烟气脱硫吸收塔循环泵内部流场分析及结构应力特性研究

摘要

本课题属于国家科技支撑计划项目《工业流程泵输送系统关键技术及运行节能策略》(2011BAF14B02)中“大型烟气脱硫吸收塔循环泵”课题的研究内容之一。
　　 电力行业作为燃煤大户，是SO2减排的主战场，火电厂脱硫自然成为我国控制大气污染的关键，石灰石/石膏湿法脱硫是应用最广泛的脱硫技术，烟气脱硫吸收塔循环泵作为火电厂石灰石/石膏湿法脱硫装置的关键设备，因此，对烟气脱硫吸收塔循环泵的内部流场与结构应力特性研究，以确保该产品稳定、可靠、高效地运行，对于火电厂节能减排和环境保护具有重要的意义。
　　 本文在借鉴前人的方法及经验的基础上，主要研究工作总结如下:
　　 1.简要介绍了固液两相流泵的研究现状，流固耦合力学在流体机械中的应用与研究进展，总结了烟气脱硫吸收塔循环泵的应用和发展情况。
　　 2.对烟气脱硫吸收塔循环泵输送清水介质时的内部流场进行了三维定常数值模拟，分析了泵在不同流量下不同截面的速度场、压力场和湍动能的分布规律。通过对烟气脱硫吸收塔循环泵在设计工况下输送清水时的内部流场的三维非定常数值模拟，得到了叶轮转动不同时刻的静压分布图，揭示了叶轮在旋转时和蜗壳之间的相互作用是产生非稳定性流动的原因;通过对设计工况下泵内监测点的压力脉动进行时域和频域分析，为整个泵的稳定性分析提供一定的参考。
　　 3.在水泵试验台上对模型泵进行了试验，得到了泵的外特性能曲线，试验结果和数值计算结果进行对比分析:模型泵外特性试验值与定常、非定常计算的外特性值变化趋势一致，但是存在一定的偏差;在设计工况下，非定常计算的扬程偏差为+3.15m，效率偏差为-2.99％，定常计算扬程偏差为+3.13m，效率偏差为-2.40％，对于本研究的模型泵外特性预测而言，定常计算预测值就可以满足要求。
　　 4.对烟气脱硫吸收塔循环泵输送石灰石/石膏溶液时的内部流场进行了三维定常数值模拟，分析了固相颗粒直径、固相颗粒密度、固相体积浓度、工况的变化对泵内速度场和压力场的影响，初步揭示了烟气脱硫吸收塔循环泵内部固液两相流场随固相颗粒直径、固相颗粒密度、固相体积浓度、工况的改变的变化规律。分析了烟气脱硫吸收塔循环泵在不同固相颗粒直径、固相颗粒密度、固相体积浓度、流量时泵内固相颗粒在叶轮流道和蜗壳内的分布情况以及固相颗粒的运动轨迹，总结归纳了烟气脱硫吸收塔循环泵的磨损规律，并对泵的磨损部位进行了预测，通过预测结果与实际运行后情况的比对分析，为泵的抗磨设计提供一定的参考。
　　 5.分析了烟气脱硫吸收塔循环泵叶轮背叶片在平衡轴向力和密封方面的作用，通过数值模拟研究了叶轮背叶片对泵性能的影响，叶轮设有背叶片的泵扬程比叶轮无背叶片的泵扬程大约提高1％～4％，但泵的效率下降了2％～3％。
　　 6.研制出了一种新型材料M26-23V合金钢，应用于制造烟气脱硫吸收塔循环泵的叶轮。利用ANSYSWorkbench软件，对烟气脱硫吸收塔循环泵的内部流场和结构场进行单向流固耦合计算，对叶轮进行应力、应变分析，并对泵的强度进行校核，为泵的结构优化、设计和可靠性分析提供一定的参考。