1000MW火电机组吸收塔脱硫泵设计与理论研究

摘要

本课题是国家科技支撑计划项目“典型离心泵关键技术研究及工程示范应用”课题（项目编号:2011BAF14B00）及江苏省科技支撑（工业）计划项目“火电厂大型系列烟气脱硫吸收塔循环泵关键技术开发与应用”课题(项目编号:BE2011141)的主要研究内容之一。
　　火电机组吸收塔脱硫泵广泛地应用于火电厂、石油、化工等重要行业，火电机组吸收塔脱硫泵的开发及推广应用，对减少火电厂排放的二氧化硫污染，治理环境具有重要的现实意义及显著的经济和社会效益。因此，对火电机组吸收塔脱硫泵的设计方法与理论进行研究，从泵内部流场进行分析，旨在开发出高效的水力模型，提出创新结构设计方案，提高机组的效率及运行的可靠性，为吸收塔脱硫泵优化设计提供依据。主要研究工作及创造性成果有:
　　(1)从设计理论、试验研究、数值仿真计算和综合研究等方面概括论述了目前国内外液固两相流理论与液固两相流泵的研究现状，对叶片机械数值模拟方法研究进行了简要介绍，分析了火电机组吸收塔脱硫泵的发展及趋势。对数值模拟计算所涉及到的不可压缩的粘性流体的纳维-斯托克斯方程进行了分析，研究并选择了模拟计算所需要的数学模型。
　　(2)借助液固两相流泵的设计理论对火电机组吸收塔脱硫泵的设计方法进行了探讨，借鉴速度系数法对2种规格火电机组吸收塔脱硫泵产品进行了创新设计。引入了基于贝塞尔曲线的叶片极大扭曲结构设计方法，极大扭曲叶片减少了能量损失，提高了泵的水力性能;叶轮进口处叶片超长延伸的设计方法提高了泵的效率，降低了运行成本;设计的叶轮背叶片有效平衡了轴向力;脱硫泵的叶轮和泵体之间设计了自动补偿叶轮间隙的装置及叶轮轴向位移调节装置，保证了泵在高效区运行。
　　(3)对TLB600-700型脱硫泵分别进行了以清水为介质的单相流场、以含有石灰石颗粒的溶液为介质的液固两相流场的数值模拟。结果表明，泵内流场的流动规律比较好，验证了水力设计方案的可行性，并预测了输送清水时泵的外特性曲线。分析了输送液固两相流时，颗粒物参数对泵性能的影响，对脱硫泵的主要过流部件进行了分析，预测了叶轮及压水室的主要磨损位置。通过三维非定常数值模拟计算，初步揭示了TLB600-700型脱硫泵内部三维流场由于旋转的叶轮和压水室之间的动静干涉作用引起的压力脉动特性。
　　(4)采用ANASYS软件对2种规格火电机组吸收塔脱硫泵的叶轮进行了流固耦合分析，揭示了脱硫泵叶轮上应力分布密集的区域出现位置，以及叶轮上的变形量最大的位置和形变分布情况。最后，对2种规格火电机组吸收塔脱硫泵样机进行了外特性测试，试验结果表明，采用创新方法设计的2种规格脱硫泵样机设计合理，设计方法可靠，高效率区较宽，额定点效率比国家标准分别提高了3.78个百分点和4.15个百分点。
　　(5)将数值模拟结果与试验结果进行了对比分析，结果表明数值模拟比较准确地反应了泵内流场的流动情况，证明通过试验与数值模拟结合的方法提高火电机组吸收塔脱硫泵效率的可行性，为火电机组吸收塔脱硫泵系列产品的设计开发与理论研究提供了技术支持，大幅度缩短了设计周期，简化了理论计算的繁琐过程。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 液固两相流泵的研究现状

1．2．1 概述

1．2．2 设计理论

1．2．3 试验研究

1．2．4 数值仿真计算

1．2．5 综合研究

1．3 叶片机械数值模拟研究进展

1．3．1 概述

1．3．2 数值模拟方法的发展阶段

1．3．3 数值模拟面临的关键问题

1．4 火电机组吸收塔脱硫泵的发展现状

1．5 控制方程与湍流模型

1．5．1 Navier-Stokes方程

1．5．2 湍流时均N-S方程

1．5．3 封闭问题及湍流模型

1．5．4 多相流模型

1．5．5 壁面函数法

1．6 主要研究工作

第二章 火电机组吸收塔脱硫泵的设计

2．1 设计方法

2．2 火电机组吸收塔脱硫泵的技术参数

2．3 火电机组吸收塔脱硫泵的水力设计

2．3．1 叶轮的水力设计

2．3．2 压水室的水力设计

2．4 火电机组吸收塔脱硫泵的结构设计

2．4．1 叶片极大扭曲结构设计

2．4．2 叶片进口延伸及背叶片的设计

2．4．3 压水室结构设计

2．4．4 机械密封及密封腔的设计

2．4．5 双流道压水室隔板的设计

2．5 本章小结

第三章 TLB600-700型脱硫泵定常数值模拟

3．1 数值模拟方法

3．2 全流场三维模型及网格划分

3．2．1 三维模型

3．2．2 网格生成

3．2．3 网格无关性研究

3．3 单相流场数值模拟

3．3．1 流场初始参数设定

3．3．2 单相速度场

3．3．3 单相压力场

3．3．4 CFD性能预测

3．4 两相流场数值模拟

3．4．1 两相流动基本条件假设

3．4．2 固相绝对速度分布

3．4．3 固相体积分数分布

3．4．4 颗粒物化参数对泵性能的影响

3．4．5 过流部件磨损分析

3．4．6 性能预测与对比

3．5 本章小结

第四章 TLB600-700型脱硫泵压力脉动特性

4．1 非定常计算初始条件

4．2 压水室压力脉动分析

4．3 叶轮压力脉动分析

4．3．1 叶片工作面

4．3．2 叶片背面

4．4 流量对压力脉动的影响

4．5 本章小结

第五章 火电机组吸收塔脱硫泵流固耦合分析

5．1 流固耦合求解基础

5．1．1 求解方法

5．1．2 计算的实现过程

5．1．3 叶轮实体网格

5．2 TLB350-560型脱硫泵流固耦合分析

5．2．1 叶轮等效应力

5．2．2 叶轮应变

5．3 TLB600-700型脱硫泵流固耦合分析

5．3．1 叶轮等效应力

5．3．2 叶轮应变

5．4 叶轮校核

5．5 本章小结

第六章 火电机组吸收塔脱硫泵的试验研究

6．1 试验方法与设备

6．2 试验结果分析

6．2．1 试验现场

6．2．2 试验结果

6．2．3 分析与讨论

6．2．4 同类产品技术指标对比

6．3 脱硫泵节能减排效益分析

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 研究总结

7．2 研究展望

参考文献

作者在攻读博士学位期间取得的相关科研成果

致谢