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      爆炸0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場模擬及試驗(yàn)研究

      2021-06-15 09:53:14程龍軍
      流體機(jī)械 2021年5期
      關(guān)鍵詞:阻火器輪盤圓弧

      程龍軍

      (中國石油化工股份有限公司 青島安全工程研究院,山東青島 266071)

      0 引言

      爆炸性危險(xiǎn)區(qū)域主要以爆炸物質(zhì)在這一危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間來劃分。除煤礦外,我國的防爆危險(xiǎn)區(qū)域分成爆炸性氣體區(qū)域和可燃性粉塵區(qū)域,爆炸0區(qū)指連續(xù)出現(xiàn)或長期出現(xiàn)爆炸性氣體或粉塵的環(huán)境,如:儲罐液面以上空間、罐區(qū)內(nèi)氣體管道和碼頭船岸對接管道等場合。爆炸1區(qū)指在正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)爆炸性氣體或粉塵混合物的環(huán)境,爆炸2區(qū)指在正常運(yùn)行時(shí)不可能出現(xiàn)爆炸性氣體或粉塵混合物的環(huán)境,或即使出現(xiàn)也僅是短時(shí)存在的爆炸性氣體或粉塵混合物的環(huán)境[1]。符合0區(qū)防爆要求的設(shè)備可以用到1區(qū)或2區(qū)場所,1區(qū)設(shè)備可以用到2區(qū)場所,反之則不行。因此,爆炸0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)與其他風(fēng)機(jī)要求不同,除了要求風(fēng)機(jī)中用電設(shè)備如電機(jī)、溫度傳感器、壓力傳感器和振動傳感器等具備電氣類防爆以外,風(fēng)機(jī)內(nèi)部要求非電氣防爆認(rèn)證,排除高溫?zé)岜砻?、摩擦火花和靜電火花出現(xiàn)的可能性。為此,爆炸0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)需采用機(jī)殼內(nèi)無火花設(shè)計(jì),配置防爆電機(jī),葉輪機(jī)殼剛性設(shè)計(jì)以具備抗爆炸沖擊能力,同時(shí)要求風(fēng)機(jī)出入口配備阻火芯或阻火器[2]。因此,0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)流場計(jì)算需要考慮出入口阻火器對流場產(chǎn)生的影響,同時(shí)葉輪應(yīng)力應(yīng)滿足小于2/3材質(zhì)應(yīng)力要求[3]。

      本研究為碼頭船岸安全界面管道使用的0區(qū)防爆風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)要求:流量1 500 m3/h,工作轉(zhuǎn)速3 000 r/min,以及總壓要求達(dá)到12 kPa以上,出入口管道直徑200 mm。

      1 阻火器流場分析

      阻火器是用來阻止易燃?xì)怏w和易燃液體蒸汽的火焰蔓延的安全裝置。一般安裝在輸送可燃?xì)怏w的管道中,或者通風(fēng)的槽罐上,阻止傳播火焰(爆燃或爆轟)通過的裝置,由阻火芯、阻火器外殼及附件構(gòu)成[4-5]。

      本文選取商用阻火器為建模對象,阻火器出入口尺寸為DN200,利用物理場仿真計(jì)算軟件建立阻火器模型,邊界條件為:入口流速13.26 m/s,湍流強(qiáng)度 0.035 4,湍流長度 0.014 m[6]。

      圖1 0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of zone 0 explosion-proof fan

      采用k-ε湍流模型[7],計(jì)算得到不同阻火器流量下壓降值,結(jié)果如圖2所示。與阻火器性能參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)模擬計(jì)算值與性能參數(shù)數(shù)據(jù)吻合度較高,最大相差為4.3%,目標(biāo)流量1 500 m3/h時(shí)相差最小,只有0.07%,由此可見阻火器計(jì)算模型能夠表征阻火器的實(shí)際流場。

      圖2 阻火器流量與壓降關(guān)系Fig.2 Relation diagram of flame arrestor flow rate vs.pressure drop

      1.1 阻火器壓力分布

      圖3示出了1 500 m3/h時(shí)阻火器壓力分布。從圖可看出:阻火器對流動產(chǎn)生壓阻,壓阻值為525.41 Pa;壓力最大值位于入口阻火盤面上,壓力值為632 Pa;壓力最小值位于出口管道壁面上,壓力值為-108 Pa。

      圖3 阻火器壓力分布Fig.3 Flame arrestor pressure distribution

      1.2 阻火器速度分布

      圖4示出了流量為1 500 m3/h時(shí)阻火器速度分布。由圖可看出,阻火器出口流場速度分布不均勻,速度最大值位于出口管道與阻火器交界處,速度值為23.3 m/s,速度最小值位于入口管道與阻火器交界處,最小值為0.23 m/s。

      圖4 阻火器速度分布Fig.4 Velocity distribution of flame arrestor

      1.3 阻火器湍流動能分布

      圖5示出了流量為1 500 m3/h時(shí)阻火器湍流動能分布。從圖可見,出口管道湍流動能大大增加,最大值達(dá)到17.87 m2/s2,表明阻火器出口湍流強(qiáng)度增強(qiáng)。

      圖5 阻火器湍流動能分布Fig.5 Distribution of turbulent kinetic energy of flame arrestor

      綜上所述,流體經(jīng)過阻火器后速度、壓力以及湍流動能已發(fā)生改變,為此0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮阻火器帶來的流場影響。

      2 風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場分析

      為對比不同葉輪型式對風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的影響,本研究分析對比直葉輪及圓弧葉輪2種型式的輪盤,建立0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)計(jì)算模型,出入口設(shè)置阻火器,如圖6所示。

      圖6 直葉輪與圓弧葉輪0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)模型Fig.6 Zone 0 explosion-proof fan models with straight impeller and circular impeller

      風(fēng)機(jī)葉輪幾何參數(shù):葉輪葉片進(jìn)口直徑D1=280 mm,出口直徑D2=830 mm,葉片進(jìn)口寬度b1=50 mm,出口寬度b2=29 mm,厚度δ=5 mm,葉片個(gè)數(shù)Z=13。

      2.1 流場模型與邊界條件

      本研究風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[8-12]。

      式中 k ——湍動能,m2/s2;

      μt——湍流黏性系數(shù),Pa·s;

      Gk—— 由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能,m2/s2;

      ε ——耗散項(xiàng),m2/s3;

      Cμ,C1ε,C2ε,σε,σk—— 常數(shù),分別取 0.09,1.44,1.92,1.3,1.0。

      湍流動能Gk是湍流強(qiáng)度的度量,與邊界層的動量及流體的運(yùn)動有關(guān),是流體穩(wěn)定性的標(biāo)志[13]。

      湍流動能是速度方差之和除以2,定義為:

      根據(jù)風(fēng)機(jī)流量要求,設(shè)置風(fēng)機(jī)入口速度為13.26 m/s,入口氣流方向?yàn)檩S向,入口溫度為293 K。

      入口湍流強(qiáng)度:

      入口湍流長度:

      式(5)中 v=13.26 m/s,d=0.2 m,ρ=1.19 kg/m3,η =17.9×10-6Pa·s,計(jì)算可得湍流強(qiáng)度 I=0.035 3,湍流長度L=0.014 m。絕熱固體壁面給定無滑移條件,輪盤設(shè)置動網(wǎng)格。

      2.2 速度分布分析

      直葉輪和圓弧葉輪風(fēng)機(jī)在工作流量為1 500 m3/h,轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)的速度分布情況如圖7,8所示。從圖7可看出,直葉輪最大速度為139.5 m/s,位于離風(fēng)機(jī)出口最近葉輪邊緣處,直葉輪風(fēng)機(jī)輪心位置左上角速度明顯分布不均勻,速度差在40~50 m/s,且每根直葉輪尾部速度較高,從直葉輪輪心到葉輪尾部速度變化較大。從圖8可看出,圓弧葉輪最大速度為167.14 m/s,同樣位于離風(fēng)機(jī)出口最近葉輪邊緣處,圓弧葉輪輪心速度分布均勻性較好,速度差在10 m/s以內(nèi),從圓弧葉輪輪心到葉輪尾部速度變化均勻,圓弧葉輪尾部的平均速度比直葉輪尾部速度小19.5 m/s。從速度分布來看,圓弧葉輪速度場分布更均勻。

      圖7 直葉輪速度分布Fig.7 Velocity distribution of straight impeller

      圖8 圓弧葉輪速度分布Fig.8 Velocity distribution of circular impeller

      2.3 壓力分布分析

      直葉輪和圓弧葉輪風(fēng)機(jī)在工作流量1 500 m3/h,轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)的速度分布情況分別如圖9,10所示。

      圖9 直葉輪壓力分布Fig.9 Pressure distribution of straight impeller

      從圖9可看出,直葉輪最大壓力為1 066.2 Pa,位于離風(fēng)機(jī)出口最近葉輪邊緣處。最低壓力為-14 954 Pa,位于輪心葉輪邊緣處。從圖10可看出,圓弧葉輪最大壓力為997 Pa,位于離風(fēng)機(jī)出口最近葉輪邊緣處,最低壓力為-13 598 Pa,位于輪心葉輪邊緣處。從圖9還可看出,圓弧葉輪在輪盤內(nèi)部已經(jīng)完成壓力場過渡,而直葉輪壓力場過渡在機(jī)殼內(nèi)部完成。從壓力場分布均勻來看,圓弧葉輪風(fēng)機(jī)更優(yōu)。同時(shí),計(jì)算得到直葉輪風(fēng)機(jī)出入口總壓值為11.56 kPa,圓弧葉輪風(fēng)機(jī)出入口總壓值為12.62 kPa,從升壓效果來看,圓弧葉輪風(fēng)機(jī)更優(yōu)。

      圖10 圓弧葉輪壓力分布Fig.10 Pressure distribution of circular impeller

      2.4 湍流動能分析

      直葉輪和圓弧葉輪風(fēng)機(jī)在工作流量1 500 m3/h,轉(zhuǎn)速3 000 r/min湍流動能分布情況,如圖11,12所示。

      圖11 直葉輪湍流動能分布Fig.11 Turbulent kinetic energy distribution of straight impeller

      從圖11可看出,直葉輪風(fēng)機(jī)湍流動能最大位置在機(jī)殼側(cè)盤靠近風(fēng)機(jī)出口處,最大值為150 m2/s2。從圖12可看出,圓弧葉輪風(fēng)機(jī)湍流動能最大處位于離風(fēng)機(jī)出口最近葉輪邊緣處,最大值為160 m2/s2,且圓弧葉輪風(fēng)機(jī)機(jī)殼側(cè)盤靠近風(fēng)機(jī)出口處湍流動能最大值為81 m2/s2,低于直葉輪風(fēng)機(jī)此處的湍流動能。同時(shí),從圖11可看出直葉輪風(fēng)機(jī)湍流動能較大位置分布在輪盤盤面上,而圖12圓弧葉輪風(fēng)機(jī)湍流動能較大位置分布在葉輪表面。

      圖12 圓弧葉輪湍流動能分布Fig.12 Turbulent kinetic energy distribution of circular impeller

      綜合對比直葉輪風(fēng)機(jī)和圓弧葉輪風(fēng)機(jī)速度分布、壓力分布以及湍流動能分布,可發(fā)現(xiàn)圓弧葉輪速度、壓力及湍流動能分布更加均勻,升壓性能更強(qiáng),因此優(yōu)選圓弧葉輪作為0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)的葉輪。

      3 輪盤應(yīng)力分析

      0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子中,輪盤中承受著巨大的負(fù)荷,所以對輪盤必須進(jìn)行可靠的計(jì)算,在本研究中只考慮由葉片和輪盤本身的質(zhì)量在旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的離心力[14]。

      對圓弧葉輪,在3 000 r/min轉(zhuǎn)速下進(jìn)行應(yīng)力分析。輪盤及葉片材料為2205不銹鋼,材料密度 7 880 kg/m3、泊松比 0.3、楊氏模量 190 GPa,材料屈服強(qiáng)度σs=450 MPa。輪盤應(yīng)力分布如圖13所示。

      圖13 圓弧輪盤應(yīng)力分布Fig.13 Stress distribution of circular disc

      從圖13可看出,圓弧葉輪應(yīng)力最大位置位于靠近輪心葉片根部位置,最大應(yīng)力為263.98 MPa,最小值位于靠近輪心葉片頂部位置,最小應(yīng)力為567.4 Pa。輪盤離心力σmax=263.98 MPa<2σs/3=300 MPa,滿足葉輪強(qiáng)度要求。

      4 實(shí)際情況對比

      根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果,進(jìn)行0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)及制造組裝,完成一臺0區(qū)防爆風(fēng)機(jī),在風(fēng)機(jī)廠內(nèi)進(jìn)行性能測試。

      廠內(nèi)試驗(yàn)時(shí),大氣氣壓10 1370 Pa,空氣密度為1.19 kg/m3,溫度23.8 ℃,通過變頻器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,調(diào)整風(fēng)機(jī)入口流量為1 500 m3/h,測量風(fēng)機(jī)出入口總壓值,得到轉(zhuǎn)速與總壓數(shù)據(jù),并將其與計(jì)算值進(jìn)行對比,結(jié)果如圖14所示。風(fēng)機(jī)在3 000 r/min工況下,得到風(fēng)量與總壓數(shù)據(jù)及軸功率數(shù)據(jù),風(fēng)機(jī)性能曲線如圖15所示。

      圖14 1 500 m3/h氣量下轉(zhuǎn)速與升壓關(guān)系曲線Fig.14 Relation curve of speed vs. pressure boost at gas volume of 1 500 m3/h

      圖15 3 000 r/min工況下風(fēng)機(jī)性能曲線Fig.15 Performance curve of fan under working condition of 3 000 r/min

      從圖14,15可以看出,0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)樣機(jī)在3 000 r/min轉(zhuǎn)速情況下,總壓為12 113 Pa,滿足設(shè)計(jì)要求。風(fēng)機(jī)在1 500 m3/h,3 000 r/min工況下軸功率為26 kW,風(fēng)機(jī)總功率為37 kW,風(fēng)機(jī)效率達(dá)到70.27%。從圖15可看出,實(shí)際0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)氣量與升壓關(guān)系曲線與流體模擬軟件計(jì)算值接近,證明爆炸0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場計(jì)算較為準(zhǔn)確,為以后其他型式葉輪或者多級0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供基礎(chǔ)。

      5 結(jié)論

      (1)建立阻火器分析模型,分析流體經(jīng)過阻火器后速度、壓力以及湍流動能已發(fā)生改變,阻火器對流動產(chǎn)生壓阻,壓阻值為525.41 Pa,阻火器出口流場速度分布不均勻,出口管道湍流動能大大增加,最大值達(dá)到17.87 m2/s2,因此0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮阻火器帶來的流場影響。

      (2)分析對比直葉輪風(fēng)機(jī)和圓弧葉輪風(fēng)機(jī)速度分布、壓力分布以及湍流動能分布,圓弧葉輪速度、壓力及湍流動能分布更加均勻,同時(shí),直葉輪風(fēng)機(jī)出入口總壓值為11.56 kPa,圓弧葉輪風(fēng)機(jī)出入口總壓值為12.62 kPa,因此,圓弧葉輪更適合作為0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)的葉輪。

      (3)對圓弧葉輪,在3 000 r/min轉(zhuǎn)速下進(jìn)行應(yīng)力分析,圓弧葉輪應(yīng)力最大位置位于靠近輪心葉片根部位置,最大輪盤離心力σmax=263.98 MPa<2σs/3=300 MPa,滿足葉輪強(qiáng)度要求。

      (4)0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)樣機(jī)在3 000 r/min情況下,總壓為12 113 Pa,3 000 r/min工況下軸功率為26 kW,滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)氣量與升壓關(guān)系曲線與流體模擬軟件計(jì)算值接近,證明爆炸0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場計(jì)算較為準(zhǔn)確,為以后其他型式葉輪或者多級0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供借鑒。

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