管道余壓發電裝置導流罩水動力特性研究

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研究院，新疆 克拉瑪依834000；2.新疆油田公司風城油田作業區，新疆 克拉瑪依834000）

在鋼鐵、石油、化工等工業生產過程，通常有產品或介質通過管道高壓輸送， 會產生大量的余壓力能， 這些余壓力能大多采用節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開發方式， 其過程存在大量的余壓力能。 油田注水系統功率損失主要環節為站內機組和配套管網，占總損失功率的60%以上，是制約注水系統關鍵工藝指標的主要因素。 配套管網由于地層層間差異性大、非均質強、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%的注水井需要節流降壓注水，平均節流壓降5.26MPa，最大節流壓降達19.5MPa，導致了很大的能量損失。

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

1 導流罩結構及設計原理

1.1 導流罩結構

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

1.2 設計原理

導流罩的基本結構如圖1，導流罩設計的主要參數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，導流罩長度L1，來流速度V，來流方向如圖2。

圖1 導流罩及水力發電系統結構

圖2 導流罩結構示意圖

其管道余壓發電機導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。當管徑逐漸變大時，高流速轉化成沿管壁方向的高分速度。根據“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”。當管道內液體流入導流罩，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化率。

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

根據導流罩的工作原理和選用原則，選用生產實際中被用于設計導流罩內壁線型最多， 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為彎曲變向轉折點。

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

圖3 導流罩內壁入口（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值Xm的取值的增大， 導流罩內壁收縮段線型呈現漸變狀，雙三次曲線Xm=0.1到Xm=0.3導流罩內壁線型擴口（進口）段特別短，收縮地比較快；雙三次曲線Xm=0.4到Xm=0.6導流罩內壁線型擴口（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導流罩內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。根據以上雙三次曲線的導流罩內壁收縮段線型對比特點，取Xm=0.1、Xm=0.4、Xm=0.9 3個的導流罩內壁收縮段線型來代表3種典型特點的導流罩線型，導流罩線型結構如圖4。

圖4 導流罩線型示意圖

2 數值計算

導流罩內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為變徑前后導流罩沿壁阻力系數均值；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。前者是由于導流罩內流道逐漸變寬， 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。

根據實驗結果，漸變徑阻力系數ξ和拐點參數Xm的關系如表1。

表1 漸變徑阻力系數ξ和拐點參數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%，因此漸變徑導流罩的拐點參數Xm常控制在0.3～0.5以內。 在此范圍內，可用最小二乘法擬合ξ和Xm（cm）的關系曲線，方程為：

如果漸變徑導流罩后面連接與罩徑相同的水輪機，當變徑后直徑D1=（0.2-0.25）D2，由于導流罩內流道突然變大，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。

當變徑比k一定時， 漸變徑的摩擦損失△φf隨拐點參數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Xm，令：

當來流流量為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。 令：

將式（4）代入，得：

對應最佳點參數Xm， 漸變徑后的最小損失可根據式（6）得出。

3 仿真模擬分析

3.1 初始條件設定

采用內壁為漸變徑式的導流罩， 根據國內外文獻總結［6-7］， 利用較適用于導流罩的雙三次曲線函數，通過改變拐點參數Xm得到9種導流罩模型。 根據該類導流罩外形特征， 對導流罩模型進行簡單標注相應的尺寸參數如表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：①管道內液體是不可壓縮流體； ②導流罩內液體為單向運動。 該導流罩模型在fluent中的仿真設定如表3。

表2 導流罩尺寸參數 單位：cm

續表2

表3 仿真參數

初始條件：導流罩的入口為速度入口邊界條件，導流罩的出口設置為自由流出邊界條件， 導流罩壁面設置為固壁邊界條件。 導流罩仿真模型是根據雙三次曲線取很多輪廓點導入Gambit軟件［8］，模型網格軟件自動生成，網格區間大小為0.01，網格數量1804個。 給定仿真介質密度997.044kg/m3，仿真介質黏度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。 設置時間步長為0.01，進行仿真。

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

3.2 仿真結果分析

根據前述模型和仿真條件的假設下，運用fluent軟件進行仿真輸出結果，如圖5～圖7。

從圖5分析得，仿真介質從管道流進導流罩都是穩定層流，沒有漩渦或回流，沒有出現流速急劇降低和流向突然反轉等問題，整體系統比較穩定。

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

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種導流罩內部流體負靜壓值折線

觀察圖5中9種導流罩的速度矢量圖可發現，對于Xm=0.1至Xm=0.3，由于拐點參數Xm偏小，導流罩前端管徑變化趨勢大， 使這3個導流罩前端流速變化快，會導致在輸送流體時導流罩前端壓降增大，起點壓力增大。導流罩前端是管道和導流罩接頭處，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。 并且由于導流罩前端流速變化較大，會導致導流罩末段流速慢，產生不反應區，無法沖刷現實中管道內的沉積物， 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Xm偏大，導流罩前端罩徑變化小，末端罩徑變化劇烈，故在導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不穩定。 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，在導流罩的前緣點，流體因為受到壁面一圈接口的阻擋， 在導流罩前緣點出現密集的等值線，這里出現靜壓極值點。而在導流罩上沿壁會出現等距的一圈圈密集的等值線， 是因為導流罩在模具加工過程中，內壁曲線過渡不均勻，偶爾內壁有加工凸起點造成的靜壓力突然變大。為避免這種情況，應使雙三次曲線的拐點參數值不宜過小也不宜過大，盡可能避免導流罩內壁彎曲度劇烈變化，增大實際生產加工難度。

從靜壓等值線趨勢可看出， 導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種導流罩負靜壓值、 速度動壓力數值如圖7、 圖8，Xm=0.1的導流罩負靜壓值最低， 管道倒吸作用最明顯，Xm=0.4負靜壓值較其他導流罩較高。

圖8 在出口（末端）位置9種導流罩內部流體速度動壓力數值折線

4 結語

（1）通過對管道余壓發電裝置，利用有限元分析軟件對管道余壓發電裝置中的主要部件及管道流場進行了水動力性能模擬， 探索不同結構參數下導流罩內速度及靜壓力的變化規律， 發現導流罩各尺寸參數對其性能影響很大。

（2）仿真模擬結果表明，當拐點參數Xm小于0.4時，導流罩前端壓降增大，接頭處流體速度劇烈變化對管壁的摩擦大，導致導流罩末段流速慢，流體進入水輪機的速度過低，無力帶動水輪機葉片。當拐點參數Xm大于0.5時，導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不穩定。當拐點參數Xm在0.4～0.5之間時流體速度變化均勻， 對罩體沖擊較小，導流罩工況良好。

（3）通過實驗模擬，得到導流罩結構參數對其各項性能的影響曲線， 為管道余壓發電裝置導流罩設計提供了參考。