王扶輝，薛興昌，周 凱，韓麗艷，祝先貴

（1.新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依834000；2.新疆油田公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)，新疆 克拉瑪依834000）

在鋼鐵、石油、化工等工業(yè)生產(chǎn)過程，通常有產(chǎn)品或介質(zhì)通過管道高壓輸送， 會產(chǎn)生大量的余壓力能， 這些余壓力能大多采用節(jié)流降壓的方法直接釋放，未加利用，從而造成能量的浪費。 注水開采是一種常見的原油生產(chǎn)開發(fā)方式， 其過程存在大量的余壓力能。 油田注水系統(tǒng)功率損失主要環(huán)節(jié)為站內(nèi)機組和配套管網(wǎng)，占總損失功率的60%以上，是制約注水系統(tǒng)關(guān)鍵工藝指標(biāo)的主要因素。 配套管網(wǎng)由于地層層間差異性大、非均質(zhì)強、注水井分布散等特點造成了注水井的注水量、壓力及位置分布不均勻，為滿足終端高壓注水井壓力需求， 使得注水站出站壓力較高。 目前新疆油田日注水量達8萬方以上，常開注水井2500多口，近50%的注水井需要節(jié)流降壓注水，平均節(jié)流壓降5.26MPa，最大節(jié)流壓降達19.5MPa，導(dǎo)致了很大的能量損失。

管道余壓利用技術(shù)是在生產(chǎn)過程中對余壓能量進行回收并加以利用的技術(shù)。為適應(yīng)不同管道壓力、流速等參數(shù)， 管道余壓發(fā)電裝置中導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要，1986年加拿大的Faure等［1］提出在垂直水輪機結(jié)構(gòu)外部加裝導(dǎo)流罩， 并研究了導(dǎo)流罩對發(fā)電效率的影響；國內(nèi)王樹杰等［2］對幾種不同母線的導(dǎo)流罩進行了數(shù)值模擬， 分析導(dǎo)流罩的水動力性能影響；王俊皓等［3］運用數(shù)值模擬公舉對導(dǎo)流罩進行了水動力設(shè)計。本文采用數(shù)值模擬的方法，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的導(dǎo)流罩進行了模擬和仿真，通過實驗，探究拐點參數(shù)對導(dǎo)流罩性能的影響，計算速度、壓力曲線，為更好的設(shè)計余壓發(fā)電裝置導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)提出思路。

1 導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)及設(shè)計原理

1.1 導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的水力發(fā)電裝置是將葉輪經(jīng)過聯(lián)軸器及齒輪變速帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動發(fā)電，在傳動過程中損失將近20%的能量，余壓發(fā)電水輪機裝置是集葉輪和電機轉(zhuǎn)子為一體設(shè)計，管內(nèi)水流推動葉輪轉(zhuǎn)動時，可直接發(fā)電，集成設(shè)計可提高裝置發(fā)電效率。 為減緩管道水力損失，在進端管道上安裝流線型導(dǎo)流罩，該系統(tǒng)的工作原理是在細管道上通過安裝增速導(dǎo)流罩，將壓力能轉(zhuǎn)換為水流動能，葉輪旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)發(fā)電，其中葉輪上嵌入不同磁極，與外部形成磁場回路，葉輪旋轉(zhuǎn)帶動磁場變化，固定線圈切割磁場產(chǎn)生電流，實現(xiàn)發(fā)電。

1.2 設(shè)計原理

導(dǎo)流罩的基本結(jié)構(gòu)如圖1，導(dǎo)流罩設(shè)計的主要參數(shù)為收縮段出口截面直徑D1， 收縮段入口截面直徑D2，兩曲線前后連接點Xm，軸向距離為x處的截面直徑D，收縮段長度L，導(dǎo)流罩長度L1，來流速度V，來流方向如圖2。

圖1 導(dǎo)流罩及水力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)示意圖

其管道余壓發(fā)電機導(dǎo)流罩的工作原理是管徑小時流速高，但沿管壁方向的分速度并不高。當(dāng)管徑逐漸變大時，高流速轉(zhuǎn)化成沿管壁方向的高分速度。根據(jù)“伯努利原理”可知等高流動時，流速大，則壓力小，流體的總機械能守恒，即“動能+重力勢能+壓力勢能=常數(shù)”。當(dāng)管道內(nèi)液體流入導(dǎo)流罩，提高了液體貼壁的分流速，從而提高沖擊葉輪的速度，提高水動能和葉輪效率的轉(zhuǎn)化率。

根據(jù)國內(nèi)外研究文獻總結(jié)［4］，導(dǎo)流罩突然變徑容易出現(xiàn)紊流和渦流， 而導(dǎo)流罩漸變徑流線型內(nèi)壁比漸變直壁式效果更佳。 本文針對漸變徑流線型內(nèi)壁中利用雙三次曲線中按參數(shù)Xm拐點取值的不同劃分出導(dǎo)流罩模型， 通過水動力性能數(shù)值計算和仿真試驗尋找最佳的導(dǎo)流罩模型， 使其有利于提高管道余壓發(fā)電水輪機性能。

根據(jù)導(dǎo)流罩的工作原理和選用原則，選用生產(chǎn)實際中被用于設(shè)計導(dǎo)流罩內(nèi)壁線型最多， 但沒有被詳細分類分析的雙三次曲線型方案。 雙三次曲線形如式（1）：

式中 Xm為曲線收縮段兩點連線（cm）；D2為收縮段入口截面半徑（cm）；D1為收縮段出口截面半徑（cm）；D為點x處的截面直徑（cm）；L為收縮段長度（cm）；V為來流速度（cm/s）；X為彎曲變向轉(zhuǎn)折點。

根據(jù)式（1）中拐點參數(shù)Xm的不同選取導(dǎo)流罩內(nèi)壁線型模型， 按照拐點參數(shù)Xm的取值從0.1到0.9，得到導(dǎo)流罩內(nèi)壁收縮段線型對比，如圖3［5］。

圖3 導(dǎo)流罩內(nèi)壁入口（收縮）段線型對比

從圖3中可看出，隨著雙三次曲線的拐點參數(shù)值Xm的取值的增大， 導(dǎo)流罩內(nèi)壁收縮段線型呈現(xiàn)漸變狀，雙三次曲線Xm=0.1到Xm=0.3導(dǎo)流罩內(nèi)壁線型擴口（進口）段特別短，收縮地比較快；雙三次曲線Xm=0.4到Xm=0.6導(dǎo)流罩內(nèi)壁線型擴口（進口）段與出口段長度基本一樣；雙三次曲線Xm=0.7到Xm=0.9導(dǎo)流罩內(nèi)壁線型出口段長度特別短，擴口（進口）段過渡比較平滑，收縮慢。根據(jù)以上雙三次曲線的導(dǎo)流罩內(nèi)壁收縮段線型對比特點，取Xm=0.1、Xm=0.4、Xm=0.9 3個的導(dǎo)流罩內(nèi)壁收縮段線型來代表3種典型特點的導(dǎo)流罩線型，導(dǎo)流罩線型結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 導(dǎo)流罩線型示意圖

2 數(shù)值計算

導(dǎo)流罩內(nèi)部的壓力損失包括摩擦的損失△φf和變徑的損失△φe兩個部分［5］。摩擦的損失為：

式中 λb為變徑前后導(dǎo)流罩沿壁阻力系數(shù)均值；ρ為水的密度， 通常在常溫常壓下水的密度為ρ=1000kg3/m3；v1為管道的來流速度（m/s）；變徑的損失△φe，包括漸變徑損失△φe1和突變徑損失△φe2。前者是由于導(dǎo)流罩內(nèi)流道逐漸變寬， 引起渦流和流速不均所造成的損失，可用式（3）進行計算：

式中 ξ為漸變徑損失的局部阻力系數(shù)。

根據(jù)實驗結(jié)果，漸變徑阻力系數(shù)ξ和拐點參數(shù)Xm的關(guān)系如表1。

表1 漸變徑阻力系數(shù)ξ和拐點參數(shù)Xm

由表1可見， 漸變徑的損失在Xm=0.3至Xm=0.5時較小，Xm=0.1和Xm=0.9時，變徑的損失增大約15%，因此漸變徑導(dǎo)流罩的拐點參數(shù)Xm常控制在0.3～0.5以內(nèi)。 在此范圍內(nèi)，可用最小二乘法擬合ξ和Xm（cm）的關(guān)系曲線，方程為：

如果漸變徑導(dǎo)流罩后面連接與罩徑相同的水輪機，當(dāng)變徑后直徑D1=（0.2-0.25）D2，由于導(dǎo)流罩內(nèi)流道突然變大，變徑筒還有一突變徑損失△φe2：

因此變徑后的總損失為：

由于漸變徑后的突變徑損失△φe2較小， 計算時可忽略。

當(dāng)變徑比k一定時， 漸變徑的摩擦損失△φf隨拐點參數(shù)Xm的增大而減小，但漸變徑損失卻隨之增大，故漸變徑后的總損失存在一個極值。

漸變徑最佳拐點參數(shù)Xm的確定， 即為計算這個漸變徑總損失極值。

使式（6）變徑后的總損失最小，即為算得最佳拐點參數(shù)Xm，令：

當(dāng)來流流量為Q， 徑向尺寸Dt1，Dt2，D1，D2和漸變徑材料確定后，λb，k，V即為定值，則A，B，C為常數(shù)。 令：

將式（4）代入，得：

對應(yīng)最佳點參數(shù)Xm， 漸變徑后的最小損失可根據(jù)式（6）得出。

3 仿真模擬分析

3.1 初始條件設(shè)定

采用內(nèi)壁為漸變徑式的導(dǎo)流罩， 根據(jù)國內(nèi)外文獻總結(jié)［6-7］， 利用較適用于導(dǎo)流罩的雙三次曲線函數(shù)，通過改變拐點參數(shù)Xm得到9種導(dǎo)流罩模型。 根據(jù)該類導(dǎo)流罩外形特征， 對導(dǎo)流罩模型進行簡單標(biāo)注相應(yīng)的尺寸參數(shù)如表2。在仿真前期，基于不影響計算精度的情況下簡化研究，做出下列假設(shè)：①管道內(nèi)液體是不可壓縮流體； ②導(dǎo)流罩內(nèi)液體為單向運動。 該導(dǎo)流罩模型在fluent中的仿真設(shè)定如表3。

表2 導(dǎo)流罩尺寸參數(shù) 單位：cm

續(xù)表2

表3 仿真參數(shù)

初始條件：導(dǎo)流罩的入口為速度入口邊界條件，導(dǎo)流罩的出口設(shè)置為自由流出邊界條件， 導(dǎo)流罩壁面設(shè)置為固壁邊界條件。 導(dǎo)流罩仿真模型是根據(jù)雙三次曲線取很多輪廓點導(dǎo)入Gambit軟件［8］，模型網(wǎng)格軟件自動生成，網(wǎng)格區(qū)間大小為0.01，網(wǎng)格數(shù)量1804個。 給定仿真介質(zhì)密度997.044kg/m3，仿真介質(zhì)黏度μ=0.0008949kg/m·s，管道入口壓力13MPa，重力在Y方向為-9.81m/s2，給定入口速度為2m/s。 設(shè)置時間步長為0.01，進行仿真。

在仿真時， 由于流動時對稱， 導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)也對稱，所以筆者只取對稱軸上半部分作為計算對象，在不對結(jié)果造成影響的情況下簡化研究。

3.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)前述模型和仿真條件的假設(shè)下，運用fluent軟件進行仿真輸出結(jié)果，如圖5～圖7。

從圖5分析得，仿真介質(zhì)從管道流進導(dǎo)流罩都是穩(wěn)定層流，沒有漩渦或回流，沒有出現(xiàn)流速急劇降低和流向突然反轉(zhuǎn)等問題，整體系統(tǒng)比較穩(wěn)定。

從圖5可看出，在流體密度和重力加速度不變的情況下，隨著導(dǎo)流罩的罩徑逐漸變大，罩內(nèi)的流速逐漸降低，這現(xiàn)象完全符合伯努利原理，即為：動能+重力勢能+壓力勢能=常數(shù)。流體總機械能守恒為常數(shù)，罩徑逐漸變大，則壓力勢能變大，相應(yīng)的動能和重力勢能減小，即導(dǎo)流罩內(nèi)流速降低。

圖5 速度矢量圖

圖6 靜壓力等值線

圖7 在出口（末端）位置9種導(dǎo)流罩內(nèi)部流體負靜壓值折線

觀察圖5中9種導(dǎo)流罩的速度矢量圖可發(fā)現(xiàn)，對于Xm=0.1至Xm=0.3，由于拐點參數(shù)Xm偏小，導(dǎo)流罩前端管徑變化趨勢大， 使這3個導(dǎo)流罩前端流速變化快，會導(dǎo)致在輸送流體時導(dǎo)流罩前端壓降增大，起點壓力增大。導(dǎo)流罩前端是管道和導(dǎo)流罩接頭處，接頭處流體速度劇烈變化對管壁的摩擦大，沖刷大，接頭處零件壽命降低。 并且由于導(dǎo)流罩前端流速變化較大，會導(dǎo)致導(dǎo)流罩末段流速慢，產(chǎn)生不反應(yīng)區(qū)，無法沖刷現(xiàn)實中管道內(nèi)的沉積物， 流體進入水輪機的速度過低，無力帶動水輪機葉片。對于Xm=0.6至Xm=0.9，由于拐點參數(shù)Xm偏大，導(dǎo)流罩前端罩徑變化小，末端罩徑變化劇烈，故在導(dǎo)流罩前端流體速度損失小，末端流體速度變化大， 使得液體流入水輪機時流體狀態(tài)不穩(wěn)定。 對于Xm=0.4和Xm=0.5流體速度變化均勻，對罩體沖擊均勻，增大導(dǎo)流罩壽命。

從圖6中特別是Xm=0.5至Xm=0.9的前緣處有兩圈密集的等值線，在導(dǎo)流罩的前緣點，流體因為受到壁面一圈接口的阻擋， 在導(dǎo)流罩前緣點出現(xiàn)密集的等值線，這里出現(xiàn)靜壓極值點。而在導(dǎo)流罩上沿壁會出現(xiàn)等距的一圈圈密集的等值線， 是因為導(dǎo)流罩在模具加工過程中，內(nèi)壁曲線過渡不均勻，偶爾內(nèi)壁有加工凸起點造成的靜壓力突然變大。為避免這種情況，應(yīng)使雙三次曲線的拐點參數(shù)值不宜過小也不宜過大，盡可能避免導(dǎo)流罩內(nèi)壁彎曲度劇烈變化，增大實際生產(chǎn)加工難度。

從靜壓等值線趨勢可看出， 導(dǎo)流罩罩徑小的地方靜壓力為負值與罩徑大的地方形成壓差， 產(chǎn)生倒吸、反流作用。 負靜壓值越低，管道抽吸、倒吸越明顯，管道倒吸阻力值變大，倒吸沉積物腐蝕管道。9種導(dǎo)流罩負靜壓值、 速度動壓力數(shù)值如圖7、 圖8，Xm=0.1的導(dǎo)流罩負靜壓值最低， 管道倒吸作用最明顯，Xm=0.4負靜壓值較其他導(dǎo)流罩較高。

圖8 在出口（末端）位置9種導(dǎo)流罩內(nèi)部流體速度動壓力數(shù)值折線

4 結(jié)語

（1）通過對管道余壓發(fā)電裝置，利用有限元分析軟件對管道余壓發(fā)電裝置中的主要部件及管道流場進行了水動力性能模擬， 探索不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下導(dǎo)流罩內(nèi)速度及靜壓力的變化規(guī)律， 發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流罩各尺寸參數(shù)對其性能影響很大。

（2）仿真模擬結(jié)果表明，當(dāng)拐點參數(shù)Xm小于0.4時，導(dǎo)流罩前端壓降增大，接頭處流體速度劇烈變化對管壁的摩擦大，導(dǎo)致導(dǎo)流罩末段流速慢，流體進入水輪機的速度過低，無力帶動水輪機葉片。當(dāng)拐點參數(shù)Xm大于0.5時，導(dǎo)流罩前端罩徑變化小，末端罩徑變化劇烈，液體進入水輪機時流體狀態(tài)不穩(wěn)定。當(dāng)拐點參數(shù)Xm在0.4～0.5之間時流體速度變化均勻， 對罩體沖擊較小，導(dǎo)流罩工況良好。

（3）通過實驗?zāi)M，得到導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對其各項性能的影響曲線， 為管道余壓發(fā)電裝置導(dǎo)流罩設(shè)計提供了參考。