流體力學漩渦產生的原因精選(九篇)

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第1篇：流體力學漩渦產生的原因范文

[關鍵詞]空氣預熱器 搪瓷 方案 效果

中D分類號：TK223.34 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）22-0351-01

0.引言

隨著鍋爐的長期運行，鍋爐尾部管式空氣預熱器低溫腐蝕及堵灰問題日趨嚴重，根據實測，其漏風系數達40%以上，嚴重威脅鍋爐設備運行的經濟性和安全性，危及公司的正常發熱及供電。為了解決這一問題，公司采用搪瓷管式空氣預熱器代替原空氣預熱器，經過兩年多的運行考驗，效果十分顯著。

1.設備概述

1.1 設備概述[1]

E-420―13.7―560KT型鍋爐的預熱器共分四段，管子的規格均為Ф40×1.5材質為BfYr3Nc5鋼。逆煙氣流第一、二、三段為低溫段預熱器，布置在低溫段省煤器下方，第四段為高溫段預熱器，布置在高、低溫省煤器之間，每段預熱器各由四組管箱組成。其示意圖如圖1所示。

1.2 存在問題

1.2.1 空氣預熱器漏風率大

2009年對四臺鍋爐分別進行了空預器漏風率測量，得到數據如表1所示。

從以上數據可知：四臺鍋爐一級管式空氣預熱器漏風嚴重，遠遠超出規定值范圍。這樣的漏風率嚴重影響了鍋爐的效率。為了降低漏風率，歷次檢修均采用了加堵漏風處空預器管的方法，目前加堵面積已超過總面積的四分之一，不能再進行加堵工作。

1.2.2 空預器積灰嚴重

每次停爐檢查，發現一級空氣預熱器第一體積灰最為嚴重，大量的積灰堵塞了約三分之一的管口。積灰導致空氣與煙氣換熱嚴重不充分，降低了送往爐膛的熱風溫度和給粉溫度，使燃燒后產生的煙氣溫度降低，影響了鍋爐的燃燒和換熱效率。

2.空預器存在問題原因分析[2]

2.1 低溫腐蝕

當鍋爐尾部受熱面（省煤器、空氣預熱器等）金屬壁溫低于煙氣露點時，煙氣中含有硫酸酐的水蒸氣在壁面凝結所造成的腐蝕成為低溫腐蝕，因為尾部受熱面區段的煙氣和管壁溫度較低，所以稱為低溫腐蝕。低溫腐蝕的形成：燃料中的硫燃燒生成二氧化硫（S+O2=SO2），二氧化硫在催化劑的作用下進一步氧化生成三氧化硫（2SO2+O2=2SO3），SO3與煙氣中的水蒸汽生成硫酸蒸汽（SO3+H2O=H2SO4）。硫酸蒸汽的存在使煙氣的露點顯著升高。由于空預器中空氣的溫度較低，預熱器區段的煙氣溫度不高，壁溫常低于煙氣露點，這樣硫酸蒸汽就會凝結在空預器受熱面上，造成硫酸腐蝕。因此燃料中含硫量的多少與低溫腐蝕的嚴重程度密切相關，圖2表明其二者關系。

2.2 漏風大原因分析

2.2.1 煙氣對上管口及上管板焊接點的沖刷

我廠管式空氣預熱器（規格為Ф40×1.5）管束與上下管板平齊，為了防止漏風，管端與管板采用焊接密封。當含有大量灰塵及未完全燃燒煤粒流過空預器管束時，沖刷管口造成磨損，預熱器運行一段時間后，上管端的焊接點被磨掉，出現縫隙，由于進入空預器的冷空氣壓力大于煙氣壓力，空氣經過縫隙就可以直接進入煙道，造成漏風。其沖刷示意圖如圖3所示。

2.2.2 煙氣對空預器管壁地沖刷

當煙氣從一個非常大的空間（相對于空氣預熱器管內徑）進入預熱器管時，煙氣的流動空間發生了突變，根據流體力學原理，煙氣流在進入管端時，不可能突然改變流向，必然出現煙氣主流與管壁脫離的現象，形成漩渦流，并且漩渦由小漸大，大的漩渦被煙氣主流帶走，流進新的煙氣又在相同地方產生新的漩渦，如此周而復始，煙氣和煙氣中的灰塵在管子的漩渦區內沖刷，長期的沖刷磨損導致預熱器管壁磨穿，使空氣漏入煙氣中，造成漏風。其沖刷入圖5所示。

2.2.3 低溫腐蝕造成漏風

當空氣預熱器發生低溫腐蝕后，空氣預熱器管子會出現腐蝕孔，而造成漏風。

3.空預器治理方案

由于空預器存在低溫腐蝕、堵灰及漏風大的問題，那么必須選擇一種方案，必須能夠同時解決上述問題。因為其具有以下優點：1、傳熱效率高。當采用鋼管換熱時，傳熱系數約為24.2w/m2.c當采用搪瓷鋼管換熱時傳熱系數約為≈24.8w/m2.c。因此，在受熱面布置相同的條件下搪瓷鋼管空氣預熱器傳熱效果要好于鋼管空氣預熱器；2、耐腐蝕。搪瓷管的耐酸度比金屬管要高出數百倍，3、耐磨損。搪瓷釉層表面的維氏硬度HV=652，而普通碳鋼的維氏硬度HV=114，可見其耐磨性較高。

4.空預器治理效果

經過兩年多的運行，每次停爐檢查更換后的空氣預熱器，發現搪瓷罐空預器管排間無堵灰現象，搪瓷罐外壁干燥、光滑、無積灰、無腐蝕、無穿孔、無瓷層爆裂等問題。預熱器漏風率大大下降，風機耗電明顯下降，鍋爐可以滿負荷運行，效果十分顯著，完全達到了預期的目標。

5.結論及建議

搪瓷管式空預器在我廠的應用表明，搪瓷管式空氣預熱器是目前電站鍋爐防止低溫腐蝕有效和關鍵措施之一，其極大的延長了鍋爐設備運行周期，提高了電廠鍋爐發電供熱的可靠性和經濟性，具有顯著的經濟效益。

參考文獻

[1] 《165MW機組鍋爐設備檢修規程》（蘭州西固熱電有限責任公司）.

[2] 《管式空氣預熱器漏風及堵塞的原因及處理》企業科技與發展，2009年第20期.

第2篇：流體力學漩渦產生的原因范文

Abstract: In the commissioning period of Ling Ao Nuclear Power Station Phase 2，Unit 1 Motor Driven Feed water Pump system (L3APA), the failure of pump mechanical seal common-mode is frequent, and brings a security risk to the unit operation. The article analyzed the main factors that could lead to mechanical seal failure, and pointed out that the root causes are lack of flushing water flow and uneven seal cavity flow, and we can eliminate the common mode failures through enhancing efficiency of the pump ring, reducing flushing water circuit resistance, adding flushing water distribution ring, and other measures.

關鍵詞：機械密封；端面溫度；沖洗水流量；流場特性

Key words: mechanical seals；face temperature；flushing water flow；flow field

中圖分類號：TH3文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2011）08-0051-03

0引言

L3APA配置了3臺Clyde union公司供應的85B1/RS型給水泵。給水泵為臥式、單級、雙吸離心泵，驅動端和非驅動端安裝有John Crane公司生產的機械密封。調試運行期間，給水泵機械密封頻繁出現溫度高、泄漏量超標、漏黑水等共模故障。本文以L3APA-B列給水泵（以下稱“L3APA202PO”）為例，計算分析機械密封共模故障原因，并提出處理措施。

1L3APA給水泵機械密封及沖洗水回路介紹

1.1 機械密封結構介紹L3APA給水泵機械密封采用PLAN 23沖洗方案。它由一套動、靜環密封組件組成，動環密封面依靠彈簧壓力和密封腔室內的流體壓力緊緊壓在靜環密封面上，但是兩者又不完全接觸，它們之間存有一層具有功能的液膜。冷卻水套類似于一個“熱屏”，被安裝在密封腔室內側，用來冷卻進入密封腔室的高溫給水，防止機械密封部件損壞。設置在軸套的泵效輪隨著水泵運行而高速旋轉，提供足夠的能量保證沖洗水在回路中不間斷循環。

1.2 設計參數機械密封設計參數見表1。

2故障介紹

在調試運行期間，機械密封運行參數見表2。

解體機械密封，檢查發現各O環狀態完好，但密封副端面異常磨損，且存在過熱痕跡，見圖1。

運行參數和檢查情況表明機械密封主要存在以下異常現象：①溫度高。有關資料表明[1]，機械密封正常運行時，密封腔室出水溫度應?燮60℃。②泄漏量超標。根據John Crane公司設計標準，機械密封正常泄漏量應當?燮0.25L/h。③漏黑水。經過檢測，黑水中的黑色物質是碳粉，系密封副端面異常磨損所致。

3故障原因分析

可能導致機械密封故障的主要因素有以下四個：密封副端面比壓pc、密封副端面線速度Vc、熱量平衡性能和密封腔內流場特性。下面對這四個因素逐一進行分析計算。

3.1 密封副端面比壓pc計算分析

pc的計算式如下：Pc=Psp+（B-Km）Ps；

Psp為彈簧比壓，單位MPa；B為面積比；Km為膜壓系數，對于內裝式密封，取0.5；Ps為密封腔壓力，單位MPa。

求解結果為：Pc=0.204+（0.710-0.5）×4.56=1.1616（MPa）

密封副端面比壓pc符合機械密封設計規范[2]。

3.2 密封副端面線速度Vc計算分析

Vc的計算式如下：Vc=πn（d1+d2）/120

n為水泵轉速，單位r/min；d1為密封副端面內徑，單位mm；d2為密封副端面外徑，單位mm；

求解結果為：Vc=3.14×4905×（0.168+0.156）/120=41.58（m/s）

密封副端面線速度Vc符合機械密封設計規范[2]。

3.3 熱量平衡性能計算分析給水泵機械密封為接觸式，不僅密封副端面會產生摩擦熱，而且旋轉部件與沖洗水攪拌也會產生攪拌熱。此外，泵內介質也會帶來一定的介質熱。這些熱量都會影響到機械密封熱量平衡性能。若產生的熱量不能被及時帶走，將使密封副端面溫度過高，從而導致機械密封出現故障。本文從熱量平衡方程、沖洗水流量、端面溫度、端面膜相等方面來計算分析機械密封熱量平衡性能。

3.3.1 熱量平衡方程建立機械密封的熱量平衡方程如下：

QF+QA+QB+Qmi=Q1+Q2+Q3+Q4+Qmo；

QF為密封副端面摩擦熱；QA為旋轉部件與沖洗水攪拌產生的攪拌熱；QB為輔助部件的振動和摩擦產生的熱量；Qmi為泵內介質帶來的熱量；Q1為旋轉部件傳遞給沖洗水的熱量；Q2為密封副傳遞給沖洗水的熱量；Q3為通過轉子散除的熱量；Q4為泄漏流體帶走的熱量；Qmo為沖洗水及密封介質帶走的熱量。

給水泵機械密封，屬于無泄漏密封，則Q4=0。在正常運行時可以忽略輔助部件的振動和摩擦熱，即QB=0。由于攪拌熱QA不易確定，通常將端面摩擦熱考慮合適的摩擦系數來確定。空氣的對流換熱系數低，故散熱量Q2及Q3較小，可以忽略不計。假設沖洗水及密封介質帶來的熱量Qmi等于傳出的熱量Qmo。于是機械密封的熱量平衡方程可簡化為：

QF=fpgVcAf=Q1=QxρCΔtx（1）

f為摩擦系數，為了有充分的安全裕量，此處取0.3；pg為比載荷，單位N/cm2；Af為密封副端面面積，單位cm2；Qx為沖洗水流量，單位L/min；C為沖洗水的比熱，單位J/（kg.K）；ρ為沖洗水的密度，單位kg/L；Δtx密封腔室內部溫差，根據經驗，取2℃。

3.3.2 沖洗水要求流量計算由式（1）求解出沖洗水要求流量：

Qx=fpgVcAf /ρCΔtx=f（psp+Bps）VcAf /ρCΔtx

=0.3×（0.204+0.71×4.56）×41.58×30.5×102/（0.89×4396×2）

=16.73L/min

從表2可以看出，L3APA202PO-NDE機械密封沖洗水流量實測值為5.86L/min，遠小于通過本文計算得到的要求值。沖洗水流量不足，帶走熱量較少。機械密封熱量平衡性能變差，密封副端面溫度升高。

3.3.3 端面溫度計算利用邁爾提供的估算公式可以對機械密封端面溫度進行計算。邁爾提供的估算公式為：

T=T0+（2）

T為機械密封端面溫度，單位℃；T0為介質溫度，取104.4℃；f為摩擦系數，取0.05；b為密封副端面寬度，取0.006m；Cw為散熱系數，取0.6；λa為動環導熱系數，取16W/（m•K）；λb靜環導熱系數，取150W/（m•K）；式（2）求解結果為：

T=104.4+=249.9（℃）

給水泵機械密封動環和靜環材質分別為浸鏑石墨和碳化硅，工作溫度限分別為350℃和427℃。通過本文計算得知，密封副端面溫度沒有超過動環和靜環材質要求的最高溫限。盡管如此，由于沖洗水流量不足，密封副端面得不到充分冷卻，溫度已高達249.9℃。高溫可能破壞密封副端面液膜，使得膜相穩定性變差。

3.3.4 端面膜相判斷判斷密封副端面膜相的指標見表3。

從3.1節得知，密封副端面比壓為1.1616MPa，查詢水蒸氣飽和曲線，此壓力對應下的飽和水溫度tb=186.5℃。從3.3.3節得知tF =249.9℃，可見tF?叟tb，密封副端面處于似氣相密封。處于此相態密封下，密封副端面間的摩擦系數較大，較易磨損，工作不穩定。對于給水泵機械密封，只允許它工作在全液相密封下。

3.3.5 熱量平衡性能分析由于給水泵機械密封沖洗水流量不足，產生的熱量不能被及時帶走。因此密封副端面溫度升高，液膜遭到破壞，端面膜相呈現出似氣相的異常現象。進而密封失穩，泄漏量超標，密封副端面異常磨損。

3.4 密封腔內流場特性計算分析密封腔內的流場特性直接影響著密封副端面的和冷卻效果。利用計算流體力學（CFD）進行密封腔內流場特性計算，計算結果見圖2[3]。

從圖2可以看出，沖洗水進入密封腔后大部分流至密封副端面，且形成小型漩渦流動。隨著沖洗水不斷注入，密封副產生的熱量由沖洗水帶出密封腔室，從而降低端面溫度。但沖洗水進入密封腔室后，并非完全均勻分布，在圓圈標記部分出現死區，流動不暢，無法將熱量及時帶走。造成該區域密封副端面溫度升高，異常磨損。

4處理措施

從3.3.5節和3.4節可知，引起機械密封共模故障的根本原因是沖洗水流量不足和密封腔內流場不均勻。圍繞上述兩個根本原因，采取了增加泵效輪出水孔個數、擴大沖洗水管道直徑、更換容量更大的冷卻器和增設沖洗水分配環等處理措施。

4.1 增大沖洗水流量機械密封沖洗水在整個回路內部封閉循環。泵效輪性能和沖洗水回路阻力是影響沖洗水流量的關鍵因素，而沖洗水回路阻力則由沖洗水管道阻力和冷卻器阻力構成。

4.1.1 提升泵效輪性能泵效輪工作原理為：沖洗水通過與軸套連為一體的泵效輪粘性驅動，沿著圓周方向高速旋轉，獲取能量，然后被離心力甩向泵效輪外側，經泵效輪外側開設的8個直徑為6mm的出水孔進入沖洗水出口管。水被甩出去后，泵效輪內側形成真空，密封腔內的沖洗水在壓差作用下就會再次進入泵效輪腔室。如此就形成了泵效輪連續不斷的送水和吸水過程。

泵效輪性能主要由以下五個參數組成：流量、揚程、功率、效率、轉速。為了簡化處理工作，主要考慮增大泵效輪揚程和流量。

泵效輪揚程近似計算公式為：

H=k1×（3）

H為泵效輪揚程，單位m；k1為修正系數，水力損失越小，該系數越大；r為泵效輪半徑，單位m；ω為角速度，與水泵轉速有關，單位rad/s；g為重力加速度，單位N/kg。

從式（3）可以看出，影響泵效輪揚程的主要因素是水力損失和水泵轉速。從現場實際情況出發，不考慮改變水泵轉速，只考慮通過減小水力損失來提高泵效輪揚程。水力損失發生在泵效輪入口、出口、流道壁面等處。分析泵效輪結構，發現出水孔總面積較小，產生較多損失，對揚程減小有較大貢獻。為此，可以采取擴大出水孔直徑或者增加出水孔個數的方法來降低水力損失，從而提高揚程。

泵效輪流量近似計算公式為：Q=k2×Arω（4）

Q泵效輪流量，單位m3/h；k2為修正系數，水力損失越小，該系數越大；A為出水孔總面積，單位m2；r為泵效輪半徑，單位m；ω為角速度，與水泵轉速有關，單位rad/s。

從式（4）可以看出，影響泵效輪流量的主要因素是水力損失、出水孔總面積和水泵轉速。從現場實際情況出發，不考慮改變水泵轉速，只考慮通過減小水力損失和增大出水孔總面積來提高泵效輪流量。通過對式（3）的分析已經得知，減小水力損失可以采用擴大出水孔直徑或者增加出水孔個數的方法。此舉正好也是增大出水孔總面積的有效措施。

處理措施：將泵效輪出水孔由8個增多至16個，但未改變出水孔直徑。通過實施上述措施，有效地提升了泵效輪性能，對增大沖洗水流量有正面貢獻。

4.1.2 降低沖洗水回路管道阻力機械密封沖洗水回路管道阻力計算公式為：

hw=×Q2（5）

式中：hw為管道阻力，單位m；λ為沿程阻力系數，水力損失越小，該系數越大；L為管道長度，單位m；d為管道直徑，單位m；∑ξ為局部阻力系數之和；g為重力加速度，單位N/kg；Q為管道流量，單位m3/h。從式（5）可以看出，沖洗水管道阻力與管道直徑成高階反比關系，因此，減小沖洗水回路管道阻力最有效和最簡單的方法是增大管道直徑。

處理措施：對沖洗水回路管道進行改造，將管道直徑從″擴大至″，但不包含與密封腔室直接連接的部分管段。通過實施上述措施，有效降低了機械密封沖洗水回路管道阻力，對增大沖洗水流量有正面貢獻。

4.1.3 增大冷卻器容量冷卻器被用來冷卻機械密封沖洗水。由于沖洗水在冷卻器管側流程復雜，水力損失較大，因此減小沖洗水在冷卻器中的阻力對增大沖洗水流量有正面貢獻。

處理措施：更換容量更大的冷卻器。新舊冷卻器參數見表4。

4.1.4 初步計算分析[4]為了探究4.1.1節、4.1.2節和4.1.3節中處理措施的效果，本文從理論上初步計算分析處理前后沖洗水流量變化趨勢。出于簡化計算的目的，假設如下條件：①沖洗水濾網無堵塞。②整個沖洗水回路管道直徑均為″。

上述兩個假設條件對計算精度有一定影響，但不會影響對處理前后沖洗水流量變化趨勢的判斷。初步計算結果見圖3。

將圖3中A、B兩點參數取出進行對比，見表5。

初步計算分析表明：處理后，沖洗水揚程近似不變，但流量增大。因此，4.1.1節、4.1.2節和4.1.3節中處理措施能有效增大沖洗水流量。

4.2 改善密封腔內流場特性通過3.4節分析得知密封腔內流場不均勻，需要采取一定措施改善沖洗水在密封腔內的流場特性。

處理措施：在密封腔內增設沖洗水分配環，見圖4。

分配環沿圓周方向均勻分布了6個直徑為8mm的小孔。沖洗水從進口管進入分配環外側，然后通過6個小孔均勻到達密封副端面。通過實施上述措施，有效改善了沖洗水在密封腔內的流場特性，對解決機械密封共模故障有正面貢獻。

5結束語

在嶺澳核電站二期1號機組小修期間，實施了本文提出的處理措施。處理前和處理后的機械密封運行參數見表6。

自2010年10月上旬處理工作結束，至2010年12月下旬本文截稿，機械密封僅發生過一次O環密封失效事件，未出現溫度高、泄漏量超標、漏黑水等共模故障。處理后，沖洗水流量仍然略低于本文通過計算得到的要求流量，但是考慮到計算時選取了充分的安全裕量，因此當前參數能否滿足機械密封長時間運行需要，待進一步驗證。

參考文獻：

[1]顧永泉.機械密封實用技術[M].機械工業出版社,2001.

[2]徐祥發.機械密封手冊[M].東南大學出版社,1990.