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国家973计划课题“钢铁生产过程的能源高效配置与余能梯级利用”简介(下)
发稿时间:2014-08-22         作者:张华良 苏赫 谭春青          来源:燃气轮机实验室     【字号:

  在以北京科技大学张欣欣教授为首席科学家的973项目“钢铁生产过程高效节能基础研究”中,工程热物理所与北京科技大学共同承担了“钢铁生产过程的能源高效配置与余能梯级利用”课题研究任务。本课题主要围绕“中低温余热蒸汽高效回收利用方法”、“煤气压缩系统内部流动机理”、“低热值副产煤气化学能释放机理与稳燃方法”和“低热值燃气—蒸汽联合循环系统的变工况特性”等四方面开展研究工作。 

  目前课题组已经完成了三吸附器空气预纯化流程试验平台、基于中低温余热回收的不抽真空分离式热管试验平台和低热值副产煤气燃烧试验台等3个实验平台的建设:在中低温余热(蒸汽)波动规律与利用方法方面,总结了钢铁企业蒸汽品质的波动规律,提出了新型三吸附器空气预纯化流程,可实现空分装置TSA预纯化系统节能30%左右;在压缩系统内部流动机理研究方面,建立了普适性的平面叶栅旋涡模型,完成了弯叶片控制流动分离的机理研究,使某型压缩机效率、压比和喘振裕度分别提高了16%2%10%左右;在低热值副产煤气燃烧机理与稳燃技术方面,获得了低热值副产煤气贫熄特性,实现了860~1050 kcal/m3的模拟低热值副产煤气的稳定燃烧。 

  目前课题进展顺利,前三年的计划任务已经完成或基本完成,文章发表、专利申请、人才培养和实验工作超过预期。上一期主要介绍了工程热物理所在低热值伴生气燃烧机理方面的研究工作。本期将简要介绍研究所在压缩系统内部流动机理方面的研究工作。 

  一、压气机旋涡模型研究 

  钢铁行业需要使用大量的压缩机和风机,它们普遍存在运行效率不高和变工况性能不佳等问题,这类旋转机械从本质上说都是压气机,因此研究压气机内部流动机理对于提高钢铁行业大量通用压缩设备的运行效率,继而实现钢铁节能具有重要意义。而在这些压气机(叶轮机械)中存在大量的附面层分离现象,从涡动力学的角度看,叶轮机械中的各种涡层都是从叶片和端壁等的表面产生出来的,它们分为两种形态:紧贴固壁的附着涡层(即一般意义上的附面层),以及离开物面伸到流体内部的自由涡层(即各类集中涡系)。从内流涡动力学的发展历史看,获得一些反映基本流动特征的旋涡模型非常重要。本课题通过详细的数值模拟,并借助流场的拓扑分析方法,发现压气机内部存在多种集中涡系,特别是角区附近的集中脱落涡,与吸力面附面层、尾缘涡和角区分离泡(闭式分离)相互作用,对压气机的气动性能,尤其是变工况性能影响极大。在此基础上,建立了初步的压气机旋涡模型,为研究煤气在压缩系统内部的流动规律奠定了基础。 

 

  1  扩压叶栅的旋涡模型 

  二、静叶间隙影响多级轴流风机气动性能的机理研究 

  钢铁行业中的多级轴流式高炉鼓风机,普遍采用悬臂式静叶,静叶与轮毂之间存在间隙流动,而静叶吸力面轮毂端壁处往往容易出现低能流体的堆积,因此研究静叶轮毂间隙对压气机流动特性,特别是喘振裕度的影响很有必要。在实际机组中,静叶间隙处采用气封结构,但在很多压气机特性分析和优化计算的数值模拟中,为了节约计算资源和提高计算效率,往往会对静叶间隙进行简化。简化后的计算到底会造成多大误差,以及对造成这些误差原因的机理分析也是值得探讨的问题。本课题选择某典型静叶为主要分析对象,对其轮毂端壁分别设置静止/旋转边界条件,在此基础上,对不同间隙大小下的流场细节进行深入分析。结果发现:静叶轮毂间隙的大小和端壁静止/旋转边界条件的设置均对流动效率和流场特性有较大的影响。由于端壁移动方向、泄漏流方向均与原先吸力面端壁处的分离涡方向相反,可以在一定程度上抵消分离流动,所以在有间隙和端壁旋转下,压气机的流动特性会有一个明显的提升。在静止端壁边界条件下,由于泄漏流相对较弱,所以在适当大小的间隙范围内,间隙的增大流动产生的积极影响大于消极影响。而在旋转端壁边界条件下,由于端壁旋转会产生刮削效应,所以当间隙过大时,在端壁刮削作用下,间隙内的泄漏流动明显加强,并形成覆盖整个周向通道的泄漏涡,从而使得流动效率降低。 

 

  2  不同条件下静子叶片流谱 

  三、弯叶片影响多级轴流风机气动性能的机理研究 

  多级轴流压气机在实际运行中,不仅要考虑效率和压比,还要考虑其变工况特性。在钢铁行业中,同一台压气机在不同的季节运行环境变化很大,同时,钢铁生产过程本身也存在非常大的波动性。因此,压气机的变工况性能尤为重要,一方面要在全工况范围内尽量保持高效率运行,另一方面喘振裕度也要尽可能大,这也是本课题的研究方向之一。弯叶片作为一种控制叶栅内部附面层迁移的设计方法,在涡轮中已有大量成功的应用,对其控制机理的研究也已日臻完善:叶片正向弯曲(DHP)后,在叶片吸力面形成了两端压力高、中间压力低的“C”型压力分布。在此压力梯度下,端部的低能流体被吸入主流区,减少了附面层低能流体在吸力面与端壁的角区堆积,避免了分离的发生,减少了能量损失;反弯(DHN)正好相反。但基于顺压力梯度场下(即涡轮叶片中)的弯叶片理论是否适用于逆压力梯度场中(压气机)仍是一个疑问,显然,弯叶片对多级压气机,特别是对其变工况性能的影响需要更深入的研究。这主要是因为压气机中的流动是扩压流动,气流容易分离,加上影响扩压叶栅流场结构的因素较多,这就使得压气机采用弯曲叶片比涡轮采用弯叶片有更大的难度。同时,压气机中采用弯叶片, 不仅仅要优化压比、效率, 如何提高压气机喘振裕度、改善其变工况性能也是需要重点考虑的方面。本课题的研究表明:在压气机中,弯叶片可以减弱角区低能流体的堆积,从而抑制流动分离,并且在很大程度上恢复角区部分的扩压能力,使整个流动得到改善。针对某多级轴流风机的数值研究表明,适当的弯叶片使得设计点总压比提高16.46%,效率提高2.15%,喘振裕度提高到22.6%。从流动机理来看,弯叶片对压气机的影响与涡轮的最大不同在于,弯叶片不仅可以减少角区附面层的堆积,更重要的是遏制角区分离泡的产生。从计算结果可以明显看出,弯叶片的引入使原先静叶吸力面角区的闭式分离转为开式分离,这种转变带来的直接影响就是角区扩压能力的恢复,从而推迟失速,提高压气机的变工况性能。 

 

  3  弯叶片流动组织和流场损失的影响 

 

  4  叶片弯曲对多级压气机变工况特性的影响 

 
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