爆炸0區(qū)防爆風(fēng)機內(nèi)部流場模擬及試驗研究

程龍軍

（中國石油化工股份有限公司 青島安全工程研究院，山東青島 266071）

0 引言

爆炸性危險區(qū)域主要以爆炸物質(zhì)在這一危險區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時間來劃分。除煤礦外，我國的防爆危險區(qū)域分成爆炸性氣體區(qū)域和可燃性粉塵區(qū)域，爆炸0區(qū)指連續(xù)出現(xiàn)或長期出現(xiàn)爆炸性氣體或粉塵的環(huán)境，如：儲罐液面以上空間、罐區(qū)內(nèi)氣體管道和碼頭船岸對接管道等場合。爆炸1區(qū)指在正常運行時可能出現(xiàn)爆炸性氣體或粉塵混合物的環(huán)境，爆炸2區(qū)指在正常運行時不可能出現(xiàn)爆炸性氣體或粉塵混合物的環(huán)境，或即使出現(xiàn)也僅是短時存在的爆炸性氣體或粉塵混合物的環(huán)境［1］。符合0區(qū)防爆要求的設(shè)備可以用到1區(qū)或2區(qū)場所，1區(qū)設(shè)備可以用到2區(qū)場所，反之則不行。因此，爆炸0區(qū)防爆風(fēng)機與其他風(fēng)機要求不同，除了要求風(fēng)機中用電設(shè)備如電機、溫度傳感器、壓力傳感器和振動傳感器等具備電氣類防爆以外，風(fēng)機內(nèi)部要求非電氣防爆認(rèn)證，排除高溫?zé)岜砻妗⒛Σ粱鸹ê挽o電火花出現(xiàn)的可能性。為此，爆炸0區(qū)防爆風(fēng)機需采用機殼內(nèi)無火花設(shè)計，配置防爆電機，葉輪機殼剛性設(shè)計以具備抗爆炸沖擊能力，同時要求風(fēng)機出入口配備阻火芯或阻火器［2］。因此，0區(qū)防爆風(fēng)機流場計算需要考慮出入口阻火器對流場產(chǎn)生的影響，同時葉輪應(yīng)力應(yīng)滿足小于2/3材質(zhì)應(yīng)力要求［3］。

本研究為碼頭船岸安全界面管道使用的0區(qū)防爆風(fēng)機，風(fēng)機設(shè)計參數(shù)要求：流量1 500 m3/h，工作轉(zhuǎn)速3 000 r/min，以及總壓要求達到12 kPa以上，出入口管道直徑200 mm。

1 阻火器流場分析

阻火器是用來阻止易燃?xì)怏w和易燃液體蒸汽的火焰蔓延的安全裝置。一般安裝在輸送可燃?xì)怏w的管道中，或者通風(fēng)的槽罐上，阻止傳播火焰（爆燃或爆轟）通過的裝置，由阻火芯、阻火器外殼及附件構(gòu)成［4-5］。

本文選取商用阻火器為建模對象，阻火器出入口尺寸為DN200，利用物理場仿真計算軟件建立阻火器模型，邊界條件為：入口流速13.26 m/s，湍流強度 0.035 4，湍流長度 0.014 m［6］。

圖1 0區(qū)防爆風(fēng)機結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of zone 0 explosion-proof fan

采用k-ε湍流模型［7］，計算得到不同阻火器流量下壓降值，結(jié)果如圖2所示。與阻火器性能參數(shù)數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)模擬計算值與性能參數(shù)數(shù)據(jù)吻合度較高，最大相差為4.3%，目標(biāo)流量1 500 m3/h時相差最小，只有0.07%，由此可見阻火器計算模型能夠表征阻火器的實際流場。

圖2 阻火器流量與壓降關(guān)系Fig.2 Relation diagram of flame arrestor flow rate vs.pressure drop

1.1 阻火器壓力分布

圖3示出了1 500 m3/h時阻火器壓力分布。從圖可看出：阻火器對流動產(chǎn)生壓阻，壓阻值為525.41 Pa；壓力最大值位于入口阻火盤面上，壓力值為632 Pa；壓力最小值位于出口管道壁面上，壓力值為-108 Pa。

圖3 阻火器壓力分布Fig.3 Flame arrestor pressure distribution

1.2 阻火器速度分布

圖4示出了流量為1 500 m3/h時阻火器速度分布。由圖可看出，阻火器出口流場速度分布不均勻，速度最大值位于出口管道與阻火器交界處，速度值為23.3 m/s，速度最小值位于入口管道與阻火器交界處，最小值為0.23 m/s。

圖4 阻火器速度分布Fig.4 Velocity distribution of flame arrestor

1.3 阻火器湍流動能分布

圖5示出了流量為1 500 m3/h時阻火器湍流動能分布。從圖可見，出口管道湍流動能大大增加，最大值達到17.87 m2/s2，表明阻火器出口湍流強度增強。

圖5 阻火器湍流動能分布Fig.5 Distribution of turbulent kinetic energy of flame arrestor

綜上所述，流體經(jīng)過阻火器后速度、壓力以及湍流動能已發(fā)生改變，為此0區(qū)防爆風(fēng)機設(shè)計時必須考慮阻火器帶來的流場影響。

2 風(fēng)機內(nèi)部流場分析

為對比不同葉輪型式對風(fēng)機內(nèi)部流場的影響，本研究分析對比直葉輪及圓弧葉輪2種型式的輪盤，建立0區(qū)防爆風(fēng)機計算模型，出入口設(shè)置阻火器，如圖6所示。

圖6 直葉輪與圓弧葉輪0區(qū)防爆風(fēng)機模型Fig.6 Zone 0 explosion-proof fan models with straight impeller and circular impeller

風(fēng)機葉輪幾何參數(shù)：葉輪葉片進口直徑D1=280 mm，出口直徑D2=830 mm，葉片進口寬度b1=50 mm，出口寬度b2=29 mm，厚度δ=5 mm，葉片個數(shù)Z=13。

2.1 流場模型與邊界條件

本研究風(fēng)機內(nèi)部流場采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型［8-12］。

式中 k ——湍動能，m2/s2；

μt——湍流黏性系數(shù)，Pa·s；

Gk—— 由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能，m2/s2；

ε ——耗散項，m2/s3；

Cμ，C1ε，C2ε，σε，σk—— 常數(shù)，分別取 0.09，1.44，1.92，1.3，1.0。

湍流動能Gk是湍流強度的度量，與邊界層的動量及流體的運動有關(guān)，是流體穩(wěn)定性的標(biāo)志［13］。

湍流動能是速度方差之和除以2，定義為：

根據(jù)風(fēng)機流量要求，設(shè)置風(fēng)機入口速度為13.26 m/s，入口氣流方向為軸向，入口溫度為293 K。

入口湍流強度：

入口湍流長度：

式（5）中 v=13.26 m/s，d=0.2 m，ρ=1.19 kg/m3，η =17.9×10-6Pa·s，計算可得湍流強度 I=0.035 3，湍流長度L=0.014 m。絕熱固體壁面給定無滑移條件，輪盤設(shè)置動網(wǎng)格。

2.2 速度分布分析

直葉輪和圓弧葉輪風(fēng)機在工作流量為1 500 m3/h，轉(zhuǎn)速3 000 r/min時的速度分布情況如圖7，8所示。從圖7可看出，直葉輪最大速度為139.5 m/s，位于離風(fēng)機出口最近葉輪邊緣處，直葉輪風(fēng)機輪心位置左上角速度明顯分布不均勻，速度差在40～50 m/s，且每根直葉輪尾部速度較高，從直葉輪輪心到葉輪尾部速度變化較大。從圖8可看出，圓弧葉輪最大速度為167.14 m/s，同樣位于離風(fēng)機出口最近葉輪邊緣處，圓弧葉輪輪心速度分布均勻性較好，速度差在10 m/s以內(nèi)，從圓弧葉輪輪心到葉輪尾部速度變化均勻，圓弧葉輪尾部的平均速度比直葉輪尾部速度小19.5 m/s。從速度分布來看，圓弧葉輪速度場分布更均勻。

圖7 直葉輪速度分布Fig.7 Velocity distribution of straight impeller

圖8 圓弧葉輪速度分布Fig.8 Velocity distribution of circular impeller

2.3 壓力分布分析

直葉輪和圓弧葉輪風(fēng)機在工作流量1 500 m3/h，轉(zhuǎn)速3 000 r/min時的速度分布情況分別如圖9，10所示。

圖9 直葉輪壓力分布Fig.9 Pressure distribution of straight impeller

從圖9可看出，直葉輪最大壓力為1 066.2 Pa，位于離風(fēng)機出口最近葉輪邊緣處。最低壓力為-14 954 Pa，位于輪心葉輪邊緣處。從圖10可看出，圓弧葉輪最大壓力為997 Pa，位于離風(fēng)機出口最近葉輪邊緣處，最低壓力為-13 598 Pa，位于輪心葉輪邊緣處。從圖9還可看出，圓弧葉輪在輪盤內(nèi)部已經(jīng)完成壓力場過渡，而直葉輪壓力場過渡在機殼內(nèi)部完成。從壓力場分布均勻來看，圓弧葉輪風(fēng)機更優(yōu)。同時，計算得到直葉輪風(fēng)機出入口總壓值為11.56 kPa，圓弧葉輪風(fēng)機出入口總壓值為12.62 kPa，從升壓效果來看，圓弧葉輪風(fēng)機更優(yōu)。

圖10 圓弧葉輪壓力分布Fig.10 Pressure distribution of circular impeller

2.4 湍流動能分析

直葉輪和圓弧葉輪風(fēng)機在工作流量1 500 m3/h，轉(zhuǎn)速3 000 r/min湍流動能分布情況，如圖11，12所示。

圖11 直葉輪湍流動能分布Fig.11 Turbulent kinetic energy distribution of straight impeller

從圖11可看出，直葉輪風(fēng)機湍流動能最大位置在機殼側(cè)盤靠近風(fēng)機出口處，最大值為150 m2/s2。從圖12可看出，圓弧葉輪風(fēng)機湍流動能最大處位于離風(fēng)機出口最近葉輪邊緣處，最大值為160 m2/s2，且圓弧葉輪風(fēng)機機殼側(cè)盤靠近風(fēng)機出口處湍流動能最大值為81 m2/s2，低于直葉輪風(fēng)機此處的湍流動能。同時，從圖11可看出直葉輪風(fēng)機湍流動能較大位置分布在輪盤盤面上，而圖12圓弧葉輪風(fēng)機湍流動能較大位置分布在葉輪表面。

圖12 圓弧葉輪湍流動能分布Fig.12 Turbulent kinetic energy distribution of circular impeller

綜合對比直葉輪風(fēng)機和圓弧葉輪風(fēng)機速度分布、壓力分布以及湍流動能分布，可發(fā)現(xiàn)圓弧葉輪速度、壓力及湍流動能分布更加均勻，升壓性能更強，因此優(yōu)選圓弧葉輪作為0區(qū)防爆風(fēng)機的葉輪。

3 輪盤應(yīng)力分析

0區(qū)防爆風(fēng)機高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子中，輪盤中承受著巨大的負(fù)荷，所以對輪盤必須進行可靠的計算，在本研究中只考慮由葉片和輪盤本身的質(zhì)量在旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的離心力［14］。

對圓弧葉輪，在3 000 r/min轉(zhuǎn)速下進行應(yīng)力分析。輪盤及葉片材料為2205不銹鋼，材料密度 7 880 kg/m3、泊松比 0.3、楊氏模量 190 GPa，材料屈服強度σs=450 MPa。輪盤應(yīng)力分布如圖13所示。

圖13 圓弧輪盤應(yīng)力分布Fig.13 Stress distribution of circular disc

從圖13可看出，圓弧葉輪應(yīng)力最大位置位于靠近輪心葉片根部位置，最大應(yīng)力為263.98 MPa，最小值位于靠近輪心葉片頂部位置，最小應(yīng)力為567.4 Pa。輪盤離心力σmax=263.98 MPa＜2σs/3=300 MPa，滿足葉輪強度要求。

4 實際情況對比

根據(jù)模擬計算結(jié)果，進行0區(qū)防爆風(fēng)機的設(shè)計及制造組裝，完成一臺0區(qū)防爆風(fēng)機，在風(fēng)機廠內(nèi)進行性能測試。

廠內(nèi)試驗時，大氣氣壓10 1370 Pa，空氣密度為1.19 kg/m3，溫度23.8 ℃，通過變頻器控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速，調(diào)整風(fēng)機入口流量為1 500 m3/h，測量風(fēng)機出入口總壓值，得到轉(zhuǎn)速與總壓數(shù)據(jù)，并將其與計算值進行對比，結(jié)果如圖14所示。風(fēng)機在3 000 r/min工況下，得到風(fēng)量與總壓數(shù)據(jù)及軸功率數(shù)據(jù)，風(fēng)機性能曲線如圖15所示。

圖14 1 500 m3/h氣量下轉(zhuǎn)速與升壓關(guān)系曲線Fig.14 Relation curve of speed vs. pressure boost at gas volume of 1 500 m3/h

圖15 3 000 r/min工況下風(fēng)機性能曲線Fig.15 Performance curve of fan under working condition of 3 000 r/min

從圖14，15可以看出，0區(qū)防爆風(fēng)機樣機在3 000 r/min轉(zhuǎn)速情況下，總壓為12 113 Pa，滿足設(shè)計要求。風(fēng)機在1 500 m3/h，3 000 r/min工況下軸功率為26 kW，風(fēng)機總功率為37 kW，風(fēng)機效率達到70.27%。從圖15可看出，實際0區(qū)防爆風(fēng)機氣量與升壓關(guān)系曲線與流體模擬軟件計算值接近，證明爆炸0區(qū)防爆風(fēng)機內(nèi)部流場計算較為準(zhǔn)確，為以后其他型式葉輪或者多級0區(qū)防爆風(fēng)機的設(shè)計計算提供基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

（1）建立阻火器分析模型，分析流體經(jīng)過阻火器后速度、壓力以及湍流動能已發(fā)生改變，阻火器對流動產(chǎn)生壓阻，壓阻值為525.41 Pa，阻火器出口流場速度分布不均勻，出口管道湍流動能大大增加，最大值達到17.87 m2/s2，因此0區(qū)防爆風(fēng)機設(shè)計時必須考慮阻火器帶來的流場影響。

（2）分析對比直葉輪風(fēng)機和圓弧葉輪風(fēng)機速度分布、壓力分布以及湍流動能分布，圓弧葉輪速度、壓力及湍流動能分布更加均勻，同時，直葉輪風(fēng)機出入口總壓值為11.56 kPa，圓弧葉輪風(fēng)機出入口總壓值為12.62 kPa，因此，圓弧葉輪更適合作為0區(qū)防爆風(fēng)機的葉輪。

（3）對圓弧葉輪，在3 000 r/min轉(zhuǎn)速下進行應(yīng)力分析，圓弧葉輪應(yīng)力最大位置位于靠近輪心葉片根部位置，最大輪盤離心力σmax=263.98 MPa＜2σs/3=300 MPa，滿足葉輪強度要求。

（4）0區(qū)防爆風(fēng)機樣機在3 000 r/min情況下，總壓為12 113 Pa，3 000 r/min工況下軸功率為26 kW，滿足設(shè)計要求。實際0區(qū)防爆風(fēng)機氣量與升壓關(guān)系曲線與流體模擬軟件計算值接近，證明爆炸0區(qū)防爆風(fēng)機內(nèi)部流場計算較為準(zhǔn)確，為以后其他型式葉輪或者多級0區(qū)防爆風(fēng)機的設(shè)計計算提供借鑒。