离心风机系统的节能改造方案和效果研究

蔡玲，毕克刚，毕永江，包瑜，王晗

摘 要：为解决日益严重的能源问题，响应国家“十四五”战略对于节能减排减耗的要求，广泛形成绿色生产生活方式，构建环境友好型社会，提出了对离心风机系统的节能改造研究，并且由于风机内部结构复杂，采用数值模拟的方法进行分析。描述了离心风机系统的工作原理及工况，再对风机整体内部进行三维建模，并且以此模型进行数值模拟并分析数值模拟结果，最后分析出流体作用于通风机各处的速度矢量及压力分布，得出改进意见。结果表明，通过计算流体力学模拟及分析，并对电厂风机进行节能降耗改造，可以使得改造后的风机系统明显降低单位电耗0.81 kW·h。

关键词：离心风机系统;节能改造;计算流体力学;绿色生态

中图分类号：TM621.7;TQ172.6 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）12-0140-06

Research on the Scheme and Effect of Energy Saving Reconstruction of Centrifugal Fan System

Cai Ling1， Bi Kegang1， Bi Yongjiang2， Bao Yu3， Wang Han1

（1.Kunming Municipal Energy Conservation Supervision Branch， Kunming 650031， China;2.Chuxiong Prefecture Quality and Technical Supervision and Testing Center， Chuxiong 675000， China;3. Yunnan Institute of Product Quality Supervision and Inspection， Kunming 650000， China）

Abstract：To solve the increasingly serious energy problems， the research on energy saving reconstruction of centrifugal fan system is put forward to meet the requirements of energy saving， emission reduction and consumption reduction of national "14th Five-Year" strategy. And it helps widely foster green ways of working and living and develop an environment-friendly society. In addition， numerical simulation is used to analyze the complex structure of the fan. Firstly， the working principle and conditions of the centrifugal fan system are described. Secondly， the three-dimensional modeling of the overall fan internal is realized. Then， the model is used to perform numerical simulation， and numerical simulation results are analyzed. Finally， the velocity vector and pressure distribution of the fluid acting on the fan are analyzed to obtain the improvement suggestions. The results show that the unit power consumption of the modified fan system can be significantly reduced by 0.81 kW·h through computational fluid dynamics simulation and analysis.

Key words：Centrifugal fan system; energy saving reconstruction; computational fluid dynamics; green ecosystem

0 引言

當前工业生产中的许多领域应用了离心风机（Centrifugal fan），因此离心风机在工业生产中是必不可少的设备。离心风机的工作原理是依靠输入的机械能，提高气体压力，将气体泵入目标生产设备中，是一种从动的流体机械，目前被广泛应用于各类的通风、除尘、冷却场景。在火电厂中，离心风机对火电厂的正常生产很重要，对火电生产工质循环系统正常工作、保证发电的安全稳定运行起着非常重要的作用[1]。

火电厂的生产需要用到大量的辅机，而辅机运行的经济性对火电厂用电量的大小起着决定性作用。因此火电厂本身就是用电大户，并且火电厂本身用电量多少又对发电成本与原料消耗有着直接的关系。根据国内资料统计，火电厂的平均用电率在8%左右，其中70%以上的用电消耗由主要辅机所提供，其中的耗电大户即为风机与泵，而目前大多数风机的全压富余在12%左右，为此对于风机的节能改造需要尽快提上日程。在“十四五”规划中，我国计划实现2030年碳排放达峰的目标，并且未来的经济和能源转型路径已经基本清晰;但目前的主要电力生产方式还是火电，占比接近70%，因此要想实现节能减排，就需要控制火电煤炭的用量。如果控制火电厂自身的用电量，就控制了煤炭的用量，即对“十四五”规划的节能减排起到了作用[2]。

随着计算流体力学技术的发展，应用计算机算力来模拟实际场景，来代替人力去求解复杂数学方程的方法开始被推广，用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）作为研究工具，模拟真实世界的二维和三维物质的流动。目前国内外已经大量应用CFD技术，因此本文应用CFD以检测其在运行情况下的内部复杂的流体力学性质，并且对原有模型做出适当的优化。目前的CFD研究一般采用商业软件，如STAR-CD、CFX、Fluent等。CFD软件可以拓宽实验研究的范围， 减少成本与工作量，并且CFD软件一般都能推出多种优化的物理模型，对每一种物理问题的流动特点， 都有适合它的数值解法[3]。

本文针对离心风机系统进行基于计算流体力学的数值模拟，建立了离心风机模型，对其模型和模型参数进行了全面系统的调整，建立适用于离心风机流场的模拟方法。将CFD数值模拟方法应用于离心风机内部流体模拟计算，分析工作中的离心风机内部与出口处的流场，为后续的理论研究与改进提供理论指导。

1 离心风机系统节能改造研究应用的技术

1.1 计算流体力学的理论基础

一切流体的流动都遵循以下3个定律：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，这3个定律可以用一些数学关系式来表述，依次为连续性方程、动量方程和能量方程[4]。

1.1.1 连续性方程

流体流动过程中，单位时间内的流入和流出控制体的流体净质量总和应等于内部密度变化而增加或减少的质量，连续性方程示意图如图1所示。

将控制体的流体表征为空间位置固定的无穷小微团，可得守恒型微分形式;表征为随流体运动质量不变的无穷小微团，可得非守恒型微分形式，方程见式（1）、（2）。式（1）为非守恒式，式（2）为守恒式。

式中，a为流体密度;为拉普拉斯算符;v为微元体积;τ 表示某一时刻。

随体导数： 表示观测者在流体中与流体流速完全相同的速度运动，方程见式（3）与式（4）：

式中，v 表示在时刻 τ某点处速度矢量，且v={vx，vy，vz};vx为流体质点在坐標轴 x 方向上的位移随时间的导数;vy为 y 方向上的位移随时间的导数;vz为 z 方向上的位移随时间的导数。

1.1.2 动量方程

研究无限小微团，其受力大小等于质量与加速度的积，并且其受力有重力、体积力、压力、表面力。其中，体积力由电磁力所引起;表面力由粘性力所引起，具体如图2所示。

由图2所示，v1、v、v2表示在时刻τ 某点处速度矢量;A1、A1'、A2、A2'表示在圆管某处的截面面积。

用下面的式（5）、式（14）进行计算：

非守恒式：

单位质量力为矢量力，有方向与大小，用公式（8）计算：

Fx为x方向上的单位质量力;Fy为 y 方向上的单位质量力;Fz为z方向上的单位质量力。Q 为此质点处的压力;v 为x方向上的速度;ω表示 y 方向上的速度;θ表示z方向上的速度;σ 为微元边上的切应力;a为流体密度。

守恒式：

式中，Fx为 x 方向上的单位质量力;Fy为 y 方向上的单位质量力;Fz为 z 方向上的单位质量力。

1.1.3 能量方程

能量方程是指在忽略密度、温度、内能变化，反映包含内能的能量守恒定律的方程。能量方程包含动能、彻体力的势能和功，表征了控制体内机械能、内能的相互转化。其动量方程式如下式（15）与式（16）所示。

非守恒式：

守恒式：

式中，E为液体的内能;t 为液体的温度;q 为液体的单位热量;r 为液体能量系数;V  表示时刻 τ 时在x 方向上的速度;ω表示 y 方向上的速度;θ表示 z 方向上的速度。Fx为 x 方向上的单位质量力;Fy为 y 方向上的单位质量力;Fz为 z 方向上的单位质量力;为拉普拉斯算符。

1.2 流体模型概述

流体的流动状况可分为层流和湍流，层流是流体的一种流动状态。对于外掠圆管流来说，流体在管内流动时，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。此种流动称为层流或滞流，亦有称为直线流动的。流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。管内流体的平均流速与最大流速之比等于0.5，根据雷诺实验，当雷诺准数Re小于2 000时，流体的流动状态为层流;湍流是流体的一种流动状态。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流;逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流体情况称为过渡流;当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。这时流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流[5]。层流和湍流的示意图如图3所示。

流体的流动状况可分为层流和湍流，一般用雷诺数（Re）来表征，在外掠圆管流中，Re≤2 000时为层流，Re≥2 000时为湍流。不同的流动状况其粘性力与惯性力作用力的作用机制与大小不同，流体曾与层间互相有干扰，能够进行质量与动量的传递，其计算式如式（17）。

式中，   为流体粘性系数;b为管内径。

传统研究方法无法了解离心风机内部的湍流;但可用数值模拟的方法进行模拟，从离散化角度对问题进行剖析，比前者更有可操作性，其称为湍流模型。Fluent软件工具提供了形式丰富的湍流模型，其数值模拟的具体求解过程分为4步：a.前处理：使用GAMBIT几何建模、边界类型设置、生成网格;b.使用Fluent进行边界条件设置;c.使用求解器计算离心风机系统的流体流动;d.后处理：使用Fluent进行计算结果处理。

1.3 对离心风机进行几何建模、网格划分与设置边界条件

1.3.1 离心风机结构分析与建模、网格划分

如下图4与表1分别为离心风机结构图与结构尺寸表。

需要计算的流体流过的区域分为3大块：入口集流器通道区、叶轮通道区和蜗壳出口通道区。利用软件Pro/E对整个离心风机的流道系统3个区域分别建立几何模型，并最终组装在一起。之后将建立起的整体模型导入前处理软件GAMBIT中生成网格，对所建立的模型进行网格划分，并根据模型内部的实际复杂度对网格进行适当的调整，比如对流动特性变化快的地方网格划分的密集一些，对流动特性变化慢的地方网格划分的疏松一些[6-7]。本实验中离心风机模型三区域划分网格数如下：入口区集流器通道区69 257个，叶轮通道区划分为183 020个，蜗壳出口通道区划分为428 310个，共计680 587个。

1.3.2 设置相关边界条件

前一步已经建立起了离心风机的模型，划分好了各个部分的网格，并且利用了软件GAMBIT来设置流体研究区域与边界条件：将蜗壳区及集流器区设置为静止区域，将叶轮区设置为旋转区域。边界条件方面：集流器区域设置为速度进口，蜗壳区出口设置为压力出口，叶轮相关区域设置为绕着中心轴进行单向旋转的固体壁面，最后将3个区域间某两个区域交界处的界面与流体各个进出口设置为Interfaces交界面。

1.4 Fluent软件条件设置

模型导入，在Fluent软件之中进一步进行边界条件设置，然后再对求解算法、离散格式、湍流模型进行设置，之后便可以进行迭代计算。计算方法设置：雷诺时均的纳维-斯托克斯方程和分离隐式法用于定常计算，湍流模型选用k-ε标准方程模型。压力-速度耦合应用简单算法，湍流耗散项、湍动能、动量方程、能量方程设置为一阶迎风格式离散[8]。

设置初始条件：设置为均匀初场，叶轮区设置旋转坐标系，离心风机进气口设置为速度进口，出气口设置为压力出口，工质类型设置为理想气体，离心风机模型速度进口这是为16.090 5 m/s，进口工质温度设置401 K，出口工质温度设置为406 K，出口表压力设置为0 Pa，转速设置为16 r/s。

2 数值模拟结果及改造方案

2.1 数值模拟结果

对离心风机系统进行数值模拟计算，等到进出口流量误差减小到至0.001以下之后观察到进出口流量已经未发生较大变化，全局各项的残差均减小至0.001以下，这表明当前的计算结果已经完成收敛，其结果如图5所示。

2.2 离心风机改造

實验用离心风机的额定负载为200 MW，对其进行改造前后性能对比及对其伺服的锅炉的改造前后性能对比如下表2与表3所示。

在离心风机运行时，其叶轮旋转推动叶轮流道中的工质，使其在离心力作用下被抛出蜗壳; 因此叶轮轴线处相对外侧的气压下降。利用此负压系统将入口处的工质一路带入叶轮，并且在叶轮区内部向着出口不断流动，由于其受到叶轮的做功推动动能不断增加，因而在流出叶轮区的时候其速度相对于进入时明显增加。叶轮叶片上的压力沿着前缘向后缘不断增大，于页面吸力面前缘最小，之后慢慢稳定在一固定值上，压力差逐渐减小;然后以较高的压力进入下一区域。由于进入蜗壳区后，蜗壳区流道截面从小到大，因此工质的流速将会显著减小。改进后的离心风机系统其全压与流量均足够支持锅炉的额定功率运行，离心风机的开度为87%，其全压效率为75.4%，基本与目前国内的改进型风机效率持平。与改造前的全压效率相比提高了4.2%，单位电耗降低了0.81 kW·h。

3 结语

本研究利用CFD软件建立了火电厂用离心风机系统模型，利用软件Pro/E、GAMBIT、Fluent，采用分离隐式求解器对其工作过程进行数值模拟分析，并对一台火电厂常用型号的离心风机进行了节能改造并对其改造前后的数据进行了对比。证明了利用数值模拟软件可以正确模拟离心风机内部及出入口的流体性质，有助于今后对于离心风机的进一步节能改造研究。

尽管本研究基本达到了原先预期的研究目标，也获得了一些较有价值的研究结论;但研究工作仍然存在许多不足，得出的研究结论可能受到如下3个方面因素的限制：（1）数值模拟模型的兼容性不足;（2）未能得到大量实际测量数据以便于与数值模拟研究实际对比。这也为我们未来的研究指明了方向。未来我们主要将工作集中于以上两个方面：（1）进一步完善模型的兼容问题，使之模拟更切合实际;（2）进一步与更多的火电站进行接触，了解更多实际情况，获得大量实测数据。

参考文献

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[2]郑俊镗， 郑文焱.“十四五”强化产业节能减排科技驱动力[J]. 上海企业， 2020， 449（04）： 70-73.

[3]HALIM N， HUSSAIN S， RAZAK M， et al. Eulerian-Eulerian Approach to CFD Simulation of Two-Phase Bubble Column. IOP Conference Series Materials Science and Engineering， 2020， 811（1）：1-7.

[4]李天赠， 黄 丹. 基于计算流体力学的游泳动态数值模拟研究进展[J]. 中国体育科技， 2019， 55（02）：19-28.

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[7]陈 晓， 龚 艳， 陈小兵，等. 基于FLUENT的离心风机性能优化[J]. 江苏农业科学， 2019，47（16）：258-262.

[8]RAMIREZ R， AVILA E， LOPEZ L， et al. CFD characterization and optimization of the cavitation phenomenon in dredging centrifugal pumps[J]. AEJ - Alexandria Engineering Journal， 2020， 59（1）：29-36.