焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李生耀

（山西焦化股份有限公司，山西 臨汾 041606）

引言

鼓風(fēng)機(jī)是焦化廠中以天然氣或煤炭為原料制備焦?fàn)t煤氣過程中的關(guān)鍵設(shè)備，其主要任務(wù)是為焦?fàn)t煤氣的凈化提供穩(wěn)定動(dòng)力。一般情況，可將焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)安裝于煤氣初冷之后，也可安裝于煤氣凈化流程末端。在實(shí)踐生產(chǎn)中，常用的焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)包括有離心式和容積式兩種類型。據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，焦?fàn)t煤氣在生產(chǎn)中的能耗占比較大，其中由于設(shè)備效率較低導(dǎo)致無(wú)用功消耗較大[1]。因此，進(jìn)一步提升焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)的應(yīng)用效率、擴(kuò)大其工況應(yīng)用范圍以及保證其在實(shí)際使用中的安全性對(duì)于焦?fàn)t煤氣凈化工藝具有重要意義。本文將基于對(duì)焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上對(duì)其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

本文重點(diǎn)研究對(duì)象為離心式焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)，該型鼓風(fēng)機(jī)的具體參數(shù)，如表1 所示。

表1 離心焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

參照上述離心式鼓風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)基于Solid-Works 軟件建立其三維模型，從整體上分為進(jìn)口、出口以及蝸殼三部分。為了兼顧仿真時(shí)長(zhǎng)和計(jì)算精度，合理設(shè)置仿真模型的網(wǎng)格數(shù)量尤為重要。綜合上述因素，設(shè)定離心式焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)口網(wǎng)格數(shù)量為283 064，設(shè)定焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)葉輪出口網(wǎng)格數(shù)量為228 646，設(shè)定焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)蝸殼的網(wǎng)格數(shù)量為1 640 046。

仿真條件設(shè)置如下：仿真操作中設(shè)定設(shè)備的入口壓力為101 325 Pa，溫度設(shè)定為20 ℃；葉輪轉(zhuǎn)速按照其額定轉(zhuǎn)速計(jì)算。為保證仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)更為相似，設(shè)定設(shè)備表面壁厚度均為0.2 mm。

基于上述數(shù)值模擬計(jì)算模型，得出如下仿真結(jié)論：

1）仿真計(jì)算所得的模型在出口靜壓力值和多變效率值兩方面的誤差分別控制在3%和2%的允許范圍之內(nèi)，即說(shuō)明所搭建模型是可靠的[2]。

2）在鼓風(fēng)機(jī)全工況運(yùn)行情況，焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)部的壓力、速度以及溫度變化處于平穩(wěn)狀態(tài)，具體表現(xiàn)為：葉輪正面所承受的壓力大于反面，說(shuō)明葉輪在做正功；蝸殼回流區(qū)域呈現(xiàn)了較為嚴(yán)重的回流現(xiàn)象[3]。

通過仿真計(jì)算，可以總結(jié)得出該型離心式焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)葉輪和蝸殼的相互匹配性之間存在較大的優(yōu)化空間。

2 焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過上述仿真分析，本節(jié)重點(diǎn)對(duì)焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)的葉輪內(nèi)部參數(shù)和蝸殼進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)部參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

鼓風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)部參數(shù)的優(yōu)化重點(diǎn)從其轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)量、出口角度等方面對(duì)其在不同參數(shù)下整機(jī)的性能進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1.1 轉(zhuǎn)速對(duì)鼓風(fēng)機(jī)性能的影響

重點(diǎn)對(duì)焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速分別為2 600、3 100、3 300和3 600 r/min 時(shí)設(shè)備的出口靜壓力值、多變效率、全壓效率以及葉輪輸入功率四類參數(shù)隨著流量變化的情況進(jìn)行分析。仿真結(jié)果，如第207 頁(yè)圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)速對(duì)整機(jī)性能仿真結(jié)果

如圖1 所示，當(dāng)離心式鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速越高，其對(duì)應(yīng)鼓風(fēng)機(jī)的各類參數(shù)的性能曲線越陡，說(shuō)明焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行流量范圍越小。因此，應(yīng)保證焦?fàn)t煤氣轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)運(yùn)行，盡量不超過額定轉(zhuǎn)速值。

2.1.2 葉片數(shù)量對(duì)鼓風(fēng)機(jī)性能的影響

重點(diǎn)對(duì)焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)葉片數(shù)量分別為18 個(gè)、19 個(gè)、20 個(gè)和21 個(gè)時(shí)設(shè)備的出口靜壓力值、多變效率、全壓效率以及軸功率四類參數(shù)隨著流量變化的情況進(jìn)行分析。鑒于本離心式鼓風(fēng)機(jī)一般在400 m3/min的工況下運(yùn)行，重點(diǎn)對(duì)流量為400 m3/min 的工況進(jìn)行分析，仿真結(jié)果，如表2 所示。

表2 流量為400 m3/min 時(shí)整機(jī)的性能分析

如表2 所示，當(dāng)葉片數(shù)量為20 個(gè)時(shí)，對(duì)應(yīng)整機(jī)的軸功率、出口靜壓力、多變效率以及全壓效率的值均高[4]。因此，將葉輪葉片數(shù)量設(shè)定為20 個(gè)。

同理可以得出：當(dāng)葉片出口安裝角度增大至57°時(shí)，焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)的有效軸功率可增加11.83 kW，對(duì)應(yīng)的出口靜壓力提升至1 847 Pa，多變效率和全壓效率分別增加量為1.239%和0.532%。

綜上所述，重點(diǎn)對(duì)焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)的葉片數(shù)量和出口安裝角度進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果為：葉片數(shù)量為20 個(gè)，出口安裝角度為57°。

2.2 蝸殼的優(yōu)化

針對(duì)鼓風(fēng)機(jī)蝸殼的優(yōu)化重點(diǎn)從蝸殼形狀和蝸殼錐角進(jìn)行優(yōu)化，同樣采用數(shù)值模擬手段。其中，將蝸殼形狀優(yōu)化為圓形或偏心結(jié)構(gòu)，蝸殼錐角為35°和45°的情況進(jìn)行仿真分析，并與原機(jī)型對(duì)比，對(duì)比結(jié)果，如表3 所示。

表3 不同蝸殼參數(shù)對(duì)應(yīng)整機(jī)的性能對(duì)比

分別對(duì)比表3 數(shù)據(jù)可知，上述四種優(yōu)化方式均能夠明顯提升焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)的整體性能，進(jìn)一步對(duì)比可知：圓形蝸殼和錐角為35°時(shí)整體性能為最佳。因此，針對(duì)蝸殼的優(yōu)化將其形狀改進(jìn)為圓形，錐角改進(jìn)為35°。

3 結(jié)語(yǔ)

鼓風(fēng)機(jī)為焦?fàn)t煤氣凈化的關(guān)鍵設(shè)備，其工作穩(wěn)定性直接決定焦?fàn)t煤氣的凈化質(zhì)量和效率。目前，焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)的實(shí)際使用的能耗較大，重點(diǎn)表現(xiàn)為其機(jī)械葉輪的無(wú)功能耗較大[5]。因此，本文通過對(duì)其葉輪內(nèi)部流程仿真分析得出離心式鼓風(fēng)機(jī)葉片和蝸殼的匹配性具有極大的優(yōu)化空間，并通過仿真分析對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得出如下結(jié)論：

1）當(dāng)離心式鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速越高，其對(duì)應(yīng)鼓風(fēng)機(jī)的各類參數(shù)的性能曲線越陡，說(shuō)明焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行流量范圍越小。因此，應(yīng)保證焦?fàn)t煤氣轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)運(yùn)行，盡量不超過額定轉(zhuǎn)速值。

2）當(dāng)葉片出口安裝角度增大至57°時(shí)，焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)的有效軸功率可增加11.83 kW，對(duì)應(yīng)的出口靜壓力提升至1 847 Pa，多變效率和全壓效率分別增加量為1.239%和0.532%。

3）當(dāng)葉片數(shù)量為20 個(gè)時(shí)，對(duì)應(yīng)整機(jī)的軸功率、出口靜壓力、多變效率以及全壓效率的值均高。

4）圓形蝸殼和錐角為35°時(shí)鼓風(fēng)機(jī)的整機(jī)性能最佳。