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近年来,随着我国经济的迅猛发展,成品油的需求越来越大。对此国家发改委制定了炼油的中长期规划,促进我国炼油产业的快速发展。然而长期以来,由于我国化工行业普遍存在的重工艺,轻设备的现象,致使化工设备的开发远远赶不上工艺发展的要求,严重制约行业发展。
减压塔底泵是炼油工艺中的关键设备,由于其苛刻的应用环境,致使国内对于该泵的研制长期处于停滞状态。目前在使用的该泵型都为进口产品。根据中石化武汉分公司的国产化计划。要求研制一台500万吨/年炼油装置高效率高汽蚀性能的高温减压塔底泵,考虑到将来扩大工艺到800万吨/年的要求,将设计流量定为500m3/h。综合考虑泵的性能要求和运行特点,考虑采用两级双支撑结构,首级采用高汽蚀性能设计,次级采用高效叶轮,以弥补首级设计的效率损失。本课题研究的重点是次级高效叶轮设计。
依据中石化炼油装置高温减压塔底泵的工艺参数要求,本课题采用速度系数法、损失极值法,水力设计软件等方法对次级叶轮,次级蜗壳、次级吸水室等水力部件进行优化设计。对影响效率的几个关键水力尺寸进行不同的优化组合,设计出三种叶轮模型、三种蜗壳模型和一种吸水室模型,组合成九组(次级)水力模型。
应用CFD软件FLUENT对九组(次级)水力模型进行流场分析和性能预测。综合考虑内部流动和性能曲线的变化情况,优选一组方案,其效率达到84.3%,扬程146m,高于国家标准。对比该类型单级泵79.2%的效率标准,达到高效率的设计要求。采用FLUENT滑移网格模型,对离心泵内部进行非定常数值模拟,探讨内部压力分布的主要特点,为改进泵的结构,提高泵的效率,降低噪声和振动提供依据。
将优选(次级)水力模拟与首级高汽蚀性能叶轮组合,进行整机性能预测。预测结果为:在流量为400m3/h时,扬程319m,水力效率79.8%;流量为500m3/h时,扬程308m,水力效率83.9%。总体满足性能要求,从而确定最终方案。
通过样机的试验研究并与预测性能进行比较表明:在较大的流程范围内流量-扬程曲线都比较接近,误差在工程应用允许范围内;由于多级泵很难估算出容积效率和机械效率,在数值模拟基础上得出的预测效率只是水力效率,所以误差较大,只能作为参考。模拟和性能预测作为一种先进手段,能大大加速研究工作的进程,尤其在大型泵的研究中更有意义。
通过优化设计、数值模拟、预测性能等手段设计出的减压塔底泵,经过样机试验,泵的性能结果:流量为400 m3/h时,扬程为317.6m,效率为68.7%;流量为500m3/h时,扬程为305m,效率为73.9%,泵的性能指标达到了工艺流程的要求。