轉(zhuǎn)爐氧槍供水系統(tǒng)泵泵控泵安全配置的仿真分析

轉(zhuǎn)爐氧槍供水系統(tǒng)泵泵控泵安全配置的仿真分析

1水泵的供水方式及用量該鋼有多種供水系統(tǒng)，供水泵的配置方法也很多。常見的配置為1用1備(簡(jiǎn)稱1+1)、2用1備(簡(jiǎn)稱2+1)、n用1備、n用2備等,其中最常見的就是1+1和2+1配置方式。工程師在考慮水泵配置時(shí)有時(shí)會(huì)因?yàn)檎嫉卦蜻x擇1+1,當(dāng)供水泵組服務(wù)于單用戶且水量要求較穩(wěn)定時(shí),1用1備更成為必然配置。對(duì)于單用戶冷卻,供水泵配置采用1+1或2+1對(duì)主管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒有影響,用戶要求的供水流量和壓力也是固定的,而系統(tǒng)的節(jié)能效果取決于水泵工作點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的效率高低,和水泵臺(tái)數(shù)配置沒有直接聯(lián)系,1+1配置的節(jié)能效果有可能低于2+1也有可能高于2+1。如果撇開一次性投資大小的問題,那么1+1和2+1水泵配置的區(qū)別就在供水的安全性方面。當(dāng)供水泵組一臺(tái)泵由于故障突然停運(yùn)時(shí),常規(guī)設(shè)計(jì)是備用泵自動(dòng)啟動(dòng),但備用泵從啟動(dòng)到進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行有個(gè)時(shí)間差,在這段時(shí)間里系統(tǒng)的水量和水壓會(huì)發(fā)生波動(dòng),冷卻效果會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間驟降,威脅到被冷卻設(shè)備的安全,也會(huì)間接導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)出現(xiàn)瑕疵。因此,對(duì)于鋼廠內(nèi)的重要冷卻水設(shè)備,需要對(duì)水泵配置進(jìn)行分析保證其供水的安全性。本文通過引入一維流體分析軟件Flowmaster,對(duì)冷卻水系統(tǒng)在水泵事故切換狀態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的壓力、流量波動(dòng)進(jìn)行瞬態(tài)分析,為水泵配置提出優(yōu)化方案。2系統(tǒng)的水系統(tǒng)設(shè)計(jì)某鋼廠1#轉(zhuǎn)爐氧槍冷卻水系統(tǒng),冷卻水量380m3/h,氧槍在通過此流量時(shí)損失的壓力為1MPa,冷卻水系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖見圖1,水泵配置方案見表1。3分析及模擬以下采用Flowmaster軟件作為分析的工具,該軟件是一個(gè)流體系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái),能夠?qū)Σ豢蓧嚎s流體、可壓縮流體、液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析和模擬,能對(duì)流體系統(tǒng)的流量、壓力、溫度分布等進(jìn)行精確計(jì)算,并能對(duì)穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)過程進(jìn)行模擬。目前該軟件被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、燃?xì)廨啓C(jī)、船舶、兵器、能源動(dòng)力、石油和天然氣、流體管網(wǎng)等所有內(nèi)流系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。4通過參數(shù)設(shè)置和模型來模擬針對(duì)轉(zhuǎn)爐氧槍冷卻水系統(tǒng)建立系統(tǒng)模型,系統(tǒng)的起始端是循環(huán)水池,水泵從水池吸水,水泵出口安裝有微阻緩閉止回閥、電動(dòng)蝶閥、手動(dòng)蝶閥,水泵出水支管匯合后將冷卻水通過供水總管輸送至轉(zhuǎn)爐氧槍,冷卻回水通過回水總管送至蒸發(fā)冷卻塔,冷卻后無壓排入循環(huán)水池。在Flowmaster中,水池、水泵、止回閥、蝶閥、管道等都有專用的計(jì)算模型,水池和管道的計(jì)算模型相對(duì)而言通用性較強(qiáng),但水泵和閥門由于生產(chǎn)設(shè)備廠家較多,種類和性能規(guī)格差距較大,所以要模擬設(shè)備的真實(shí)水力特性需要設(shè)備廠家提供具體參數(shù)。本模型中,水泵利用水泵廠家提供的參數(shù)進(jìn)行了模擬,閥門由于廠家未能提供詳細(xì)的壓力損失和閥門開度的變化曲線沿用了軟件系統(tǒng)默認(rèn)的計(jì)算模型,但對(duì)閥門的動(dòng)作時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行了設(shè)定。用DiscreteLosses(簡(jiǎn)稱DL)組件模擬轉(zhuǎn)爐氧槍和蒸發(fā)冷卻塔的起始端和末端的壓力變化情況,對(duì)于不可壓縮流體Flowmaster對(duì)DL數(shù)學(xué)模型可表達(dá)為:ΔP-節(jié)點(diǎn)1、2之間的壓力差(節(jié)點(diǎn)1、2分別為起始端和末端)K-損失系數(shù)(和流向有關(guān))m2-節(jié)點(diǎn)2的質(zhì)量流量A-過流橫斷面積ρ-流體密度經(jīng)過推導(dǎo)可得出Q-體積流量由于K、ρ、A都是過流部件及流體固有的特性,令得出:ΔP=SQ2(3)在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過程中,工程師不易獲得被模擬設(shè)備的實(shí)際ΔP-Q曲線,但設(shè)備供應(yīng)商向工程師至少要提供該曲線上的一個(gè)點(diǎn),即設(shè)計(jì)工作流量和對(duì)應(yīng)此流量的壓力損失,利用這個(gè)點(diǎn)再結(jié)合公式(3)就可以在Flowmaster中建立被模擬設(shè)備的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)仿真模型,如圖2、圖3所示圖2、圖3中1為水池,2、6、10為水泵,3、7、11為止回閥,4、8、12為蝶閥,14為供水管道,15為轉(zhuǎn)爐氧槍,16為回水管道,17為蒸發(fā)冷卻塔,18無具體元件僅表示無壓釋放。模擬1+1狀態(tài):當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行20s時(shí),水泵2突然掉電,水泵6自動(dòng)啟動(dòng)。模擬2+1狀態(tài):當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行20s時(shí),水泵2突然掉電,水泵6自動(dòng)啟動(dòng),水泵10在此過程中正常運(yùn)行。5綜合瞬態(tài)分析的結(jié)果根據(jù)上述模型,對(duì)系統(tǒng)水泵配置分別為1+1和2+1時(shí)水泵切換的瞬態(tài)進(jìn)行仿真。5.1關(guān)閉保護(hù)泵6水泵流量與時(shí)間曲線見圖4。由圖4可看出,水泵2掉電后在短時(shí)間內(nèi)水泵2會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的負(fù)流量,此時(shí)間內(nèi)止回閥還未徹底關(guān)閉,約4s后閥門徹底關(guān)閉,事故泵流量為0。水泵6在水泵2掉電后自動(dòng)啟動(dòng),但并不能完全即時(shí)啟動(dòng),有不超過1s的傳動(dòng)延時(shí),隨后才開始啟動(dòng),啟動(dòng)后水泵6會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間流量高于正常工作流量的情況,在止回閥徹底關(guān)閉后流量逐漸趨于穩(wěn)定。在圖4b中,系統(tǒng)水泵配置為2+1時(shí)多了水泵10的流量-時(shí)間曲線,水泵2掉電后水泵10的流量明顯增大,水泵6啟動(dòng)后水泵10的流量逐漸趨向正常值。5.2流量增大都不大,流量增幅不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅量不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量增幅不大,流量圖5為總流量-時(shí)間曲線,由圖5可得出表2。對(duì)比兩種配置方式,在水泵切換過程中,流量增幅都不大,流量減幅1+1明顯大于2+1。由圖5可知流量波動(dòng)主要發(fā)生在20~30s這一區(qū)間內(nèi),利用Flowmaster內(nèi)置的積分功能,可以得到在此時(shí)間段減小的總水量,1+1配置為0.14m3,2+1配置為0.05m3。5.3兩種方式對(duì)比水壓分析重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)管網(wǎng)壓力最高點(diǎn)和最低點(diǎn),抽取管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)11和13作為觀測(cè)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置見圖2)。圖6為節(jié)點(diǎn)11壓力-時(shí)間曲線,由圖6可得出表3。對(duì)比兩種配置方式,在水泵切換過程中,壓力增幅都不大,壓力減幅1+1明顯大于2+1。壓力減幅的副作用在系統(tǒng)的壓力最低點(diǎn)13表現(xiàn)更為突出,見圖7所示。由圖7可知,節(jié)點(diǎn)13處系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)壓,1+1配置的負(fù)壓尤其顯著,達(dá)到-51m,可能導(dǎo)致在管網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生氣囊、氣阻、壓力振蕩等一系列不良后果。水泵配置的調(diào)整雖不能徹底解決水泵切換時(shí)的負(fù)壓?jiǎn)栴},但能明顯減小負(fù)壓,從而較好的緩解此問題。6確定水泵的配置(1)在鋼鐵企業(yè)中為單用戶供水,當(dāng)用戶對(duì)用水穩(wěn)定性要求較高時(shí),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該優(yōu)先采用2+1配置而不是1+1配置。如果用戶能夠根據(jù)換熱計(jì)算對(duì)事故時(shí)允許短缺的水量作出明確界定,工程師可以根據(jù)最大允許短缺水量來決定水泵的配置。(2)將流