改造

實(shí)驗(yàn)用離心風(fēng)機(jī)的額定負(fù)載為200 MW，對(duì)其進(jìn)行改造前后性能對(duì)比及對(duì)其伺服的鍋爐的改造前后性能對(duì)比如下表2與表3所示。

在離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，其葉輪旋轉(zhuǎn)推動(dòng)葉輪流道中的工質(zhì)，使其在離心力作用下被拋出蝸殼; 因此葉輪軸線處相對(duì)外側(cè)的氣壓下降。利用此負(fù)壓系統(tǒng)將入口處的工質(zhì)一路帶入葉輪，并且在葉輪區(qū)內(nèi)部向著出口不斷流動(dòng)，由于其受到葉輪的做功推動(dòng)動(dòng)能不斷增加，因而在流出葉輪區(qū)的時(shí)候其速度相對(duì)于進(jìn)入時(shí)明顯增加。葉輪葉片上的壓力沿著前緣向后緣不斷增大，于頁面吸力面前緣最小，之后慢慢穩(wěn)定在一固定值上，壓力差逐漸減小;然后以較高的壓力進(jìn)入下一區(qū)域。由于進(jìn)入蝸殼區(qū)后，蝸殼區(qū)流道截面從小到大，因此工質(zhì)的流速將會(huì)顯著減小。改進(jìn)后的離心風(fēng)機(jī)系統(tǒng)其全壓與流量均足夠支持鍋爐的額定功率運(yùn)行，離心風(fēng)機(jī)的開度為87%，其全壓效率為75.4%，基本與目前國(guó)內(nèi)的改進(jìn)型風(fēng)機(jī)效率持平。與改造前的全壓效率相比提高了4.2%，單位電耗降低了0.81 kW·h。

3 結(jié)語

本研究利用CFD軟件建立了火電廠用離心風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模型，利用軟件Pro/E、GAMBIT、Fluent，采用分離隱式求解器對(duì)其工作過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并對(duì)一臺(tái)火電廠常用型號(hào)的離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了節(jié)能改造并對(duì)其改造前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。證明了利用數(shù)值模擬軟件可以正確模擬離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部及出入口的流體性質(zhì)，有助于今后對(duì)于離心風(fēng)機(jī)的進(jìn)一步節(jié)能改造研究。

盡管本研究基本達(dá)到了原先預(yù)期的研究目標(biāo)，也獲得了一些較有價(jià)值的研究結(jié)論;但研究工作仍然存在許多不足，得出的研究結(jié)論可能受到如下3個(gè)方面因素的限制：（1）數(shù)值模擬模型的兼容性不足;（2）未能得到大量實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)以便于與數(shù)值模擬研究實(shí)際對(duì)比。這也為我們未來的研究指明了方向。未來我們主要將工作集中于以上兩個(gè)方面：（1）進(jìn)一步完善模型的兼容問題，使之模擬更切合實(shí)際;（2）進(jìn)一步與更多的火電站進(jìn)行接觸，了解更多實(shí)際情況，獲得大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

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