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离心式氯气压缩机内部流场的数值模拟跟其实验研究.doc

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离心式氯气压缩机内部流场的数值模拟跟其实验研究.doc

离心式氯气压缩机内部流场的数值模拟与实验研究离心式氯气压缩机内部流场的数值模拟与实验研究 摘 要 氯碱工业是我国重要的化工原料行业。其技术水平、生产效率、发 展程度与国家经济发展紧密相关。随着我国氯碱行业的快速发展,各种 新技术新设备都在不断发展,起初用于氯气输送的主要设备,纳氏泵, 由于其效率低下、密封易泄露而造成危害与严重的环境污染等缺点,逐 渐被厂家摒弃。如今,离心式压缩机作为压缩、输送氯气的核心部件, 其运行稳定性和效率关系到整个氯碱化工业的生产效率和效益。 提高离心式压缩机组效率及整个系统的稳定性和安全性,可以大大 节约能源,降低成本。目前我国离心式氯气压缩机的效率并未达到先进 水平,仍有可以发展提高的空间。本课题的研究目的旨在在结合实验 运行与数值模拟的基础上,通过分析离心式氯气压缩机内部的流场运 动,设计出更有效的压缩机组,提高离心式氯气压缩机的效率,以达到 节能减耗和安全运行的目的。 本项目设计采用二段二级的结构,在级间设置中间冷却器,以达到 节约能源的效果。对工质为氯气的离心式压缩机的叶轮、扩压器和蜗壳 进行总体气动性能设计,得到设计工况下的压力、速度、温度等性能参 数。在叶轮详细设计中,基于叶轮表面速度最优分布,得到了具有叶片 安装角最优分布的三元叶轮与相应静部件的设计。 为了了解离心式氯气压缩机内部流场的情况,采用商业计算流体软 件 NUMECA 对单级氯气压缩机内部流动进行数值模拟。详细分析了离心 式压缩机内部的速度、压力、温度、马赫数等参数的分布规律,包括对 整个流道的性能分析及叶片的压力面和吸力面上速度、压力分布的分 析。在计算多个不同工况后得到,所设计的工况位于性能曲线中稳定工 况中心区域,并与效率最高点位置接近吻合。为离心式氯气压缩机的设 计、改进优化、效率提高、节能等提供了重要依据。 另外,对离心式氯气压缩机进行现场试验,测量相关性能数据,得 到不同运行条件下,振动、进出口压力、温度和压比等相应参数,表明 该机组运行平稳、高效、可靠。结合该氯气压缩机的数值模拟数据,比 较了相同条件下的计算结果与试验结果,相应的误差来分析对应的可能 存在的原因。经过一系列的数据分析,表明本次设计在效率方面比以往 有较大幅度的提高,满足性能要求,节约了能源,达到了设计的目的。 对于工质为有毒气体的氯气,由于试验时操作运行和设备本身的原 因,因此在实际机组进行性能测试时,选用空气做试验,针对这一特点, 运用不同介质性能相似换算的两个方法,将空气的性能曲线的实验结果 转化为氯气压缩机的实际性能曲线,并与现场试验测试数据比较。结果 表明用保持进出口比容比相等的性能换算方法时,在大流量工况下有 着较大偏差,用保持马赫数相同的性能换算的方法所得到的数据更为可 靠。这对于同一机组使用不同介质时的性能预测具有重要的意义和参考 价值。 关键词氯气压缩机,离心式压缩机,设计方法,数值模拟 NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF CENTRIFUGAL CHLORINE COMPRESSOR ABSTRACT Chlorine-alkali industry is a very important chemical raw material industry in our country. Its technical level, production efficiency and development degree deeply affect economic development in the country. With the rapid development of chlorine-alkali industry, various kinds of new technology and new equipments have been developed highly. Nash pump, which was mainly used for the transportation of chlorine gas in the past, has been replaced gradually for its low efficiency, harmful leakage and serious pollution problems. Today, the centrifugal compressor has become the core part in compressing and transporting chlorine gas. So, its operation stability and efficiency relates to the profit and efficiency in chlorine-alkali industry closely. The centrifugal compressor unit can be used to improve the stability and safety of the whole system. Increase the efficiency of the centrifugal compressor has great significance, which can save the energy and resource highly and also decrease the production cost. This efficiency is not high enough in our country now. It should be still advanced in a certain extent. In this paper, the purpose is to improve the efficiency of chlorine centrifugal compressor through numerical simulation and experimental operation. By analyzing the internal flow of the chlorine centrifugal compressor, a more efficient unit can be designed, which can reach the design demand to save energy and reduce waste. In the paper, the centrifugal compressor, diffuser and volute was designed on the basis of optimal velocity distribution on impeller surfaces for the chlorine compressor. The type with two cases, two stages and internal cooler was designed for the compressor based on the aerodynamic requirement. The 3D impeller was designed with the optimal blade incidence and manufactured by the factory. The physical model of chlorine centrifugal compressor was built. Commercial computational fluid software NUMECA was used to analyze the internal flow of the chlorine compressor. By analyzing the property, including velocity, pressure, temperature and Ma numbers, the whole flow characteristic of the compressor was got. And also, the velocity and pressure distribution on pressure surface and suction surface were got. By computing several different perance conditions, the conclusion was got that the designed condition was in the stable perance range and tightly closed to the highest efficiency point. The analysis provided useful data for the design, improvement, optimization, efficiency improvement and energy saving for the centrifugal compressor. Experiment of the chlorine centrifugal compressor was done in the paper. Perance data, including pressure and temperature of inlet and outlet was got through the experiment. The data showed that the operation was stable and with high efficiency. By combining with experimental data and numerical simulation data, it showed that the design and numerical simulation was correct and reliable. The design improved the efficiency higher than before, which reached the improvement demand. As the chlorine gas is poisonous, sometimes practical experiment and equipment cannot be achieved for its danger. So air was always used as the work medium for a perance experiment. It has important significance that using similar property conversion principle to convert the air perance curve to the chlorine gas perance curve. There are two conversion s. First is based on the same specific volume ratio of inlet and outlet. Second is based on the same Ma number. At last, the data showed that the latter was more reliable than the er , especially for large flow. KEY WORDS chlorine compressor, centrifugal compressor, design analysis, numerical simulation 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 日期 2009 年 2 月 10 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本 人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密,在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 请在以上方框内打“” 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 2009 年 2 月 10 日 日期2009 年 2 月 10 日 上海交通大学硕士论文 第一章 前言 第一章 前言 1.1 课题研究背景 氯碱工业是能源密集型化工原料行业。其产物氯和烧碱广泛应用于化工、农业、轻工业、冶金、电子、医药等与国民息息相关的各个领域。因此,氯碱工业在我国 国民经济中占有重要的地位。其技术水平、生产效率、发展程度与国家经济发展紧 密相关。 随着我国氯碱行业的快速发展,各种新技术新设备都在不断发展,起初用于氯 气输送的主要设备,纳氏泵,由于其效率低下、密封易泄露而造成危害与严重的环 境污染,以及多台并联使用占地面积大、运行不稳定、维修费用成倍增长等缺点, 渐渐被厂家摒弃,取而代之的是氯气压缩机这一新兴设备。离心式氯气压缩机是目 前国内外最先进的压缩、输送氯气的机器[1]。单台离心式氯气压缩机就可以满足满 负荷生产的要求,它克服了以往液环式压缩机多台并联运行的缺点,同时,由于离 心式氯气压缩机采用迷宫式密封装置,使轴封装置构造简单,易损件少,使用寿命 长,更为可靠。在设计容量的允许范围内,离心式氯气压缩机的运行效率远远高于 其他的氯气压缩机,其节能效果是非常显著的。又由于其提高了氯气输出压力,使 得后续的液氮的生产的能耗大大减少,节约能源。 如今,离心式氯气压缩机以其大流量、高效率、操作维护简易的特点广泛应用 于氯碱工业中,亦是整个工艺过程中最关键最核心的高速叶轮旋转机械,因此提高 机组效率、扩大其运行工况范围、提高运行的安全和可靠性,对于节约能源、降低 能耗,增加效益具有重要意义。从离心压缩机在氯碱行业近几年的应用效果来看, 其用于输送氯气的工艺已经很安全可靠,经济效益显著提高。振动噪声以及密封等 问题逐步得到了很好的解决。 德国 Leipzig 公司在 1935 年成功开发了全球第一台离心式氯气压缩机并投入使 用[2][3] ,随着氯碱行业的发展和要求,单机容量不断扩大,从上世纪五、六十年代 起,发达国家诸如美国、德国、法国、日本,也开始研发各种型号的机组以适应不 同产量不同规模的要求。美国在五十年代时生产了其第一台离心式氯气压缩机,随 1 上海交通大学硕士论文 第一章 前言 后将其投入到标准化商品的生产中,并在全国广泛推广使用。法国的拉脱公司生产 了两种带中间冷却器的氯气压缩机并采用迷宫密封装置,也在国际上得到了较大程 度的使用。日本在六十年代时开始使用离心式氯气压缩机,几年间就已有近三十台 机组投入了运行[4]。我国起步较晚,从七十年代末,由锦西化工机械 集团公司、 上海化工研究院、上海天原化工厂等组成研制攻关组进行国产化工作,并于 1975 年 6 月完成第一台氯气压缩机制造[5],该机采用四段四级压缩,适用于年产 10 万吨 级氯碱厂使用。之后,由于我国的中、小型氯碱厂较多,各产家分别开发各种机型, 以满足年产几万吨至十五万吨规模的用户使用要求。 氯气是有剧毒的气体,鉴于氯气的特殊性,对离心式氯气压缩机而言,其密封 方式是极为重要和不可忽略的部分。氯气在被压缩和输送的过程中会产生外泄,而 环境中的湿空气吸入机组内会导致氯气含水增高,进而加剧对机体、叶轮和流道等 部件的腐蚀,甚至产生安全隐患和事故发生的可能性,因此必须对氯气压缩机安装 必要的密封装置。迷宫密封的基本原理是在密封处形成一个流动阻力极大的流道, 一旦有气体漏出,密封装置便会产生与密封结构前后气体压差相等的阻力降来阻止 气体进一步漏出[6]。为了提高密封的效果,一般会加大气流流过密封装置时受到的 阻力,使得在少量气体漏出时便能产生较大的阻力降。迷宫密封具有独特的良好的 密封性能,但单纯的迷宫密封仍会产生少量的泄漏量,因此实际中使用气封和密封 结合的方法,更确保了迷宫密封最大的效能。 图 1-1 德国 KKK 集团 VRZ 氯气压缩机图 Fig.1-1 German KKK VRZ Chlorine Compressor 德国 KKK 集团 VRZ 型压缩机的技术方案为对壳体采用单轴多级水平剖分设 2 上海交通大学硕士论文 第一章 前言 计。如图,所示。其密封方式为采用有三个气室的双迷宫密封,用干燥氮气或仪表 风作为缓冲气。内部的各个气室有压力补偿并连接到吸气侧。通过调节阀门可以来 调整缓冲气的压力。中间的气室将缓冲气与处理气体的混合气排到废气处理。 在离心式压缩机中,气体由吸入室进入,流经叶轮时,叶轮对气体作功,叶轮 的旋转使气体增压,温度提高,同时气体获得速度,而当气体流过叶轮、扩压器等 扩张通道时,气体的流动速度又逐渐减慢,气体动压转变为静压,进而达到气体压 力的提高的目的,压缩机中的弯道和回流器主要起导向作用,目的是使气体流入下 一级继续压缩。气体在经历整个压缩过程后温度升高,对高温下的气体进行压缩, 要消耗更多的功,因此为了减少能量的损耗,在压力较高的离心式压缩机中采用中 间冷却的方式,在两级之间设置中间冷却器,使气体冷却后,成为低温气体再进入 下一级中继续压缩,这样可以大大减少整机能耗,提高效率。 离心式压缩机中旋转叶轮内部流道的形状复杂,其流动实际上是三维的、非定 常的,同时实际流体的粘性作用、静子元件和转子元件相互作用影响,使得叶轮机 械内部流动的时间和空间结构都很复杂。离心式氯气压缩机作为氯碱行业中输送氯 气的核心部件,其技术的进步和效率的提高与整个氯碱行业的高效节能发展有着密 切的联系。因此,对于氯碱行业来说,提高其核心部件氯气压缩机的总体设计、叶 轮与二级匹配的设计水平以及转子稳定性水平都是非常紧迫的任务。一直以来,这 些方面都受到国内外企业界与学术界的关注与重视。 1.2 离心式压缩机内部流动研究现状 离心式压缩机广泛用于机械工业、化工、农业等各个行业,与国民经济密切相 关,因此改进离心式压缩机设计研究和提高离心压缩机技术、效率对节能与能源持 续发展有着重要的意义。 要优化离心压缩机运行性能、提高其效率、扩大工况范围,就需对其内部流动 有深入的研究。 对于离心式压缩机内部的研究方法,主要分为理论分析、实验分析和数值模拟 三个方面。 理论分析是指对叶轮机械内部流动的情况进行本质的物理分析,针对具体现象 建立数学模型,并建立分析理论从中获得求解和说明的方法,理论分析是最早和最 基础的研究方法。1755 年,瑞士数学家 Leonhard Euler 在流体运动的一般原理一书中首先提出对无粘性流体微团应用牛顿第二定律得到的运动微分方程,建立了 3 上海交通大学硕士论文 第一章 前言 叶轮机械中的基本能量方程,欧拉方程,离心压缩机伴随着叶轮机械原理的建立得 到了快速的发展。早期的压缩机的设计简化为一维或二维的运动,吴仲华教授 [7]所 提出的著名 S1、S2 中心流面的理论,对叶轮机械的发展起到了重要的作用,压缩 机流道中复杂的三维流动可以分解为两个接近正交的曲面流动。即平行于轮盖与轮 盘的中间流面 S1 流面和平行于整个流道的叶道中间流面 S2 面。随着这一理论的提 出和发展,压缩机的设计渐渐转向了准三维流动的方向。伴随着一些新兴的数值计 算方法,如流线曲率法,准正交面法等,这些方法有各自的优势和不足,它们都是 在简化条件下进行的计算模型。它们的产生为离心式压缩机的设计发展奠定了重要 的基础。国内外学术界在这些准三维理论的基础上进行了大量的压缩机设计的研 究。70 年代以前, 离心叶轮机械内部流场的数值模拟的流动模型大都基于无粘性的 流体,其对于离心叶轮机械内部流动的数值模拟研究方面具有一定的应用意义,对 当时离心叶轮机械内部流动的研究和设计起到很大的推动作用,无粘流体是一种理 想状态,对于大多数的实际流体而言,其粘性是不可忽略的,因此,仅是无粘流体 的模型已不足以满足实际研究的需求和应用。各种各样考虑粘性模型的方法应运而 生。Lazare Carnot 提出,流体在叶轮机械进口处应沿着叶片进口零攻角进入,并指

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