【摘要】：在煤化工行業(yè)中，合成氣離心壓縮機組是大型合成氨、甲醇等裝置中的關鍵設備，其運行狀態(tài)直接影響著整個企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。由于合成工藝的要求，合成氣壓縮機組的工作壓力往往在幾十至幾百個大氣壓力下，為了提高合成效果，廣泛采用高壓下再循環(huán)的工藝過程，高壓段末級葉輪出口新鮮氣和循環(huán)補氣段在混合腔中混合后進入下游的循環(huán)級葉輪。由于高壓段雙層結構不易布置測點，工程上難以得到循環(huán)段內(nèi)部的流動參數(shù)。循環(huán)段流量很大，一般是新鮮氣的2至5倍，一個關鍵問題是，循環(huán)級的進口來流，是在很小的空間尺度與時間尺度下，由高壓段末級與循環(huán)補氣的兩股氣體混合而成，具有強烈的非均勻特征，遠非常規(guī)設計中采用的均勻來流條件，這可能會帶來很大的設計偏差，使整機性能達不到運行要求。另外，由于高壓段雙層結構不易布置測點，工程上難以得到循環(huán)段內(nèi)部的流動參數(shù)并為設計進行修正。有鑒于此，本課題采用數(shù)值模擬、模型分析和實驗研究等綜合手段，對帶有雙進氣混合來流的合成氣壓縮機的循環(huán)級流動特性及其流動擴穩(wěn)問題進行了深入的探索和研究，取得了一系列的實驗數(shù)據(jù)和重要結論。 針對高壓環(huán)境下采用實際氣體介質的小流量離心壓縮機級的設計與性能分析的難度問題，本文首先選取了由課題組設計的某實際運行的合成氣壓縮機的高壓段第一級為研究對象，在約7MPa(A)的壓力入口條件下，根據(jù)實際混合氣體物性，使用CFD的方法對比研究了壓縮機設計校核時的單葉輪和整級計算兩種模式在性能預測上的區(qū)別。計算結果表明單葉輪模式的失速裕度和堵塞裕度更寬，其最優(yōu)效率點對應的流量高于整級模式。考慮到葉輪與下游回流器等部件的匹配問題，為了對最優(yōu)工況點以及工況范圍進行較準確的預測，對高壓合成氣壓縮機進行CFD校核時應采用整級模型。針對空氣介質模型級如何通過相似設計應用于其它介質壓縮機的難點問題，選取了同一高壓級，比較了其在空氣和合成氣兩種工質下流場的區(qū)別。7MPa(A)的壓力下空氣比重約為合成氣的3.4倍，兩者的流場特性完全不同：合成氣工質時的失速裕度和堵塞裕度更寬，其最優(yōu)效率點對應的流量低于空氣。在相同的進口體積流量下，兩種氣體在級內(nèi)部的流場與性能有較大差異，無明顯的規(guī)律。對于該合成氣壓縮機而言，空氣工質的模型級須經(jīng)過改型或重新設計，才能用于該合成氣壓縮機設計中。 針對合成氣壓縮機循環(huán)段的流動特點，建立了包含高壓段末級、雙進氣混合腔和循環(huán)級的流動計算模型，計算結果表明：由于彎道以及兩股來流的溫度、壓力不同，混合腔前部呈現(xiàn)出明顯的二次流動，流場速度和壓力由輪蓋側向盤側逐漸增加，呈明顯的梯度分布，并隨著流動向下游發(fā)展，兩股氣流的摻混逐漸均勻化，但在目前的混合腔長度下葉輪進口仍存在包含徑向和周向的不均勻流動分布特性，造成了下游葉輪的不均勻進口來流。相比于均勻進氣的循環(huán)級葉輪，帶有雙進口混合腔時的葉輪壓比平均下降0.005，效率平均降低7個百分點，且其工況范圍更窄。 在新鮮氣進口與循環(huán)補氣口兩個入口的總壓總溫不變的情況下，單獨調節(jié)出口背壓時，兩入口的流量比近似保持為常數(shù)，這個值主要與交匯處的面積比有關。 進一步使用參數(shù)化方法研究了混合腔長度分別為25mm，55mm和85mm，以及該兩入口流量比為0.5至7范圍內(nèi)的混合腔與循環(huán)級的流動特性。在高壓環(huán)境下，混合腔長度的變化對來流損失和循環(huán)級葉輪的靜壓升影響不大，不同混合腔長度造成的葉輪效率差異不高于1%。來流壓力損失與總來流流量近似呈二次曲線關系。與之不同的是，流量比對流場的影響較大，隨著流量比的增加，存在某個臨界流量比使得循環(huán)級葉輪效率最高，此時對應著交匯處的兩股流體速度比近似為1。隨著流量比的進一步增加，葉輪效率變化不大。 基于流體運動方程和能量守恒方程，推導了雙進氣交匯處的壓力、速度與補氣段曲率半徑等物理量間的關系式，提出了關聯(lián)混合腔幾何特征的預測混合腔出口(循環(huán)級葉輪進口)靜壓和總壓的計算方法，并將該方法的結果與CFD計算得到的相對比，兩者符合的很好，亦即這種方法可有效的用于快速評估混合腔的設計。在相同的側向補氣段來流動壓情況下，補氣段的曲率半徑越大，則補氣段的出口壓力也越高。在設計流量處，選取壓縮機中常用的損失模型評估了高壓段末級、混合腔以及循環(huán)級內(nèi)損失，結果發(fā)現(xiàn)：混合腔損失、無葉擴壓器損失和二次流損失是主要的損失源。 由于直接在高壓環(huán)境下測試混合腔內(nèi)部流動比較困難，設計搭建了常壓下帶有雙進氣的通風機試驗臺，并同時進行了全周向的風機數(shù)值模擬，利用實驗和數(shù)值方法討論了均勻和混合來流進口，入口流量比(入口2處流量/入口1處流量)從1到10，以及三種混合腔長度(100mm，200mm，300mm)對離心風機性能的影響。結果表明：在混合來流的影響下效率和壓升平均下降6.5%和203Pa。非軸對稱的混合來流形成了周向和徑向聯(lián)合作用的入口畸變效應，在葉輪流道內(nèi)形成完全不對稱的流場分布，各葉輪流道內(nèi)的流量分布不同，最大和最小的葉輪流道內(nèi)流量分別是0.1997kg/s和0.0272kg/s，均靠近渦舌附近位置。相比較而言，均勻入口時的最大和最小的葉輪流道內(nèi)流量分別是0.086kg/s和0.068kg/s。隨著混合腔長度的增加，在設計流量點附近，，每增加100mm的混合腔長度，風機的壓升和效率平均下降70Pa和2%。在固定流量下，風機性能隨流量比的增加先變大，在流量比是5的時候達到最大，此時對應著兩股來流交匯處的速度基本相同。隨著流量比的進一步增加，風機的性能基本保持不變。最后與高壓合成氣環(huán)境下的結論進行了類比，進一步驗證了混合腔內(nèi)發(fā)生的混合流動現(xiàn)象。 為了保證壓縮機組安全、可靠地運行，離心壓縮機的失速先兆與喘振研究一直是本領域的研究重點。本文研究了帶有被動控制手段—孔式機匣處理的離心壓縮機的失速和喘振不穩(wěn)定流動以及擴穩(wěn)效果。由于合成氣壓縮機的循環(huán)段是單級結構，當循環(huán)段葉輪采用半開式葉輪，那么就可以用該孔式機匣處理技術來擴大該循環(huán)段的穩(wěn)定工況范圍。另外，在多級壓縮機的第一級，為滿足大流量高負荷的要求經(jīng)常采用半開式葉輪結構，也可以采用該技術。為了深入研究機匣處理的動態(tài)變化過程，在機匣處理孔的兩端位置，葉頂37%弦長位置和無葉擴壓器內(nèi)布置了動態(tài)壓力傳感器，在壓縮機的穩(wěn)定和喘振工況點進行了動態(tài)壓力測試。實驗結果發(fā)現(xiàn)，相比于實壁機匣，采用機匣處理方式后，壓縮機的喘振裕度增加了約10%且整機效率基本無下降，最優(yōu)效率點對應的流量大約向小流量側偏移6.8%Qdesgin。以機匣孔兩端脈動壓力的變化量作為指標，用于判定機匣孔內(nèi)的流動方向。在近喘振點，脈動壓力突然增加，此時發(fā)生的是抽吸流動。在近堵塞點，脈動壓力的突變意味著旁通流動的發(fā)生。對動壓信號進行信號分析發(fā)現(xiàn)，該實壁機匣和處理機匣壓縮機在喘振前發(fā)生的都是模態(tài)失速而非脈沖失速。相比于實壁機匣，引入處理機匣后模態(tài)先兆波由于葉頂和機匣孔的相互作用得到了延遲，其失速團傳播速度略高于實壁機匣的傳播速度。擴壓器附近的模態(tài)波強度強于葉輪流道內(nèi)模態(tài)波強度，喘振誘發(fā)點更接近擴壓器。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TH452

【參考文獻】

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本文編號：2333202