立式导叶蜗壳式离心泵反转能量回收特性分析.pdf

2023.6大 电 机 技 术立式导叶蜗壳式离心泵反转能量回收特性分析李姝静1,2,郭思凡1,2,张方芳1,2,陶 然1,2,肖若富1,2(1.中国农业大学水利与土木工程学院,北京 100083;2.北京市供水管网系统安全与节能工程技术研究中心,北京 100083)摘 要 立式离心泵反转可作能量回收,利用水力机械的可逆性,实现电网的调节和碳排放的降低。泵工况与水轮机工况运行存在差异,是反转能量回收需要明确的一点。本文旨在模型实验的基础上,引用湍流控制方程,进行以计算流体动力学(CFD)为基础的分析,将泵工况与水轮机工况性能模拟结果、过流部件水力损失、流动能量损失评估方法进行对比,得到在不同水轮机工况与泵工况下的工作特点规律,以此来讨论立式导叶蜗壳式离心泵反转能量回收的特性,并且评估反转能量回收的可行性。结果表明,水轮机工况(反转)的高效区对应流量比泵工况略大。泵工况水力损失以叶轮出口和导叶为主,水轮机工况则以叶轮和尾水管为主。本研究可对水力机械反转能量回收技术提供进一步科学支持。关键词 离心泵;蓄能泵;能量损失;流动分析中图分类号 TH311 文献标志码 A 文章编号 1000-3983(2023)06-0021-08Analysis of Reverse Energy Recovery Characteristics of Vertical Guide Vane Volute Centrifugal PumpLI Shujing1,2,GUO Sifan1,2,ZHANG Fangfang1,2,TAO Ran1,2,XIAO Ruofu1,2(1.College of Water Resources and Civil Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China;2.Beijing Engineering Research Center of Safety and EnergySaving Technology for Water Supply Network System,Beijing 100083,China)Abstract:Vertical centrifugal pump inversion can be used for energy recovery,using the reversibilityof hydraulic machinery to achieve power grid regulation and reduce carbon emissions.There is adifference between pump and water turbine operating conditions,which is a point that needs to beclarified for reversing energy recovery.Based on the model experiment,this paper uses the governingequation of turbulence to conduct the analysis based on computational fluid dynamics(CFD),andcompares the performance simulation results of pump working conditions and water turbine workingconditions,the hydraulic loss of the passing parts and the evaluation methods of flow energy loss,soas to obtain the working characteristics and rules under different turbine working conditions and pumpworking conditions.This paper discusses the characteristics of reverse energy recovery of verticalguide vane volute centrifugal pump and evaluates the feasibility of reverse energy recovery.Theresults show that the corresponding flow rate in the high efficiency zone of the turbine condition(inversion)is slightly larger than that in the pump condition.The hydraulic loss is mainly to impelleroutlet and guide vane under pump condition,while impeller and tailpipe under turbine condition.This study can provide further scientific support for the energy recovery technology of hydraulicmachinery reversal.Key words:centrifugal pump;storage pump;energy loss;flow analysis基金项目:国家自然科学基金(51909131);流体及动力机械教育部重点实验室开放基金(LTDL-2022009)0 前言立式导叶蜗壳式离心泵是大型调水工程当中常用的泵型,兼具大流量、高扬程、高效率和良好的稳定性1-2。在“碳达峰、碳中和”目标提出的今天,能量回收与储存变得至关重要。由于水力机械的运行具有可逆性,利用水力机械反转发电成为能量回收的一种有效方式3。大型调水工程已经拥有建设完善的上12立式导叶蜗壳式离心泵反转能量回收特性分析2023.6水库与下水库,立式导叶蜗壳式离心泵逆向运行,可以实现能量回收即发电。这一功能可以与不稳定的风电、太阳能发电、潮汐能发电等结合起来,提高电网的稳定性4-5。众所周知,大型立式水泵的结构,与水力发电装备即水轮机类似。但在水轮机的设计中,一般用活动导叶来实现流量的控制与流动的引导6-7。这在大型立式水泵的设计当中不太常见。从结构角度上来看,大型立式水泵反转能量回收,类似于一台没有活动导叶控制的水轮机。其综合运行特性、高效区分布、能量损失特点等还有待深入分析和讨论。许多学者对泵反转能量回收进行了一系列研究。张校文等人8在轴流泵水力模型机组上开展反转水动力特性研究,实验分析反水泵工况、反向发电工况下的能量特性和内流特性。赵万勇等人9在 SM73-80-11 型离心泵机组上开展蜗壳形状影响研究,实验表明环形蜗壳相比于螺旋形蜗壳,透平回收效率低,透平运转稳定性高。杨军虎等人10在单级单吸蜗壳式离心泵模型上开展黏性介质下泵反转透平研究,计算表明机组能量性能具有介质黏度增加,最优效率点偏移向大流量工况的特点。史广泰等人11在单级单吸离心泵模型上进行研究,计算发现导叶有利于减少水力损失,提高液体透平最优工况的效率,且含气率越低提升越高。在研究泵反转时,能量损失特性是一项重要的特性。利用熵产率分析来评估能量损失,是目前水力机械领域较为常见的做法。根据热力学第二定律,流体能量损失呈现不可逆性,损失的能量将转化为内能。因此熵产率的可视化分析,有助于了解流动能量损失的具体区域。一些学者对此开展了针对性的研究。Esfahani 等人12研究了管道绝热流中的熵产生,通过与实验数据的比较,验证了数值结果的正确性。Yoon等人13分析了汽轮机中不同位置的熵产率,确定了能量损失较为显著的区域。VanZante 等人14使用不可逆性的概念来分析压缩机的损失,考虑可压缩性的基础上,明确了能量如何损失耗散。Li 等人15研究了水力机械尾水管内部的流动及其引起的能量损失与耗散,证明了流动状态与能量损失的关联。本文在模型实验的基础上,讨论立式导叶蜗壳式离心泵反转能量回收的特性,利用熵产率分析明确不同部件的损失情况,评估反转能量回收的可行性和工作特点规律,为相关工程提供技术支持。1 研究对象研究对象为立式导叶蜗壳式离心泵模型。该泵的实际尺寸是模型机的 5.71 倍。模型机的相关参数如下:叶片数为 7 片,导叶数为 15 片,叶轮前盖板侧叶轮前缘半径为 140mm,叶轮出口半径为 200mm,叶轮出口宽度为 58mm,设计流量 Qd为 0.297m3/s,设计扬程 Hd为 24m,流量数值模拟范围在 0.8Qd1.2Qd之间。额定转速 nd为 1200r/min,比转速相关计算公式如式(1)所示:nq=ndQdH3/4d(1)本研究中,比转速 nq为 81.70。如图 1 所示,定义 X-Y-Z 的笛卡尔坐标系,X 方向为蜗壳进出水方向,Z 方向为叶轮转轴方向,Y 方向垂直于 X-Z 面。图 1 立式导叶蜗壳式离心泵流域模型2 研究方法2.1 湍流控制方程本研究中,计算流体动力学(CFD)用于模拟机组的性能以及内部的流动情况。本研究采用雷诺时均法(RANS),需要引入湍流模型来进行方程的封闭。本研究 中,采 用 基 于 重 整 化 群 方 法 的 RNG k-模型16-19。此模型在形式上与标准 k-模型相似,且考虑了旋转曲率对湍流的影响,可有效描述主流的时均应变率,对于具有旋转弯曲流道的流动具有更好的性能20。其湍流动能 k 方程与耗散率 方程如下:t(k)+xi(kui)=xjkeffkxj+Gk+Gb-YM(2)t()+xi(ui)=xjeffxj+C1k(Gk+C2Gb)-C12k-R(3)式中各项又有:eff=+t(4)222023.6大 电 机 技 术t=k2C(5)R=C3(1-/0)1+32k(6)式中,t 为流动时间;为流体密度;i,j 分别代表笛卡尔坐标系的三个方向;xi,xj分别代表笛卡尔坐标系的三个坐标轴;k 为湍动能;为耗散率;Gk表示由平均速度梯度引起的湍动能生成项;Gb是由浮力引起的湍动能生成项;YM代表可压缩性引起的湍动能耗散项;eff为等效黏性系数;为分子黏性系数;t为湍流黏性系数;C1、C2、C3、C是模型系数,为常数,可根据所选模型的不同进行取值;和 k为有效普朗特数的倒数。式中相关系数取值为:=Sk/,0=4.38,C=0.0845,=0.012,C1=1.42,C2=1.68,k=1.0,=0.769。2.2 CFD 设置本研究进行以计算流体动力学(CFD)为基础的分析,该分析以图 1 为计算域。计算域分为进水管、叶轮、导叶、蜗壳四个主要部分21,各部分分别进行建模与网格划分。进水管的进口给定为流量进口边界,基于具体工况决定流量值。蜗壳的出口给定为压力出口边界,给定静压值以确保流体正常流出边界。其余固壁面采用无滑移壁面边界形式。分析流动时采用包括旋转参考系、静止参考系在内的多参考系模型,其中叶轮部分为旋转参考系,其他部分为静止参考系。为实现数据在不同计算域间的传递,不同域之间采用交界面的方式连接。在进行定常计算时,迭代次数最大为 500 步,收敛判据为动量方程和连续性方程的均方根残差小于 0.00001。进行非定常计算时,按照相同判据计算 5 个转轮周期,每一转轮周期计算360 个时间步,每一时间步迭代范围在 3 10 次之间,包含 3 次与 10 次。取最后一周期平均值为能量特性的值,取最后一时刻分析具体流动状态。在进行 CFD 计算时,为平衡精度与计算消耗,采用网格收敛性(GCI)方法对网格进行误差分析22。考察在网格数量 N1=257.6 万、N2=601.2 万、N3=1359.5 万时的三种情况下,三套网格的外推值 与网格收敛指数 GCI 的数值大小,所得结果见表 1。其中网格数量 N2=601.2 万时的方案,误差满足一般要求,因此选定为最终方案,如图 2 所示。表 1 网格收敛性分析结果N1N2N3123GCI32fine/%GCI21fine/%257638760125541359466321.9321.2421.350.7460.133图 2 立式导叶蜗壳式离心泵网格方案示意图2.3 试验方案试验台及装置示意图如图 3 所示,该水力机械闭式试验台用于测量收集泵包括流量 Q、扬程 H、效率 在内的能量性能参数。测量时,利用电磁流量计测量流量 Q 的相关参数,该流量计的误差小于等于2%。利用公式(7)计算扬程 H,其中 p1为进口处压力值,p2为出口处压力值,利用压力表分别测量 p1与p2的值,该压力表误差小于等于 0.1%。利用公式(8)计算效率,其中 M 为所测目标泵的轴功率,利用误差小于等于 0.1%的功率计进行测量。因此,功率 P 通过对旋转角速度 的测量和对叶轮扭矩 M的测量,通过公式(9)计算可得。H=p2-p1g(7)=(p2-p1)QM(8)P=M(9)基于上述方式,可对泵的能量特性进行测试,并可针对性分析流量-扬程、流量-效率等重要参数。32立式导叶蜗壳式离心泵反转能量回收特性分析2023.6图 3 立式导叶蜗壳式离心泵的试验台与装置简图3 研究结果3.1 泵工况试验结果分析基于图 3 所示试验台与装置,对机组工作在泵工况下的特性进行了测试,得到数据如图 4 所示。图 4包含 CFD 数值模拟获得的流量扬程 Q-H 曲线与流量效率 Q-曲线,可以看出在流量扬程 Q-H 曲线中,随着流量 Q 的增加,扬程 H 逐渐下降,两者呈现单调递减的规律,反映了离心泵扬程(增压)性能的特点;在流量效率 Q-曲线中,随着流量 Q 的上升,效率 先小幅上升,再逐渐下降,降幅缓慢增加。最高效率出现在流量约为 0.26 0.28m3/s 的范围内,高效率区范围较宽,最高效率接近91%。基于图3 所示试验装置,对机组工作在水轮机工况下的特性进行测试,得到该工况下的特性数据。在泵工况下,流量-扬程特性曲线单调递减,效率随流量增大先增后减,最高效率约为 91.0%,高效区约覆盖 0.256 0.291m3/s 的范围,如图 4 所示。图 4 泵工况测试数据3.2 泵工况与水轮机工况性能模拟结果对比为了进一步探究立式离心泵反转回收能量的特性,基于计算流体动力学数值模拟,将机组在泵工况下的特性数据与水轮机工况下的特性数据进行对比分析。图 5 为两种工况下机组的流量-扬程(水头)性能数据。泵工况下扬程(水头)H 随流量 Q 的增加而单调递减,变化的趋势与图 4 实验所测数据在相同流量范围内吻合。水轮机工况下扬程(水头)H 随流量 Q的增加而单调递增,两者趋势正好相反。按相同流量给定边界条件进行对比,泵工况的扬程(水头)H 数值始终小于水轮机工况,并且随着流量 Q 的增加,扬程(水头)H 的差值逐渐增大。图 6 为两种工况下机组的流量-效率性能数据。泵工况下,随流量 Q 的增加,效率 的变化较为平缓,变化的趋势与图 4 实验所测数据在相同流量范围内吻合,最大数值模拟效率约为92.8%,高效区覆盖 0.240 0.280m3/s 的范围。水轮机工况下随流量 Q 的增加,效率 先逐渐上升,再平缓变化,最大数值模拟效率约为 91.0%,最高效率出现在流量约为 0.280 0.340m3/s 范围内。泵工况的效率 始终高于水轮机工况,这与机组按水泵设计相关。图 5 扬程性能分析图 6 效率性能分析422023.6大 电 机 技 术3.3 泵工况与水轮机工况过流部件水力损失为进一步研究立式离心泵不同部件的能量回收特性,分别统计泵工况下蜗壳、导叶、进水管/尾水管三个部件在不同流量下的水力损失数值,结果如图 7所示。然后,分别统计水轮机工况下蜗壳、导叶、进水管/尾水管三个部件在不同流量下的水力损失数值,结果如图 8 所示。图 7 泵工况过流部件水力损失图 8 水轮机工况过流部件水力损失 对泵工况与水轮机工况下的数值进行比较分析。其中泵工况下,进水管/尾水管的水力损失整体数值最小,导叶的水力损失整体数值最大。在流量的变化0.22 0.34m3/s 范围内,蜗壳的泵工况水力损失由0.478m 减少到 0.209m 再增加到 0.309m,由此在一定范围内,随着流量的增加,蜗壳的泵工况水力损失先减少后增加;导叶的泵工况水力损失从 1.029m 减少到 0.492m 再增加到 0.531m,由此,在一定范围内,随着流量的增加,导叶的泵工况水力损失先减少后增加;进水管/尾水管的泵工况水力损失从 0.018m增加到 0.038m,由此在一定范围内,随着流量的增加,进水管/尾水管的水力损失增加,增加较为缓慢。水轮机工况下,蜗壳的水力损失整体数值最小,进水管/尾水管的水力损失整体数值最大。蜗壳的水力损失随流量 Q 的增加而单调递增,变化幅度较小。导叶与进水管/尾水管的水力损失随流量 Q 的增加呈先减小,后增加的趋势。导叶最低水力损失出现在流量约为 0.24 0.28m3/s 范围内,进水管/尾水管最低水力损失出现在流量约为 0.26 0.3m3/s 范围内。进水管/尾水管的水力损失变化量整体大于导叶。3.4 流动能量损失评估方法基于热力学第二定律,流动能量(机械能)的损失将会转变为内能的上升,通过熵产率可以评估流动能量 损 失 的 情 况23-26,其 中 包 含 4 个 部 分 如 公式(10)公式(13)所示:SPD-=T2u-x()2+v-y()2+w-z()2+u-y+v-x()2+u-z+w-x()2+v-z+w-y()2(10)SPD=T2ux()2+vy()2+wz()2+uy+vx()2+uz+wx()2+vz+wy()2(11)SPC-=tT2Tx()2+Ty()2+Tz()2(12)SPC=tT2 T x()2+T y()2+T z()2(13)式中,x、y、z 为坐标系;“-”表示时均项,“”表示脉动项;u、v、w 分别为 x、y、z 方向上的速度分量;T 为温度;为动力黏度;t为热传导率。其中,SPD-与 SPC-分别为速度变化引起的和温度变化引起的能量损失的平均项,SPD与SPC分别为速度变化引起的和温度变化引起的能量损失的脉动项。4 项之和为总的流动能量损失 SP,即:SP=SPD-+SPD+SPC-+SPC(14)3.5 流动能量损失评估结果基于流动能量损失评估方法,在机组内部建立两个典型参考位置(如图 9 所示)进行可视化云图分析。其中,截面 1 为机组纵截面,便于观察尾水管进入叶轮的流动;截面 2 为导叶和蜗壳的横截面加叶轮中间流面,便于观察动静叶片之间的流动。图 10 为泵工况流动能量损失可视化云图,从图中看出,泵工况为 0.22m3/s 时,叶轮叶片出口处能量损失较大,相邻的导叶内部也出现强度中等的能量损失。当泵工况为 0.28m3/s 时,叶轮内和导叶内的52立式导叶蜗壳式离心泵反转能量回收特性分析2023.6能量损失都有所降低。当泵工况为 0.34m3/s 时,损失主要集中在叶轮叶片出口附近。泵工况下,蜗壳和尾水管的能量损失较低。图 9 可视化分析参考位置图 10 泵工况流动能量损失可视化云图图 11 为水轮机工况下流动能量损失的可视化云图。水轮机工况 0.22m3/s 时,流动能量损失集中在叶轮部分。随着流量的增加,水轮机工况 0.28m3/s时,叶轮内部流动能量损失较强的区域范围大幅缩小,但尾水管泄水锥出现中等强度损失。水轮机工况流量为 0.34m3/s 时,叶轮内部能量损失范围再次较大,但小于 0.22m3/s 时。尾水管内部尤其泄水锥处的损失加剧。图 11 水轮机工况流动能量损失可视化云图622023.6大 电 机 技 术4 结论本文分析讨论了立式离心泵反转能量回收的相关特性,为现有泵机组回收能量、降低碳排放提供支持,得到结论如下:(1)泵工况的扬程 H 数值大多数小于水轮机工况,泵工况的效率 始终高于水轮机工况。泵工况下扬程 H 随流量 Q 的增加而单调递减,水轮机工况下扬程 H 随流量 Q 的增加而单调递增,随着流量 Q 的增加,两种工况下扬程 H 的差值逐渐增大;泵工况下,随流量 Q 的增加,效率 的变化较为平缓。水轮机工况下随流量 Q 的增加,效率 先逐渐上升,再平缓变化。(2)泵工况下,随着流量的增加,蜗壳和导叶的水力损失先减少后增加,进水管/尾水管的水力损失增加,增速较为缓慢;水轮机工况下,蜗壳的水力损失随流量的增加而单调递增,变化幅度较小。导叶与进水管/尾水管的水力损失随流量 Q 的增加呈先减小,后增加的趋势。(3)泵工况水力损失以叶轮出口和导叶为主,水轮机工况则以叶轮和尾水管为主。泵工况下,随着流量的上升,能量损失向叶轮叶片出口处集中,叶轮内和导叶内的能量损失逐渐降低,蜗壳和尾水管的能量损失较低;水轮机工况下,随着流量的增加,叶轮内部流动能量损失较强的区域先减小,后增加,尾水管泄水锥处损失加剧。参 考 文 献1 刘厚林,华旭辉,马皓晨,等.蜗壳断面面积变化规律对离心泵性能的影响J.中国农村水利水电,2022(3):163-167,173.2 曾永顺,张世杰,陶然,等.叶轮与导叶匹配关系对立式离心泵水力特性影响的实验研究J.水利学报,2022,53(2):212-219.3 汪程鹏,管洪,王生辉,等.基于国内专利分析的能量回收透平装置研发进展J.中国发明与专利,2020,17(7):49-55.4 董玉辉,梁君亮.风电/光伏发电接入电网的电压稳定及控制分析J.中国新技术新产品,2022(5):68-70.5 Xu B,Chen D,Venkateshkumar M,et al.Modeling a pumped storage hydropower integratedto a hybrid power system with solar-wind power andits stability analysisJ.Applied Energy,2019,248:446-462.6 Binama M,KanK,ChenH,etal.Flowinstability transferability characteristics within areversible pump turbine(RPT)under large guidevane opening(GVO)J.Renewable energy,2021,179:285-307.7 李延频,温梓斌,张自超,等.水轮机模式液力透平流道式导叶的优化J.水力发电学报,2020,39(11):112-120.8 张校文,汤方平,张文鹏,等.轴流泵装置反转水动力特性研究J.农业机械学报,2022,53(8):163-172.9 赵万勇,马得东,史凤霞,等.蜗壳形状对液力透平压力脉动影响的研究 J.流体机械,2020,48(11):25-31.10 杨军虎,罗钰铜,马琦航,等.黏性介质下泵反转作透平的换算关系 J.甘肃科学学报,2020,32(3):84-89,100.11 史广泰,彭家文,李金,等.基于气液两相的导叶对液力透平内部流动规律的影响J.热能动力工程,2021,36(3):48-54.12 Esfahani J A,Modirkhazeni M,Mohammadi S.Accuracy analysis of 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k-模型模拟旋风分离器内的强旋流动J.石油学报(石油加工),2010,26(1):8-13.21 杨敏官,张宁,李忠,等.基于 CFD 的离心泵侧壁式压水室优化设计J.江苏大学学报(自然科学版),2013,34(1):28-32.22 康顺,石磊,戴丽萍,等.CFD 模拟的误差分析及网格收敛性研究 J.工程热物理学报,2010,31(12):2009-2013.23 张永学,侯虎灿,徐畅,等.熵产方法在离心泵能耗评价中的应用J.排灌机械工程学报,2017,35(4):277-282.24 赵凯尧,刘厚林,杜振明,等.基于熵产的旋流泵流动损失特性分析J.排灌机械工程学报,2021,39(12):1284-1290.25 王松岭,张磊,叶学民,等.基于熵产理论的离心风机性能优化 J.中国电机工程学报,2011,31(11):86-91.26 李任飞,李海军,刘振龙,等.六喷嘴冲击式水轮机的飞逸特性研究J.节能技术,2022,40(2):149-153.收稿日期 2023-04-10作者简介李姝静(2003-),中国农业大学能源与动力工程专业本科在读,主要研究方向为水力机械流动分析。陶然(1990-),2018 年 6 月毕业于中国农业大学流体系水机专业,获得工学博士学历,现从事水力机械内部流动分析与优化设计研究工作,副教授。(通讯作者)82