引射混合式低壓加熱器結(jié)構(gòu)及性能研究

摘 要

摘要：介紹了引射混合式低壓加熱器的工作原理、結(jié)構(gòu)，探討了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。建立了試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)截面比、凝結(jié)水進(jìn)口壓力對(duì)引射混合式低壓加熱器引射能力、加熱性能的
摘要：介紹了引射混合式低壓加熱器的工作原理、結(jié)構(gòu)，探討了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。建立了試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)截面比、凝結(jié)水進(jìn)口壓力對(duì)引射混合式低壓加熱器引射能力、加熱性能的影響進(jìn)行了分析。引射混合式低壓加熱器出水溫度受截面比影響較大，合理調(diào)整截面比后出水溫度可達(dá)到110℃，可代替火電廠間壁管殼式低壓加熱器，解決高壓蒸汽含銅的問題。
關(guān)鍵詞：引射混合式低壓加熱器；引射能力；加熱性能；截面比
Abstract：The operating principle and structure of injection-mixing low-pressure heater are introduced，and the design and calculation methods of key structure parameters are discussed. The test system is established，and the influences of cross-section ratio and inlet pressure of condensate on the injection ability and heating performance of injection-mixing low-pressure heater are analyzed. The outlet water temperature of the heater is influenced greatly by cross-section ratio，and can reach 110℃ after reasonably adjusting the cross-section ratio. This heater can replace dividing wall type shell-and-tube low-pressure heater used in thermal power plant to solve the problem of containing copper in high-pressure steam.
Key words：injection-mixing low-Pressure heater；injection ability；heating performance；cross-section ratio
1概述
    在現(xiàn)代大型火力發(fā)電廠中，為提高朗肯循環(huán)的效率，通常采用7～8級(jí)回?zé)?sup>[1]，其中一級(jí)混合式加熱器為除氧器提供除氧熱源，其余各級(jí)回?zé)峋ㄟ^多級(jí)間壁管殼式低壓加熱器實(shí)現(xiàn)換熱。但使用這樣的加熱器有很多不利的因素：換熱管中的銅通過凝結(jié)水進(jìn)入高壓蒸汽，導(dǎo)致汽輪機(jī)效率降低；傳熱系數(shù)低；使整個(gè)電站系統(tǒng)更加復(fù)雜，增加了設(shè)備造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用；抽汽與給水間存在換熱溫差，產(chǎn)生不可逆損失，使循環(huán)效率降低[2]。
    引射混合式低壓加熱器實(shí)際上是射水抽汽式引射器，以替代發(fā)電廠目前使用的多級(jí)間壁管殼式低壓加熱器。利用壓力較高的凝結(jié)水從工作噴嘴中噴出后，在吸入室內(nèi)形成負(fù)壓，進(jìn)而抽引蒸汽并在混合室內(nèi)進(jìn)行熱量、動(dòng)量與質(zhì)量交換。引射混合式低壓加熱器利用工作流體射流的紊動(dòng)擴(kuò)散作用，使不同的兩股流體相互混合并引發(fā)能量交換，在高溫?zé)嵩聪虻蜏責(zé)嵩捶艧岬倪^程中產(chǎn)生機(jī)械能。引射混合式低壓加熱器具有換熱效率高、體積小、造價(jià)低、啟動(dòng)快、安全可靠、易維護(hù)等特點(diǎn)。
   引射混合式低壓加熱器可分為中心進(jìn)汽-環(huán)周進(jìn)水、環(huán)周進(jìn)汽-中心進(jìn)水兩種形式[3]，后者與前者相比，具有更好的混合加熱效果，由于存在凝結(jié)激波，在加熱的同時(shí)還具有升壓作用。被廣泛應(yīng)用于電力、石化、冶金、輕工、國(guó)防、科研等領(lǐng)域的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，如電廠鍋爐房供水、電廠低壓加熱、真空除氧、低壓蒸汽回收、廢棄排汽回收等，也適用于安全性要求高的核工業(yè)領(lǐng)域[4～7]。本文對(duì)環(huán)周進(jìn)汽-中心進(jìn)水形式引射混合式低壓加熱器的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究。
2 基本構(gòu)造和工作原理
引射混合式低壓加熱器是直接接觸式的汽水換熱器，采用蒸汽作為熱源加熱凝結(jié)水，蒸汽的部分焓轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使高溫?zé)崴隹趬毫Ω哂谀Y(jié)水進(jìn)口壓力[8]。引射混合式低壓加熱器的基本構(gòu)造見圖1。凝結(jié)水在工作噴嘴中進(jìn)行接近絕熱降壓加速過程，將凝結(jié)水進(jìn)行初步降壓加速。由吸入室引入的高速蒸汽與工作噴嘴流出的凝結(jié)水進(jìn)入混合室后，高速蒸汽與低速凝結(jié)水流進(jìn)行直接接觸換熱，部分蒸汽發(fā)生凝結(jié)，凝結(jié)水被加熱至飽和。汽-水的動(dòng)量交換和混合，使水流加速、蒸汽減速。由于汽-水直接接觸的傳熱系數(shù)很大，一般在106W/(m2·K)數(shù)量級(jí)，因此在混合室內(nèi)很快就形成了汽水平衡的高速汽水混合流體。由于汽水混合流體的聲速較單相流體的聲速低得多[4、9]，而此時(shí)汽水混合流體的速度遠(yuǎn)大于其聲速，因此在混合室的某個(gè)截面會(huì)發(fā)生凝結(jié)激波(具體位置隨汽水參數(shù)的改變發(fā)生變化)，造成壓力的突升，到達(dá)擴(kuò)散室后，由于壓力升高，汽水混合流體全部轉(zhuǎn)化成了單相流體——高溫水，此后流體在流動(dòng)過程中速度進(jìn)一步降低，壓力進(jìn)一步升高。
 

圖中d1——工作噴嘴出口直徑，mm
    d3——混合室直徑，mm
    d4——擴(kuò)散室出口直徑，mm
    Lc——工作噴嘴出口距混合室入口距離，mm
    Lm——混合室長(zhǎng)度，mm
    Le——擴(kuò)散室長(zhǎng)度，mm
3 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
   ① 混合室截面積
混合室截面積Am的計(jì)算式為：
 
式中Am——混合室截面積，m2
    qm,m——混合流體的質(zhì)量流量，kg/s
    ρm——混合流體的密度，kg/m3
    vm——混合室出口處混合流體的流速，m/s
    混合流體的質(zhì)量流量為凝結(jié)水質(zhì)量流量與蒸汽質(zhì)量流量之和，可近似認(rèn)為混合流體密度為高溫水的密度，混合室出口處混合流體的流速經(jīng)過建立數(shù)學(xué)模型及質(zhì)量、動(dòng)量、能量方程求得[10]。
    ② 截面比
截面比是影響引射性能的主要幾何參數(shù)，其定義式為：
 
式中m——截面比
    As——工作噴嘴出口截面積，m2
    大量試驗(yàn)研究的結(jié)果表明[6]，截面比的選擇應(yīng)由給定的引射混合式低壓加熱器的工作條件決定，若要獲得較好的加熱效果，應(yīng)選用較大的截面比，但升壓效果不理想。筆者特選取工作噴嘴出口直徑為2、3、4、5mm，對(duì)應(yīng)的截面比分別為10.56、4.69、2.64、1.69。
    ③ 工作噴嘴出口距混合室入口的距離
在工作噴嘴的出口截面上，流束具有均勻的速度場(chǎng)。當(dāng)流束流向性質(zhì)相近的介質(zhì)所充滿的空間時(shí)，由于介質(zhì)的湍流摻混，流束把一部分液體或氣體從這個(gè)空間帶走。從工作噴嘴出來的凝結(jié)水與被抽引的蒸汽一起形成湍流邊界層，邊界層的厚度沿流動(dòng)方向漸漸增大。無論是沿著流束方向還是在流束的截面上，壓力都是一個(gè)常量，自由流束的流動(dòng)就是在這樣的常壓下進(jìn)行的。工作噴嘴出口距混合室入口最適宜的距離由下列條件確定：在計(jì)算引射率下，自由流束的終截面積應(yīng)與混合室入口截面積相等。當(dāng)引射率≤0.5時(shí)，有：
 
式中a——自由流束的試驗(yàn)常數(shù)，對(duì)于彈性介質(zhì)取0.07～0.09[5]
    u——引射率
    qm,s——蒸汽的質(zhì)量流量，kg/s
    qm,w——凝結(jié)水的質(zhì)量流量，kg/s
    ④ 混合室長(zhǎng)度和擴(kuò)散室長(zhǎng)度
    合適的混合室長(zhǎng)度可保證混合流體速度場(chǎng)的均勻。根據(jù)試驗(yàn)資料，混合室長(zhǎng)度Lm通常取6～10倍的混合室直徑，即：
    Lm=(6～10)d3    (5)
    擴(kuò)散室的擴(kuò)展角一般取6°～15°，擴(kuò)散室長(zhǎng)度Le的計(jì)算式為：
    Le=(6～7)(d4-d3)    (6)
4 試驗(yàn)系統(tǒng)與結(jié)果分析
4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)
    試驗(yàn)?zāi)M小型火電廠裝機(jī)容量為6MW的發(fā)電機(jī)組低壓加熱器的工況，被引射蒸汽壓力為0.18～0.20MPa，試驗(yàn)過程中調(diào)節(jié)凝結(jié)水入口壓力，變化范圍為0.04～0.60MPa。試驗(yàn)系統(tǒng)流程見圖2，溫度、壓力采集點(diǎn)緊鄰引射混合式低壓加熱器進(jìn)出口，確保采集結(jié)果接近實(shí)際。試驗(yàn)過程中溫度、壓力采用人工記錄與模塊化數(shù)據(jù)采集兩種方式。
 

    試驗(yàn)中選取對(duì)引射混合式低壓加熱器性能影響顯著的工作噴嘴出口直徑d1和混合室直徑d3作為主要特征參數(shù)，以不同截面比m安排試驗(yàn)，截面比m取10.56、4.69、2.64、1.69時(shí)，對(duì)應(yīng)的d1分別為2、3、4、5mm，引射混合式低壓加熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。試驗(yàn)分別測(cè)試無蒸汽時(shí)引射混合式低壓加熱器的引射能力以及有蒸汽時(shí)的加熱性能。
表1 引射混合式低壓加熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)
m
d1/mm
d3/mm
Lm/mm
Lc/mm
Le/mm
10.56
2
6.5
40
11
20
4.69
3
2.64
4
1.69
5
4.2 引射能力試驗(yàn)
    引射能力指引射混合式低壓加熱器對(duì)被引射蒸汽引射作用的強(qiáng)弱，吸入室負(fù)壓決定引射混合式低壓加熱器對(duì)蒸汽的引射能力，測(cè)試在不打開蒸汽閥門的條件下進(jìn)行。不同截面比下凝結(jié)水入口壓力對(duì)吸入室負(fù)壓的影響見圖3。由圖3可知，吸入室負(fù)壓與凝結(jié)水入口壓力、截面比的關(guān)系密切。隨著凝結(jié)水入口壓力的增大，吸入室負(fù)壓在不斷增大。截面比m=4.69、凝結(jié)水入口壓力為0.55MPa時(shí)，吸入室負(fù)壓可達(dá)到0.065MPa。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，吸入室負(fù)壓能夠有效消除凝結(jié)水沿汽輪機(jī)抽氣管道回流的壓力，伴隨著運(yùn)行工況的變化，吸入室負(fù)壓也會(huì)隨之改變，但是負(fù)壓一直存在，并對(duì)凝結(jié)水回流產(chǎn)生抑制作用，避免汽輪機(jī)發(fā)生事故。
 

    不同截面比下凝結(jié)水入口壓力對(duì)凝結(jié)水流量的影響見圖4。由圖4可知，截面比對(duì)凝結(jié)水流量的影響非常明顯，凝結(jié)水入口壓力一定時(shí)，隨著截面比的變小，凝結(jié)水流量變大。由此可知，在相同凝結(jié)水入口壓力下，工作噴嘴出口直徑的變化對(duì)工作噴嘴內(nèi)阻影響很大，使得凝結(jié)水流量發(fā)生變化。凝結(jié)水的流量過大，必然對(duì)蒸汽進(jìn)入混合室造成影響，因此引射能力試驗(yàn)可為分析后續(xù)的加熱性能試驗(yàn)做好準(zhǔn)備，對(duì)于獲得理想的加熱效果具有重要意義。
 

4.3 加熱性能試驗(yàn)
加熱性能試驗(yàn)?zāi)M火力發(fā)電廠低壓加熱系統(tǒng)的工況，吸入室入口蒸汽壓力保持為0.18MPa，調(diào)整凝結(jié)水入口壓力，待工況穩(wěn)定后記錄各種參數(shù)。加熱性能試驗(yàn)主要測(cè)量不同凝結(jié)水入口壓力下的引射蒸汽量、高溫水出口溫度。
不同截面比下凝結(jié)水入口壓力對(duì)引射蒸汽量的影響見圖5。由圖5可知，相同凝結(jié)水入口壓力， 不同截面比的引射混合式低壓加熱器引射蒸汽量不同，這是由于截面比的改變引起凝結(jié)水流量的變化。截面比小的，工作噴嘴出口直徑大，凝結(jié)水流量也大，產(chǎn)生的負(fù)壓及引射蒸汽量也大。
 

   不同截面比下凝結(jié)水入口壓力對(duì)高溫水出口溫度的影響見圖6。高溫水出口溫度取決于引射蒸汽量和凝結(jié)水流量，是考察引射混合式低壓加熱器加熱性能的重要指標(biāo)之一。由圖6可知，隨著截面比的改變，高溫水出口溫度變化較大。當(dāng)截面比m=1.69時(shí)，高溫水出口溫度比其他3組試驗(yàn)值低。由圖4、5可知，在4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，截面比m=1.69時(shí)的凝結(jié)水流量最大、引射蒸汽量最高，但增大的引射蒸汽量不足以抵消凝結(jié)水流量增大的影響，因此高溫水出口溫度最低。高溫水出口溫度最高的是截面比m=10.56的引射混合式低壓加熱器，高溫水出口溫度可達(dá)110℃。由此可知，對(duì)于引射混合式低壓加熱器性能的考察要全面，不能只關(guān)注引射蒸汽量，應(yīng)綜合考察其加熱性能，選擇合適的截面比，這樣才能獲得較高溫度的高溫水。
 

5 結(jié)論
    ① 引射混合式低壓加熱器的吸入室負(fù)壓在試驗(yàn)壓力范圍內(nèi)隨凝結(jié)水入口壓力增大而變大，凝結(jié)水流量也隨凝結(jié)水入口壓力的增大而變大。
    ② 相同凝結(jié)水入口壓力下，不同截面比的引射混合式低壓加熱器引射蒸汽量不同。截面比小的，工作噴嘴出口直徑大，凝結(jié)水流量也大，產(chǎn)生的負(fù)壓及引射蒸汽量也大。
    ③ 高溫水出口溫度主要受引射蒸汽量及凝結(jié)水流量影響，雖然截面比小的引射混合式低壓加熱器引射蒸汽量較大，但是凝結(jié)水流量也相應(yīng)增大，因此應(yīng)綜合考慮兩者的影響。
    ④ 引射混合式低壓加熱器具有良好的加熱特性，優(yōu)于間壁管殼式低壓加熱器，且能夠解決高壓蒸汽含銅的問題，具有很好的應(yīng)用前景。
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(本文作者：張強(qiáng) 童明偉 劉彬 重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 重慶 400030)